乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

李思穎，車德慧，楊露萍，楊文韜，張 輝

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

乏燃料是指在核反應(yīng)堆內(nèi)輻照達(dá)到計劃的卸料比燃耗后，從反應(yīng)堆內(nèi)卸出的不再使用的核燃料。由于其仍具有多種工業(yè)、材料上的用途，需要運送至后處理廠進(jìn)一步分離處理[1]，提取有用物質(zhì)?！笆濉逼陂g，我國乏燃料的運輸量急劇增加，核電站所需外運乏燃料為“十二五”的5倍多[2]，現(xiàn)階段單一的公路運輸方式已經(jīng)不能滿足乏燃料的外運需求，有必要研究鐵路運輸?shù)目尚行?。乏燃料運輸具有較大的風(fēng)險。因其含有大量未用完的鈾、釷、裂變產(chǎn)物(FP)和錒系核素(AC)，放射性強(qiáng)，毒性大[3]，一旦泄漏，對環(huán)境、人類、生態(tài)都將產(chǎn)生極大的輻射危害，還會帶來嚴(yán)重的負(fù)面公眾輿論效應(yīng)；乏燃料中的β衰變會釋放大量熱能。因此，根據(jù)乏燃料自身特性，為控制乏燃料鐵路運輸風(fēng)險，保障乏燃料鐵路運輸安全，構(gòu)建乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)，對乏燃料貨包的表面輻射水平、溫度變化及鐵路車輛運行狀況和運行軌跡等方面進(jìn)行全程監(jiān)控，以實現(xiàn)綜合管理和風(fēng)險控制。

1 乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

借助先進(jìn)檢測技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段，對鐵路運輸過程中乏燃料貨包的輻射劑量、溫度、加速度的變化[4-6]，以及鐵路車輛運行狀況和運行軌跡進(jìn)行全程監(jiān)控，為托運人、收貨人、鐵路運輸企業(yè)和國家相關(guān)管理部門提供在途運輸?shù)膶崟r狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況，科學(xué)處置突發(fā)情況。

1.1 系統(tǒng)框架

乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)由貨包數(shù)據(jù)采集前端、列車匯集終端、托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)、管理部門4個部分組成。乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

（1）貨包數(shù)據(jù)采集前端主要通過安裝在貨包上的探頭和傳感器采集貨包的溫度、輻射劑量、加速度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時結(jié)合GPS和我國的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)獲取每個車輛的定位信息。

（2）列車匯集終端是對前端采集到的乏燃料貨包和車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合及傳輸，并設(shè)置相應(yīng)閾值，實現(xiàn)預(yù)報警功能。

（3）托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)則在操作平臺上顯示了貨包實時監(jiān)控、車輛實時狀態(tài)監(jiān)控、報警管理、用戶管理、監(jiān)測裝置安裝管理、應(yīng)急救援管理、參數(shù)設(shè)置等功能模塊，方便隨車人員全面了解貨包及車輛信息，可以及時進(jìn)行操作或處理。

（4）管理部門包括鐵路內(nèi)部系統(tǒng)、托運人內(nèi)部系統(tǒng)、途徑省市相關(guān)部門、國家核安全機(jī)構(gòu)。這些管理部門通過連接系統(tǒng)所預(yù)留的接口，獲取乏燃料鐵路運輸實時信息，對安全問題進(jìn)行監(jiān)管。各管理部門之間進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通，進(jìn)一步保障運輸過程的安全。

1.2 工作流程

系統(tǒng)的工作流程總體可分為運輸啟動、運輸途中、運輸結(jié)束3個步驟。

（1）運輸啟動。裝車后，隨車監(jiān)控人員將監(jiān)測采集設(shè)備電源開啟，進(jìn)行調(diào)試，測試設(shè)備是否可以正常運行，并對車輛信息進(jìn)行核對，對乏燃料鐵路貨包狀態(tài)進(jìn)行判斷。若滿足運輸條件，則允許列車匯集終端的RFID無線射頻識別裝備為本次運輸分配唯一的ID號進(jìn)行標(biāo)識。列車匯集終端實時讀取貨包及車輛電子標(biāo)簽信息并將其發(fā)送至托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)，每一個貨包及車輛都有唯一的標(biāo)簽號。無異常情況，則開始本次運輸。

