核電廠集成式污染監(jiān)測和劑量管理系統(tǒng)開發(fā)與應用

楊策明，張礫支(國核示范電站有限責任公司，山東 榮成，264312)

李林珊(中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川 綿陽，621000)

個人輻射劑量和放射性污染事件的管理是核電廠輻射防護工作的重點。國內一些商運核電廠已經(jīng)在污染監(jiān)測和劑量管理系統(tǒng)的開發(fā)方面做過一些工作，例如中廣核集團的劑量聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(PDUS)將輻射工作許可證任務信息與控制區(qū)進出控制系統(tǒng)中的人員信息進行了一定程度的關聯(lián)，并實現(xiàn)了多基地輻射工作人員授權和個人劑量信息的統(tǒng)一管理[1]。

個人劑量監(jiān)測和放射性污染監(jiān)測主要依靠熱釋光劑量計(TLD)、電子劑量計(EPD)、人員放射性污染監(jiān)測儀(C1門、C2門)、全身計數(shù)器等設備，但是上述設備的數(shù)據(jù)接口往往不向用戶開放，相關系統(tǒng)和設備之間的數(shù)據(jù)無法聯(lián)通。因此，核電廠普遍面臨以下幾個問題：①各類設備普遍處于離線工作模式，無法對設備運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)進行集中管理；②大量的個人劑量和表面污染監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有得到有效的保存、利用和分析；③在控制區(qū)通行證辦理、個人劑量檔案錄入與管理、個人劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計等工作上花費較多的人力，工作效率低。因此，急需開發(fā)基于我國核電廠輻射防護管理要求的集成式污染監(jiān)測和劑量管理系統(tǒng)(簡稱DMS)[2]。本文對這一系統(tǒng)的開發(fā)和實際應用情況進行簡要介紹。

1 DMS系統(tǒng)組成和基本功能

DMS系統(tǒng)的總體組成框圖詳見圖1。DMS系統(tǒng)主要由內照射測量和管理系統(tǒng)、外照射測量和管理系統(tǒng)(包括電子式劑量管理子系統(tǒng)和熱釋光劑量管理子系統(tǒng))、表面污染監(jiān)測和管理系統(tǒng)以及全廠個人劑量管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。

圖1 DMS系統(tǒng)組成框圖

DMS各個子系統(tǒng)內部首先完成局域子網(wǎng)組網(wǎng)，然后通過安全網(wǎng)關將各子網(wǎng)連接完成DMS整個系統(tǒng)組網(wǎng)。在該網(wǎng)絡架構中，全廠個人劑量管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡通信協(xié)議與DMS系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)、核電廠生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，從而對全廠輻射工作人員個人劑量水平、表面污染監(jiān)測數(shù)據(jù)和DMS系統(tǒng)設備運行情況進行統(tǒng)一管理和分析處理。

DMS系統(tǒng)的主要設備均提供不間斷電源(UPS)，保證設備在失去正常電源后的2小時內能正常工作，從而保障核電站輻射防護工作的應急運行。

1.1 內照射測量和管理系統(tǒng)

內照射測量和管理系統(tǒng)主要由全身計數(shù)器(WBC)、全身計數(shù)器管理計算機及應用軟件、網(wǎng)絡交換機等組成，用于對工作人員體內放射性核素所發(fā)射的γ射線進行直接測量，并對測量數(shù)據(jù)進行處理、儲存及報表生成，評價和估算內照射劑量。

全身計數(shù)測量任務由經(jīng)過初審通過的輻射控制區(qū)通行證申請流程自動推送，或由管理系統(tǒng)按照預設的內照射監(jiān)測周期自動推送。內照射測量和管理系統(tǒng)將測量任務數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡定期發(fā)送到全廠個人劑量管理系統(tǒng)，生成工作人員個人劑量檔案中的內照射數(shù)據(jù)。

1.2 外照射測量和管理系統(tǒng)

外照射測量和管理系統(tǒng)包括電子式劑量管理子系統(tǒng)和熱釋光劑量管理子系統(tǒng)。

1.2.1電子式劑量管理子系統(tǒng)

電子式劑量管理子系統(tǒng)為進出各控制區(qū)的工作人員提供電子個人劑量計(EPD)，對工作人員的個人劑量進行實時的監(jiān)測和報警，并在全廠范圍內進行個人劑量的管理，主要包括EPD、讀出裝置、管理計算機及應用軟件、旋轉門等。

