鐘思潔 單 偉 蒲笑非 趙夢(mèng)薇 王嘉瑞

(核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610000)

隨著無線通信技術(shù)在常規(guī)工業(yè)過程控制領(lǐng)域（例如，高鐵等）的普及應(yīng)用，其已被證明具有一定的可靠性和安全性。隨著核動(dòng)力裝置儀控系統(tǒng)智能化、小型化、協(xié)同性的不斷提升，在非安全級(jí)的核動(dòng)力裝置儀控系統(tǒng)中，無線通信技術(shù)會(huì)得到逐步的應(yīng)用和推廣。那么，一旦無線通信技術(shù)在非核安全領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用之后，未來其是否有可能被引入到核安全級(jí)儀控系統(tǒng)中值得研究。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上無線通信技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域的研究主要集中在無線傳感器的應(yīng)用。無線傳感器可以很方便地采集，諸如溫度，壓力和濕度之類的數(shù)據(jù)，具備體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是無線傳感器遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率低，并且工作在公共頻段，極易被其余信號(hào)干擾。報(bào)告[1]中分析目前新興的和已采用的無線技術(shù)，介紹了工業(yè)應(yīng)用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的一些重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，最后以蒸汽鍋爐為實(shí)例，介紹了蒸汽鍋爐中溫度和壓力的無線監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]中提出利用無線傳感器，針對(duì)旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的預(yù)測(cè)性維修的思路，可以實(shí)現(xiàn)通過無線傳感器連續(xù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視關(guān)鍵過程條件。文獻(xiàn)[3]中分析了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在核動(dòng)力反應(yīng)堆中所面臨的挑戰(zhàn)。針對(duì)在惡劣環(huán)境中射頻傳播問題，提出使用超寬帶技術(shù)作為可行的解決方案，以及針對(duì)該超寬帶技術(shù)的傳感器的遠(yuǎn)程供電方案。文獻(xiàn)[4]介紹了一種概念驗(yàn)證的原型智能工廠配置管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用針對(duì)手動(dòng)閥類型的無線組件位置傳感器來幫助降低基于現(xiàn)場(chǎng)的組件位置驗(yàn)證活動(dòng)的運(yùn)營(yíng)成本，并減少由于組件位置錯(cuò)誤而引起的運(yùn)營(yíng)挑戰(zhàn)。

除了無線傳感器技術(shù)外，文獻(xiàn)[5]從無線網(wǎng)絡(luò)的安全性出發(fā)，介紹了有關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)安全和必要的安全控制的問題，最后根據(jù)核設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全計(jì)劃及其在無線系統(tǒng)中的應(yīng)用提出了基本建議。

總體上來看，國(guó)際上對(duì)于無線通信技術(shù)本身的安全性、抗干擾性已有較為充分的研究，對(duì)無線傳感器在核工業(yè)中的應(yīng)用也給出了一些可行的解決方案，但關(guān)于無線通信技術(shù)應(yīng)用于核安全級(jí)儀控系統(tǒng)的研究，目前尚處于起步探索階段。

因此，有必要對(duì)從核安全級(jí)儀控系統(tǒng)的無線需求出發(fā)，結(jié)合目前無線通信的發(fā)展，開展無線通信技術(shù)應(yīng)用在核安全級(jí)儀控系統(tǒng)的初步分析研究。

2 主要研究?jī)?nèi)容

隨著核動(dòng)力裝置不斷提高的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化要求，儀控系統(tǒng)內(nèi)部傳輸?shù)男畔⒘吭絹碓酱?，傳輸速度越來越快，傳統(tǒng)的硬接線通信方式已越來越難以滿足設(shè)備智能化、小型化需求：電纜體積大，布線復(fù)雜，同時(shí)面臨電纜老化的等風(fēng)險(xiǎn)。因此在保證核動(dòng)力裝置儀控系統(tǒng)可靠性和安全性的同時(shí)，亟待開發(fā)一種新的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，譬如利用無線通信技術(shù)完成核安全級(jí)系統(tǒng)內(nèi)外部的數(shù)據(jù)傳輸。

特別是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)這類核安全級(jí)的系統(tǒng)，對(duì)可靠性和安全性有極高的要求，而網(wǎng)絡(luò)作為設(shè)備信息交換的手段，相當(dāng)于設(shè)備的神經(jīng)，它的安全性、可靠性對(duì)于設(shè)備能否正常執(zhí)行其設(shè)計(jì)功能具有重要的意義。網(wǎng)絡(luò)功能的喪失將嚴(yán)重影響設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。所以，研究在核安全級(jí)儀控系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、安全性可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)具有重要意義。

本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）核安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求；

（2）擬采用的無線通信網(wǎng)絡(luò)布局；

（3）核安全級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題。

3 核安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求

3.1 實(shí)時(shí)性、確定性

儀控設(shè)備內(nèi)部多個(gè)分布式子系統(tǒng)信息耦合通常比較緊密，比如保護(hù)裝置內(nèi)冗余通道間的信息交換，有著實(shí)時(shí)性和確定性的要求。

以在研和在建保護(hù)裝置為例，一是對(duì)于主邏輯裝置保護(hù)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間有著系統(tǒng)級(jí)實(shí)時(shí)性的要求；二是對(duì)于安全級(jí)系統(tǒng)，其任務(wù)執(zhí)行過程要求具有確定性。

這就要求所用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有可確定的實(shí)時(shí)性能，即極壞情況下的響應(yīng)時(shí)間是可確定的。

3.2 高可靠性

根據(jù)核安全級(jí)儀控系統(tǒng)要求，單一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，不會(huì)影響整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的功能。需要驗(yàn)證設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能否滿足核安全級(jí)儀控系統(tǒng)所要求的無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量要求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力

