馬明清，凌 輝，馬嘉翌

高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀及展望

馬明清，凌 輝，馬嘉翌

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

通過研究瑞典、芬蘭、法國和瑞士高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀，初步梳理了地下實驗室大規(guī)?？茖W數(shù)據(jù)類型，剖析了地下實驗室數(shù)據(jù)庫結構和數(shù)據(jù)管理架構，對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的質(zhì)量控制、元數(shù)據(jù)管理、動態(tài)化管理、可視化等功能，進行了分析和歸納總結。針對我國北山地下實驗室大規(guī)模科學數(shù)據(jù)管理的實際需求，借鑒國外經(jīng)驗，建議以數(shù)據(jù)的完整性、真實性和可追溯性為原則，充分考慮數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的前瞻性、可拓展性和可維護性，加強頂層設計，加快北山地下實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的研發(fā)。

數(shù)據(jù)管理；高放廢物地質(zhì)處置；地下實驗室

高水平放射性廢物（高放廢物）毒性大、放射性強、半衰期長,對其進行安全處置是一個世界性難題[1-2]，而地質(zhì)處置被認為是目前國際上最終處置高放廢物最有效的技術手段。經(jīng)過三十多年的科研攻關，我國在高放廢物地質(zhì)處置領域取得了重大進展，現(xiàn)已進入高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室研發(fā)階段。地下實驗室工程是《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》提出的100個重大工程之一，是用于開發(fā)和驗證高放廢物地質(zhì)處置技術的地下研究設施。

在地下實驗室建設和運行期間，將開展大規(guī)模場址特性評價、處置工程技術研發(fā)和核素遷移等各類現(xiàn)場試驗，獲取的大規(guī)?？茖W試驗數(shù)據(jù)是場址特性評價、處置概念設計、安全評價、處置庫工程設計的關鍵基礎?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)規(guī)模大、類型多、涉及領域廣，完整性、真實性和可追溯性要求高，管理難度大。因此，研發(fā)專門的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并建立科學的數(shù)據(jù)管理方法體系，對地下實驗室建設和運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行有效管理，對高放廢物處置研發(fā)的穩(wěn)定發(fā)展極其重要。

目前，瑞典、芬蘭、法國和瑞士的地下實驗室已運營管理多年，在數(shù)據(jù)庫設計與開發(fā)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)可視化和分析應用等方面經(jīng)驗豐富，數(shù)據(jù)管理體系較為完善，對其數(shù)據(jù)管理研究現(xiàn)狀進行調(diào)研和分析，歸納總結其技術和管理經(jīng)驗，可為我國北山地下實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設計和研發(fā)提供借鑒。

1 瑞典高放廢物地質(zhì)處置數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

?sp?地下實驗室由瑞典核燃料和廢物管理公司（SKB）于1995年建造，目的是開發(fā)和驗證地質(zhì)處置技術，為安全評價和處置庫設計提供參數(shù)，同時為普通公眾了解高放廢物地質(zhì)處置提供窗口。

SKB早期采用GEOTAB數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，GEOTAB是一個關系數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)基于數(shù)據(jù)表存儲，為便于數(shù)據(jù)檢索和管理，其將數(shù)據(jù)按照地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)、鉆孔編錄數(shù)據(jù)和巖石物理測量等主題進行分類管理[3]。

目前，GEOTAB數(shù)據(jù)庫已更名為SICADA（Site Characterization Database）數(shù)據(jù)庫，是SKB最重要的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之一，用于持續(xù)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理與質(zhì)量控制和決策支持。SICADA中數(shù)據(jù)主要存儲在數(shù)據(jù)表中，以活動（Activity）為核心，所有活動必須包含類型、位置、時間、項目和工作流標簽集合等元數(shù)據(jù)信息，以提供強大的查詢能力。鉆孔雷達圖像等無法存儲于數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，需通過文件索引來提供存儲和檢索功能。

SICADA具有的關鍵特性：1）基于活動的日志組織架構；2）用戶可擴展的數(shù)據(jù)結構；3）支持工作流；4）支持定制元數(shù)據(jù)；5）支持數(shù)據(jù)導入與導出；6）強大的搜索功能；7）完全可追溯的高級用戶訪問控制；8）與外部系統(tǒng)的靈活集成；9）內(nèi)置上下文相關幫助。

截至2016年10月13日，SICADA已存儲數(shù)據(jù)行數(shù)達到6.84億，文件存儲達439GB，活動數(shù)量達到288 718個，數(shù)據(jù)表數(shù)量達到1 699個，相比于2014年，活動、活動類型和數(shù)據(jù)表均有較大增長，具體信息如表1所示。