人員進入輻射控制區(qū)時在讀出裝置上輸入身份和任務信息，讀出裝置從全廠個人劑量管理系統(tǒng)獲取并驗證信息，驗證通過后將任務信息中用于實施監(jiān)測的相關限值數(shù)據(jù)寫入EPD并控制旋轉門開啟。人員退出輻射控制區(qū)時在讀出裝置上注銷EPD，劑量數(shù)據(jù)送往本地的個人劑量管理計算機和全廠個人劑量管理系統(tǒng)。出口的讀出裝置與全身表面污染監(jiān)測儀(C2門)聯(lián)鎖，用于控制C2門的開啟。每個輻射控制區(qū)出入口的管理計算機在與全廠個人劑量管理系統(tǒng)的通信中斷期間，能繼續(xù)保持其個人劑量的測量和管理功能，在恢復通信后，將歷史數(shù)據(jù)通過補充傳輸?shù)姆绞絺魉偷饺珡S個人劑量管理系統(tǒng)中[3]。

1.2.2熱釋光劑量管理子系統(tǒng)

熱釋光劑量管理子系統(tǒng)用于為放射工作人員配發(fā)熱釋光劑量計(TLD)，按照監(jiān)測周期對TLD進行測量，并對測量數(shù)據(jù)進行處理、儲存及報表生成，評價和估算外照射劑量，主要包括TLD及其配發(fā)設備、測讀裝置、管理計算機及應用軟件等。

為節(jié)約資源，減少不必要的TLD測讀/退火工作，核電廠可采用TLD動態(tài)配發(fā)策略[4]。即在每個監(jiān)測周期內工作人員首次進入輻射控制區(qū)時，由配發(fā)設備自動分配TLD并在本監(jiān)測周期內與該人員綁定，單個監(jiān)測周期內未進入輻射控制區(qū)的人員不占用固定TLD。采用該策略需要配置具備動態(tài)配發(fā)功能的設備，從全廠個人劑量管理系統(tǒng)獲取人員資質信息，并定期將分配和使用情況傳輸至熱釋光劑量管理子系統(tǒng)用于測量數(shù)據(jù)的管理。

熱釋光劑量管理子系統(tǒng)將生成的數(shù)據(jù)定期送往全廠個人劑量管理系統(tǒng)，用于生成工作人員個人劑量檔案中的外照射部分，并自動與電子式個人劑量管理子系統(tǒng)提供的外照射數(shù)據(jù)進行比對，比對結果偏差較大(具體標準由核電廠結合管理要求自行制定)時觸發(fā)異常調查任務，提醒管理人員調查處理。

1.3 表面污染監(jiān)測和管理系統(tǒng)

表面污染監(jiān)測和管理系統(tǒng)包括各種放射性表面污染監(jiān)測設備，對離開輻射控制區(qū)的工作人員衣物、體表、所攜帶的小件物品和安全帽等進行表面污染測量，以避免污染擴散。主要包括設備集中管理計算機、手腳污染監(jiān)測儀、小物品污染監(jiān)測儀、安全帽污染監(jiān)測儀、門框式污染監(jiān)測儀(C1門)、全身表面污染監(jiān)測儀(C2門)等。表面污染監(jiān)測和管理系統(tǒng)將自身設備狀態(tài)和污染監(jiān)測報警信息送往全廠個人劑量管理系統(tǒng)，以便對全廠污染監(jiān)測設備的狀態(tài)進行統(tǒng)一監(jiān)控，并對報警數(shù)據(jù)進行管理和長期趨勢分析。

1.4 全廠個人劑量管理系統(tǒng)

全廠個人劑量管理系統(tǒng)是DMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理中樞，主要由服務器A/B、工作站、網(wǎng)絡交換機、安全網(wǎng)關和全廠個人劑量管理系統(tǒng)軟件構成。全廠個人劑量管理系統(tǒng)與DMS其它子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡進行通信，獲取各子系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行集中管理，同時在線監(jiān)管DMS各子系統(tǒng)主要設備的運行情況。

全廠個人劑量管理系統(tǒng)服務器為冗余設置：主服務器A工作時，備用服務器B定期更新數(shù)據(jù)庫；主服務器A發(fā)生故障時，備用服務器B自動接管系統(tǒng)管理功能；主服務器A故障恢復后，自動從備用服務器B讀取在故障期間丟失的數(shù)據(jù)，從而保障全廠劑量數(shù)據(jù)安全。