圖1 乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)框架圖Fig.1 Framework of the spent fuel transportation safety monitoring system

（2）運輸途中。啟運后，貨包數(shù)據(jù)采集前端開始通過傳感器、GPS、北斗定位系統(tǒng)實時采集乏燃料鐵路貨包及車輛的相關(guān)狀態(tài)，并通過藍(lán)牙和LORA無線傳感網(wǎng)按照一定的通信協(xié)議規(guī)則和發(fā)送策略，將組包后的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至列車匯集終端的通信服務(wù)器上。列車匯集終端將接收到的監(jiān)測信息整合，采用AES加密后，通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)。若發(fā)生緊急情況，列車匯集終端可將報警信息發(fā)送至托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)，通過語音播報及液晶屏顯示提醒運輸人員。托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)接受到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)用AES進(jìn)行解密，存儲后通過廣域網(wǎng)上傳至用戶端顯示界面，供托運人進(jìn)行實時的操作、管理。鐵路、國家、途徑省市等相關(guān)管理部門還可接入托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)，了解乏燃料鐵路運輸途中的貨包車輛狀態(tài)，與隨車托運人遠(yuǎn)程聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行監(jiān)管。經(jīng)過途中站點若需卸載一定量的貨物，卸貨信息應(yīng)記錄在托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)中。每經(jīng)過中間站，都應(yīng)及時檢查電源電量及設(shè)備狀態(tài)。

（3）運輸結(jié)束。達(dá)到運輸終點后，托運人員確認(rèn)貨包狀態(tài)無異常后，進(jìn)行卸貨操作。完成卸貨后，關(guān)閉監(jiān)測設(shè)備，運輸全過程將被記錄在托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)查詢、分析研究。

2 乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 貨包數(shù)據(jù)采集前端

貨包數(shù)據(jù)采集前端為高度集成的小型設(shè)備，主要實現(xiàn)在運輸過程中對每個貨包的表面溫度、輻射量(中子、γ劑量率)、加速度等參數(shù)的監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包傳輸至列車匯集終端。設(shè)備內(nèi)置電源，可獨立工作。溫度、中子、γ探頭單獨安置在貨包支架上，提前將防輻照線纜布置在支架的鋼管中，打開模塊電源，當(dāng)系統(tǒng)正常工作后，進(jìn)入低功耗模式。貨包數(shù)據(jù)采集前端包括輻射智能探頭、無線非接觸溫度傳感器、三軸壓電式加速度傳感器、電源、衛(wèi)星定位等模塊。

（1）輻射智能探頭。實現(xiàn)長期穩(wěn)定的現(xiàn)場γ輻射劑量和中子輻射劑量的監(jiān)測，并能夠?qū)崟r進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。輻射智能探頭技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 輻射智能探頭技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical specifications of radiation smart probe

（2）無線非接觸溫度傳感器。乏燃料貨包的無線非接觸溫度傳感器采用H-RA/B系列溫度探頭，主要由紅外光學(xué)鏡頭、濾光片光纖傳導(dǎo)、傳感器和電信號處理單元等組成，能夠探測來自乏燃料貨包的紅外輻射，并根據(jù)其輻射強(qiáng)度確定目標(biāo)的溫度，適合于長距離、較強(qiáng)干擾的鐵路運輸環(huán)境。探頭采用不銹鋼外殼，在安裝及運輸過程中具備良好的防護(hù)能力。其主要的技術(shù)參數(shù)如下。①測量距離：0.2 ～ 10 m。②響應(yīng)時間：10 ～ 150 ms。③工作溫度：0 ～ 60℃。④存儲溫度：-20 ～ 80℃。⑤響應(yīng)波長：1μm/1.6μm/2.2μm/2.6μm/3.9μm/8 ～ 14μm。無線非接觸溫度傳感器組成原理如圖2所示

