一種專用核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的設計與開發(fā)

袁偉，王剛，李藐，陳顯波，李浪

1. 中國人民解放軍 96901 部隊 23 分隊，北京 100094

2. 火箭軍士官學校，山東 青州 262550

態(tài)勢感知（situation awareness，SA）是一種基于環(huán)境、動態(tài)整體地洞悉安全風險的能力，是以安全大數(shù)據(jù)為基礎，從全局視角提升對安全威脅的發(fā)現(xiàn)識別、理解分析、響應處置能力的一種方式，最終是為了決策與行動，是安全能力的落地[1]。在20 世紀80 年代，美國空軍就提出了態(tài)勢感知的概念，主要包括感知、理解和預測3 個層次。自21 世紀起，態(tài)勢感知的概念逐漸被大眾所接受，并隨著計算機技術的蓬勃發(fā)展而快速升級，其在眾多行業(yè)領域的實踐運用就是通過計算機系統(tǒng)對能夠引起安全態(tài)勢發(fā)生變化的要素進行獲取、理解和顯示，并對今后發(fā)展趨勢的順延性預測，最終目的就是要進行決策與行動。

近年來，涉核活動頻率大幅提升，發(fā)生鈾钚等特種核材料爆炸、燃燒類核事故可能性加大。倘若核事故一旦發(fā)生，擴散速度快、危害程度大、影響范圍廣，需要采取行之有效的核應急態(tài)勢感知技術手段，快速判斷識別放射性污染物源項基本特征，預測分析事故態(tài)勢和影響危害范圍，輔助指揮決策人員制定應急處置行動方案和籌劃兵力運用。然而，現(xiàn)階段核應急態(tài)勢感知相關能力較為薄弱，主要渠道是依靠前端核輻射探測器提供的監(jiān)測信息來掌握事故狀況，存在數(shù)據(jù)格式不一、零散且難于調取利用的弊端，同時也缺乏核事故態(tài)勢分布預測、應急處置輔助決策和行動過程可視化呈現(xiàn)等方面技術手段[2]。因此，亟需探索建立一種適用于中小尺度核事故場景的立體態(tài)勢感知系統(tǒng)，能夠有針對性地解決上述問題，從而為提升核應急處置能力提供有效手段。

1 核應急態(tài)勢感知系統(tǒng)架構

根據(jù)核事故場景的基本特點以及核應急業(yè)務工作的實際需求，設計明確了核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的主體架構，如圖1 所示。本系統(tǒng)主要包括前置探測器監(jiān)測模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理模塊、源項預置與反演模塊、污染態(tài)勢評估模塊、決策優(yōu)化生成模塊和三維可視化顯示模塊等6 個主要功能部分。

圖1 系統(tǒng)的主體架構

其中，前置探測器監(jiān)測模塊布設于涉核活動或核事故現(xiàn)場區(qū)域附近，其他模塊集成化部署于核應急指揮大廳，通過有關信息的生成、傳輸、采集、處理、分析和展示等一系列流程化操作，幫助決策人員完成處置任務籌劃。圖2 為系統(tǒng)運行的基本工作流程。

2 核應急態(tài)勢感知系統(tǒng)模塊功能

2.1 前置探測器監(jiān)測模塊

前置探測器主要分為固定式部分、便攜式部分和機動式部分。固定式部分也就是安裝在各種核材料操作場所中的固定監(jiān)測報警設備，重點對空間環(huán)境劑量率、放射性氣溶膠濃度等參數(shù)進行常態(tài)化監(jiān)測，事故發(fā)生后及時預警并向上級報告情況，由上級指揮有關人員手持便攜式α/β 表面污染監(jiān)測儀、γ/中子劑量儀等探測器進一步進行監(jiān)測確認。機動式部分主要包括搭載核輻射探測器的監(jiān)測車、無人機、飛艇、浮空平臺等。圖3 為不同樣式的前置探測器。

圖3 不同樣式的前置探測器

前置探測器總體采用通用接口模組方式，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠按照需要自動采集并保存至存儲單元，并可通過遠程WIFI、ZIGBEE、LORA、GPRS、北斗等多種通信方式，傳輸給核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)后臺，從而有效解決傳統(tǒng)的有線布纜破斷或調制解調器故障導致數(shù)據(jù)無法及時上傳等問題。此外，本模塊設計中綜合采用了多種探測樣式，實現(xiàn)了核事故立體層面信息的感知和獲取，大大提高了探測的廣度和范圍[3-5]。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理模塊

