江蘇省高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

王萬平，朱曉翔，韋正，黃昕

(江蘇省核與輻射安全監(jiān)督管理中心，江蘇 南京 210019)

放射源廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科研、教學(xué)等領(lǐng)域，高風(fēng)險移動放射源主要指對人體健康和環(huán)境潛在危害較大，在野外或室外現(xiàn)場使用且無固定場所的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類放射源[1]。江蘇省的主要高風(fēng)險移動放射源分布在工業(yè)探傷和測井行業(yè)，且數(shù)量多、分布散、風(fēng)險高、管理難度大，一旦丟失、被盜、失控，極易導(dǎo)致公眾受照，引發(fā)社會恐慌[2]。習(xí)近平總書記提出的“放射源安全行動計劃”和國家《核安全與放射性污染防治“十三五”規(guī)劃》中明確要求，要實現(xiàn)對高風(fēng)險移動放射源的實時監(jiān)控。

目前，北京、四川、陜西、福建等地已陸續(xù)開展高風(fēng)險移動放射源實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究建設(shè)，但在移動監(jiān)控、智能預(yù)警方面仍然存在不足。江蘇省是高風(fēng)險移動放射源應(yīng)用大省，省內(nèi)現(xiàn)有移動γ射線探傷單位近30家，移動使用高風(fēng)險源200多枚，作業(yè)場所遍布13個設(shè)區(qū)市。在充分調(diào)研國內(nèi)外先進(jìn)實時監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合高風(fēng)險移動放射源應(yīng)用現(xiàn)狀和管理需求，建設(shè)了江蘇省高風(fēng)險移動放射源實時監(jiān)控系統(tǒng)。與同類系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有效解決了實時位置、劑量率、出入庫監(jiān)控等關(guān)鍵問題，使高風(fēng)險移動放射源實現(xiàn)了實時、動態(tài)、智能、高效的監(jiān)控管理，進(jìn)一步提高了監(jiān)控技術(shù)水平和監(jiān)管效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

按照國家相關(guān)法律法規(guī)要求，結(jié)合江蘇省輻射安全監(jiān)管實際，通過研發(fā)高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管信息化平臺，建設(shè)具備放射源的實時位置監(jiān)控、劑量監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)信息傳輸、事故報警、應(yīng)急處置等功能的信息管理系統(tǒng)，使輻射工作單位自身的放射源管理實現(xiàn)自動化和信息化。生態(tài)環(huán)境監(jiān)管部門可以通過該系統(tǒng)，對輻射工作單位的管理情況進(jìn)行實時在線監(jiān)控，使輻射安全監(jiān)管工作更加及時、有效和科學(xué)[3-4]。

1.2 系統(tǒng)基本框架

江蘇省高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計包括電腦客戶端和手機(jī)移動端(圖1)。電腦端采用B/S架構(gòu)，手機(jī)端設(shè)計安卓和IOS兩套移動軟件，對高風(fēng)險移動放射源的暫存、運(yùn)輸、使用、回收等狀態(tài)實施動態(tài)監(jiān)管，并按照高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)歸集規(guī)則，將相關(guān)監(jiān)管信息推送至生態(tài)環(huán)境部監(jiān)管平臺[5]。

圖1 江蘇省高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)基本框架

監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括放射源定位電子標(biāo)簽、放射源多功能電子標(biāo)簽和源庫中心機(jī)。系統(tǒng)面向省級用戶和企業(yè)用戶，省級用戶為具備監(jiān)管權(quán)限的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管人員，企業(yè)用戶為高風(fēng)險移動放射源使用單位。系統(tǒng)主要包括放射源信息管理、單位及人員信息管理、用戶及角色管理、放射源位置管理、放射源預(yù)警管理、作業(yè)過程管理、國家平臺對接管理等功能模塊；數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)、應(yīng)用、通信、存儲和備份服務(wù);放射源定位電子標(biāo)簽、放射源多功能電子標(biāo)簽和源庫中心機(jī)基于數(shù)據(jù)通信及傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)全球定位系統(tǒng)(GPS)、輻射劑量率等信息與數(shù)據(jù)中心的交互[6]。

