核技術(shù)利用輻射安全監(jiān)管時(shí)空分布模型

徐清越， 左 敏*， 張青川， 何思宇

(1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術(shù)及應(yīng)用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100048； 3.食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

郭承站[1]研究表明核安全是核能與核技術(shù)利用事業(yè)的生命線，是國(guó)家安全的重要組成部分，是指對(duì)核設(shè)施、核活動(dòng)、核材料和放射性物質(zhì)采取必要和充分的監(jiān)控、保護(hù)、預(yù)防和緩解等安全措施，防止由于任何技術(shù)原因、人為原因或自然災(zāi)害造成事故，安全監(jiān)管工作是非常重要且必須的，因此通過(guò)時(shí)空分布建模為監(jiān)管人員的工作安排與調(diào)度提供依據(jù)是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

在核技術(shù)利用設(shè)備安全使用上，文獻(xiàn)[2]運(yùn)用中子噪聲分析技術(shù)，對(duì)核電站堆芯吊籃梁型震動(dòng)特性進(jìn)行研究，為堆芯吊籃早起故障診斷奠定基礎(chǔ)，能夠有效避免因異常振動(dòng)而導(dǎo)致的事故。

在時(shí)空分布模型方面也有一定的研究。文獻(xiàn)[3]利用時(shí)空數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。文獻(xiàn)[4]提出了改進(jìn)停車生成率模型與不同建設(shè)用地停車時(shí)間長(zhǎng)度的分布特性結(jié)合，描述某一地區(qū)總的汽車停放時(shí)空分布特性。文獻(xiàn)[5]基于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)船舶系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)空建模，便于船舶系統(tǒng)中的空間實(shí)體在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析層中進(jìn)行表達(dá)和處理。文獻(xiàn)[6]從出租車形式軌跡中提取優(yōu)質(zhì)客源信息與時(shí)空分布規(guī)律，為提高出租車運(yùn)營(yíng)效率提供科學(xué)依據(jù)。文獻(xiàn)[7]針對(duì)水資源時(shí)空分布不均勻度的定量描述難點(diǎn)，基于云模型對(duì)水資源時(shí)空分布特征進(jìn)行了定量研究。文獻(xiàn)[8]對(duì)太陽(yáng)輻射的時(shí)空分布差異進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]提出了考慮最優(yōu)時(shí)滯因子的高速公路時(shí)空模型，解決了高速公路短時(shí)交通流預(yù)測(cè)問(wèn)題。

但目前在核技術(shù)利用輻射安全監(jiān)管方面沒(méi)有建立時(shí)空分布模型，這使得監(jiān)管效率與核利用安全得不到保障。根據(jù)監(jiān)管相關(guān)屬性與數(shù)據(jù)建立核安全監(jiān)管時(shí)空分布模型。

徐志立[10]研究表明，進(jìn)行監(jiān)管效果定量評(píng)估時(shí)，需要從不同層面描述監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。因此建立核技術(shù)利用設(shè)備持有單位風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分模型，可為監(jiān)管工作的合理安排與有效進(jìn)行提供依據(jù)，為核技術(shù)利用設(shè)備的安全使用提供保障。

1 時(shí)空多維度數(shù)據(jù)分析模型

為保障設(shè)備的安全使用，核安全監(jiān)管單位會(huì)在一定期限內(nèi)，對(duì)擁有核技術(shù)利用設(shè)備的單位進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括輻射安全防護(hù)設(shè)施與運(yùn)行情況、管理制度、法規(guī)執(zhí)行情況等。監(jiān)管不到位可能會(huì)增加設(shè)備使用風(fēng)險(xiǎn)；過(guò)度監(jiān)管可能會(huì)影響設(shè)備的使用；監(jiān)管時(shí)間過(guò)于集中(或疏散)可能會(huì)讓不正當(dāng)使用設(shè)備的單位有可趁之機(jī)。

王湘艷等[11]研究表明，單一類型的評(píng)價(jià)指標(biāo)受其他不確定性影響較大，需采用多角度的評(píng)價(jià)體系才能全面準(zhǔn)確反映核安全監(jiān)管的制約因素。因此，研究將圍繞檢查工作的時(shí)、空兩大方面設(shè)立監(jiān)管合理性評(píng)價(jià)指標(biāo)，即時(shí)間均勻度、空間完成度，并按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的不同在指標(biāo)計(jì)算中適當(dāng)加入不同的權(quán)重，增加模型的復(fù)現(xiàn)性與合理性。

1.1 時(shí)間均勻度

定義1檢查發(fā)生年總天數(shù)Y是指檢查發(fā)生的這一年的總天數(shù)。

定義2設(shè)G為核技術(shù)利用安全檢查機(jī)構(gòu)集合，G={G1,G2,…,Gm}。

定義3設(shè)C為檢查發(fā)生年總檢查工作集合，C={C1,C2,…,Ck}，|C|=k指該年內(nèi)檢查工作總次數(shù)，檢查單位Gi檢查發(fā)生年總檢查次數(shù)為|Ci|。

