核事故應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 杰 鄭曉磊 龍鵬程 王 芳 汪 進(jìn)

1（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥230031）

2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥230026）

核事故應(yīng)急是為了控制、緩解和減輕核事故后果而采取的不同于正常秩序和正常工作程序的緊急行為，是政府主導(dǎo)、企業(yè)配合、各方協(xié)同統(tǒng)一開展的應(yīng)急行動，是一項(xiàng)技術(shù)性、社會性、政治性很強(qiáng)的社會系統(tǒng)工程，涉及社會多種力量的協(xié)調(diào)配合［1］，是核安全縱深防御的最后一道屏障，是保障核能事業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的重要環(huán)節(jié)［2］。核事故場外應(yīng)急響應(yīng)是地方政府在核事故情況下，為保護(hù)場外公眾免受或減輕場外后果影響而采取的行動［3］，是核應(yīng)急的最高響應(yīng)級別。在我國的三級應(yīng)急響應(yīng)管理體系中，地方核事故應(yīng)急協(xié)調(diào)委員會負(fù)責(zé)統(tǒng)一指揮場外核應(yīng)急響應(yīng)行動［4］。

2011 年3 月11 日，日本本州島東海岸發(fā)生里氏9.0級特大地震，而日本政府在調(diào)動各類水資源時(shí)，由于缺乏高效、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的方案，效率極其低下，致使福島核電站的1～4號機(jī)組相繼發(fā)生大量放射性物質(zhì)泄漏。日本政府啟動場外應(yīng)急響應(yīng)，事故等級最終調(diào)至最高等級（7 級），引發(fā)了全球?qū)耸鹿蕬?yīng)急能力的反思［5-6］。日本福島核事故的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，完善的應(yīng)急救援組織體系和準(zhǔn)確完備的應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)是確保核事故場外應(yīng)急響應(yīng)行動及時(shí)、科學(xué)、高效地開展的前提條件［7］，場外應(yīng)急響應(yīng)行動需要對核事故周邊區(qū)域的各類數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行收集和了解。為此，建立一套信息化、數(shù)字化的核事故應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫是實(shí)施核事故場外應(yīng)急響應(yīng)行動的重要保障。核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)JRODOS 所使用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)PostGres SQL 為應(yīng)急決策支持提供了便捷的查詢和分析能力［8］；劉占陽等［9］面向研究堆事故實(shí)現(xiàn)了基于J2EE 和ESB 的應(yīng)急數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。然而，現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)完備性不足，缺乏基于不同數(shù)據(jù)分類的應(yīng)急決策支持分析。

本文基于GIS地理信息系統(tǒng)，構(gòu)建面向核事故應(yīng)急指揮的核應(yīng)急救援基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)事故信息、應(yīng)急救援力量、救援物資及人口分布情況等的可視化直觀展示與決策支持。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

本系統(tǒng)基于中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所鳳麟團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的數(shù)字社會環(huán)境下的虛擬核電站Virtual4DS平臺進(jìn)行研發(fā)［10-11］。系統(tǒng)以行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、點(diǎn)線面矢量數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)構(gòu)建的業(yè)務(wù)地理信息環(huán)境為核心，結(jié)合核事故應(yīng)急相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，旨在建立具備數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出、應(yīng)急決策等功能，滿足核事故應(yīng)急救援指揮需求的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于MVC的多層架構(gòu)模式，包括數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和界面顯示層等。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

數(shù)據(jù)服務(wù)層包括地圖數(shù)據(jù)、涉核目標(biāo)數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)和放射性核素?cái)?shù)據(jù)，其中地圖數(shù)據(jù)和涉核目標(biāo)數(shù)據(jù)以Shapefile 文件和SQLite 空間數(shù)據(jù)庫兩種矢量數(shù)據(jù)格式存儲，放射性核素?cái)?shù)據(jù)以TIFF和IMG 文件的柵格數(shù)據(jù)格式存儲，文檔數(shù)據(jù)以SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，系統(tǒng)支持連接標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)獲取地理信息數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)邏輯層基于數(shù)據(jù)服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，將各種服務(wù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)地圖操作、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢與可視化展示、應(yīng)用功能等各種綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用。