2 系統(tǒng)功能分析

高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、無線射頻識別(RFID)、輻射劑量采集、GPS定位、4G/5G無線通信等先進(jìn)的技術(shù)手段，以安全、高效、科學(xué)地實現(xiàn)移動放射源在運(yùn)輸、存儲、作業(yè)環(huán)節(jié)中的管理為目標(biāo)，推出包括移動放射源在靜置、移動、室內(nèi)、室外、運(yùn)輸?shù)雀鞣N情況下的在線監(jiān)管平臺化軟件與配套設(shè)備，實現(xiàn)對移動放射源的全方位在線監(jiān)管[7]。

2.1 系統(tǒng)平臺電腦客戶端及功能

2.1.1 信息管理功能

信息管理功能主要針對放射源信息，包括放射源核素名稱、標(biāo)簽編號、國家編碼、源強(qiáng)、出廠日期、區(qū)級核定區(qū)域、企業(yè)核定區(qū)域、有源探傷機(jī)本底輻射值、狀態(tài)和操作等。除此之外，系統(tǒng)還將涉源單位及放射源操作人員的管理納入其中，強(qiáng)化輻射工作人員管理。

2.1.2 放射源在線監(jiān)測功能

在整個監(jiān)測過程中，通過登錄電腦端或手機(jī)端，可實時觀測放射源的地理信息、劑量率、監(jiān)管設(shè)備工作狀態(tài)等。移動放射源的實時位置可在電子地圖上顯示出來，以便觀察和掌握其當(dāng)前所處的地理位置，也可查看某個時間段內(nèi)其所處的位置和移動軌跡。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)包括劑量率、出/入庫情況、GPS定位、時間、監(jiān)測設(shè)備電量等。

2.1.3 放射源智能預(yù)警功能

通過智能預(yù)警功能，可對放射源的劑量率、振動、地理位置變化等信息進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置，一旦這些狀態(tài)發(fā)生改變，可通過電腦端或手機(jī)端等方式反饋給安全責(zé)任人。預(yù)警設(shè)置包括放射源位置異常、輻射劑量率異常、電池電量低、監(jiān)管設(shè)備越出省界等[8]。當(dāng)放射源位置異常時，將前端設(shè)備發(fā)送來的放射源位置信息與系統(tǒng)中設(shè)定的放射源使用區(qū)域進(jìn)行比對，當(dāng)判定放射源位置超出使用區(qū)域后，會觸發(fā)位置異常報警。當(dāng)輻射劑量率異常時，將前端設(shè)備發(fā)送的放射源輻射劑量值與系統(tǒng)中設(shè)定的輻射劑量報警閾值進(jìn)行比對，當(dāng)判定輻射劑量值小于報警閾值，觸發(fā)輻射劑量率異常報警。當(dāng)電池電量低或監(jiān)管設(shè)備離開省界后，系統(tǒng)也將觸發(fā)報警。

2.1.4 統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)對接功能

通過統(tǒng)計分析功能，可對放射源的各種信息(包括監(jiān)控數(shù)據(jù)信息)進(jìn)行匯總，按照預(yù)設(shè)查詢條件進(jìn)行自動統(tǒng)計及分析。此外，系統(tǒng)還可以按照生態(tài)環(huán)境部的要求，根據(jù)高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)歸集規(guī)則，將省級移動源相關(guān)數(shù)據(jù)與國家移動源在線監(jiān)管平臺做數(shù)據(jù)對接，并及時跟蹤、統(tǒng)計數(shù)據(jù)對接情況。

2.2 系統(tǒng)平臺手機(jī)移動端及功能

通過手機(jī)移動端(安卓和IOS版)，可以實時關(guān)注某單位的放射源基本信息和作業(yè)狀態(tài)，手機(jī)移動端基本包含電腦客戶端軟件平臺的放射源在線監(jiān)管功能。手機(jī)移動端圍繞作業(yè)流程進(jìn)行全過程管理，另外還配合電腦客戶端設(shè)置了源列表、源信息、源位置、源事件四大功能模塊。移動端操作的每個步驟會形成一條時間記錄，在平臺中自動保存，便于安全追溯管理。