核事故現(xiàn)場不同類型探測器產生放射性測量數(shù)據(jù)的渠道各異、數(shù)據(jù)定義缺乏統(tǒng)一標準，導致獲得數(shù)據(jù)的內涵不一致。此外，還可能由于傳輸渠道異常、通信中斷、信號干擾等情況，導致一部分數(shù)據(jù)缺失、誤報或者出現(xiàn)奇點等現(xiàn)象。為此，必須采取技術處理措施提高原始數(shù)據(jù)完整性、真實性和格式統(tǒng)一性。

監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理模塊的主要作用就是對前置探測器采集的多樣化數(shù)據(jù)進行邏輯性分析，通過填寫缺失的值、光滑噪聲數(shù)據(jù)、識別或刪除離群點并解決不一致性來清除無效數(shù)據(jù)，將不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)通過離群點檢測算法、聚類算法等轉換為規(guī)則數(shù)據(jù)的處理，并對不同格式類型進行同化和標準化，以有利于后續(xù)系統(tǒng)的運算分析[6]。

2.3 源項預置反演模塊

核事故源項是科學開展核應急態(tài)勢分析的前提和基礎，其數(shù)據(jù)的準確與否直接關系到整個處置行動的有效性，所有放射性大氣輸運擴散模型的輸入?yún)?shù)全部依賴于此。目前，源項預置反演模塊的主要功能大致可以分為2 種方式。

第1 種方式為預置源項參數(shù)，主要是在平時使用立體態(tài)勢感知系統(tǒng)進行訓練推演過程中采用，此時沒有核事故實際發(fā)生環(huán)境，主要結合部隊核材料嚴重泄漏擴散事故的場景特征，采用理論分析、數(shù)值仿真、模擬試驗等手段，獲取放射性顆粒物事故初始時刻的粒徑分布、空間尺度、釋放量、化合價態(tài)等數(shù)據(jù)，作為后續(xù)污染態(tài)勢模型分析的輸入條件。

第2 種方式為實測數(shù)據(jù)反演，主要運用于核事故實際發(fā)生后的早期階段，利用不同位置坐標點獲取的一部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合采用蒙特卡羅方法、離散縱標法、點核積分方法等，逆向反推構設出初始源項參數(shù)，從而為污染物擴散提供基礎數(shù)據(jù)條件。在計算過程中，還可根據(jù)不斷補充的實測數(shù)據(jù)持續(xù)進行修正優(yōu)化，提高態(tài)勢分析結果的精度。

2.4 污染態(tài)勢評估模塊

針對核事故發(fā)生區(qū)域的主要特點，設計開發(fā)了適用于不同環(huán)境條件的放射性污染態(tài)勢評估模式。例如，對于平原、巖地、戈壁等地勢相對開闊區(qū)域，考慮到大氣環(huán)境相對穩(wěn)定、地形平坦分布均勻，選用放射性擴散系數(shù)K 為常數(shù)的正態(tài)分布高斯擴散算法，快速估計事故規(guī)模和污染濃度，能夠反映出在某一點位放射性濃度伴隨擴散時間呈現(xiàn)的動態(tài)變化。對于山區(qū)、峽谷等窄長區(qū)域，放射性擴散運動受局地湍流影響較大，主要考慮選擇拉格朗日粒子隨機算法，采用大量Monte Carlo 抽樣質點的隨機擴散方法來模擬大氣擴散，粒子模型跟蹤每個質點的運動軌跡，通過這些質點在空間和時間上的總體分布模擬污染物分布的情況與趨勢[7]。

2.5 決策優(yōu)化生成模塊

決策優(yōu)化生成模塊功能作用針對核事故覆蓋影響區(qū)域內的公眾群體和應急人員，按照各自對應的劑量干預水平和現(xiàn)場相關信息，分析判斷應采取的行動建議。對于公眾而言，主要提供包括撤離、避遷、飲食控制、去污等方面的方案以及這些方案的組合，輔助群眾做好自我防護和安全保護。對于應急人員，重點開展應急人員調配、應急行動路線規(guī)劃等評估分析，形成應急人員行動過程的輔助決策建議。

