徐 琪

（紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，紹興 312000）

核輻射自動(dòng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)可靠性研究

徐 琪

（紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，紹興 312000）

核能是一種新型能源，核能的利用給人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，但是核能的安全問題引起了人們的關(guān)注。核輻射對環(huán)境和生物生存有巨大的危害。本文從自動(dòng)監(jiān)控的角度，首先論證了可靠性問題的分析，其次對自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備的分析介紹，大致了解自動(dòng)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)步驟?？偟膩碚f，核電作為清潔能源，在確保安全的前提下，不斷的促進(jìn)發(fā)展，是每個(gè)國家的戰(zhàn)略需求。

核輻射；自動(dòng)監(jiān)控；可靠性；實(shí)時(shí)性

1 概述

1.1 核輻射信息概況

近期，日本地震災(zāi)區(qū)核電站多個(gè)機(jī)組出現(xiàn)險(xiǎn)情引起全球各地民眾對于核輻射問題的關(guān)注。中國上海、青島、深圳、江蘇、香港、黑龍江等地加強(qiáng)了核輻射環(huán)境監(jiān)控。與此同時(shí)德國總理默克爾在柏林宣布，德國將暫時(shí)關(guān)閉1980年以前投入運(yùn)營的7座核電站，同時(shí)對所有核電站進(jìn)行安全檢查。歐盟委員會負(fù)責(zé)能源事務(wù)的委員奧廷格同一天表示，為吸取日本核電站事故的教訓(xùn)，歐盟成員國同意對核電站進(jìn)行全面的“壓力測試”，檢查核電站是否能應(yīng)對地震、海嘯、恐怖襲擊、電力供應(yīng)中斷等突發(fā)威脅。

所謂核輻射就是原子核從一種結(jié)構(gòu)或者狀體轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或者狀態(tài)大的過程中所釋放能量的過程，核輻射所產(chǎn)生的能量巨大，對生物和環(huán)境都產(chǎn)生了持續(xù)的影響。特別是近幾年來，由于核資料與核技術(shù)的擴(kuò)散，針對核相關(guān)的試驗(yàn)不斷進(jìn)行，核泄漏現(xiàn)象也層出不窮。與此同時(shí)，自然災(zāi)害的影響對核設(shè)施的破壞造成的核泄漏，例如，日本福島核電站地震核泄漏事件，造成重大的損失，因此我們必須建立并且不斷完善核輻射自動(dòng)監(jiān)控以及預(yù)警措施，保證核預(yù)警的實(shí)時(shí)可靠性。

1.2 核輻射對人的危害

核泄漏一般的情況對人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，y輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人員受到外照射傷害。 核泄漏一般的情況對人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質(zhì)，放射性物質(zhì)可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，y輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人員受到外照射傷害。身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴(yán)重，致癌、致畸風(fēng)險(xiǎn)越大。

放射性物質(zhì)可通過呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，y輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人員受到外照射傷害。內(nèi)外照射形成放射病的癥狀有：疲勞、頭昏、失眠、皮膚發(fā)紅、潰瘍、出血、脫發(fā)、白血病、嘔吐、腹瀉等。有時(shí)還會增加癌癥、畸變、遺傳性病變發(fā)生率，影響幾代人的健康。一般講，身體接受的輻射能量越多，其放射病癥狀越嚴(yán)重，致癌、致畸風(fēng)險(xiǎn)越大。

1.3 本文所涉及的內(nèi)容介紹

本文以“核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)可靠性”為背景，根據(jù)具體的要求，所涉及的內(nèi)容如下所示：

1）自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性分析，著重介紹了可靠性方框圖以及數(shù)學(xué)模型的建立；

2）自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體構(gòu)架的淺析，通過對系統(tǒng)的分析得出系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控的目的。

3）在1）和2）的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性論證，通過假設(shè)的方法，對系統(tǒng)所的參數(shù)與實(shí)際控制指標(biāo)的對比，得出核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)工作能否可靠、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確進(jìn)行。

本文在從“自動(dòng)監(jiān)控”的角度，參考了相關(guān)的資料及技術(shù)工程指標(biāo)完成了“核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)可靠性研究”的內(nèi)容。

2 實(shí)時(shí)可靠性分析

核輻射自動(dòng)監(jiān)控的可靠性就是自動(dòng)監(jiān)控裝置在特定的時(shí)間和條件下能及時(shí)準(zhǔn)確的對響應(yīng)做出判別，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防舉措。工程上的可靠性是為了使系統(tǒng)達(dá)到可靠性要求而進(jìn)行的與設(shè)計(jì)、管理、試驗(yàn)和生產(chǎn)一系列工作相關(guān)的活動(dòng)，它與系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi)的全部可靠性活動(dòng)有關(guān)。工程的可靠性是工程現(xiàn)實(shí)化的重要組成部分，同時(shí)也是保證正常工作持續(xù)運(yùn)行的有力工具。利用可靠性的工程技術(shù)手段能夠快速、準(zhǔn)確地確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，并給出改進(jìn)措施和改進(jìn)后對系統(tǒng)可靠性的影響。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性是可以通過設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理來實(shí)現(xiàn)的。