手機(jī)移動端作業(yè)流程見圖2。(1)源出庫。采用手機(jī)移動做出庫登記，包括作業(yè)目的地、劑量率、作業(yè)人員等信息，上傳數(shù)據(jù)，形成記錄。(2)作業(yè)前準(zhǔn)備，將現(xiàn)場防護(hù)情況拍照上傳并作業(yè)。(3)作業(yè)過程。監(jiān)管電子標(biāo)簽自動監(jiān)測放射源源罐情況，及時上傳數(shù)據(jù)。(4)作業(yè)結(jié)束。通過手機(jī)App，上傳包括劑量率、作業(yè)人員等信息，做入庫登記。

圖2 手機(jī)移動端作業(yè)流程

2.3 監(jiān)控終端設(shè)備及功能

系統(tǒng)終端主要包括：放射源定位電子標(biāo)簽、放射源多功能電子標(biāo)簽、放射源(源庫)信息采集儀。

放射源定位電子標(biāo)簽固定在工業(yè)伽馬射線探傷機(jī)設(shè)備或測井放射源容器上，同時包含RFID和GPS，具備通用分組無線數(shù)據(jù)通信等實時通信手段，配備振動、加速度等傳感器，可以在野外惡劣的環(huán)境下工作，能夠?qū)崟r檢測放射源的位置、振動等參數(shù)變化，及時通過無線網(wǎng)絡(luò)向上端中心平臺傳輸數(shù)據(jù)[9]。放射源多功能電子標(biāo)簽除具備放射源定位電子標(biāo)簽的基本功能外，還具備輻射劑量探測器，可對放射源的輻射劑量率進(jìn)行檢測。

放射源(源庫)信息采集儀，即源庫中心機(jī)，安裝在放射源(源庫)出入口，具有對放射源電子標(biāo)簽(包括多功能電子標(biāo)簽和定位電子標(biāo)簽)的管理功能，當(dāng)裝有放射源電子標(biāo)簽的放射源裝置入庫時，信息采集儀與放射源電子標(biāo)簽進(jìn)行近距離無線通信，將電子標(biāo)簽內(nèi)含的放射源相關(guān)狀態(tài)信息上傳，并將放射源電子標(biāo)簽從無線網(wǎng)絡(luò)下載，通過信息采集儀代替電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)裝有放射源電子標(biāo)簽的放射源裝置出庫時，信息采集儀將激活對應(yīng)的電子標(biāo)簽，同時停止發(fā)送數(shù)據(jù)，改由電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，信息采集儀還具有對在庫放射源信息進(jìn)行統(tǒng)計分析的功能[9]。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

江蘇省高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)目前已建成，全省近30家高風(fēng)險移動放射源應(yīng)用單位的放射源庫均安裝了放射源(源庫)信息采集儀，并對在用的200多枚放射源安裝了放射源多功能電子標(biāo)簽和放射源定位電子標(biāo)簽，對放射源入庫貯存、出庫運(yùn)輸和現(xiàn)場使用3個方面的安全進(jìn)行監(jiān)管[10]，實現(xiàn)了江蘇省內(nèi)所有在用高風(fēng)險移動放射源的動態(tài)信息化跟蹤監(jiān)督管理。

3.1 放射源入庫貯存

放射源入庫貯存時，通過放射源(源庫)信息采集儀對放射源電子標(biāo)簽的無線射頻芯片進(jìn)行監(jiān)控掃描，確認(rèn)放射源是否安全入庫，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將放射源電子標(biāo)簽的輻射劑量、電量、庫房GPS信息等數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)平臺，以便在系統(tǒng)中實時查詢、查看在庫放射源情況。放射源出庫工作時，無線射頻芯片經(jīng)信息采集儀進(jìn)行出庫掃描，確認(rèn)放射源離庫后即進(jìn)入放射源出庫運(yùn)輸狀態(tài)，同時上傳相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)至系統(tǒng)平臺。

3.2 放射源出庫運(yùn)輸

放射源出庫后，經(jīng)放射源(源庫)信息采集儀認(rèn)定放射源為出庫運(yùn)輸狀態(tài)，放射源電子標(biāo)簽全程上傳定位信息及運(yùn)輸軌跡，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳相關(guān)信息至系統(tǒng)平臺，企業(yè)輻射安全管理人員和生態(tài)環(huán)境監(jiān)管人員可通過平臺實時監(jiān)控放射源位置信息，直至放射源現(xiàn)場使用開始。

