徐博雅（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

隨著無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)越來越普遍和成熟，電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）在21世紀(jì)開始探索無線技術(shù)在核工業(yè)的潛在用途。在美國(guó)進(jìn)行了無線傳感器在核電站的應(yīng)用與部署演示，得到了很高的評(píng)價(jià)，無線傳感器的應(yīng)用不但滿足了核電廠設(shè)施的監(jiān)控能力要求，也可以大幅地節(jié)省操作和維護(hù)成本。這些測(cè)試證明：無線技術(shù)可以成為全球核電站儀控技術(shù)的一個(gè)極具吸引力的替代品，其最重要的影響因素是節(jié)約安裝和維護(hù)成本。在核電站的環(huán)境中新增電纜可能是現(xiàn)有設(shè)施升級(jí)中所涉及到的最大成本之一，無線技術(shù)可以經(jīng)濟(jì)地部署大量無線傳感器，提高工廠的運(yùn)營(yíng)效率，這些傳感器獲得數(shù)據(jù)后，可以更深入地了解被監(jiān)測(cè)區(qū)域的狀況[1]。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)于2015～2017年啟動(dòng)了一個(gè)關(guān)于無線技術(shù)在核反應(yīng)堆中應(yīng)用的研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目涉及5個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：①相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)；②與核有關(guān)應(yīng)用無線通信技術(shù)的概念；③當(dāng)前的方法、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)；④潛在的應(yīng)用場(chǎng)景；⑤新興無線技術(shù)。該項(xiàng)目的總體目標(biāo)是開發(fā)和演示先進(jìn)的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于核電廠儀控系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸和故障診斷，以替代現(xiàn)有有線解決方案。

表1 工業(yè)應(yīng)用無線技術(shù)Table 1 Wireless technology for industrial application

1 核電廠無線技術(shù)應(yīng)用需求

有線與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)是測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的新發(fā)展趨勢(shì)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能輕易地覆蓋有線網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋的地方[2]。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常有種類豐富的檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如壓力變送器、流量計(jì)、溫度變送器和液位計(jì)等，現(xiàn)場(chǎng)儀表通常采用有線的方式連接控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。隨著技術(shù)發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)接入方式逐漸發(fā)展起來，逐漸成為工業(yè)通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要么是離線監(jiān)測(cè)，要么是基于有線的設(shè)計(jì)。然而，有線存在很多不可避免的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

1）維護(hù)困難，新增或替換傳感器需要重新部署電纜，消耗大量人力物力資源。

2）安裝困難，很多受空間或環(huán)境限制的位置，很難部署傳統(tǒng)有線傳感器。

3）傳統(tǒng)儀控系統(tǒng)多采用單一通信鏈路，一個(gè)鏈路上存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如變送器、電纜、端子等；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存在故障隱患，對(duì)故障的診斷也存在很多不確定性。

4）大量傳感器的安裝往往受到電纜重量和費(fèi)用的限制，當(dāng)電纜敷設(shè)數(shù)量達(dá)到一個(gè)規(guī)模后，其成本和難度的增加是災(zāi)難性的。

無線通信技術(shù)的發(fā)展，為上述問題的解決提供了一種新型、低成本的先進(jìn)解決方案。無線檢測(cè)已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用多年，通過工程應(yīng)用表明，無線檢測(cè)存在以下優(yōu)點(diǎn)：

a）節(jié)約成本，搭建方便：有別于傳統(tǒng)有線儀表的物理通信鏈路，采用無線則可以節(jié)省大部分的電纜敷設(shè)工作，并且信號(hào)采用網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，減少儀控系統(tǒng)IO采集模塊等的使用數(shù)量，從而縮減核電廠的投資。

b）擴(kuò)展性好，容易增加節(jié)點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)儀表來說，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)就需要增加電纜，電纜敷設(shè)過程中可能對(duì)原有線路造成破壞，而對(duì)于無線通信檢測(cè)便不會(huì)出現(xiàn)此問題。

c）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通道在線檢役工作也是核電廠在役期間的一項(xiàng)很重要的工作，用于確定過程監(jiān)測(cè)儀表的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；無線儀表可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行故障診斷，減輕相關(guān)維護(hù)人員工作強(qiáng)度，提供工作安全性。

d）組網(wǎng)靈活，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)實(shí)時(shí)巡檢。只要在無線信號(hào)有效的通訊范圍內(nèi)的所有設(shè)備，即可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線查詢，并根據(jù)終端所處位置的不同，實(shí)時(shí)更新設(shè)備狀態(tài)信息，從而可利用簡(jiǎn)單的終端，實(shí)現(xiàn)核電廠內(nèi)的區(qū)域?qū)Ш郊霸O(shè)備巡檢。