2.6 三維可視化顯示模塊

三維可視化顯示模塊基于開放圖形庫OPENGL 技術集成開發(fā)，綜合配置管理、渲染引擎等功能于一體，能夠實現(xiàn)核事故放射性污染物擴散過程三維動態(tài)可視化展示。該模塊能夠驅動不同實體的位置、姿態(tài)、狀態(tài)、特效的變化，完成地圖數(shù)據(jù)、三維模型映射、特效插件和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接口等配置工作，渲染引擎主要完成場景的實時渲染。為了滿足核事故場景多通道顯示的需求，三維可視化模塊可以利用多通道顯示擴展模塊實現(xiàn)多臺計算機共同完成同一場景的渲染，生成多通道三維顯示畫面。通過相關參數(shù)配置，就可實現(xiàn)橫向、縱向以及任意多通道組合模式。在多通道顯示模式下，三維可視化模塊能夠生成更大尺寸、更多內容、更具沉浸感的可視化場景。

3 核應急態(tài)勢感知系統(tǒng)關鍵技術

核事故發(fā)生后，相應的區(qū)域內將快速產生放射性煙云，煙云在氣象條件作用下朝下風向擴散形成明顯沾染帶。核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)運行過程主要是在明確釋放源項特征的條件下，根據(jù)大氣擴散的基本理論采用適當?shù)臄U散模型進行污染危害影響分析，提供科學合理的輔助決策。綜上所述，核事故源項的有效識別、污染物形成與擴散探尋、污染態(tài)勢信息的可視化展示、應急處置行動決策優(yōu)化便成為本系統(tǒng)設計開發(fā)需要重點解決的關鍵技術。

3.1 核事故源項確立和識別

國外對源項技術開展了一些探索并取得了一定成果。例如，美國曾多次開展钚材料在不同爆轟高溫條件下的源項擴散實驗，其中最為有名的就是“過山車行動”（operation roller coaster，ORC）系列實驗，借此獲得了氣溶膠源項參數(shù)。在源項反演方面，最為主要的研究成果大致包括基于概率統(tǒng)計理論方法和基于最優(yōu)化理論方法。本文結合核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的使用特點，有針對性地建立了源項有效獲取的2 種模式。

1）確定性源項模式。應用有限元仿真軟件對核事故過程進行力學動態(tài)模擬，確定核材料能量響應過程并據(jù)此設計等效縮比仿真實驗，通過建立一整套采樣取樣、制樣測量和化驗分析方法，獲取了污染物粒徑分布、空間尺度等一系列源項特征參數(shù)。該類源項主要在系統(tǒng)平時訓練過程中使用。

2）非確定性源項模式。當核事故發(fā)生時，在下風向區(qū)域釋放多個前置探測器，確保獲取到相對充分的有效環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象地理環(huán)境信息確定放射性污染物擴散的模擬數(shù)值與前置實際探測的數(shù)據(jù)的最優(yōu)匹配，從而將源項轉化為一個多參數(shù)的目標無約束優(yōu)化問題。對待求參數(shù)θ=(Q0，x0，y0，z0)，以污染物擴散的模擬數(shù)值與探測數(shù)據(jù)的誤差作為目標函數(shù)，即

則該優(yōu)化問題可以表達為

式中： Θ為所有可行解構成的解空間，θ為任一可行解，J（θ）為目標函數(shù)，Q0為需要求出的核事故源項強度，X0= (x0，y0，z0)為需要求出的核事故源的位置，X為監(jiān)測坐標(x，y，z)，Ccal(X，t) |θ為當源參數(shù)取值為θ得到的時刻t在位置 (x，y，z)處計算數(shù)值，Cobs(X，t) 為時刻t在位置(x，y，z)處探測數(shù)值。因此，核事故源項位置定位表達式為

式中：T為監(jiān)測次數(shù)，N為監(jiān)測點數(shù)量。對前置探測器中N個監(jiān)測點獲取的數(shù)據(jù)進行建模，對不同位置監(jiān)測點不同時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計算數(shù)據(jù)進行比較，確定最佳匹配情況。為此，核事故源項位置的定位問題變成了在解空間θ尋找一個讓目標函數(shù)最小的解向量J(θopt)[8]。