2 DMS系統(tǒng)內外部數(shù)據(jù)接口

DMS系統(tǒng)旨在實現(xiàn)各劑量測量和表面污染監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)基礎上的數(shù)據(jù)管理與應用，因此DMS系統(tǒng)內、外部數(shù)據(jù)接口設計尤為重要，如圖2所示。

圖2 DMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

2.1 外部數(shù)據(jù)接口

DMS系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)接口指DMS系統(tǒng)與核電廠SAP生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口，詳細內容見表1所列。該接口主要用于獲取核電廠工作人員基礎信息和輻射工作任務信息，這些信息通常來源于生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的輻射工作許可證(RWP)模塊和控制區(qū)通行證(RP證)辦理模塊。

表1 生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)與DMS全廠個人劑量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

RWP是核電廠輻射工作控制的主要工具，通過RWP的申請、審批、執(zhí)行和關閉，實現(xiàn)輻射風險分析、劑量預估、防護措施制定、防護用品準備和過程控制等管理功能。RWP準備和審批過程中需要從全廠個人劑量管理系統(tǒng)獲取并審查工作任務執(zhí)行人員的資格和歷史劑量信息，RWP審批生效后將必要的任務信息發(fā)送到全廠個人劑量管理系統(tǒng)用于后續(xù)管理。

RP模塊從核電廠人力資源(HR)數(shù)據(jù)庫中獲取工作人員基礎信息，從培訓授權(TR)模塊中獲取基本安全授權培訓有效期，從職業(yè)健康信息(OH)模塊中獲取工作適任性評價有效期，由責任方發(fā)起人員資格許可申請流程，經(jīng)審批后將合格人員數(shù)據(jù)信息送至全廠個人劑量管理系統(tǒng)。

2.2 內部數(shù)據(jù)接口

DMS系統(tǒng)的內部數(shù)據(jù)接口是指全廠個人劑量管理系統(tǒng)與其它各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口，詳細內容見表2所列。

表2 DMS系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)接口

3 DMS系統(tǒng)應用效果分析

DMS打通了系統(tǒng)內外數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)對全廠個人劑量和表面污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效管理、數(shù)據(jù)融合和深化應用，主要體現(xiàn)在智能化個人劑量調查(預警)與干預、輻射防護最優(yōu)化(ALARA)執(zhí)行反饋、集體劑量統(tǒng)計與趨勢分析、輻射數(shù)據(jù)聯(lián)合分析和處置決策、個人劑量檔案的生成與管理等方面。

3.1 智能化個人劑量調查(預警)與干預

核電廠通常會制定比個人劑量國標限值更為嚴格的劑量約束值和管理目標值，并設置調查(預警)水平和行政干預水平，用來開展對放射工作人員職業(yè)照射情況的過程控制。

DMS系統(tǒng)應用后，實現(xiàn)了個人劑量調查(預警)與干預過程的智能管控。電子式劑量管理子系統(tǒng)將個人劑量數(shù)據(jù)實時傳送到全廠個人劑量管理系統(tǒng)，后者將上述劑量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果與預先設定的調查(預警)水平值、行政干預水平值進行比較，達到設定值時系統(tǒng)自動觸發(fā)相應動作，系統(tǒng)對觸發(fā)的任務進行智能跟蹤和閉環(huán)管理，相關調查和行政審批表單長期保存，并自動計入個人劑量檔案。智能化的個人劑量調查(預警)與干預，有效減輕了輻射防護人員管控負擔，提升了對工作人員的職業(yè)健康安全保護水平。

DMS系統(tǒng)對個人劑量調查(預警)與干預管理功能詳見表3。

表3 DMS個人劑量調查(預警)與行政干預水平功能表

3.2 輻射防護最優(yōu)化(ALARA)執(zhí)行反饋

核電廠在輻射工作準備和審批過程中，基于風險類型和大小對工作進行了ALARA分級，并根據(jù)工作時間、區(qū)域輻射水平和歷史任務信息設定了工作集體劑量和工作最大個人劑量預估值，可通過與該工作實際劑量情況對比來優(yōu)化工作任務設置。