2.1 可靠性問題的發(fā)展概述

在我國，可靠性工程的發(fā)展較早，70年代組建了可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所，著重研究可靠性與環(huán)境相關(guān)的問題。之后，與可靠性相關(guān)的問題也就陸續(xù)展開進(jìn)行，深入到國民生產(chǎn)各部門機(jī)構(gòu)。從可靠性發(fā)展的總體來看，大致分成四階段。

2.1.1 可靠性研究的準(zhǔn)備階段

該階段的主要是提出了一系列的可靠性問題，在理論研究的基礎(chǔ)上，對工程技術(shù)提出了相關(guān)的建議。

2.1.2 可靠性研究的試驗(yàn)階段

該階段主要是對特定的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)測試，通過測試結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行定性定量的分析與改進(jìn)。

2.1.3 可靠性研究的物理階段

該階段從系統(tǒng)的失效機(jī)制出發(fā)，研究導(dǎo)致系統(tǒng)失誤的觸發(fā)因素，著重研究與系統(tǒng)物理性能有關(guān)的問題。

2.1.4 可靠性研究的保證階段

該階段從系統(tǒng)的整體進(jìn)行可靠性管理，多構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制監(jiān)測分析，從而保證系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行。

2.2 核輻射監(jiān)控系統(tǒng)可靠性模型分析

監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性是一個(gè)系統(tǒng)工程，它的可靠性問題需要眾多方面的保證與實(shí)現(xiàn)。核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性模型可以通過可靠性方框圖和可靠性數(shù)學(xué)模型來表述。常用的模型有串聯(lián)模型和并聯(lián)模型。

2.2.1 串聯(lián)模型分析

所謂串聯(lián)模型，就是核輻射自動(dòng)檢測系統(tǒng)的任意一個(gè)元器件的不正常工作，都會對整個(gè)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響，按照邏輯關(guān)系的表述，只是一種“與”關(guān)系，如下圖1所示，串聯(lián)模型方框圖。

圖1 核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性串聯(lián)模型方框圖

數(shù)學(xué)模型：

假設(shè)各系統(tǒng)回路壽命服從指數(shù)分布：

式中：Ri(t)、li(t)——各系統(tǒng)回路的可靠度、故障率；

Rs(t)、ls(t)——監(jiān)控系統(tǒng)的可靠度、故障率。

2.2.2 并聯(lián)模型分析

與串聯(lián)模型相比，并聯(lián)模型則是監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，只要組成系統(tǒng)的元素不發(fā)生故障，監(jiān)控系統(tǒng)就能良好的運(yùn)行，按照邏輯關(guān)系，這是一種“或”的關(guān)系，如下圖2所示，并聯(lián)模型方框圖。

圖2 核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性并聯(lián)模型方框圖

數(shù)學(xué)模型：

式中：Ri(t)——各系統(tǒng)回路的可靠度；

Rs(t)——監(jiān)控系統(tǒng)的可靠度。

3 核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)是根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用背景利應(yīng)用目標(biāo)來確定的，按照核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)來分析，為了達(dá)到有效預(yù)防核輻射進(jìn)而進(jìn)行預(yù)警的目的。從應(yīng)用層面進(jìn)行分析，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)組成分為三部分：信號數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸通信和數(shù)據(jù)的處理。

首先是信號數(shù)據(jù)的采集，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)該裝設(shè)有數(shù)據(jù)采集裝置。主要是為了完成現(xiàn)場輻射環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息的鎖定，考慮到穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠工作的前提，該系統(tǒng)多采用嵌入式系統(tǒng)為核心的數(shù)據(jù)信號采集以及傳輸平臺，具有一定層次的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理、采集硬件、接口、數(shù)據(jù)分析與處理軟件等幾部分組成，如圖3所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

其次，信號數(shù)據(jù)的傳輸需要有可靠堅(jiān)強(qiáng)的傳輸機(jī)構(gòu)，所選用的傳輸裝置要有一定的安全性，保證信號數(shù)據(jù)能完整無誤的傳遞到處理平臺系統(tǒng)。

最后，數(shù)據(jù)信號處理需要完成對采集的信號進(jìn)行及時(shí)的分析、準(zhǔn)確地定位、定量定性的分析狀況達(dá)到自動(dòng)預(yù)警監(jiān)控的目的。