界面顯示層用于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)操作的人機(jī)交互及可視化顯示，在Visual Studio 2010 環(huán)境下，利用C++語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，并采用Qt 4.8來完成系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)功能

根據(jù)核事故應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的功能需要，本系統(tǒng)主要分為地圖操作模塊、涉核目標(biāo)信息顯示模塊、參考文獻(xiàn)查閱模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、分類查詢與可視化模塊和應(yīng)用功能模塊，如圖2所示。

圖2 核事故應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System function chart of nuclear emergency response database

2.1 地圖操作

系統(tǒng)支持用戶將地圖圖層以SHP 格式的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出和要素編輯等操作，地圖風(fēng)格保存在QGIS 文件中，用戶可通過QGIS 軟件客戶端進(jìn)行圖層的顯示管理。矢量數(shù)據(jù)通過圖層概念存儲，單個(gè)圖層、要素都有自己唯一的ID 或者唯一字段名稱Name 進(jìn)行要素區(qū)分，通過ID 或Name識別實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)以及界面人機(jī)交互數(shù)據(jù)的存儲與傳輸。

2.2 涉核目標(biāo)信息顯示

涉核目標(biāo)信息數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、應(yīng)急力量數(shù)據(jù)、應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)、資源儲備數(shù)據(jù)和支援力量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3 所示。系統(tǒng)基于此關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)設(shè)定范圍內(nèi)涉核目標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與更新。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括涉核目標(biāo)的單位概況和可能發(fā)生的事故類型；地理信息包括涉核目標(biāo)周邊人口分布、地形地貌、氣象水文、交通信息等數(shù)據(jù)信息；應(yīng)急力量包括涉核目標(biāo)所屬應(yīng)急救援專業(yè)力量的編成、配套裝備、數(shù)量等基礎(chǔ)信息；應(yīng)急預(yù)案包括國家、地方及涉核目標(biāo)單位各級制定的核事故應(yīng)急方預(yù)案數(shù)據(jù)；資源儲備包括涉核目標(biāo)周邊儲備的核應(yīng)急裝備、物資和技術(shù)信息數(shù)據(jù)；支援力量包括承擔(dān)涉核目標(biāo)定點(diǎn)支援任務(wù)的應(yīng)急專業(yè)力量的基礎(chǔ)信息。

圖3 涉核目標(biāo)信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖Fig.3 Relationship of information related to nuclear objectives

2.3 參考文獻(xiàn)查閱

參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)包括法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)和案例分析數(shù)據(jù)。本模塊支持對各類核應(yīng)急參考資料的分類展示、查詢與在線閱覽。

法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)分為國家法規(guī)、地方法規(guī)、各涉核單位規(guī)定和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)四類；基礎(chǔ)理論分為核電站基礎(chǔ)知識、核設(shè)施基礎(chǔ)知識和其他基礎(chǔ)知識三類；案例分析分為核電站事故、核設(shè)施事故和其他核事故三類，案例主要提供國內(nèi)外典型核事故發(fā)生過程、原因和對我方啟示。

2.4 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)的錄入、編輯、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出以及系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置功能。系統(tǒng)區(qū)分國家級、地方級和涉核單位三個(gè)層次的數(shù)據(jù)管理權(quán)限，國家級權(quán)限能夠查詢、編輯、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出全部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息；地方級能夠查詢、編輯、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出本省市范圍涉核目標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)信息；涉核單位僅能查詢、編輯、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出本涉核目標(biāo)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

2.5 分類查詢與可視化

系統(tǒng)基于已有地理信息庫，實(shí)現(xiàn)涉核目標(biāo)的地理定位；基于地圖圖形化界面，配合系統(tǒng)查詢選項(xiàng)，可視化顯示涉核目標(biāo)及其周邊應(yīng)急力量、應(yīng)急裝備、保障資源、支援力量的分布情況。