DMS系統(tǒng)不僅擁有全廠個人劑量和表面污染監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時還能與核電廠生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)之間交互RWP和RP數(shù)據(jù)，因此在工作ALARA分級限定和實際任務劑量追蹤上有天然優(yōu)勢。在某一工作執(zhí)行過程中，DMS系統(tǒng)一般不會對ALARA劑量控制值進行管控，而是通過設定EPD單次進入允許最大劑量(報警)值、環(huán)境最大劑量率(報警)值，并在系統(tǒng)中設定調查(預警)、干預水平，以確保劑量限值滿足控制要求。但在該工作完工后，DMS系統(tǒng)會將該項工作(以RWP許可證號進行統(tǒng)計)實際的集體劑量、個人累積劑量與相應的預估值進行比較，當偏差較大時應當觸發(fā)最優(yōu)化分析任務，分析工作準備過程中預估偏差的來源或工作執(zhí)行過程中待改進的問題，從而對該工作任務的設置和分配進行優(yōu)化。

輻射防護最優(yōu)化(ALARA)執(zhí)行反饋的管理方式詳見表4。

表4 輻射防護最優(yōu)化(ALARA)執(zhí)行反饋功能表

3.3 集體劑量統(tǒng)計與趨勢分析

核電廠需對全廠范圍內的集體劑量和人工時進行詳細的分類統(tǒng)計，并進行階段性(例如大修期間)和長期趨勢分析，統(tǒng)計內容包括：

?大修機組日劑量、人工時統(tǒng)計柱狀圖和趨勢線；

?大修期間按工作分類的集體劑量、人工時統(tǒng)計柱狀圖和餅狀圖；

?大修期間按劑量區(qū)間分布的人數(shù)、集體劑量占比統(tǒng)計柱狀圖；

?按部門和單位(承包商)分類的集體劑量、人工時統(tǒng)計柱狀圖和餅狀圖；

?歷史大修輪次總集體劑量、總人工時統(tǒng)計柱狀圖和趨勢線。

在目前核電站輻射防護管理實踐中，上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作依賴人工方式進行篩選、組合及圖表的繪制。DMS系統(tǒng)應用后，能夠根據(jù)實際管理需要，基于多字段篩選組合自動生成統(tǒng)計報表和趨勢分析圖。若核電廠進一步配置有輻射防護指標展示相關的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，則上述統(tǒng)計圖表可以周期自動生成并推送至指標展示界面，為高級管理人員提供更為即時高效的監(jiān)控和管理手段。

3.4 輻射數(shù)據(jù)聯(lián)合分析和處置決策

DMS系統(tǒng)涉及的輻射報警信息主要包括兩大類，一是人員劑量報警(包括EPD單次累積劑量和劑量率超限值報警、人員周期劑量限值報警等)，二是人員體表、衣物、物品等表面污染監(jiān)測設備測量結果超限值報警。

上述兩大類輻射報警信息和測量數(shù)據(jù)是對輻射防護目標的不同維度的數(shù)據(jù)反映，但是在目前核電站輻射防護管理體系中，這兩類報警數(shù)據(jù)分屬不同信息系統(tǒng)，需要分別進行行為分析和報警處置。EPD發(fā)生報警時工作人員首先通知輻射防護人員進行響應，經(jīng)核實可以繼續(xù)工作的應注銷并重新啟用EPD。報警數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)并觸發(fā)調查任務，由輻射防護人員填寫報警響應情況，并對報警的性質(例如設備故障、人員違章、安全事件等)進行歸類。表面污染監(jiān)測設備報警時工作人員首先通知輻射防護人員進行響應，對于C1門、C2門和小物品監(jiān)測儀的報警，系統(tǒng)自動觸發(fā)調查任務，同時附帶報警前后的視頻監(jiān)控畫面。輻射防護人員填寫報警響應情況，并對報警的性質和嚴重程度進行歸類。安全帽污染監(jiān)測儀和手腳污染監(jiān)測儀一般不觸發(fā)調查任務，僅上傳報警信息。