核電廠設(shè)備狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)一直是生產(chǎn)操作和控制的重要依據(jù)，但核電廠現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、信號(hào)干擾和屏蔽極其嚴(yán)重，測(cè)點(diǎn)分布廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝檢測(cè)工作時(shí)，因?yàn)閮x表安裝位置、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素對(duì)工作效率和安全性產(chǎn)生很大影響。無線通訊系統(tǒng)無需復(fù)雜的電纜敷設(shè)工作，只需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)建筑和設(shè)備布置情況進(jìn)行區(qū)域劃分和節(jié)點(diǎn)的布置工作，這樣大大降低了電纜敷設(shè)的壓力。

表1簡(jiǎn)單列出了幾項(xiàng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)景的無線技術(shù)。

2 核電廠無線應(yīng)用規(guī)范和案例

目前，并沒有無線技術(shù)在核電廠應(yīng)用的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可以參考IEC62988標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無線設(shè)備的選擇和應(yīng)用。（IEC 62988 Nuclear Power Plants – Instrumentation And Control Systems Important to Safety – Selection And Use of Wireless Devices）無線技術(shù)作為一種在空氣中傳播的技術(shù)，很容易被竊聽和控制，監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)無線技術(shù)在核電站的應(yīng)用有很多的限制。

目前，多個(gè)國(guó)家已經(jīng)嘗試在核電站部署無線系統(tǒng)，印度在Indira Gandhi原子研究中心的鈉冷快堆上部署了用于過程監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于測(cè)試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在核設(shè)施中應(yīng)用的可行性。該網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和熱電偶、流量傳感器、液位傳感器、振動(dòng)傳感器等，每個(gè)傳感器提供了電池作為備用電源。目前這個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，該中心還部署了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于鈉泄漏檢測(cè)，其部署了一個(gè)由50個(gè)鈉泄漏檢測(cè)器組成的無線檢測(cè)系統(tǒng)，以并行方式連接到內(nèi)部的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。該無線網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)組成，提供多鏈路的冗余通道，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到主控室以顯示儀表狀態(tài)。

美國(guó)是最早在核電廠應(yīng)用無線技術(shù)的國(guó)家，十多年前就在科曼奇峰核電廠部署了無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)冗余的光纖主干網(wǎng)鏈接整個(gè)工廠的無線接入點(diǎn)，所有的儀表和移動(dòng)設(shè)備都符合IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)也用于整個(gè)工廠的有線局域網(wǎng)，用于數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等?？坡娣搴穗姀S的無線應(yīng)用證明：無線技術(shù)可以顯著地降低運(yùn)營(yíng)成本，提高可靠性。

日本開發(fā)了一種用于嚴(yán)重事故的無線機(jī)器人系統(tǒng)，用于在惡劣環(huán)境中評(píng)估事故的嚴(yán)重程度。傳統(tǒng)的有線機(jī)器人在惡劣環(huán)境下很容易發(fā)生設(shè)備故障和線纜斷開的故障，這種機(jī)器人采用有線和無線連接的混合系統(tǒng)，當(dāng)其中一種網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生故障時(shí)，可以保持通訊并檢測(cè)故障進(jìn)行維修。

3 核電廠無線系統(tǒng)的應(yīng)用前景

通過分析現(xiàn)有核電廠運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在核電廠事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用無線系統(tǒng)是非常有必要的。在核電廠事故期間和事故后，要及時(shí)準(zhǔn)確地獲取核電站的運(yùn)行狀態(tài)信息并保證重要設(shè)備處于工作狀態(tài)。但事故發(fā)生時(shí)設(shè)備和電源可能暫時(shí)或永久損壞，這時(shí)無線技術(shù)就是另一種解決方案。無線傳感器可以用電池作為備用電源，因?yàn)闆]有電纜連接，從而減少了由其它傳感器或設(shè)備造成故障的概率，同時(shí)它可以使用多個(gè)冗余的傳感器，滿足事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的單一故障準(zhǔn)則要求。而使用電池的無線傳感器可以被認(rèn)為是獨(dú)立的，滿足電氣隔離要求，因?yàn)樗c其它設(shè)備沒有連接，這樣就不會(huì)受到其它設(shè)備故障的影響。

無線傳感器可以有多種供電，如線路供電、電池供電、自發(fā)電裝置（太陽(yáng)能等）。而只需對(duì)其電池或自發(fā)電裝置進(jìn)行鑒定，證明其能在規(guī)定的壽期內(nèi)使用。而無線傳感器可以傳輸自診斷信息，方便維護(hù)，同時(shí)在緊急時(shí)刻可以用便攜設(shè)備（如平板電腦、筆記本電腦等移動(dòng)終端）進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