定義4設(shè)K為檢查發(fā)生年每輪計(jì)算的檢查實(shí)際發(fā)生日期，K={K1,K2,…,K|C|}。

定義5設(shè)S為檢查發(fā)生年每輪計(jì)算的檢查應(yīng)發(fā)生日期，S={S1,S2,…,S|C|}，設(shè)S0為每年的第一天，第j次檢查的應(yīng)發(fā)生日期為Sj，Sj=Sj-1+hi，hi為期望間隔。

定義6時(shí)間均勻度是指檢查機(jī)構(gòu)執(zhí)行檢查工作在時(shí)間維度上的均勻程度(即工作密集或稀疏程度)。若檢查工作過(guò)于集中在某些時(shí)期，可能會(huì)影響設(shè)備的使用，或?qū)е虏糠趾思夹g(shù)利用單位只在這一時(shí)期做形式化安全工作，讓檢查工作形同虛設(shè)；若檢查工作過(guò)于稀疏，即監(jiān)管不到位，會(huì)大大增加核技術(shù)利用設(shè)備危險(xiǎn)使用的可能性，造成嚴(yán)重的后果。時(shí)間均勻度的具體計(jì)算步驟如下。

(1) 計(jì)算檢查機(jī)構(gòu)Gi該年檢查工作次數(shù)，最均勻的期望間隔：

(1)

(2) 計(jì)算檢查實(shí)際該發(fā)生日期與實(shí)際發(fā)生日期的第j次單次偏差率fj，循環(huán)迭代|Ci|次，得到檢查機(jī)構(gòu)Gi在這一年中所有檢查工作的偏差率：

(2)

(3) 計(jì)算檢查機(jī)構(gòu)Gi在檢查發(fā)生年中|Ci|次檢查工作的平均偏差率：

(3)

(4) 計(jì)算時(shí)間均勻度Ui，并將其的值映射為[0,1]上的數(shù)，表達(dá)檢查均勻程度：

(4)

1.2 空間完成度

(5)

定義10檢查工作完成情況是指檢查機(jī)構(gòu)Gi在該檢查發(fā)生年中工作的完成情況，即Di中的工作覆蓋率，可表示為

(6)

定義11空間完成度Fi是指檢查機(jī)構(gòu)執(zhí)行檢查工作完成情況與完成合理狀況的綜合考慮，并將其的值映射為[0,1]上的數(shù)，反映檢查工作的完成程度與工作合理程度，為工作安排與調(diào)度提供依據(jù)，檢查機(jī)構(gòu)Gi的空間完成度表示為

(7)

1.3 核技術(shù)利用設(shè)備持有單位風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

現(xiàn)采用CNN對(duì)核技術(shù)利用設(shè)備持有單位風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類預(yù)測(cè)。

CNN是一種自動(dòng)特征學(xué)習(xí)與分類的方法，基本結(jié)構(gòu)為輸入層、若干卷積層(convolutional layer)、若干池化層(pooling layer,也稱為取樣層)、全連接層及輸出層[12]，優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)權(quán)值共享使網(wǎng)絡(luò)中可訓(xùn)練的參數(shù)變少，降低了網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度，減少過(guò)擬合，從而獲得了更好的泛化能力，使得網(wǎng)絡(luò)更易于訓(xùn)練[13]，相比于淺層分類器，這種含有多層隱含節(jié)點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更好地構(gòu)建數(shù)據(jù)模型[14]。

結(jié)合核技術(shù)利用設(shè)備持有單位許可證種類(生產(chǎn)、銷售、使用)與范圍(Ⅰ類放射源、Ⅱ類放射源、Ⅲ類放射源、Ⅳ類放射源、Ⅴ類放射源、Ⅰ類射線裝置、Ⅱ類射線裝置、Ⅲ類射線裝置)，核素種類、在用放射源總數(shù)及各類放射源數(shù)量、在用射線裝置總數(shù)及各類射線裝置數(shù)量等屬性訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，使其根據(jù)輸入屬性自動(dòng)分類輸出單位對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(高、中、低3類輸出結(jié)果)，分別對(duì)應(yīng)年應(yīng)檢查次數(shù)——3次、2次、1次，即對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分別為3、2、1。

因此定義輸出結(jié)果為一個(gè)二元組Rout=，s為被檢單位風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，p為該單位對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重。

各核技術(shù)利用單位風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類后，按照對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重值帶入空間完成度的計(jì)算，具體計(jì)算步驟如下。

設(shè)立以下規(guī)則：①當(dāng)αj>βj時(shí)，δj=βj；②當(dāng)αj<βj時(shí)，δj=αj-βj；③當(dāng)αj=βj時(shí)，δj=αj=βj。因此，

(8)

(9)

(3)計(jì)算合理系數(shù)σ。

(10)

(4)計(jì)算空間完成度F權(quán)。

(11)

