核電廠冷源海生物探測(cè)預(yù)警及決策支撐系統(tǒng)研究

孟亞輝，劉磊，郭顯久，劉寧，劉揚(yáng)

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州215004；2.交通運(yùn)輸部東海救助局，上海200090；3.大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧省海洋信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023；4.大連電子學(xué)校，遼寧 大連116023；5.大連松遼玻璃船舶有限公司，遼寧 大連116035)

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)核電廠建在海邊和湖泊附近，以方便取用冷卻水。取水口是核電廠的重要水源地，核電廠大部分設(shè)備的冷卻水和廠用水均通過取水口獲得。因此，取水口冷源的可靠性直接影響核電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

近年來，隨著全球大環(huán)境的變化，核電廠取水口堵塞事件頻繁發(fā)生，2004—2008年國(guó)內(nèi)外共有61起，其中大部分事件都引起了機(jī)組的降功率，部分引起了停堆，還有部分事件甚至直接對(duì)核電廠安全相關(guān)系統(tǒng)造成了影響[1]。2009年，法國(guó)CRUAS核電廠4號(hào)機(jī)組被大量水草入侵，水草堵塞泵站的過濾系統(tǒng)，造成4號(hào)機(jī)組喪失冷源，操縱員降低機(jī)組功率20%。EDF公司統(tǒng)計(jì)，從20世紀(jì)80年代至今，EDF電廠累計(jì)發(fā)生由于冷源問題引起的CRF跳泵上百次，據(jù)此EDF電廠啟動(dòng)了AP0503取水口和泵站冷源保障項(xiàng)目研究[2]。EPRI 1020524報(bào)告對(duì)美國(guó)77家電廠進(jìn)行了取水口堵塞問題的調(diào)研和信息收集，調(diào)研包括各電廠出現(xiàn)的海生物種類、特點(diǎn)，以及各電廠取水口和泵站的配置，給出了各電廠針對(duì)取水口堵塞問題采取的成功治理經(jīng)驗(yàn)反饋和設(shè)備改進(jìn)建議[3-4]。2016年4月，國(guó)家核安全局通報(bào)表明，中國(guó)核電廠發(fā)生了數(shù)起由于海洋生物 (以下簡(jiǎn)稱海生物)或海洋異物堵塞取水系統(tǒng)從而影響取水安全的事件[5]，并公開了5起海洋生物或異物影響核電廠取水安全的典型事件。在頻發(fā)的海生物入侵風(fēng)險(xiǎn)下，濱海核電廠的冷源保障問題日益突出，如何從源頭上一攬子解決各電廠面臨的冷源問題成為當(dāng)務(wù)之急。為此，國(guó)家核安全局要求核電營(yíng)運(yùn)單位建立預(yù)警和預(yù)防機(jī)制。針對(duì)日益惡化的水源環(huán)境，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一系列分析研究和技術(shù)改進(jìn)[6-7]。中廣核集團(tuán)在各營(yíng)運(yùn)電廠對(duì)海生物入侵問題也采取了一系列攔截和防治措施，比如在取水口前加裝全斷面式的攔截濾網(wǎng)對(duì)海生物進(jìn)入取水口實(shí)現(xiàn)預(yù)攔截，應(yīng)對(duì)海面溢油的雷達(dá)探測(cè)裝置等，雖緩解了部分海生物入侵的問題，但面對(duì)變化多樣的海洋環(huán)境和海生物種類仍存在缺陷和不足。而且核電廠冷源安全保障目前基本上全部靠人工處置，也沒有探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)作為技術(shù)支撐。