圖2 無線非接觸溫度傳感器組成原理Fig.2 Structure of non-contact temperature sensor

（3）三軸壓電式加速度傳感器。振動檢測選用三軸壓電式加速度傳感器芯片。三軸壓電式加速度傳感器的功能是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號，當(dāng)它感受到振動信號時，輸出端產(chǎn)生一個與振動加速度成正比的電荷量。其具有體積小、質(zhì)量輕、頻帶寬、可靠性高以及動態(tài)范圍大等優(yōu)勢，三角剪切形式可以大大降低對各種環(huán)境影響(如溫度變化)的靈敏度。三軸壓電式加速度傳感器可配接電荷放大器，為使用方便，還有與之配套的磁座、探針及導(dǎo)線。其主要技術(shù)參數(shù)如下。①測試范圍：±2 g，4 g，8 g。②靈敏度：1 ～ 4 LSB/g。③工作溫度：-30 ～ 75 ℃。④工作電壓：1.6 ～ 3.5 V。⑤帶寬：6.24 ～ 400.00 Hz。

（4）電源模塊。貨包數(shù)據(jù)采集前端采用電池供電，配置容量為20 Ah的可充電式鋰電池，并設(shè)有電池更換口，以便及時更換?？筛鶕?jù)實時運輸狀態(tài)發(fā)送指令來調(diào)整傳輸數(shù)據(jù)頻率，從而在非必要時刻降低功耗，延長電池使用時間。每次中途換裝后，應(yīng)及時對電池進(jìn)行查驗，若電量低于一定值，則需要充電或更換電池。

（5）衛(wèi)星定位模塊。衛(wèi)星定位模塊用來獲取車輛實時狀態(tài)信息，具體內(nèi)容包括車輛的實時位置(經(jīng)度、緯度及海拔高度)、速度、行駛方向和停留時間。定位信息的獲取使用北斗衛(wèi)星和GPS組合定位，將每次采集到的相關(guān)定位信息回傳至接受系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換、動態(tài)糾偏算法和地圖投影，并針對交叉或臨近鐵路線路糾偏錯誤點進(jìn)行剔除或修正，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成GIS地圖中的鐵路位置信息[7]，提高定位的實時性及精確度。

（6）其他模塊。其他模塊包括近場通訊模塊，其通過藍(lán)牙和LORA無線通信將采集到的貨包信息、車輛位置信息傳送至主控MCU。計時模塊將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間上的對應(yīng)，存儲模塊則是對所有的采集信息進(jìn)行儲存。

2.2 列車匯集終端

列車匯集終端主要由GPRS通信模塊，無線通信服務(wù)器及主控CPU組成。無線通信服務(wù)器將各個貨包和車輛的監(jiān)測信息匯集后，做一定的緩存。利用編碼標(biāo)識技術(shù)和射頻識別(RFID)技術(shù)，即通過編碼和乏燃料貨包數(shù)據(jù)采集前端實體設(shè)備之間建立一一映射關(guān)系，RFID讀寫器能自動識別RFID標(biāo)簽信息，標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流發(fā)送出芯片中存儲的數(shù)據(jù)信息。將信息解讀后，加上時間戳，進(jìn)行打包。此技術(shù)利用射頻信號、空間耦合、傳輸特性等實現(xiàn)對每個貨包的自動識別[8]，具有識別速度快、數(shù)據(jù)容量大、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改等優(yōu)點[9]。

采用128位的AES對稱加密算法加密監(jiān)控數(shù)據(jù)，AES加密過程包含4個操作步驟，分別為字節(jié)替代、行移位、列混淆和輪密鑰加，加密輪數(shù)為10輪，解密過程是對應(yīng)的逆操作，可得到超過50 Mb/s的吞吐率。利用非對稱加密算法RES管理AES的密鑰，通過結(jié)合對稱加密算法和非對稱加密算法的優(yōu)勢，能夠更快更安全的對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。

由于每個貨包車輛上都有SIM卡，因而打包處理好的貨包監(jiān)測信息可通過GPRS發(fā)送到托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)。列車匯集終端，實現(xiàn)了貨包監(jiān)測信息的整合和遠(yuǎn)程信號預(yù)警。

2.3 托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)

托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)是個結(jié)合處理器、通信服務(wù)器、顯示器、鍵盤、電池等的便攜式抗震計算機(jī)。通信服務(wù)器根據(jù)約定好的協(xié)議將列車匯集終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包接收，處理器用AES算法進(jìn)行解密處理，判斷分析是否發(fā)生異常，存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫，并通過液晶屏顯示器顯示，以便押運人能方便監(jiān)控及處理。在途乏燃料鐵路運輸用戶端Web界面，主要有以下功能。

