岸橋式放射性物質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜金健，郭寶誠(chéng)，張連杰，花 鋒，高彥斌

（1.西安中核核儀器股份股份有限公司，陜西 西安 710000；2.中華人民共和國(guó)拱北海關(guān)，廣東 珠海 519000）

0 引言

海關(guān)開(kāi)展口岸核生化監(jiān)測(cè)的工作目的是履行正常核生化物品進(jìn)出監(jiān)管和打擊恐怖主義職責(zé)。目前，用于口岸對(duì)集裝箱及其貨物實(shí)施放射性物質(zhì)檢測(cè)的儀器包括：通道式核輻射檢測(cè)儀、移動(dòng)式核輻射檢測(cè)儀（裝載在汽車(chē)上）、表面沾污儀、延長(zhǎng)桿式核輻射檢測(cè)儀等[1]。通道式放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是針對(duì)車(chē)載集裝箱監(jiān)控，其安裝位置固定，需要集裝箱拖卡在進(jìn)出境閘口時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間滯后，存在受污染集裝箱在堆場(chǎng)堆放期間人員受照射、環(huán)境受污染的風(fēng)險(xiǎn)。另外，受設(shè)備自身運(yùn)行缺陷，車(chē)輛通行對(duì)環(huán)境本底掩蓋，容易產(chǎn)生誤報(bào)漏報(bào)情況發(fā)生，且對(duì)車(chē)輛運(yùn)行速度有限制要求，檢測(cè)效率低[2]。移動(dòng)式核輻射檢測(cè)儀對(duì)集裝箱堆場(chǎng)內(nèi)位置較高以及放置在中間位置的集裝箱檢測(cè)能力有限。其存在監(jiān)測(cè)時(shí)間滯后，存在受污染集裝箱堆場(chǎng)堆放期間人員受照射、環(huán)境受污染的風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題[3]。人工放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是工作人員利用手持式設(shè)備近距離接觸被測(cè)物，檢測(cè)過(guò)程中需要穿著笨重防護(hù)設(shè)備，存在耗費(fèi)人力、危險(xiǎn)程度高、效率低等缺點(diǎn)。面對(duì)在港口碼頭堆積如山的集裝箱，人工勞力成本很大，且集裝箱調(diào)運(yùn)工作時(shí)間長(zhǎng)、成本高[4]。

在日常放射性監(jiān)測(cè)工作中，因受安裝場(chǎng)地、設(shè)備各自功能特點(diǎn)、進(jìn)出碼頭堆場(chǎng)及其作業(yè)環(huán)節(jié)等條件的限制，上述設(shè)備有各自?xún)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在不足，時(shí)效性底、難以做到全覆蓋及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，同時(shí)也存在工作人員近距離接觸受照射污染的風(fēng)險(xiǎn)等[5]。由此可見(jiàn)創(chuàng)新現(xiàn)有集裝箱核輻射監(jiān)測(cè)模式勢(shì)在必行?；诤溯椛涮綔y(cè)技術(shù)，構(gòu)建岸橋式放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究顯得尤為重要。岸橋式放射性物質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究主要針對(duì)海港口岸等集裝箱進(jìn)出口貨物集中的地方，研究設(shè)計(jì)一套通過(guò)給現(xiàn)有的港口岸邊集裝箱起吊機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)“岸橋”）的吊具上安裝核輻射探測(cè)器等智能模塊化監(jiān)測(cè)設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)采集處理單元，將監(jiān)測(cè)到的有效信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)時(shí)傳輸至地面協(xié)議轉(zhuǎn)換箱，然后傳送至服務(wù)器，進(jìn)而建模處理和存儲(chǔ)，最后傳送到海關(guān)綜合信息監(jiān)管平臺(tái)。從而完成對(duì)集裝箱及貨物的集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)可視化展示出來(lái)，同時(shí)對(duì)異常信息提供遠(yuǎn)程預(yù)警。