基于涉核目標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)全部涉核點(diǎn)位及其周邊應(yīng)急力量、保障資源、支援力量的精確定位；通過類別選擇，可單獨(dú)在GIS地圖中顯示涉核目標(biāo)周邊應(yīng)急力量、保障資源、支援力量的具體分布情況，指導(dǎo)決策人員進(jìn)行救援隊(duì)伍調(diào)度；通過設(shè)置距離范圍參數(shù)，能夠查詢并可視化顯示涉核目標(biāo)周邊不同距離范圍的周邊地理信息、應(yīng)急力量、應(yīng)急方預(yù)案、保障資源、支援力量分布情況等信息；能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)信息進(jìn)行索引，并支持不同種類信息的組合查詢與可視化顯示。

通過各類救援?dāng)?shù)據(jù)的查詢與可視化展示，可為決策人員進(jìn)行救援隊(duì)伍及物資調(diào)度、救援路徑規(guī)劃等救援方案的制定與優(yōu)化提供快速、可視的數(shù)據(jù)支撐。

2.6 應(yīng)用功能

應(yīng)用功能模塊基于輻射環(huán)境數(shù)據(jù)以及涉核目標(biāo)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為核應(yīng)急決策人員開展核應(yīng)急資源調(diào)配、救援路徑規(guī)劃等應(yīng)急行動方案提供支持。

支持用戶導(dǎo)入放射性核素?zé)熡饠U(kuò)散、輻射場模擬等輔助計(jì)算結(jié)果，并基于實(shí)時(shí)輻射場變化情況，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案中相關(guān)操作干預(yù)水平的標(biāo)準(zhǔn)生成不同區(qū)域撤離、隱蔽、服碘等輻射防護(hù)行動建議；本文根據(jù)實(shí)時(shí)劑量場數(shù)據(jù)、路徑時(shí)間、涉核目標(biāo)周邊應(yīng)急資源分布數(shù)據(jù)，基于改進(jìn)Dijkstra 算法對在救援過程中的集體人員劑量進(jìn)行綜合評估，優(yōu)化場外救援路徑與資源調(diào)度路徑方案，同時(shí)在場內(nèi)基于改進(jìn)的A*算法對維修作業(yè)及人員救援路徑的行進(jìn)時(shí)間、總劑量代價(jià)和平均劑量代價(jià)進(jìn)行對比，規(guī)劃處最優(yōu)路徑。

3 驗(yàn)證案例

依據(jù)《中國的核應(yīng)急》白皮書及《核安全法》對當(dāng)前中國核應(yīng)急能力建設(shè)的要求，本系統(tǒng)主要為核事故后果評價(jià)與決策支持系統(tǒng)的資源調(diào)度、應(yīng)急防護(hù)及應(yīng)急撤離等技術(shù)提供數(shù)據(jù)支持與決策分析。以大亞灣核電站假象氫氣爆炸重特大事故為例，安全殼上方20 m 處產(chǎn)生爆炸破口，直徑約1 m，131I、134Cs、137Cs 等大量放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，事故發(fā)生后需對場外30 km內(nèi)的人員進(jìn)行迅速撤離，救援力量需迅速抵達(dá)事故現(xiàn)場進(jìn)行事故壓制及人員救援行動。據(jù)此，本文構(gòu)建了大亞灣核電站周邊包括地理信息、氣象水文、交通、應(yīng)急力量、支援力量、物資儲備、應(yīng)急預(yù)案、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、典型案例等應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫。在場外應(yīng)急救援過程中，需要適時(shí)決定選用場外應(yīng)急防護(hù)措施、組織民眾撤離的路線推薦、資源調(diào)配方案。大亞灣核電站周邊詳細(xì)信息數(shù)據(jù)分布如圖4 所示。圖4中的地圖圖層為廣東省真實(shí)地圖數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 大亞灣核電站周邊詳細(xì)信息數(shù)據(jù)顯示圖Fig.4 Detail information around Daya Bay Nuclear Power Plant