2 實(shí)驗(yàn)

本模型為開(kāi)創(chuàng)式模型，根據(jù)核安全監(jiān)管特性建立適應(yīng)模型，為安全檢查工作的安排與調(diào)度提供直觀可視化與指標(biāo)可參考化的決策依據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，以山西省運(yùn)城市環(huán)保局開(kāi)發(fā)科2017年數(shù)據(jù)為例。

為了更好地證明模型的有效與合理性，實(shí)驗(yàn)將模型輸出指標(biāo)值與專家評(píng)定值進(jìn)行比較，得出在何種綜合值計(jì)算系數(shù)下，該檢查單位綜合值與專家評(píng)估值最為接近。

2.1 綜合指數(shù)

定義14設(shè)q為實(shí)際輸入的指標(biāo)值計(jì)算出的檢查工作指標(biāo)綜合值，λ1、λ2為綜合值計(jì)算權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)專家意見(jiàn)，時(shí)間均勻度對(duì)于監(jiān)管工作的有效進(jìn)行起到更加重要的衡量作用，所以在計(jì)算綜合指數(shù)時(shí)，應(yīng)加大時(shí)間均勻度的比重。為了方便后期的比對(duì)與統(tǒng)一化管理，將綜合值計(jì)算結(jié)果歸一化為[0,1]之間的數(shù)。綜上，綜合值計(jì)算公式如式(12)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

(12)

圖1 綜合值對(duì)比專家評(píng)定值Fig.1 Comparison of comprehensive value and expert rating

結(jié)果表明，在綜合值的計(jì)算中，λ1的取值在0.6附近(λ2的值在0.4附近)時(shí)，計(jì)算結(jié)果與專家評(píng)定值更為接近。

2.2 合理系數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重的選擇

表1 各系數(shù)與權(quán)重方案計(jì)算結(jié)果

圖2 各系數(shù)與權(quán)重方案對(duì)比專家評(píng)估Fig.2 Comparison of the results of each program with the expert evaluation

2.3 指標(biāo)性能對(duì)比

獲取多地區(qū)多時(shí)間段的數(shù)據(jù)，由檢查管理部門進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)注，標(biāo)注出該時(shí)間段內(nèi)的檢查工作的合理程度，標(biāo)注完成的數(shù)據(jù)用來(lái)作為判斷指標(biāo)合理性與有效性的依據(jù)，數(shù)據(jù)與標(biāo)注人員均來(lái)自環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心。

設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)體現(xiàn)本研究評(píng)價(jià)指標(biāo)和傳統(tǒng)時(shí)空指標(biāo)及管理部門原本使用的基礎(chǔ)指標(biāo)之間的性能差異，即評(píng)價(jià)指標(biāo)將合理的檢查工作和不合理的檢查工作所映射的評(píng)價(jià)值的分離程度。將該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為分離度(separation)，具體地說(shuō)，設(shè)數(shù)據(jù)集內(nèi)有n份已標(biāo)注是否合理的檢查工作，如C合理={C1,C2,…，Ci}，C不合理={Ci+1,Ci+2,…,Cn}，C=C合理∪C合理。使用各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)每份工作進(jìn)行評(píng)價(jià)值的計(jì)算，每種評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠得到一組對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)值：

a合理={a1,a2,…，ai}，a不合理={ai+1,ai+2,…，an}。

(13)

為防止實(shí)驗(yàn)的偶然性影響，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，最后取分離度的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 指標(biāo)分離度對(duì)比結(jié)果

由表2容易看出，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有考慮到特殊領(lǐng)域的特性，評(píng)價(jià)起來(lái)比較單一和籠統(tǒng)，分離度普遍不高，不適合作為核安全監(jiān)管工作的評(píng)價(jià)指標(biāo)；環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心原本使用的基礎(chǔ)指標(biāo)在分離度上稍有提升，但沒(méi)有考慮到各核技術(shù)利用單位的差異性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理，不利于核安全監(jiān)管工作的開(kāi)展。本研究提出的綜合指標(biāo)，在分離度上有很大的提高，說(shuō)明該指標(biāo)能夠全面地表示出監(jiān)管工作現(xiàn)在的進(jìn)行狀況，能夠準(zhǔn)確地反映工作安排的時(shí)空性問(wèn)題，能夠幫助核安全監(jiān)管工作的安排與實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有效的量化管理。

3 結(jié)論

針對(duì)核安全監(jiān)管工作安排與調(diào)度問(wèn)題，提出一種基于指標(biāo)設(shè)立于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的時(shí)空分布多維度分析模型。時(shí)空分布指標(biāo)為核技術(shù)利用監(jiān)管提供可量化管理手段，并整合企業(yè)多屬性對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)單位采用適應(yīng)的監(jiān)管方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建模型能夠全面規(guī)避監(jiān)管漏洞與片面性，產(chǎn)生直觀易懂的有效工作安排與調(diào)度依據(jù)，保障核安全高效合理化執(zhí)行。