1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過(guò)分析研究將港口、岸邊集裝箱起吊重機(jī)的吊具上安裝核輻射探測(cè)器等智能模塊化監(jiān)測(cè)設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)采集處理單元，將檢測(cè)有效信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)傳輸至地面協(xié)議轉(zhuǎn)換箱，協(xié)議轉(zhuǎn)化箱將收集到的有效數(shù)據(jù)，通過(guò)有線方式（網(wǎng)線或光纖）傳送至服務(wù)器，服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的建模處理和存儲(chǔ)，將處理后的數(shù)據(jù)接入現(xiàn)有的海關(guān)綜合信息監(jiān)管平臺(tái)，完成對(duì)通過(guò)岸橋調(diào)運(yùn)的集裝箱貨物集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)可視化展示出來(lái)，同時(shí)對(duì)異常信息提供遠(yuǎn)程預(yù)警。

在岸橋式放射性物質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，每臺(tái)岸橋吊具上的四個(gè)智能探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集處理箱作為最小化系統(tǒng)單元，地面上數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換箱和服務(wù)器（含系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理平臺(tái)軟件）構(gòu)成終端平臺(tái)軟件，港口的岸橋式放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為若干個(gè)最小化系統(tǒng)單元和1 臺(tái)終端平臺(tái)構(gòu)成，所有最小化系統(tǒng)單元數(shù)據(jù)通過(guò)終端平臺(tái)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和可視化顯示，進(jìn)而數(shù)據(jù)協(xié)議箱按照轉(zhuǎn)化協(xié)議，將數(shù)據(jù)上傳至海關(guān)的綜合信息監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)海關(guān)對(duì)入關(guān)集裝箱貨物中放射性物質(zhì)的監(jiān)管。

智能輻射探測(cè)器：四個(gè)智能輻射探測(cè)器經(jīng)過(guò)測(cè)量集裝箱，若集裝箱內(nèi)放射性物質(zhì)超過(guò)規(guī)定的閾值，探測(cè)器產(chǎn)生的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化后形成數(shù)字信號(hào)，送至就地處理箱處理。

就地處理單元：負(fù)責(zé)四個(gè)智能輻射探測(cè)器和視頻攝像頭數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備定位（GPS/北斗）、數(shù)據(jù)傳輸。還能提供工作所需的低壓、高壓工作電源，并對(duì)探測(cè)器工作高壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)和檢測(cè)。可以對(duì)探測(cè)器輸入的信號(hào)進(jìn)行放大、甄別、處理，并將計(jì)算結(jié)果傳輸給處理主板。

數(shù)據(jù)處理單元：通過(guò)內(nèi)置電臺(tái)組建區(qū)域星型網(wǎng)絡(luò)，收集區(qū)域內(nèi)全部吊具上的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)化，將數(shù)據(jù)通過(guò)兩種方式發(fā)出，有線輸出（網(wǎng)口、光纖）和無(wú)線輸出（5G/4G、電臺(tái)等）。無(wú)線接收方式方便區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的收集，有線輸出方式方便本地布局服務(wù)器，也方便接收專(zhuān)屬的海關(guān)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線輸出（5G/4G、電臺(tái)等）方便大區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的收集，為后期“云服務(wù)”奠定基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)程報(bào)警單元：其安裝岸橋設(shè)備的駕駛室，一旦發(fā)現(xiàn)調(diào)運(yùn)過(guò)程中某集裝箱放射性物質(zhì)超標(biāo)，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，預(yù)警響應(yīng)裝置報(bào)警，提示駕駛員停止操作，并將集裝箱放置在安全地帶，等待進(jìn)一步處理信息。

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)終端軟件：系統(tǒng)軟件支持鼠標(biāo)操作及觸控操作，可根據(jù)設(shè)備類(lèi)型及顯示屏規(guī)格自適應(yīng)優(yōu)化顯示，并支持平板電腦等便攜式客戶(hù)端，系統(tǒng)功能架構(gòu)圖，如圖1 所示。其可以布置在本地服務(wù)器上，也可以布置在云服務(wù)器上。監(jiān)測(cè)預(yù)警終端軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包含數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)等。其中記錄的信息包括劑量率信息、位置信息、箱號(hào)信息、抓拍圖片等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 分布式智能輻射探測(cè)器設(shè)計(jì)