3.2 核事故污染形成與擴散探尋

污染擴散研究對于科學判斷放射性物質的擴散運動軌跡、影響覆蓋范圍具有極其重要的意義。針對部隊開闊空間核事故，雖然確立了基于正態(tài)分布的高斯擴散算法，但要區(qū)分有風點源擴散模式、小風和靜風點源擴散模式，對于擴散系數(shù)等參數(shù)仍然需要通過科學化分析判斷確定。同樣，復雜地形環(huán)境下影響核事故污染擴散的有關因素和制約條件，也必須通過大量理論和試驗手段予以分析掌握[9]。

通過設置貼近部隊核事故特征的環(huán)境條件，運用流體動力學方法模擬了放射性煙云初始形成的基本過程，并總結得到規(guī)律性結論。事故發(fā)生后短時間內，煙云形態(tài)最初為近似橢球的煙團，在中反向水平密度梯度變化下產生快速、反旋轉、條束狀的渦環(huán)，渦環(huán)圍繞其渦核由內向外翻卷，渦環(huán)直徑逐漸變大并且較為穩(wěn)定上升；由于煙云空間密度的不一致性，導致擴散上升速度不一，氣團下部形成煙柱，在水平風作用下煙團頂部形態(tài)發(fā)生了不對稱變化，煙云在一定時間后趨于穩(wěn)定。

在煙云運動數(shù)值仿真的基礎上，設計并開展了野外不同風場、不同地形條件下的煙云擴散循跡實驗。通過測量分析，煙云尺寸隨時間變化規(guī)律與模擬仿真分析數(shù)據(jù)的相關性和變化規(guī)律基本一致，理論計算曲線結果比實驗測量值略高，考慮到煙云存在分層拋灑和局部反應現(xiàn)象，并存在近地面不同高度風場干擾，不可避免地存在一定誤差。根據(jù)煙云形態(tài)測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過函數(shù)擬合換算得到了不同環(huán)境條件下煙云運動的基本規(guī)律，為后續(xù)擴散模型修正與開發(fā)奠定了理論基礎[10]。圖4 為野外煙云擴散運動實景。

圖4 野外煙云擴散運動實景

3.3 污染態(tài)勢信息的可視化展示

根據(jù)核事故源項、污染擴散等研究成果，基于OPENGL 技術集成開發(fā)了污染態(tài)勢信息可視化展示功能，實現(xiàn)海量級粒子濃度場仿真計算以及污染物擴散過程三維動態(tài)可視化展示，定量給出氣溶膠空間梯度變化及人員受照劑量，同時還能展示地形變化、風場的變化以及濃度的分布狀態(tài)。圖5 為污染態(tài)勢三維可視化的實現(xiàn)過程[11]。

圖5 污染態(tài)勢三維可視化的實現(xiàn)過程

在模塊設計過程中，為了逼真模擬粒子運動過程及與環(huán)境條件的動態(tài)耦合，充分融合了地理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和粒子擴散數(shù)據(jù)，在統(tǒng)籌考慮地面高程對風場影響情況下，細化了氣象預報數(shù)據(jù)的網(wǎng)格精度，更加精確地展示了風場、粒子等遷移擴散過程和污染物分布。對于大規(guī)模影像和地形數(shù)據(jù)，采用基于影像數(shù)據(jù)的多細節(jié)層次存儲方式進行處理；對于氣象的三維可視化，原始數(shù)據(jù)通常分布在等間距的經(jīng)緯線網(wǎng)格和不同距離的高度網(wǎng)格上，采用局部直角坐標和球坐標相互綜合的方法，完成氣象等值線、等值面、體繪制和切面繪制；對于粒子擴散和態(tài)勢評估數(shù)據(jù)，設置獨立模塊和接口，實現(xiàn)粒子輸出時間序列、濃度劑量輸出時間序列等同步展示問題。圖6 為風場數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)運動可視化展示。