本研究中，以紅沿河核電廠為例，從全面提高核電廠冷源可靠性的目的出發(fā)，研究以海生物探測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一種海生物探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及決策支撐系統(tǒng)，能夠探測(cè)和估計(jì)海生物入侵強(qiáng)度和分布密度，并且能夠?qū)⑿畔l(fā)送給相關(guān)人員，從而系統(tǒng)地提高核電廠冷源風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力，進(jìn)一步指導(dǎo)電廠從冷源各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)防范環(huán)節(jié)入手，完善和提高現(xiàn)有的冷源風(fēng)險(xiǎn)防范行動(dòng)，彌補(bǔ)現(xiàn)有防范行動(dòng)的不足之處，從縱深防御的角度協(xié)調(diào)海生物預(yù)警、探測(cè)、防范等措施的功能關(guān)系，為全面提高核電廠冷源可靠性提供技術(shù)支持。

1 核電廠冷源海生物探測(cè)預(yù)警及支撐系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

核電廠冷源海生物探測(cè)預(yù)警及支撐系統(tǒng)包括前端智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、預(yù)警與決策系統(tǒng)3大主要部分，以綜合聲吶探測(cè)技術(shù)、雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、水下紅外探測(cè)技術(shù)和水下微光成像技術(shù)等構(gòu)成取水口的監(jiān)測(cè)網(wǎng)路。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，建立浮標(biāo)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水域生物及異物遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。建立數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理，并在電腦客戶端和手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，為工作人員提供應(yīng)急決策支撐。客戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問服務(wù)器，獲取所需信息。海生物探測(cè)預(yù)警及支撐系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 海生物探測(cè)預(yù)警及支撐系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System frame diagram of early warning and decision support system for marine organisms

本研究中所采用的探測(cè)方法有聲吶探測(cè)技術(shù)、微光圖像識(shí)別技術(shù)、海上雷達(dá)掃描技術(shù)和衛(wèi)星遙感觀測(cè)技術(shù)。這些不同探測(cè)技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，具有多種不同的存儲(chǔ)形式和格式，包括以專有格式或數(shù)據(jù)文件形式存儲(chǔ)，以文本、表格、柵格和矢量形式在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，從而形成異質(zhì)異構(gòu)的多源海洋數(shù)據(jù)集合。面對(duì)大量的多源海洋數(shù)據(jù)集，若進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用和檢索，會(huì)帶來諸多不便，因此，本研究中需要考慮進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)優(yōu)化處理。

除海生物外，紅沿河取水口冬季海冰也會(huì)威脅冷源安全，主要包括大冰塊堵塞、碎冰下潛、冰絮驟凝。針對(duì)這些問題，可采用雷達(dá)監(jiān)測(cè)、光學(xué)設(shè)備等多種手段聯(lián)合探測(cè)，探索堵塞程度觀測(cè)技術(shù)，建立預(yù)警指標(biāo)，形成應(yīng)急措施，編制應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)而建立海冰管理模式。

2 智能浮標(biāo)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)是海洋探測(cè)中非常重要的載體，能夠完成多任務(wù)多維度的探測(cè)需求[8-10]。本系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)為魚蝦等中小型海生物，海藻等微小浮游生物，紅沿河海冰等海上漂浮物，水母、海地瓜等低等生物。探測(cè)方式分別為聲吶探測(cè)技術(shù)、微光圖像識(shí)別技術(shù)、水上雷達(dá)掃描技術(shù)等，這些探測(cè)設(shè)備需要有較好的搭載設(shè)備。智能浮標(biāo)用于搭載監(jiān)測(cè)設(shè)備，其技術(shù)研發(fā)首先考慮浮標(biāo)本身的供電、通信、信號(hào)等技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)具有開放的搭載，能夠兼容本系統(tǒng)所涉及的設(shè)備，且能夠提供可靠的運(yùn)行平臺(tái)。