2.1 智能輻射探測(cè)器設(shè)計(jì)

智能輻射探測(cè)器的結(jié)構(gòu)件包括殼體、塑料閃爍體和控制板。塑料閃爍體擁有制作相對(duì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輻射性能好，探測(cè)面積較廣等特性。智能輻射探測(cè)器能穩(wěn)定輸出數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部設(shè)計(jì)矩形減震套，用于減少?gòu)?qiáng)振環(huán)境下對(duì)探測(cè)器和電子學(xué)電路的損壞。智能輻射探測(cè)器整體采用不銹鋼材質(zhì)，整體具有IP66 防護(hù)等級(jí)，能適應(yīng)高沖擊、高振動(dòng)的潮濕環(huán)境。此外岸橋吊具上可以選配中子探測(cè)器，可對(duì)中子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探測(cè)器如圖2 所示。

圖2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)尺寸圖

閃爍體探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。當(dāng)射線作用于閃爍體晶體時(shí)，產(chǎn)生熒光光子，通過(guò)光電倍增管對(duì)其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換倍增后進(jìn)行輸出電脈沖信號(hào)[9]。

圖3 碘化鈉測(cè)器結(jié)構(gòu)和等效電路

為了實(shí)現(xiàn)智能輻射探測(cè)器輸出弱電流信號(hào)的放大及測(cè)量，設(shè)計(jì)出了以積分型放大器和電流型放大器為代表的前置放大器，如圖4 所示。其前置放大器與主放大器用屏蔽電纜進(jìn)行連接，協(xié)同工作，提高了系統(tǒng)的信噪比并減小信號(hào)流經(jīng)電纜傳送時(shí)的外界干擾。

圖4 碘化鈉探測(cè)器測(cè)量放大系統(tǒng)

碘化鈉探測(cè)器采用電荷靈敏前置放大器解決閃爍體探測(cè)器探測(cè)過(guò)程中所遇到的弱電流探測(cè)問(wèn)題，如圖5 所示。

圖5 碘化鈉探測(cè)器電荷靈敏前置放大器原理圖

智能輻射探測(cè)器測(cè)量的放射性種類(lèi)：γ射線；其輻射能量測(cè)量范圍：γ射線30KeV～3MeV；輻射劑量率范圍：γ射線10nSv/h～1Sv/h；報(bào)警時(shí)間：≤10 s；誤報(bào)率：≤0.1%；工作溫度：-10 ℃～60 ℃。其數(shù)據(jù)采用SI-PM 耦合讀出方式，內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度修正模塊，其可以保證探測(cè)器的正常工作。數(shù)據(jù)通訊模式采用485通訊，其可以給出劑量率信息、核探測(cè)器的工作信息。智能輻射探測(cè)器系統(tǒng)的供電：+12 V，通訊協(xié)議為ModBus 協(xié)議[11]。

2.2 智能輻射探測(cè)器的分布式設(shè)計(jì)

（1）由于智能輻射探測(cè)器安裝位置的實(shí)際工況含強(qiáng)振、強(qiáng)沖擊等因素，出于對(duì)探測(cè)器的保護(hù)，在吊具支撐梁兩側(cè)，設(shè)計(jì)起保護(hù)作用的型鋼，結(jié)構(gòu)如圖6，其高度不超過(guò)岸橋設(shè)備吊具的支撐梁。為了將因設(shè)計(jì)安裝智能輻射探測(cè)器對(duì)吊具本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響降到最低并達(dá)到最好的測(cè)量效果，設(shè)計(jì)的方案采用分布式布局將智能輻射探測(cè)器安裝在岸橋設(shè)備的吊具上，如圖7 所示。

圖6 型鋼

圖7 核輻射探測(cè)器分布

2.2.1 吊具兩端端梁探測(cè)器安裝設(shè)計(jì)