圖6 風場數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)運動可視化展示

3.4 應急處置行動智能決策

行動決策在整個應急處置過程中起著極其重要的作用，需要考慮的綜合因素較多。這種工作是在多個互相關聯(lián)且交叉制約的因素下進行的，核應急必須將事故危害降至最低（如可避免劑量最大、集體劑量最?。?，同時采取措施的代價盡可能小。對于部隊應急行動指揮人員，必須對核事故引起的放射性后果、帶來的負面影響以及處置行動時效性和合理性作出統(tǒng)籌權衡，以確定最佳建議方案[12]。

本系統(tǒng)結合放射性污染態(tài)勢評估結果，根據(jù)核事故現(xiàn)場行動信息開展應急行動力量調配、應急行動路徑規(guī)劃，形成應急人員行動規(guī)劃輔助建議。例如，調遣人員快速抵近核事故現(xiàn)場前，首先按照應急行動預案中多種行動路線，確定路徑上每個節(jié)點在評價區(qū)域中的網(wǎng)格位置，綜合分析路徑、速度、滯留時間等信息；其次，以核污染態(tài)勢分布為輸入，估算應急人員在各任務段上的預期劑量或集體劑量；最后，根據(jù)不同行動路線的劑量結果，綜合劑量值、抵達時間、交通條件等要素進行合理化排序，確定最佳行動路線方案[13-15]。圖7 為應急行動路徑規(guī)劃流程。

圖7 應急行動路徑規(guī)劃流程

此外，結合輻射偵測、污染封控等具體情況，從核應急資源數(shù)據(jù)中調取應急裝備、物資器材的屬性參數(shù)，開展行動作業(yè)能力計算。根據(jù)放射性擴散面積和重點區(qū)域受污染情況等，評估污染壓制等不同應急行動的作業(yè)能力、重點作業(yè)區(qū)域、預警限值等，形成應急行動輔助決策建議。

4 應用實例與效果評估

對于使用者而言，最為直觀的是通過設計一個核事故案例來推演展示系統(tǒng)的功能實現(xiàn)過程，從而驗證其實用性和有效性。以核材料意外爆炸為例，核事故產生大量放射性物質快速擴散，在下風向區(qū)域形成較大覆蓋區(qū)域的輻射沾染帶，在迅速開展應急滅火、搶救傷員、道路警戒等行動的同時，向上級指揮機構求援啟動核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)。

4.1 核事故信息接收與展示

本系統(tǒng)進入應急模式，根據(jù)現(xiàn)場上報信息調取事故區(qū)域周邊地形地貌、交通狀況、力量部署等基礎信息，并通過固定式、便攜式和機動式前置探測器的遠程通信方式獲取現(xiàn)場氣象、核輻射監(jiān)測等大量數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理模塊對采集數(shù)據(jù)進行邏輯性分析、篩選處理和存儲調用。

4.2 放射性污染態(tài)勢分析研判

根據(jù)核事故現(xiàn)場地形特點選擇對應的大氣擴散模式，調用預置的源項參數(shù)進行早期污染態(tài)勢評估，給出短時間內的放射性擴散情況。同時，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)進行源項反演以修正態(tài)勢結果，通過不同顏色的比色卡呈現(xiàn)出重度、中度、輕度污染區(qū)大致范圍，并得到核事故后下風方向的放射性危害程度以及不同人員受到的輻射劑量值。

4.3 應急處置行動輔助決策

在掌握不同時刻核事故污染態(tài)勢分布后，本系統(tǒng)結合核事故現(xiàn)場具體情況進行智能化綜合研判，開展應急行動路線規(guī)劃等工作，科學化給出應急力量協(xié)同作業(yè)順序、方法、要求和有關建議，并最終形成輔助決策報告以指導開展后續(xù)處置行動。

5 結論

本文結合核事故源項分析、大氣擴散、劑量評價、行動決策的有關研究實踐工作，介紹了一種專用核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的主要架構、模塊組成與功能以及開發(fā)過程中涉及的主要關鍵技術，并以核材料意外爆炸核事故為案例，結合應急處置流程展示了系統(tǒng)工作的大致過程，從而說明了該系統(tǒng)能夠為重大核事故的危害感知預測以及科學開展核應急處置行動提供重要支持。本文提出的系統(tǒng)設計方法和技術途徑，可為類似系統(tǒng)的構建提供有益的借鑒和參考。后續(xù)將結合使用和意見建議反饋情況，持續(xù)完善和固化相關技術成果。