3.2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

核輻射自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組成是由多個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)探測裝置和監(jiān)控單元組成的核輻射無線監(jiān)鍘網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控單元下若干個(gè)探測裝置組成核輻射監(jiān)測局域網(wǎng)。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用一點(diǎn)對多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)來說，大致可以分為三部分：第一部分是預(yù)警系統(tǒng)，作為整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，具有首要的地位，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中心裝備有預(yù)警以及核輻射應(yīng)急的必備裝備以及軟硬件設(shè)施，監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)控探測裝置所測量的數(shù)據(jù)；第二部分是移動(dòng)探測裝置和固定的監(jiān)控單元，特別是基于γ輻射探測裝置，核輻射監(jiān)控局域網(wǎng)由多個(gè)探測裝置和監(jiān)控單元構(gòu)成，對監(jiān)控單元的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之間信息的傳遞；第三部分是監(jiān)控單元下若干個(gè)探測裝置組成的核輻射局域網(wǎng)探測裝置。

3.3 γ輻射探測裝置

γ輻射探測裝置主要是由碘化鈉探測裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、信號放大器、控制單元、A/D及D/A轉(zhuǎn)換單元等構(gòu)成，具體工作原理如下圖4所示。

圖4 γ輻射探測裝置工作原理結(jié)構(gòu)圖

3.4 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性分析

通過對核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性論述，我們已經(jīng)大致的形成相關(guān)的問題框架，但是還有一個(gè)問題就是存在核輻射來源，系統(tǒng)能否進(jìn)行有效的預(yù)警防護(hù)？根據(jù)系統(tǒng)的分析，對此進(jìn)行假設(shè)研究。

假設(shè)存在一個(gè)γ輻射源，產(chǎn)生的γ射線作為基準(zhǔn)射線，將放射源放在監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)測的范圍之內(nèi)，要做好充足的準(zhǔn)備，不會對環(huán)境和人產(chǎn)生傷害。自動(dòng)監(jiān)控裝置通過對測試點(diǎn)的輻射劑量率D來確定周圍環(huán)境輻射的相關(guān)情況，參考公式如下所示：

式中：D100是γ輻射源放置在距離監(jiān)控裝置一米處觸發(fā)范圍的劑量率；

u是γ射線在空氣中的減弱系數(shù)；

R是測試單元距離監(jiān)控系統(tǒng)的距離；

Kd是放射源自身衰變所需的校正參數(shù)。

通過改變反射源與監(jiān)控系統(tǒng)的距離，來觀測檢測的數(shù)據(jù)信號。由計(jì)算機(jī)分析軟件所反饋的計(jì)量數(shù)據(jù)與實(shí)際所操縱的指標(biāo)進(jìn)行對比分析，如果所得數(shù)據(jù)與實(shí)際指標(biāo)相差不大，則可以表明核輻射自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確可靠的預(yù)警核輻射；相反，如果相差很大就不能達(dá)到預(yù)警目的，就有可能造成潛在的危害，因此需要從可靠性工程研究的角度對自動(dòng)監(jiān)控這個(gè)系統(tǒng)工程進(jìn)行完善甚至重新布置，總之為了達(dá)到和輻射的自動(dòng)監(jiān)控以及預(yù)警，必須要求系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語

核電建設(shè)中，與核輻射相關(guān)的問題層出不窮。核輻射對人與環(huán)境產(chǎn)生巨大的傷害，因此我們必須加強(qiáng)核輻射監(jiān)控力度。本文核輻射自動(dòng)監(jiān)控的角度，大致論述了自動(dòng)監(jiān)控的可靠性，通過對系統(tǒng)可靠性問題以及可靠性方框模型和數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，首先建立初步的可靠性問題的認(rèn)識。之后對監(jiān)控系統(tǒng)整體的描述，簡單的表現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的，最后再從監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行角度進(jìn)行統(tǒng)一論證，對其性能進(jìn)行評價(jià)，使監(jiān)控系統(tǒng)能真正達(dá)到預(yù)警的目的。同時(shí)正如本文所論述的，從自動(dòng)監(jiān)控的角度，實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確地反應(yīng)人們生活周圍的核輻射指針。通過點(diǎn)點(diǎn)滴滴的防護(hù)，使損害達(dá)到最低，從而有效的避免核輻射危害，從而為我國大力發(fā)展核電事業(yè)做好充足的準(zhǔn)備。

[1] 徐科軍. 自動(dòng)檢測和儀表中的共性技術(shù)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社. 2000.

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The automatic monitoring of nuclear fallouts'real-time and reliability research

XU Qi

TP277

A

1009-0134(2011)5(下)-0097-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).29

2011-01-07

徐琪（1988－），男，浙江寧波人，本科，研究方向計(jì)算機(jī)應(yīng)用。