4 核電廠無線技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)

4.1 信息安全技術(shù)的影響

信息安全是對(duì)無線技術(shù)在核電廠應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)，而數(shù)字化儀控系統(tǒng)的應(yīng)用也已經(jīng)對(duì)核電廠的信息安全提出了新的挑戰(zhàn)，無線技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使這種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。無線技術(shù)的應(yīng)用不但要解決傳統(tǒng)的信息安全問題，還要解決由于無線系統(tǒng)的特殊性帶來的新的安全問題，如利用同頻干擾、地址沖突、環(huán)境噪聲干擾等。當(dāng)占用同一頻帶的兩個(gè)不同的無線協(xié)議相互接近時(shí)就可能產(chǎn)生干擾，通過監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度、載波感知時(shí)間和數(shù)據(jù)包發(fā)送率等參數(shù)來檢測(cè)干擾，擴(kuò)頻和調(diào)頻技術(shù)已經(jīng)證實(shí)可以有效地對(duì)抗干擾[3]。

4.2 無線系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

無線技術(shù)作為一種新興技術(shù)在核電廠應(yīng)用中還有許多問題需要解決，如射頻通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號(hào)傳播等。還需考慮無線技術(shù)本身遇到的獨(dú)特挑戰(zhàn)，如信息安全、信號(hào)覆蓋、信號(hào)干擾與共存，電源、結(jié)構(gòu)影響，電磁輻射等環(huán)境。同時(shí)，無線系統(tǒng)如何與現(xiàn)有儀控系統(tǒng)進(jìn)行集成也是急需解決的問題。目前，無線技術(shù)已經(jīng)成功地在核工業(yè)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，這些應(yīng)用可以為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更多的無線應(yīng)用。工業(yè)上已經(jīng)有成熟的無線傳感器設(shè)備，如溫度、液位、流量、壓力等，這些傳感器如何在核設(shè)施中的極端環(huán)境下使用，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

要在核電廠應(yīng)用無線技術(shù)還需要解決很多問題，如核電廠設(shè)施復(fù)雜的環(huán)境結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土接口、大型金屬管道設(shè)備、發(fā)射端和接收端之間的信號(hào)阻隔）。在核電廠中，鋼筋混凝土墻可以超過1m厚且鋼筋密度高，這種鋼筋混凝土墻的傳輸損耗接近100dB/m，信號(hào)穿墻幾乎是不可能的。電磁波的傳播速度受多種因素影響，在核電廠進(jìn)行無線基站的設(shè)計(jì)需要考慮電磁波的反射引起的無線傳播和廠房墻壁、天花板和其它設(shè)施的吸收，從而來選擇最優(yōu)位置以滿足無線網(wǎng)絡(luò)的要求。核設(shè)施中的惡劣輻射環(huán)境（主要是伽馬輻射）會(huì)影響無線傳感器的壽命，而設(shè)施內(nèi)的電離輻射水平會(huì)顯著影響信號(hào)的傳播。這些都對(duì)無線系統(tǒng)在核設(shè)施的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

從模擬到數(shù)字、從有線到無線是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。無線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展和應(yīng)用了多年，技術(shù)的發(fā)展使應(yīng)用無線技術(shù)的系統(tǒng)成本和穩(wěn)定性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)儀控系統(tǒng)，并且無線系統(tǒng)強(qiáng)大的自我故障診斷和自我修復(fù)能力的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。無線儀控系統(tǒng)的靈活性和便維護(hù)性將大大提高電站維修效率，縮短大修時(shí)間。無線系統(tǒng)相對(duì)于有線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)展現(xiàn)出來，核電廠對(duì)于無線系統(tǒng)不應(yīng)該采取全盤否定的態(tài)度。經(jīng)過調(diào)研分析報(bào)告，對(duì)無線系統(tǒng)在核電廠的部署進(jìn)行規(guī)劃，可以分為以下幾步進(jìn)行：

1）非主要系統(tǒng)的無線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)，例如：廠區(qū)輻射監(jiān)測(cè)，移動(dòng)式計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2）廠區(qū)無線系統(tǒng)全覆蓋，搭建輔助系統(tǒng)，例如：場(chǎng)內(nèi)維保輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建。

3）最終實(shí)現(xiàn)完整無線儀控系統(tǒng)的搭建工作。

對(duì)于核電廠的復(fù)雜環(huán)境，基于目前的技術(shù)水平，建議采用有線網(wǎng)絡(luò)搭建整個(gè)無線控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線儀控系統(tǒng)。