（1）在岸橋設(shè)備吊具兩端的橫梁內(nèi)側(cè)安裝智能輻射探測(cè)器模塊。

（2）橫梁內(nèi)側(cè)豎直面上智能輻射探測(cè)器測(cè)量面所在的位置處，既側(cè)面和下面開(kāi)探測(cè)視窗，提高探測(cè)效率。

（3）每臺(tái)吊具兩端橫梁上安裝2 個(gè)智能輻射探測(cè)器，如圖8 所示。達(dá)到在吊具最兩邊，圖8 方框所示位置，安裝效果。

圖8 吊具兩端探測(cè)器安裝圖

2.2.2 吊具中間梁探測(cè)器安裝設(shè)計(jì)

（1）在岸橋吊具中間梁兩側(cè)等距處安裝兩個(gè)2 個(gè)智能輻射探測(cè)器模塊，其底部中心位置開(kāi)200 mm×75 mm 探測(cè)窗口，提高探測(cè)效率。

（2）每臺(tái)吊具中間梁兩側(cè)安裝2 個(gè)智能輻射探測(cè)器（下圖圈處方鋼旁所示，探測(cè)器及方鋼設(shè)計(jì)見(jiàn)圖9）。

圖9 吊具中間探測(cè)器安裝圖

3 就地處理箱設(shè)計(jì)

就地處理箱通過(guò)減振器固定在岸橋設(shè)備的吊具上，如圖10 所示。就地處理數(shù)據(jù)箱負(fù)責(zé)該岸橋吊具中4 個(gè)探測(cè)器和視頻攝像頭數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備定位（GPS/北斗）、就地處理和地面數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換箱之間數(shù)據(jù)傳輸（電臺(tái)等）等。就地處理箱為智能輻射探測(cè)器提供工作所需的低壓、高壓工作電源，并對(duì)智能輻射探測(cè)器工作高壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)和檢測(cè)。對(duì)其輸入的信號(hào)進(jìn)行放大、甄別、處理，并將計(jì)算結(jié)果傳輸給處理主板。其原理示意圖如圖11 所示。

圖10 就地處理箱

圖11 原理示意圖

4 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)終端系統(tǒng)軟件使用B/S 構(gòu)架（構(gòu)建基于瀏覽器的服務(wù)），可以適配主流瀏覽器，支持鼠標(biāo)操作及觸控操作，可根據(jù)設(shè)備類(lèi)型及顯示屏規(guī)格自適應(yīng)優(yōu)化顯示，并支持平板電腦等便攜式客戶(hù)端[6-10]，系統(tǒng)功能架構(gòu)圖，如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)功能架構(gòu)

軟件既可以布置在本地服務(wù)器上，也可以布置在云服務(wù)器上；數(shù)據(jù)庫(kù)包含數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)等；其中記錄的信息包括劑量率信息、位置信息、箱號(hào)信息、抓拍圖片等，軟件功能模塊，如圖13 所示；岸橋式放射性物質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)器與海關(guān)局域網(wǎng)進(jìn)行連接，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別到的集裝箱的箱號(hào)等信息進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，使海關(guān)監(jiān)管人員第一時(shí)間了解到箱內(nèi)貨物信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，迅速將報(bào)警地點(diǎn)、報(bào)警時(shí)間、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、集裝箱號(hào)、貨物信息等信息發(fā)送到海關(guān)監(jiān)管中心，提高應(yīng)急響應(yīng)速度。

圖13 系統(tǒng)預(yù)警軟件界面

5 結(jié)論

放射性物質(zhì)探測(cè)設(shè)備是口岸放射性檢測(cè)工作有效與否的物質(zhì)基礎(chǔ)，岸橋式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為水運(yùn)口岸放射物質(zhì)探測(cè)工作提供新探測(cè)技術(shù)，具有覆蓋率高、時(shí)效性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、監(jiān)管成本低、便于維護(hù)及社會(huì)效益高的特點(diǎn)。具體如下：

（1）覆蓋率高。碼頭所有用于裝卸集裝箱的岸橋上都裝上最小探測(cè)單元，即可實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口集裝箱放射性物質(zhì)探測(cè)全覆蓋，無(wú)論船舶聯(lián)運(yùn)集裝箱還是正常陸路卡口轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱，都可真正做到在第一入境口岸實(shí)施放射性探測(cè)工作。