系統(tǒng)應(yīng)提供監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的手段。通過這些手段應(yīng)能夠檢測(cè)和糾正無線網(wǎng)絡(luò)中的異常情況。需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)包括：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、傳輸錯(cuò)誤率、數(shù)據(jù)包丟失、延遲和抖動(dòng)以及連接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的完整列表。通過這些監(jiān)測(cè)信息，保證通信系統(tǒng)的錯(cuò)誤率控制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定的可接受范圍內(nèi)。

3.4 物理安全

核安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)的無線通信設(shè)備應(yīng)受到物理措施的保護(hù)，以免被惡意篡改或意外損壞。

3.5 電磁兼容

在惡劣（反射、吸收、混亂）核動(dòng)力裝置環(huán)境中的無線信號(hào)傳播問題，一方面需要考慮環(huán)境對(duì)于無線信號(hào)傳播的影響，保證無線通信穩(wěn)定可靠進(jìn)行通信，另一方面，應(yīng)考慮設(shè)備之間的相互干擾。

4 擬采用的無線網(wǎng)絡(luò)通信布局

在目前核安全級(jí)儀控系統(tǒng)中，子系統(tǒng)之間通信頻繁。信號(hào)流向?yàn)楹颂綔y(cè)器、傳感器等采集數(shù)據(jù)送往核測(cè)、過程測(cè)量?jī)x表設(shè)備，接著送往保護(hù)系統(tǒng)機(jī)柜進(jìn)行邏輯處理，處理后的數(shù)據(jù)部分送往停堆斷路器，部分送往專設(shè)開關(guān)柜。

在信號(hào)傳輸中，因?yàn)楹税踩?jí)網(wǎng)絡(luò)可靠性的設(shè)計(jì)要求，通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余設(shè)備，特別是冗余的邏輯處理設(shè)備，相互之間的硬接線極其繁雜，導(dǎo)致有線通信的核安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)的線纜體積大，布線復(fù)雜，不便于維修。通過將有線通信方式轉(zhuǎn)化為無線通信方式，進(jìn)一步滿足設(shè)備小型化的需求。

希望應(yīng)用的無線通信網(wǎng)絡(luò)布局如圖1所示。

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)布局

5 核安全級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題

目前核安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無線通信技術(shù)，主要面臨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、安全性可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵問題。

5.1 高可靠性的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

關(guān)鍵問題：核安全級(jí)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行工況以及異常運(yùn)行工況下，要求所有節(jié)點(diǎn)都能接入無線網(wǎng)絡(luò)，從而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心可以獲得所有的數(shù)據(jù)，并且根據(jù)數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算得到當(dāng)前反應(yīng)堆狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)儀控目的。因此，如何設(shè)計(jì)可靠的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保障所有節(jié)點(diǎn)時(shí)刻都能正常接入網(wǎng)絡(luò)，是無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在核安全級(jí)儀控系統(tǒng)需要解決的重要問題。

解決途徑：采取多AP模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，覆蓋所有的節(jié)點(diǎn)，保障每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以順利接入兩個(gè)或兩個(gè)以上的接入點(diǎn)。針對(duì)這一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置思路，需要進(jìn)行建模分析，分析環(huán)境中存在不同程度的遮擋等情況下，如何分布接入點(diǎn)，才能保證各節(jié)點(diǎn)在異常狀況下都能正常接入網(wǎng)絡(luò)。

5.2 無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議研究

關(guān)鍵問題：對(duì)于外界干擾或噪聲等，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要具有相當(dāng)?shù)目垢蓴_能力，運(yùn)用常規(guī)的無線網(wǎng)絡(luò)通信頻段不僅容易被監(jiān)聽，還易發(fā)生同頻段的其他信號(hào)干擾網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。另一方面，不同節(jié)點(diǎn)間也不能有沖突或者干擾，需要保證節(jié)點(diǎn)能有序高速地接入網(wǎng)絡(luò)。為了保障無線通信的高速可靠性以及對(duì)噪聲的魯棒性，需要研究無線網(wǎng)絡(luò)通信的通信協(xié)議。通信協(xié)議應(yīng)保證無線網(wǎng)絡(luò)能夠高速可靠運(yùn)行，避免干擾信號(hào)使網(wǎng)絡(luò)情況產(chǎn)生波動(dòng)，造成網(wǎng)絡(luò)不必要的延遲。

解決途徑：為了避免不相干的信號(hào)干擾無線網(wǎng)絡(luò)通信甚至破壞正常網(wǎng)絡(luò)通信，需要選取合適頻段，保證無線網(wǎng)絡(luò)能有效可靠運(yùn)行。另一方面，采取時(shí)分復(fù)用技術(shù)，保證頻段內(nèi)同一時(shí)隙只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)與接入點(diǎn)通信，避免頻段內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)與接入點(diǎn)通信，從而產(chǎn)生碰撞，增加節(jié)點(diǎn)的接入時(shí)間。通信協(xié)議需要通過試驗(yàn)分析通信效率，驗(yàn)證通信協(xié)議的有效性。

5.3 有線系統(tǒng)與無線通信共存問題

關(guān)鍵問題：在有限的物理空間里，高頻的無線網(wǎng)絡(luò)通信所帶來的磁場(chǎng)等問題無疑會(huì)對(duì)有線系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。

解決途徑：需要對(duì)有線系統(tǒng)采取一定的隔離手段，防止無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)于有線系統(tǒng)的隔離，特別對(duì)于敏感設(shè)備，采取一定的屏蔽手段，防止電磁干擾對(duì)有線系統(tǒng)的準(zhǔn)確性等造成影響。

6 總結(jié)

通過對(duì)關(guān)鍵問題的分析，為后續(xù)的核安全級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)研究指明了方向，有助于科研的進(jìn)一步開展。