3.3 放射源現(xiàn)場使用

放射源運(yùn)輸至現(xiàn)場后，進(jìn)入現(xiàn)場使用狀態(tài)，通過手機(jī)移動端軟件，開始作業(yè)流程填報程序，容器上的電子標(biāo)簽實時上傳定位和輻射劑量監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過平臺智能預(yù)警功能確認(rèn)放射源現(xiàn)場作業(yè)安全情況。作業(yè)結(jié)束后，進(jìn)入放射源出庫運(yùn)輸狀態(tài)，運(yùn)輸完成后回庫，經(jīng)掃描確認(rèn)后進(jìn)入放射源庫內(nèi)貯存安全狀態(tài)。

4 系統(tǒng)存在問題和改進(jìn)建議

4.1 監(jiān)管終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了監(jiān)控移動放射源，需要在源罐上安裝傳感器。一方面，傳感器不能破壞源罐表面，因此不能顯著增加源罐的重量與體積，但又需要足夠的續(xù)航能力，因此電池應(yīng)具備一定體積，這兩者存在較大矛盾；另一方面，源罐形態(tài)各異且表面的安裝位置有限，增加了傳感器的安裝難度。應(yīng)通過對國內(nèi)現(xiàn)有的各型號源罐外觀進(jìn)行研究，配備統(tǒng)一制式的監(jiān)控終端安裝工具即可解決監(jiān)控設(shè)備的安裝問題。

4.2 續(xù)航時間較短

目前，結(jié)合江蘇省和其他省份已開發(fā)的高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)與源罐綁定的傳感器單次續(xù)航時間都不超過15 d，因此需要作業(yè)人員對其進(jìn)行頻繁充電，大大增加了業(yè)務(wù)管理成本，也增大了移動源使用的安全風(fēng)險。應(yīng)通過選用低功耗設(shè)備，設(shè)計監(jiān)控設(shè)備工作模式，實現(xiàn)電池的最優(yōu)化使用和管理。

4.3 耐用性較差

因移動放射源使用的特殊性，其在野外工作過程中，會經(jīng)常與大型部件摩擦、碰撞，甚至造成摔落。按照國家對移動放射源源罐的認(rèn)證要求，應(yīng)滿足1.2 m處跌落，任意面不低于2次的直接碰撞，且輻射劑量不得明顯上升等安全性要求。另外，因移動放射源一般為高危險源，輻射能量較大，對近距離的電子設(shè)備有一定的損傷。應(yīng)優(yōu)先考慮耐用性，通過設(shè)計完善的防跌落系統(tǒng)，來滿足源罐的安全要求，保證監(jiān)管設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 野外信號弱

移動放射源在野外作業(yè)的情況下，其電子標(biāo)簽會經(jīng)常丟失網(wǎng)絡(luò)信號和定位信號，一旦進(jìn)入信號盲區(qū)，傳感器與系統(tǒng)平臺即告失聯(lián)，極易引起預(yù)警誤報，給整個監(jiān)管系統(tǒng)的日常應(yīng)用造成影響。通過設(shè)計缺失信息的補(bǔ)發(fā)功能和細(xì)分的預(yù)警模型，可實現(xiàn)各類預(yù)警信息的自動識別和風(fēng)險判定信號回傳。

5 結(jié)語

通過江蘇省高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，實現(xiàn)集高風(fēng)險移動放射源日常監(jiān)控管理、動態(tài)實時追蹤和應(yīng)急監(jiān)控管理為一體的監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對高風(fēng)險移動放射源的24 h連續(xù)監(jiān)控，有效預(yù)防各類事故的發(fā)生，并可在事故第一時間進(jìn)行智能預(yù)警。高風(fēng)險移動放射源在線監(jiān)管技術(shù)是對放射源安全監(jiān)控的有力支撐，不僅可以提高企業(yè)對輻射安全的自我管理能力，也是監(jiān)管部門全面提升核與輻射安全監(jiān)管水平的重要途徑和有效手段。