（2）時(shí)效性強(qiáng)。安裝岸橋系統(tǒng)后，將放射性檢測(cè)防線前移，吊具在裝卸集裝箱的同時(shí)即進(jìn)行放射性物質(zhì)探測(cè)工作，裝卸與探測(cè)作業(yè)同步。發(fā)生放射性異常報(bào)警可立即停止后續(xù)作業(yè)，第一時(shí)間通知相關(guān)處置人員，將報(bào)警集裝箱拖運(yùn)至檢疫處理區(qū)等待進(jìn)一步排查處置，避免了放射性異常集裝箱在堆場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)移、堆存造成人員受照射、環(huán)境受污染的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）準(zhǔn)確性高。岸橋在進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)過(guò)程中，吊具上的最小探測(cè)單元探測(cè)器與集裝箱位置處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，吊具與集裝箱整體處于懸空狀態(tài)，檢測(cè)過(guò)程中受環(huán)境因素干擾小，測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確，誤報(bào)率低。

（4）監(jiān)管成本低。岸橋系統(tǒng)只需要在水運(yùn)口岸開(kāi)展外輪裝卸作業(yè)的岸橋吊具上安裝放射性探測(cè)設(shè)備，設(shè)備安裝數(shù)量少，且不需要做基礎(chǔ)土建工程，周期短，一次性投入成本低，正常作業(yè)無(wú)需人員參與，且不會(huì)對(duì)物流速度產(chǎn)生影響。探測(cè)器采用小體積閃爍晶體探測(cè)器，技術(shù)成熟國(guó)產(chǎn)化程度高，價(jià)格遠(yuǎn)低于通道式大體積晶體價(jià)格，全覆蓋安裝一次性投入成本低。第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，異地事件處置，最大限度避免人員受照射和放射性物質(zhì)在堆場(chǎng)擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)，降低了不必要的人員救治和環(huán)境治理等直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)。

（5）便于維護(hù)。采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，探測(cè)器元件通用性高，安裝拆卸簡(jiǎn)單便捷，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可現(xiàn)場(chǎng)完成設(shè)備模塊更換。解決放射性探測(cè)設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，等待廠家專(zhuān)業(yè)人員上門(mén)維修維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)的頑疾。

（6）社會(huì)效益高。在碼頭前置攔截區(qū)設(shè)置更多的通道式設(shè)備，勢(shì)必會(huì)影響碼頭運(yùn)營(yíng)企業(yè)的物流周轉(zhuǎn)速度和繞行產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)成本。而岸橋式系統(tǒng)將整個(gè)探測(cè)過(guò)程集成在集裝箱裝卸作業(yè)過(guò)程中同步完成，對(duì)集裝箱貨物物流周轉(zhuǎn)及通關(guān)時(shí)效不造成影響，完美解決開(kāi)題所說(shuō)的海關(guān)強(qiáng)化放射性物質(zhì)監(jiān)管與口岸現(xiàn)代物流發(fā)展對(duì)周轉(zhuǎn)效率日益提升需求的矛盾。

岸橋式放射性物質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建，不僅彌補(bǔ)了海關(guān)等公共安全領(lǐng)域輻射數(shù)據(jù)處理的不足，提升貨物進(jìn)出口放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)能力，提高預(yù)警系統(tǒng)可靠性，也大幅度提高海關(guān)監(jiān)管碼頭集裝箱放射性檢測(cè)工作的效率和準(zhǔn)確性，做到進(jìn)境、出境集裝箱貨物放射性檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，全覆蓋，有效防止放射性物質(zhì)的流出與流入，同時(shí)不會(huì)對(duì)物流速度產(chǎn)生影響。岸橋式放射性物質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)助在海關(guān)監(jiān)測(cè)放射性物質(zhì)領(lǐng)域的新應(yīng)用，并且該系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)符合市場(chǎng)需求，應(yīng)用前景廣闊，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。