王廷銀,林明貴,陳 達(dá),吳允平

1(福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院,福州 350007)

2(福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站,福州 350013)

3(福建省光電傳感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,福州 350007)

4(數(shù)字福建環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室,福州 350007)

1 引言

我國(guó)北斗RDSS的短報(bào)文通訊功能極具特色,能將通訊覆蓋到廣袤的崇山峻嶺及荒涼的孤島等,非常適合我國(guó)地理地貌特征的通訊需求,已在國(guó)防工程、交通運(yùn)輸、海洋觀測(cè)、抗震救災(zāi)、核電工程等諸多領(lǐng)域得到深入應(yīng)用[1-9].但民用北斗報(bào)文服務(wù)還存在：?jiǎn)未瓮ㄐ湃萘坑邢?、通信頻率有限(通常一分鐘一次)、丟包率較高等問(wèn)題.在行業(yè)中應(yīng)用和推廣北斗系統(tǒng),需要結(jié)合數(shù)據(jù)特點(diǎn)開(kāi)展針對(duì)性研究與設(shè)計(jì)[10-17],重點(diǎn)解決好兩個(gè)問(wèn)題：協(xié)議設(shè)計(jì)和會(huì)話(huà)機(jī)制.

李文金等[18]結(jié)合Redis應(yīng)用,通過(guò)擴(kuò)展北斗短報(bào)文傳輸協(xié)議,提出最大重傳次數(shù)和超時(shí)等待控制因子,建立北斗長(zhǎng)報(bào)文傳輸差錯(cuò)重傳機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)報(bào)文丟包的差錯(cuò)重傳功能,可控制“盲目發(fā)送”現(xiàn)象,提高有效信息率.張志峰等[19]提出了一套應(yīng)急情況傳輸機(jī)制,將信息按照緊急程度進(jìn)行劃分,優(yōu)先發(fā)送重要信息.為解決電力遙控實(shí)時(shí)性問(wèn)題,傅寧等[20]在饋線終端中加入北斗多卡管理機(jī)制,將遙控?cái)?shù)據(jù)與遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)分別采用不同的卡進(jìn)行傳送.

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家核輻射監(jiān)測(cè)較早實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等[21-23],新技術(shù)進(jìn)步如通訊網(wǎng)和無(wú)人機(jī)等推動(dòng)了設(shè)備向便攜性好、功能全、性能可靠等發(fā)展,整體趨勢(shì)是一機(jī)多能、高可靠、寬量程以及平臺(tái)綜合集成[24].近年來(lái),我國(guó)科技的發(fā)展也體現(xiàn)在核輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[25-30],整體跟進(jìn)了國(guó)際的發(fā)展趨勢(shì),自主研發(fā)的“華龍一號(hào)”已成為中國(guó)制造的一張名片,核電基地周?chē)椛洵h(huán)境監(jiān)督性監(jiān)測(cè)已形成了國(guó)家輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)[31],技術(shù)方案成熟、可靠[32].我國(guó)核電以瀕海為主,按照規(guī)范要求,監(jiān)督性監(jiān)測(cè)站圍繞核電廠環(huán)形放射狀設(shè)置,有一些站點(diǎn)就會(huì)在核電外圍的島嶼上或深山中,易被臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然條件因素影響,存在通訊中斷、宕機(jī)等問(wèn)題[33,34]；文獻(xiàn)[35]研制了基于4G與北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀,通過(guò)北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信與4G移動(dòng)通信實(shí)時(shí)上傳輻射劑量信息與定位信息,在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域采用4G移動(dòng)通信,否則采用北斗短報(bào)文,但未進(jìn)一步就如何克服北斗通信的局限性即通信頻率一分鐘一次進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.

由于核輻射監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快,狀態(tài)指示重要,因此,將北斗衛(wèi)星通信作為核輻射監(jiān)測(cè)站的第二應(yīng)急通訊通道,需研究探索一種可靠的、高效的應(yīng)急通訊方法,優(yōu)先將數(shù)據(jù)池中最有輻射特征的數(shù)據(jù)上報(bào)中心,揚(yáng)北斗之長(zhǎng),避北斗之避,是現(xiàn)實(shí)需求的驅(qū)動(dòng),也具有實(shí)際意義.

