楊海峰，宋祖榮

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

基于無線傳感網(wǎng)的核電安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

楊海峰，宋祖榮

(環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京 100082)

低碳經(jīng)濟和能源可持續(xù)發(fā)展的要求下，新能源的開發(fā)和使用越來越受到世界各國的青睞；核電在新能源領(lǐng)域發(fā)電效率最高，電能質(zhì)量最穩(wěn)定，近年來取得長足的進步和豐碩的成果，然而，福島核輻射事故的發(fā)生導致核電發(fā)展阻力重重，核電安全問題被提升到前所未有的高度;基于傳感網(wǎng)技術(shù)的核電安全監(jiān)控系統(tǒng)采用“檢測層-接入層-匯聚層-數(shù)據(jù)中心”四層傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實時采集核電廠關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)，并通過傳感網(wǎng)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，在數(shù)據(jù)中心對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合處理，對核電廠運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預測，確保核電廠安全運營;核電安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的生命周期是保證整個網(wǎng)絡(luò)使用可靠性和穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)，從節(jié)點布局優(yōu)化的角度出發(fā)，研究該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法。

核電安全；傳感網(wǎng)監(jiān)控；能量管理；節(jié)點布局

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)境污染越來越嚴重，核電能源的發(fā)展和利用成為未來能源利用的主力軍，正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而，核電的安全使用是關(guān)乎核電及人類能源利用的最重要的前提。日本福島核事故事件造成世界各地“談核色變”的情景仍歷歷在目，一旦發(fā)生核安全事故，將會造成災難性后果，甚至危及人類的生存和發(fā)展[1]。為了保護核電設(shè)備的安全、可靠及高效運行，有必要對核電安全設(shè)備的運行狀態(tài)進行檢測和監(jiān)測。傳統(tǒng)的核電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用有線網(wǎng)絡(luò)，其線纜鋪設(shè)困難、數(shù)據(jù)采集困難、施工成本高等缺點限制了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用；無線傳感網(wǎng)技術(shù)因其安裝簡單、節(jié)點布局方便及成本低等優(yōu)點，適合在核電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測中使用，有效提高監(jiān)測的范圍、監(jiān)測的實時性及可靠性等，提升核電設(shè)備運行的安全性及可靠性，對于核電的大力發(fā)展具有深遠的意義。

無線傳感網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)由四層架構(gòu)組成，分別包括檢測層、接入層、匯聚層和數(shù)據(jù)中心。檢測層主要使用傳感器對核電設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時檢測，接入層負責接收檢測層檢測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)，匯聚層負責接收接入層的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合等處理，數(shù)據(jù)中心負責對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合數(shù)據(jù)挖掘、狀態(tài)分析、預警及展示等。基于無線傳感網(wǎng)的核電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，可以實現(xiàn)分布式、大范圍、低成本及實時監(jiān)測；基于ZigBee通信技術(shù)自組網(wǎng)的特性，系統(tǒng)可以方便的增減監(jiān)測節(jié)點，個別節(jié)點故障不影響整體監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而確保核電設(shè)備運行安全監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 核電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀

核電設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用對與保證核電設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。從安全運行的角度出發(fā)，核電的發(fā)展和應(yīng)用為人類能源的開發(fā)和利用帶來新的希望，但是核電事故帶來的災難是不可估量的，所以需要對核電的安全使用進行實時的監(jiān)測和預測，最大程度的降低核電泄露的風險。通過現(xiàn)場對核電設(shè)備的運行狀態(tài)、核電設(shè)備運行環(huán)境等進行實時的監(jiān)測，并通過對監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)的分析、評估、預警，實時對可能故障的設(shè)備進行預處理和維修，從而避免事故的發(fā)生[2]。

傳統(tǒng)的核電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是由監(jiān)測站和數(shù)據(jù)處理站組成，監(jiān)測站是在監(jiān)測對象處安裝傳感器等監(jiān)測裝置，監(jiān)測核電設(shè)備及現(xiàn)場環(huán)境的運行溫度、振動的狀態(tài)信息，并將信息傳送到數(shù)據(jù)處理站，通過對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的處理分析，評估核電廠的運行安全狀態(tài)。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)都是基于有線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)需要在每個監(jiān)測節(jié)點布設(shè)監(jiān)測裝置和傳輸線纜，由于核電廠運行設(shè)備多，運行環(huán)境復雜，很難將所有的設(shè)備的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一到一個網(wǎng)絡(luò)中，不僅網(wǎng)絡(luò)布局難度大、成本高，而且網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也很難得到保證。因此，需要一種基于無線的、自組網(wǎng)的、低成本的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，兼具數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)谋O(jiān)測傳感網(wǎng)進行核電運行狀態(tài)的監(jiān)測和管理。