浮標(biāo)體采用玻璃鋼材質(zhì)，考慮到風(fēng)浪流對(duì)浮標(biāo)穩(wěn)定性的影響，可在浮標(biāo)艙底進(jìn)行配重。另外，考慮到臺(tái)風(fēng)天氣的影響，在浮標(biāo)外部加裝支架，在水下部分進(jìn)行壓載，提高了浮標(biāo)的穩(wěn)定性，如圖2所示。智能浮標(biāo)系統(tǒng)主要包括3部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和浮標(biāo)自身監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示。具體包括光伏充電模塊、電源管理模塊、GPS信號(hào)、衛(wèi)星傳輸模塊、傾斜度傳感器、LED航標(biāo)燈、3G/4G通訊模塊、風(fēng)速風(fēng)向儀、ADCP等，以及艙門是否打開報(bào)警、浮標(biāo)是否進(jìn)水報(bào)警。通過開發(fā)智能浮標(biāo)作為較為固定的搭載手段，并結(jié)合取水口陸基固定方式安裝探測(cè)器，可采用多點(diǎn)位布置達(dá)到探測(cè)屏障的目標(biāo)。

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)核電廠冷源海域探測(cè)預(yù)警及決策支持系統(tǒng)通訊方式的需要，分別開發(fā)了衛(wèi)星通訊收發(fā)模塊、移動(dòng)WIFI通訊模塊、移動(dòng)短信收發(fā)模塊、塔式信號(hào)處理模塊和光纖通訊收發(fā)模塊。其中，衛(wèi)星通訊收發(fā)模塊和移動(dòng)WIFI通訊模塊是兩種主要的通訊方式，在通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，兩者有優(yōu)先級(jí)的考慮，當(dāng)WIFI通訊模塊正常工作時(shí)，衛(wèi)星通訊收發(fā)模塊處于備用狀態(tài)，一旦WIFI設(shè)備發(fā)生故障影響數(shù)據(jù)通訊時(shí)，將啟用衛(wèi)星通訊收發(fā)模塊，及時(shí)將信號(hào)傳送給服務(wù)器。移動(dòng)短信模塊具有主動(dòng)和被動(dòng)兩種工作模式，通常工作為被動(dòng)方式，主要是輔助接受工作人員不在控制區(qū)域時(shí)發(fā)出的控制命令短信，主動(dòng)方式是將設(shè)備的重要信息以短信的形式反饋給工作人員。當(dāng)探測(cè)設(shè)備離岸較近時(shí)，可采用光纖通訊方式。塔式信號(hào)主要是與浮標(biāo)配合使用。

圖2 智能浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the intelligent buoy

圖3 智能浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Diagram system of the intelligent buoy

3 預(yù)警及決策支撐系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

預(yù)警及決策支撐系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過數(shù)據(jù)的采集分析進(jìn)行預(yù)警和決策[11-13]。通過對(duì)核電廠海域小目標(biāo)的識(shí)別，開發(fā)通訊與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和預(yù)警決策終端平臺(tái)。將采集到的海生物信息通過多源信息融合技術(shù)對(duì)多種探測(cè)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析，得到海生物入侵報(bào)警模型，再通過監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行信息發(fā)布。

3.1 探測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在核電廠冷源海域探測(cè)預(yù)警及決策支持系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊的功能包括采集聲吶探測(cè)器、微光成像攝像機(jī)、風(fēng)速風(fēng)向儀、水質(zhì)等傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)框圖Fig.4 System diagram of data acquisition module

本設(shè)計(jì)中，考慮到采集模塊將會(huì)用在海上船舶或其他搭載設(shè)備上，因此，設(shè)計(jì)了耐壓防水外殼，所有模塊間的連接均為水密接頭。鑒于海上干擾因素較多，根據(jù)采集模塊抗干擾能力設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集隔離模塊，以保證采集數(shù)據(jù)的正確性。在通訊方式上，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集通訊模塊和通訊接口兼容模塊，兼容支持多種通訊方式與不同種類設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，支持通過RS232、RS485、CAN、以太網(wǎng)、移動(dòng)GPRS、CDMA、GSM、WiFi網(wǎng)絡(luò)等方式和控制設(shè)備進(jìn)行通訊[13-14]。支持與國(guó)內(nèi)外主流的PLC、SCADA軟硬件、DCS等設(shè)備的通信與聯(lián)網(wǎng)等，支持通過OPC等方式與信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，支持以O(shè)PC、MODBUS等協(xié)議對(duì)外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)完成聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)還開發(fā)了數(shù)據(jù)采集輸入輸出接口快速開發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊SDK開發(fā)包和數(shù)據(jù)采集模塊故障診斷系統(tǒng)，不僅可以快速配置輸入輸出接口，而且其中的采集模塊還具有自診斷功能。