2 核輻射監(jiān)測(cè)中北斗RDSS設(shè)計(jì)

通常,省控輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由外圍監(jiān)測(cè)子站、傳輸網(wǎng)絡(luò)和省數(shù)據(jù)中心組成[36],系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.子站設(shè)備有氣象儀、感雨傳感器、高壓電離室、NaI譜儀、各種采樣設(shè)備等；省數(shù)據(jù)中心可監(jiān)控、存儲(chǔ)各類(lèi)輻射、氣象、子站狀態(tài)的數(shù)據(jù),具有對(duì)各子站的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、生成報(bào)表,提供日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)和年報(bào)輸出功能；傳輸網(wǎng)絡(luò)以公網(wǎng)VPN方式為主.子站基于工控機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成,模塊化設(shè)計(jì)好,獨(dú)立性強(qiáng),硬件資源富裕,有多個(gè)RS-232接口,方便與北斗模塊直連；子站與省數(shù)據(jù)中心采用C/S結(jié)構(gòu),多任務(wù)處理有序,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,為在核輻射監(jiān)測(cè)中開(kāi)展北斗RDSS應(yīng)急通訊提供了較好的硬、軟件支持.

圖1 省控輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

由于現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)方式和通信交互等已成熟定型多年,仍然在役運(yùn)行,因此,在這樣的系統(tǒng)中新增北斗RDSS作為第二通信通道,應(yīng)以對(duì)原有系統(tǒng)影響小甚至沒(méi)有影響為要.

2.1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)串口新增北斗控制電路如圖2所示.

圖2 北斗控制電路圖

圖2中,U101為福大北斗FB-CZ-01型北斗通訊機(jī),U102為工控機(jī)串口,U103為DC-DC模塊,為U101供電,U104為串口電平轉(zhuǎn)換芯片,二極管D1、電阻R1R2R3、三極管Q1組成一個(gè)北斗模塊供電的控制電路,受串口第7引腳RTS端控制,具體方法是：當(dāng)RTS信號(hào)有效接通時(shí),Q1導(dǎo)通,U103的En端為低電平,U103斷電狀態(tài)即北斗模塊未通電,當(dāng)RTS信號(hào)無(wú)效斷開(kāi)時(shí),Q1截止,U103的En端為高電平,U103工作狀態(tài)即北斗模塊通電工作,從而為北斗上電初始化、低功耗應(yīng)用等功能提供硬件支持[37]；圖2中,北斗模塊的1PPS(1 Pulse Per Second)信號(hào)亦通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片U104后接入到系統(tǒng),為系統(tǒng)基于北斗系統(tǒng)開(kāi)展精確授時(shí)提供信號(hào)源.

2.2 流程設(shè)計(jì)

北斗RDSS作為第二應(yīng)急通信通道的雙通道通信架構(gòu)如圖3所示,當(dāng)公網(wǎng)正常時(shí),以公網(wǎng)作為首選第一通信通道,按照協(xié)議規(guī)范和中心平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信交互,當(dāng)公網(wǎng)異常時(shí),則切換北斗啟用作為第二應(yīng)急通訊通道,將當(dāng)前最新或最緊急的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心.與北斗RDSS通過(guò)串口接入系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)相比,如何將北斗的通信切換和驅(qū)動(dòng)控制接入在役軟件系統(tǒng)中,涉及的細(xì)節(jié)更多,考量的要素更細(xì).因此,在子站數(shù)據(jù)庫(kù)中新增一個(gè)與北斗通信相關(guān)的數(shù)據(jù)表,即北斗待發(fā)數(shù)據(jù)表；新增一個(gè)北斗通訊定時(shí)器資源,周期根據(jù)北斗通信頻率時(shí)長(zhǎng)設(shè)定大于60秒,定時(shí)對(duì)北斗待發(fā)數(shù)據(jù)表進(jìn)行操作.北斗通信軟件流程如圖4(有底色框代表新增部分),流程上分兩步進(jìn)行：首先,當(dāng)檢查到公網(wǎng)VPN出現(xiàn)異常如無(wú)信號(hào)和無(wú)應(yīng)答時(shí),將待發(fā)數(shù)據(jù)插入到北斗待發(fā)數(shù)據(jù)表；其次,在北斗通訊定時(shí)器中斷服務(wù)程序中,檢查北斗待發(fā)數(shù)據(jù)表中是否有記錄,如果記錄說(shuō)明有數(shù)據(jù)需要通過(guò)北斗進(jìn)行通訊,就對(duì)這個(gè)表中的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先策略分析計(jì)算,然后將優(yōu)先級(jí)別最高的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送,并修正相關(guān)參量,準(zhǔn)備下一次的定時(shí)中斷服務(wù).