2 基于傳感網(wǎng)的核電監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的組成

基于傳感網(wǎng)的核電監(jiān)測系統(tǒng)是由檢測層、接入層、匯聚層和數(shù)據(jù)中心四部分組成。檢測層是通過現(xiàn)場布設(shè)的溫度、振動等傳感器，感知核電設(shè)備的運行溫度、振動狀態(tài)等信息；接入層負責將檢測層檢測監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息通過有線(RJ45、RS232/485)、無線(ZigBee、Wifi)等方式進行接收并傳輸?shù)絽R聚層；匯聚層負責接收接入層接收的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行初步的處理和分析，壓縮冗余信息，從而減少系統(tǒng)給數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，保證傳輸數(shù)據(jù)的準確性、全面性和有效性；數(shù)據(jù)中心負責接收匯聚層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合等處理，通過分析采集信息的特點，評估核電設(shè)備運行的狀態(tài)，并作出相應(yīng)的預警處理[3]。

圖1 核電安全監(jiān)測無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 系統(tǒng)的特點

基于傳感網(wǎng)的核電監(jiān)測系統(tǒng)將整個核電運行系統(tǒng)作為一個整體，監(jiān)測核電設(shè)備及其運行環(huán)境的實時狀態(tài)。核電運行環(huán)境復雜、設(shè)備數(shù)量多、分布范圍大，構(gòu)建的基于傳感網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)具備以下特點：

1)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)龐大，由于核電是一個非常復雜的系統(tǒng)，要實現(xiàn)對核電運行狀態(tài)的綜合監(jiān)控，不能從單點的監(jiān)測進行片面的評估和判斷，需要綜合整個系統(tǒng)各個節(jié)點的狀態(tài)，進行系統(tǒng)的分析，所以建立的監(jiān)測系統(tǒng)非常龐大；

2)能量均衡、高效，保證在系統(tǒng)運行過程中，各節(jié)點通信負載和能量消耗達到均衡狀態(tài)，避免個別節(jié)點能量耗盡導致監(jiān)測系統(tǒng)癱瘓。

3)低傳輸延遲，為了保證檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸，要保證傳輸時延最小化，保證關(guān)鍵傳輸節(jié)點的能量供給。

4)魯棒性，核電運行現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜，構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸協(xié)議需具備自組網(wǎng)功能，在個別節(jié)點失效或者新節(jié)點加入過程中，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5)數(shù)據(jù)融合，由于節(jié)點的冗余覆蓋或冗余部署，節(jié)點感知的信息具有較大的相關(guān)性和冗余性，可以通過數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行合并、計算和處理，通過減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量來降低節(jié)點的能量消耗。

2.3 基于無線傳感網(wǎng)核電檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計及解決的技術(shù)難點

基于無線傳感網(wǎng)核電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計是一種更加高效，節(jié)能的監(jiān)測系統(tǒng)解決方案。然而由于無線傳感網(wǎng)自身存在的一些缺陷，為了更加方便的利用傳感網(wǎng)系統(tǒng)給核電系統(tǒng)服務(wù)，需要克服以下技術(shù)難點：

1)能量優(yōu)化協(xié)議，由于傳感網(wǎng)檢測傳感器原件一般體積很小，同時集成了感知，處理和傳輸單元為一體，而且電源模塊很難進行更換或者充電，所以為了保證監(jiān)測的持續(xù)性和穩(wěn)定性，需要研究優(yōu)化的傳輸協(xié)議，在節(jié)省節(jié)點能量消耗的同時，要均衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的能量消耗，最大程度的延長監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的使用壽命；

2)數(shù)據(jù)融合算法，由于傳感網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)處理能力和傳輸帶寬的限制，而且在進行網(wǎng)絡(luò)布局的時候，為了增加系統(tǒng)的容錯能力，在進行某個性能監(jiān)測的時候，通常都有多個感知節(jié)點來完成，這就造成在數(shù)據(jù)處理和傳輸過程中存在數(shù)據(jù)冗余的發(fā)生，造成系統(tǒng)傳輸帶寬和能量的浪費，需要研究數(shù)據(jù)融合算法，在數(shù)據(jù)進行傳輸之前對監(jiān)測到的原始數(shù)據(jù)進行處理，減少數(shù)據(jù)傳輸量，在匯聚節(jié)點處進行多傳感器數(shù)據(jù)融合，提升監(jiān)測的穩(wěn)定性和準確性。

3)節(jié)點布局，由于核電設(shè)備運行要求嚴格，而且環(huán)境非常復雜，在進行監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局的時候，要充分考慮核電廠的實際運行環(huán)境，在不影響核電設(shè)備正常工作的前提下，設(shè)計合理的布局模式，實現(xiàn)核電設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測和傳輸，并在數(shù)據(jù)中心處理完成后，可以及時的做出預警分析。