DMS系統(tǒng)應用后，實現(xiàn)了對這兩類報警信息的實時采集和集中管理，并開展聯(lián)合分析和統(tǒng)一處置，輻射報警信息管理功能詳見表5。DMS系統(tǒng)能夠針對特定報警事件/時間/人員進行統(tǒng)計分析，生成報警信息、測試數(shù)據(jù)、處置記錄等聯(lián)合數(shù)據(jù)報告。通過上述不同維度報警數(shù)據(jù)映照分析，能夠進一步為輻射防護人員快速判定報警性質和執(zhí)行處置提供決策建議。同時，DMS系統(tǒng)能夠對所有報警信息和調查處理記錄進行儲存、統(tǒng)計和長期趨勢分析，按照報警類型、數(shù)量、嚴重程度和響應時效性等要素定期生成行為績效管理報告，供核電廠高級管理人員進行輻射防護績效目標評估，并尋找改進機會。

表5 輻射報警信息管理功能表

3.5 個人劑量檔案電子化與數(shù)據(jù)共享

按照國家職業(yè)性內、外照射個人監(jiān)測規(guī)范的要求，TLD和WBC的測讀數(shù)據(jù)經(jīng)必要的修正和評價后作為職業(yè)照射監(jiān)測結果計入個人劑量檔案，檔案數(shù)據(jù)可參考表6。

表6 個人劑量檔案生成與管理功能表

目前核電廠個人劑量檔案多采用人工方式跟蹤記錄存檔。人員的TLD/WBC測讀數(shù)據(jù)僅在TLD/WBC管理計算機本地保存，相應數(shù)據(jù)處理和評價主要在TLD管理計算機和WBC管理計算機中使用專門軟件完成[5]，只將最終評價的結果數(shù)據(jù)采用紙質文件或者離線數(shù)據(jù)(如EXCEL文件)方式送往管理部門，并采用人工方式錄入和統(tǒng)計形成個人劑量檔案。同時，工作人員在本核電廠以外從事放射性工作期間形成的監(jiān)測數(shù)據(jù)、新入職人員的歷史劑量數(shù)據(jù)則通過劑量申報的方式人工補錄入個人劑量檔案。這種方式存在著很多缺陷：個人劑量數(shù)據(jù)源分散且不易查詢追溯、評價數(shù)據(jù)更新不及時、可能發(fā)生漏報或者重復申報等，增加了輻射防護管理成本和難度。

DMS系統(tǒng)應用后，全廠個人劑量管理系統(tǒng)能夠從熱釋光劑量管理子系統(tǒng)、內照射測量和管理系統(tǒng)中實時獲取人員的內、外照射數(shù)據(jù)和評價結果，免除人工記錄存檔的繁瑣錯漏，同時便于個人劑量數(shù)據(jù)的查詢追溯和統(tǒng)計分析；同時DMS系統(tǒng)個人劑量檔案也可以與核電廠生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、甚至同集團其它核電廠DMS系統(tǒng)等外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享，可以減少跨廠區(qū)工作人員劑量申報次數(shù)，同時避免重復報送造成的數(shù)據(jù)篩除等諸多問題。

綜上所述，DMS系統(tǒng)的應用推動了輻射防護管理工作的信息化和智能化，提升了輻射防護人員的工作效率，加快了輻射污染事件響應速度，降低了污染擴散的風險，最終有助于提高核電廠整體運作效率和安全水平。

4 DMS系統(tǒng)改進方向和建議

(1)DMS系統(tǒng)目前包括了布置在控制區(qū)衛(wèi)生出入口的監(jiān)測設備，核電廠實物保護區(qū)和廠區(qū)邊界出入口車輛/人員通道監(jiān)測設備、核洗衣房的衣物污染分揀儀、非核島廠房的劑量率監(jiān)測儀等設備均未實現(xiàn)組網(wǎng)運行，未來可以考慮將上述設備集成至DMS系統(tǒng)中管理。

(2)核電廠普遍使用的EPD主要為離線工作模式，在啟動和注銷時才會與管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。某些新建核電廠(例如AP1000機組)已在核島廠房內布置了無線網(wǎng)絡，可支持EPD在使用中實時上傳數(shù)據(jù)，可以應用這一技術實現(xiàn)人員實時定位和對高風險工作的實時劑量監(jiān)督。

(3)全廠個人劑量管理系統(tǒng)目前僅獲取表面污染監(jiān)測和管理系統(tǒng)的設備狀態(tài)和報警信息，改進可考慮雙向數(shù)據(jù)傳輸，通過遠程控制的方式實現(xiàn)效率刻度、運行參數(shù)調整、誤報警測試和通訊測試等功能，并對設備巡檢、維修相關活動的數(shù)據(jù)管理進行整合。