圖3 公網(wǎng)/北斗雙通道通信架構(gòu)圖

圖4 北斗通信軟件流程圖

2.3 數(shù)據(jù)優(yōu)先策略

目前,核輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)公網(wǎng)VPN第一通信通道的上數(shù)頻率是：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)3秒,5類(lèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(1分鐘、2分鐘、5分鐘、10分鐘、1小時(shí))到點(diǎn)上報(bào),這個(gè)上報(bào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北斗短報(bào)文至少每60秒一次的限制,因此,需要綜合數(shù)據(jù)時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)型以及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)如總劑量、伽瑪劑量率數(shù)據(jù)情況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分析,把最重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送,才能有利于發(fā)揮北斗第二應(yīng)急通訊通道的效能.

設(shè)計(jì)的北斗待發(fā)數(shù)據(jù)表BD_FIFO如表1所示.由數(shù)據(jù)時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)型、總劑量率、伽瑪劑量率以及北斗發(fā)送次數(shù)字段組成,亦作為數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)分析的參數(shù)數(shù)據(jù)源.依據(jù)核輻射監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)時(shí)間、數(shù)據(jù)特征和北斗通訊特點(diǎn),將這些參數(shù)設(shè)定權(quán)重,構(gòu)建一個(gè)權(quán)重矩陣A,通過(guò)對(duì)BD_FIFO表中每一條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析計(jì)算,對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行排序,而總劑量率、伽瑪劑量率根據(jù)放射性數(shù)據(jù)分析方法分別獲得4組結(jié)果,指示當(dāng)前記錄的總劑量率、伽瑪劑量率數(shù)據(jù)是否在本底區(qū)間、1區(qū)間、2區(qū)間、3區(qū)間,這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果構(gòu)成P1,如圖5所示,表中所有記錄的P1構(gòu)成了數(shù)據(jù)矩陣P,最后,將數(shù)據(jù)矩陣P和參數(shù)權(quán)重矩陣A進(jìn)行計(jì)算,公式如下：

表1 BD_FIFO結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

圖5 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從而,獲得表BD_FIFO中各數(shù)據(jù)記錄的評(píng)估值Ki,然后根據(jù)Ki的數(shù)值大小,將優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)通過(guò)北斗RDSS發(fā)送,之后,將這條記錄的北斗發(fā)送次數(shù)字段BD_Try內(nèi)容修正減一操作回存.

這個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)先策略,把數(shù)據(jù)時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)型、重點(diǎn)參數(shù)等納入評(píng)估要素,可以對(duì)第一通訊通道異常時(shí)積壓形成的數(shù)據(jù)池進(jìn)行分析,優(yōu)先將池中最有輻射特征的數(shù)據(jù)上報(bào),系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)通訊無(wú)縫銜接的同時(shí)很好地平衡了快速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與較慢的通訊速度之間矛盾.

3 結(jié)論及展望

項(xiàng)目研究成果已在福建省寧德核電站的崳山島等監(jiān)測(cè)站試點(diǎn)應(yīng)用,軟件界面如圖6所示.

測(cè)試期間,通過(guò)了多次模擬斷電、斷網(wǎng)壓力的測(cè)試,如表2所示；投入實(shí)際運(yùn)行后,對(duì)從2017年11月至2019年3月底數(shù)據(jù)分析,特別是在惡劣自然環(huán)境下(臺(tái)風(fēng)、暴雨等)的通訊效果,監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)發(fā)送和前沿?cái)?shù)據(jù)主站接收均能穩(wěn)定工作、網(wǎng)絡(luò)通訊能無(wú)縫銜接,數(shù)據(jù)傳輸率(實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)數(shù)/設(shè)備應(yīng)傳數(shù)據(jù)數(shù))為99.5%,通過(guò)將接收的數(shù)據(jù)與自動(dòng)站工控機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)施比對(duì),數(shù)據(jù)未出現(xiàn)誤碼情況.

圖6 前沿平臺(tái)北斗界面

實(shí)際運(yùn)行情況表明,該方法有效,實(shí)現(xiàn)了在核輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用北斗作為第二應(yīng)急通訊通道,目前,福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)推廣北斗系統(tǒng),提高轄區(qū)內(nèi)孤島/深山的自動(dòng)監(jiān)測(cè)站應(yīng)急通訊能力.本方法還可為其他行業(yè)開(kāi)展類(lèi)似北斗應(yīng)急通訊提供借鑒.

表2 應(yīng)急通訊測(cè)試數(shù)據(jù)