2.4 基于無線傳感網(wǎng)核電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗分析

在核電安全監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測傳感器節(jié)點一般由信息檢測單元、信息處理單元、信息傳輸單元和能量供應(yīng)單元4部分組成。信息檢測單元負責檢測核電設(shè)備及周圍運行環(huán)境的溫度及振動的狀態(tài)信息；信息處理單元負責對檢測單元檢測到的數(shù)據(jù)信息進行存儲、處理；信息傳輸單元負責將處理完的數(shù)據(jù)信息進行傳輸，傳輸?shù)礁浇谋O(jiān)測節(jié)點或者匯聚節(jié)點。信息傳輸單元有發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)，根據(jù)節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)在這4種狀態(tài)間切換；能量供應(yīng)單元為信息監(jiān)測單元、信息處理單元和信息傳輸單元提供工作所需要的能量。在進行核電安全監(jiān)測時，先由信息檢測單元對核電設(shè)備運行狀態(tài)進行檢測，然后對檢測數(shù)據(jù)進行處理，然后經(jīng)傳輸單元傳送到遠端進行綜合預警分析[4]。

核電安全監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)單元在使用周期內(nèi)無法進行能量補充，能量供應(yīng)單元攜帶的能量一般很有限，為了保證監(jiān)測的穩(wěn)定性和連續(xù)性，需要研究節(jié)點能量管理優(yōu)化技術(shù)，以最大限度延長監(jiān)測網(wǎng)生命周期。核電安全監(jiān)測節(jié)點的能量消耗主要集中信息檢測單元、信息處理單元和信息傳輸單元等模塊上。核電安全監(jiān)測無線傳感器節(jié)點的能量消耗如圖2所示，能量消耗主要發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸單元上，信息檢測和處理單元的能量消耗是很有限的。而且，無線傳輸?shù)哪芰肯暮凸?jié)點傳輸數(shù)據(jù)量、傳輸距離等相關(guān)，通過研究節(jié)點的布局來實現(xiàn)能量管理的優(yōu)化。

圖2 核電安全監(jiān)測無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

2.5 基于無線傳感網(wǎng)核電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型

基于無線傳感網(wǎng)的核電安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗主要集中在數(shù)據(jù)傳輸單元，在發(fā)射端能量消耗主要是發(fā)射電路和功率放大電路產(chǎn)生，接收端主要能量消耗是由接收電路產(chǎn)生。發(fā)射端消耗能量如公式(1)所示，接收端消耗能量如公式(2)所示：

(1)

Erx(k)=kEelec

(2)

2.6 基于無線傳感網(wǎng)核電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布局優(yōu)化

基于無線傳感網(wǎng)的核電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由很多個檢測節(jié)點組成，為了最大程度的延長監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，從整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布局優(yōu)化的角度出發(fā)，研究合理的節(jié)點布局結(jié)構(gòu)，減少因為布局不合理帶來的能量損耗[5]。假設(shè)：

1)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)區(qū)域長度為L，基站位于區(qū)域的一側(cè)；

2)每個檢測節(jié)點初始能量均為e，節(jié)點發(fā)送單位數(shù)據(jù)的能量消耗為et，接收單位數(shù)據(jù)的能量消耗為er；

3)節(jié)點感知的區(qū)域內(nèi)單位長度的數(shù)據(jù)生成速度為λ；

從整個網(wǎng)絡(luò)的角度分析節(jié)點的能量消耗，將線性區(qū)域均勻劃分為n個小區(qū)域，如圖3所示。設(shè)每個區(qū)域分別為a1,a2,…,an-1,an，設(shè)每個區(qū)域的長度為d，則d=L/n。

圖3 傳感器能耗分析圖

設(shè)網(wǎng)絡(luò)生命周期T為網(wǎng)絡(luò)生成到網(wǎng)絡(luò)中某一個區(qū)域能量耗盡的時間，T=min{T1，T2，…，Tn}。要使整個網(wǎng)絡(luò)有最長的網(wǎng)絡(luò)生命周期，就必須均衡各個區(qū)域的能量消耗，即滿足T1= … =Ti -1=Ti= … =Tn，即區(qū)域的總能量和能量消耗速度滿足：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

當節(jié)點按照上式的節(jié)點密度部署時，整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗均衡，即滿足：T1= … =Ti -1=Ti= … =Tn，網(wǎng)絡(luò)的生命周期為：

(8)

當采用均勻部署時，ρ1=ρi=ρn，由于區(qū)域an承擔更多的通信負載，其能量最快耗盡。因此，均勻部署下的網(wǎng)絡(luò)生命周期為：

(9)

結(jié)合式(6)和式(7)可得，節(jié)點非均勻部署網(wǎng)絡(luò)生命周期與節(jié)點均勻部署網(wǎng)絡(luò)生命周期的比值為：