因此，實(shí)際操作中可通過有線或無線方式進(jìn)行采集，該采集系統(tǒng)可根據(jù)傳感器的數(shù)量進(jìn)行通訊接口的靈活方便配置，具體如圖5所示。工作中可以方便配置數(shù)據(jù)采集模式，查看各連接端口數(shù)據(jù)，并及時(shí)處理下位機(jī)采集數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

數(shù)據(jù)處理平臺(tái)主要是將采集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和預(yù)處理，并通過多源信息融合技術(shù)進(jìn)行分析，將其變成所需數(shù)據(jù)，如圖6所示。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各種探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，在此過程中需要研究數(shù)據(jù)分析算法，充分利用現(xiàn)有的圖形分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[14-17]。此外，還需將數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，對(duì)于有些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理，針對(duì)數(shù)據(jù)斷傳問題，平臺(tái)中還開發(fā)了數(shù)據(jù)自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)，以維護(hù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。將處理結(jié)果輸出到預(yù)警監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型，通過模型進(jìn)行分析，并給出報(bào)警信息。用戶通過電腦客戶端可以登錄并查看相關(guān)信息，還可根據(jù)權(quán)限對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行相應(yīng)的管理。報(bào)警海域會(huì)在GIS系統(tǒng)上顯示處理，方便值班人員進(jìn)行定位，及時(shí)處理報(bào)警信息。在系統(tǒng)中還可以加載數(shù)據(jù)優(yōu)化處理方法，具體功能為：

圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.5 Data acquisition module of host computer

圖6 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)Fig.6 Data processing platforms

(1)解決穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和運(yùn)動(dòng)聲源輻射聲場(chǎng)空間重構(gòu)，以及噪聲源識(shí)別與精確定位，提高噪聲源識(shí)別定位精度和工作頻帶范圍。

(2)通過噪聲分析，識(shí)別振動(dòng)噪聲問題。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)分為兩種情況：一是目標(biāo)明確，數(shù)據(jù)直接進(jìn)行分析；二是目標(biāo)模糊，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊算法相結(jié)合，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)是將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類顯示。通過預(yù)警模型進(jìn)行預(yù)警閾值的設(shè)定，并且具有GIS位置顯示系統(tǒng)、集控室監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)、工作人員值班系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、專家干預(yù)系統(tǒng)和安全保密系統(tǒng)。最終能夠分析、判斷水域異常信息，并通過服務(wù)器、手機(jī)客戶端做出預(yù)警，界面友好，如圖7所示。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)多傳感器信號(hào)融合，經(jīng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)優(yōu)化處理后，可成像顯示；(2)跟蹤目標(biāo)可在GIS上采用二維形式和三維立體形式呈現(xiàn)；(3)集中控制室監(jiān)控、預(yù)警系統(tǒng)、工作人員值班系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多界面交互。

圖7 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)Fig.7 Monitoring alarm system

4 結(jié)論

本研究中提出并研究了一種核電廠冷源海生物探測(cè)預(yù)警及決策支撐系統(tǒng)，通過建立浮標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心和預(yù)警決策系統(tǒng)，完成對(duì)取水口附近海域海生物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行存儲(chǔ)分析和處理，根據(jù)預(yù)警模型，為用戶在電腦和手機(jī)客戶端上顯示監(jiān)測(cè)信息，為冷源運(yùn)行人員提供決策支撐，整體提高了核電廠冷源的安全性和可靠性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠根據(jù)不同海域進(jìn)行個(gè)性化配置。

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