（1）貨包狀態(tài)實時監(jiān)控。實時監(jiān)控記錄貨包輻射劑量、溫度、加速度等變化，以及貨包數(shù)據(jù)采集設(shè)備的電池電量，判斷貨包的安全狀態(tài)。監(jiān)測的貨包實時數(shù)據(jù)通過車載設(shè)備可以自動生成《乏燃料鐵路貨包運行記錄》。

（2）鐵路車輛狀態(tài)實時監(jiān)控。包括車輛實時所處的經(jīng)緯度、海拔高度、速度、行駛方向。通過車輛的位置可以確定車輛所在線路及站點，進(jìn)而分析車輛停留時間，判斷是否在站內(nèi)超時保留。

（3）實時報警功能。當(dāng)乏燃料鐵路貨包或鐵路車輛狀態(tài)發(fā)生異常時，如按照國際原子能機(jī)構(gòu)《放射性物質(zhì)安全運輸規(guī)程》中規(guī)定，乏燃料貨包容器的表面輻射劑量應(yīng)小于2 mSv/h，貨包表面溫度上限值為85℃，超過上限值，系統(tǒng)發(fā)出警報，以便托運人及時消除隱患或進(jìn)行救援，避免事故的發(fā)生。

（4）用戶管理。分別為不同身份的用戶提供不同權(quán)限的登陸顯示界面，方便不同的管理者對乏燃料鐵路運輸情況進(jìn)行查看及監(jiān)控，保證系統(tǒng)的完整性和有效性。如后臺編程開發(fā)人員則負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行的維護(hù)，以防系統(tǒng)出現(xiàn)故障。托運人則進(jìn)行車輛及貨包信息的查閱及監(jiān)控，并應(yīng)對報警信息進(jìn)行及時處理。

（5）監(jiān)測裝置安裝管理。每個監(jiān)測裝置都匹配了相應(yīng)的編碼，托運人隨車監(jiān)控中心系統(tǒng)提供監(jiān)測裝置匹配關(guān)系查詢、裝置故障或報廢等功能查詢，方便及時安裝和更換檢修。

（6）應(yīng)急救援管理。系統(tǒng)預(yù)留了與相關(guān)機(jī)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)的接口，當(dāng)乏燃料鐵路貨包或者車輛發(fā)生事故或異常時，提供應(yīng)急預(yù)案查詢、應(yīng)急機(jī)構(gòu)及人員查詢等，并將事故或異常狀態(tài)等信息發(fā)送至鐵路相關(guān)部門，按《乏燃料鐵路運輸事故應(yīng)急預(yù)案》啟動預(yù)案予以施救。視情況而定是否需通知國家核應(yīng)急相關(guān)單位，同時系統(tǒng)自動保存事故發(fā)生前后所有數(shù)據(jù)，以及事故處理過程中相關(guān)信息，供事后查看分析。

（7）參數(shù)設(shè)置?？蛇M(jìn)行各種監(jiān)測的參數(shù)設(shè)置操作，包括報警閾值設(shè)置、糾偏閾值設(shè)置以及各種設(shè)施設(shè)備的參數(shù)設(shè)置等，并可以根據(jù)實際情況對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)束語

乏燃料鐵路運輸?shù)娜^程應(yīng)受到國家核安全部門、鐵路內(nèi)部系統(tǒng)、托運人內(nèi)部系統(tǒng)及途經(jīng)省市相關(guān)部門的監(jiān)管。為確保乏燃料運輸安全，及時處理運輸過程中的情況和事故，有效組織應(yīng)急與安保，研究設(shè)計乏燃料鐵路運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成核電子學(xué)與核監(jiān)測、北斗衛(wèi)星列車定位、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸?shù)痊F(xiàn)代化技術(shù)，可實現(xiàn)乏燃料鐵路運輸監(jiān)控的智能化，提高了運輸?shù)陌踩院蛻?yīng)急處置的及時性，為今后開展鐵路乏燃料運輸提供了保障，具有一定的市場與應(yīng)用前景。今后，應(yīng)進(jìn)一步研究探索與現(xiàn)行鐵路應(yīng)急管理模式有效對接、與國家及沿途地方應(yīng)急部門實現(xiàn)聯(lián)動等問題。