當節(jié)點采用非均勻部署方案時，整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期提高約為兩倍。由于檢測地點、檢測對象的特殊要求，當網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點的位置已經(jīng)確定時，假設(shè)區(qū)域ai里感知節(jié)點和中繼節(jié)點的密度函數(shù)分別為ρsi,ρri，由ρsi+ρri=ρi可得區(qū)域ai內(nèi)需要部署的中繼節(jié)點的密度函數(shù)為：

(11)

3 仿真分析

針對不同的應(yīng)用場景，提出了區(qū)域化節(jié)點優(yōu)化部署方案，并通過理論推導證明區(qū)域化節(jié)點優(yōu)化部署方案的生命周期約為均勻部署方案的2倍。以Matlab為仿真工具對節(jié)點優(yōu)化部署方案進行實例分析。

以Matlab為仿真工具對3個不同的應(yīng)用場景進行仿真，假定每個節(jié)點的初始能量e=1000 J，每個感知節(jié)點的感知數(shù)據(jù)包大小為1兆字節(jié)(k=1024*1024*8比特)。應(yīng)用場景1：感知節(jié)點數(shù)n=5，節(jié)點間的距離d={400,400,400,400,400}；應(yīng)用場景2：感知節(jié)點數(shù)n=5，節(jié)點間的距離d={500,400,400,300,300}；應(yīng)用場景3：感知節(jié)點數(shù)n=10，節(jié)點間的距離d={400,400,400,400,400,400,400,400,400,400}；仿真結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖4 傳感器傳輸模塊能耗原理圖

圖5 節(jié)點優(yōu)化部署

圖6 中繼節(jié)點優(yōu)化部署實例分析1

圖7 中繼節(jié)點優(yōu)化部署實例分析2

圖8 中繼節(jié)點優(yōu)化部署實例分析3

從圖6～8可以看出，網(wǎng)絡(luò)生命周期不斷增大，因為源節(jié)點傳輸距離的減小，部署在感知節(jié)點間的中繼節(jié)點數(shù)增大，相鄰節(jié)點間的傳輸距離變小，每個節(jié)點的傳輸能耗減小。但隨著部署的中繼節(jié)點數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)成本也開始增加，從6～8圖可以看出，網(wǎng)絡(luò)效率曲線為向下的拋物線，因此在實際應(yīng)用時，需要網(wǎng)絡(luò)的部署成本，而不能過度追求網(wǎng)絡(luò)的生命周期。當源節(jié)點的傳輸距離分別為120 m、120 m、140 m時，網(wǎng)絡(luò)效率值最大。

4 結(jié)論

研究了核電安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)，在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型和能量消耗的基礎(chǔ)上，以最大程度延長監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)生命周期為目標，研究了核電安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點優(yōu)化部署方案；并通過理論推導證明其生命周期約為均勻部署方案的2倍；最后，以MATLAB進行仿真，驗證本提出的節(jié)點布局優(yōu)化策略可以有效提升系統(tǒng)的生命周期，保證了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的有效性和可靠性。

[1] 張生玲，李 強.低碳約束下中國核電發(fā)展及其規(guī)模分析[J]. 中國人口資源與環(huán)境, 2015, 6: 47-52.

[2] 張平華, 核電廠現(xiàn)場無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2015, 13:30-30.

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[4] 王云飛, 基于ZigBee的高壓帶電體溫度監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 無線互聯(lián)科技,2015, 10:61-70.

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Nuclear Power Safety Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

Yang Haifeng, Song Zurong

(Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100082， China)

The development and use of new energy sources are becoming more and more popular all over the world under the requirement of low carbon economy and sustainable development of energy. Nuclear power in the field of new energy efficiency, power quality is the most stable in recent years has made great progress and fruitful results, however, the Fukushima nuclear radiation accidents obstruct nuclear power development, nuclear safety issues have been raised to the height of hitherto unknown. Nuclear safety monitoring system of sensor network adopt four layer structure:“detecting layer-access layer-gathering layer-Data Center” based on sensor network, real-time acquisition of key equipment of nuclear power plant operation status and parameters, and through the sensor network transmission to a remote server of the data collected in the data center, data mining and data fusion the real-time monitoring and prediction, the running state of the nuclear power plant, to ensure the safe operation of nuclear power plant. The life cycle of nuclear power safety monitoring network is the premise and foundation of the whole network using reliability and stability, and the energy management method of the monitoring network is studied from the point of view of node layout optimization.

nuclear power safety; sensor network monitoring; energy management; node layout

2016-10-11；

2016-12-03。

楊海峰(1976-)，男，湖北黃岡市人，碩士，高級工程師，主要從事核安全審評方向的研究。

1671-4598(2017)04-0036-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.012

TP273

A