假設(shè)大亞灣核電站事故發(fā)生后導(dǎo)致放射性核素向周邊擴(kuò)散，可以通過氣象水文信息及地理信息為大氣與水域核素?cái)U(kuò)散提供計(jì)算邊界條件，從而根據(jù)計(jì)算結(jié)果對操作干預(yù)水平進(jìn)行修正，及時(shí)發(fā)布防護(hù)命令，如圖5所示。

圖5 放射性核素?cái)U(kuò)散區(qū)域顯示圖Fig.5 Description of radionuclides dispersion

事故發(fā)生后大亞灣核電站需要在120 min內(nèi)增援救援車輛20 輛，在此過程中需要消耗92#汽油1 000 L，基于本系統(tǒng)對大亞灣核電站周邊150 km范圍內(nèi)儲備有92#汽油的加油站進(jìn)行查詢，為核應(yīng)急決策者提供更為直觀的數(shù)據(jù)展示，如圖6 所示。根據(jù)每個(gè)加油站92#汽油的存儲量以及預(yù)計(jì)用時(shí)自動規(guī)劃調(diào)配方案并生成查詢報(bào)告，如圖7所示。

圖6 大亞灣核電站周邊150 km范圍內(nèi)含有92#汽油加油站信息查詢與可視化圖Fig.6 Information query and visualization of gas station 92 in a 150 km around Daya Bay Nuclear Power Plant

圖7 調(diào)配方案自動規(guī)劃及查詢報(bào)告顯示圖Fig.7 Description of automated planning of deployment scheme and query report

根據(jù)氣象水文信息、地理信息、交通信息以及輻射環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)民眾撤離路線規(guī)劃模型計(jì)算不同路線上的風(fēng)險(xiǎn)值，并在圖上智能推送撤離路線，為決策人員提供支持，如圖8所示。

最后通過應(yīng)急預(yù)案、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、典型案例等數(shù)據(jù)信息查詢?yōu)楹藨?yīng)急決策者提供輔助決策功能，提高決策效率，確保應(yīng)急響應(yīng)過程中符合相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，如圖9所示。

圖8 應(yīng)急撤離路線顯示圖Fig.8 Description of emergency evacuation routes

圖9 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)查詢界面圖Fig.9 Information query of regulatory and standard

結(jié)果表明，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)涉核目標(biāo)周邊信息數(shù)據(jù)的存儲、地圖關(guān)聯(lián)與查詢，并可根據(jù)目標(biāo)需求自動生成資源規(guī)劃調(diào)配、應(yīng)急撤離及應(yīng)急防護(hù)方案，在事故情況下可為應(yīng)急決策人員提供直觀的數(shù)據(jù)展示與方案輔助支持。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的核事故應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核應(yīng)急決策人員提供可視化的數(shù)據(jù)展示平臺。決策人員可以在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)涉核目標(biāo)事故應(yīng)急救援中周邊應(yīng)急力量、應(yīng)急裝備、保障資源、支援力量等的可視化顯示與查詢以及參考文獻(xiàn)資料的在線讀取與操作干預(yù)水平等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的快速查詢，為核事故條件下路徑規(guī)劃、資源調(diào)配、輻射防護(hù)行動建議等應(yīng)急救援決策提供輔助支撐?；诒疚难邪l(fā)系統(tǒng)，未來可支持核事故應(yīng)急救援過程的二維態(tài)勢和三維場景可視化展示，服務(wù)于國家、各省市及地方核應(yīng)急單位的各級核應(yīng)急演練與實(shí)戰(zhàn)，同時(shí)可在國際聯(lián)合應(yīng)急救援中發(fā)揮重要數(shù)據(jù)共享與支撐作用。

致謝對中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所鳳麟團(tuán)隊(duì)的支持和幫助表示衷心感謝。