表1 SICADA數(shù)據(jù)存儲概況

為便于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)使用，SKB開發(fā)了眾多工具和系統(tǒng)，包括：1）MIO Workbench：導入數(shù)據(jù)；2）SICADA/Diary：用戶活動和數(shù)據(jù)的注冊及檢索；3）SICADA/Admin：管理數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，管理員具有創(chuàng)建或修改數(shù)據(jù)表、創(chuàng)建活動類型、管理活動類型層次結構、創(chuàng)建或修改活動標簽、管理用戶權限等功能；4）SICADA/BugReport：報告和管理數(shù)據(jù)錯誤；5）SICADA/Finder：檢索數(shù)據(jù)；6）SICADA/Retriever：檢索數(shù)據(jù)；7）SICADA/Project：檢查指定項目或?qū)嶒灥臄?shù)據(jù)輸入工作進度；8）CalcCoord：計算不同坐標系的幾何數(shù)據(jù)；9）Rock Quality Data：計算鉆孔中的裂隙頻率、巖石質(zhì)量數(shù)據(jù)、流體性質(zhì)和溫度梯度等；10）Rock Visualization System(RVS)：通過3D模型可視化巖石屬性數(shù)據(jù)；11）Hydro Monitoring System(HMS)：自動監(jiān)測和展示水文測量試驗；12）WellCAD：鉆孔數(shù)據(jù)的可視化；13）Boremap：繪制鉆孔中的巖石類型和裂隙等特征；14）Geographical Information System：顯示和分析地學數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)管理需滿足安全評價需求，質(zhì)量控制因此需貫穿于數(shù)據(jù)管理全過程。SKB針對質(zhì)量控制，在管理上和技術上采取了眾多方法，如：1）原始數(shù)據(jù)必須通過質(zhì)量檢查方可存入數(shù)據(jù)庫，進而用于后續(xù)的分析和建模；2）在開展現(xiàn)場試驗前，試驗人員需說明數(shù)據(jù)處理方法和質(zhì)量保證措施；3）試驗負責人需對數(shù)據(jù)質(zhì)量負責，并協(xié)助數(shù)據(jù)管理人員將試驗數(shù)據(jù)正確存入數(shù)據(jù)庫中；4）任何數(shù)據(jù)變化都會被記錄并保證完全可追溯。

經(jīng)過20多年的管理實踐，SKB建立了完善的數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量管理體系，針對數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)檢索、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化均開發(fā)有相應的軟件，基本能夠滿足地下實驗室科研人員和管理人員對于數(shù)據(jù)管理與使用的各種需求。

2 芬蘭高放廢物地質(zhì)處置數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

ONKALO地下實驗室建于2003年，主要開展地質(zhì)、水文地質(zhì)和地球化學等研究，由Posiva公司運營管理。

Posiva早期采用TUTKA數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Microsoft Access開發(fā)，存儲地質(zhì)、地球物理、水文、地球化學、地學技術等領域的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)、鉆探調(diào)查數(shù)據(jù)以及各種解譯、建模、分析結果數(shù)據(jù)[4]，主要功能包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)版本管理、數(shù)據(jù)瀏覽與檢索和摘要存儲與瀏覽等。TUTKA具有嚴格且完善的用戶權限管理，用戶僅可使用對應權限級別的功能，非授權用戶無法查看或使用任何數(shù)據(jù)。

TUTKA數(shù)據(jù)管理流程如圖1所示，測量、解譯等數(shù)據(jù)在用戶上傳后，需進行質(zhì)量檢查方能歸檔，歸檔數(shù)據(jù)會自動備份以保障數(shù)據(jù)安全。實際測量數(shù)據(jù)保存在文件夾中，關鍵信息、數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)索引存儲于數(shù)據(jù)庫中，用戶通過索引獲取實際測量數(shù)據(jù)。用戶發(fā)起數(shù)據(jù)請求后，需經(jīng)批準方可下載和使用。

圖1 芬蘭TUTKA數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流程

TUTKA軟件采用C/S架構，簡單實用，但由于成型時間較早，技術較為落后，采用文件式管理方式，功能簡陋，不能滿足二三維可視化需求和數(shù)據(jù)分析需求，數(shù)據(jù)使用較為不便，且當數(shù)據(jù)存儲路徑發(fā)生變化時可能出現(xiàn)錯誤，影響數(shù)據(jù)的檢索、瀏覽和使用。

隨著高放廢物地質(zhì)處置研究的深入、科技的進步以及數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類的增加，TUTKA已無法滿足使用需求，因此Posiva于2007年開發(fā)完成并啟用了POTTI數(shù)據(jù)庫來替代TUTKA[5]。目前，在Olkiluoto場址收集的所有數(shù)據(jù)都集中于POTTI中，包括測量數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和科研成果數(shù)據(jù)等。POTTI基于Oracle數(shù)據(jù)庫開發(fā)，具有瀏覽器界面，支持Posiva內(nèi)部和外部用戶訪問[6]。

3 法國高放廢物地質(zhì)處置數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

法國Meuse/Haute-Marne地下實驗室建于2000年，用于論證在泥巖中建造高放和長壽命中放廢物處置庫的可能性，由法國國家放射性廢物處置機構（ANDRA）運營管理。其數(shù)據(jù)管理體系如圖2所示。測量數(shù)據(jù)、樣品數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)和報告等數(shù)據(jù)分別存儲于GEO Database、SAGD Database和DMS Socrate數(shù)據(jù)庫中，通過Gestech、Geosciences、Integrat、Geoscope和Socrate等軟件進行管理和使用。

GEO Database為基于Oracle的專業(yè)科研數(shù)據(jù)庫，管理地表場址評價和地下實驗室各類靜態(tài)科研數(shù)據(jù)，包括各類科研操作記錄、樣品數(shù)據(jù)和鉆孔現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)等。ANDRA 在GEO Database基礎之上開發(fā)了Gestech軟件和Geosciences軟件，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)在不同人員（科研人員、管理人員和合作人員等）之間的應用和共享。Geosciences為web應用，研發(fā)于2007年，支持輸入、檢索和查看水文地質(zhì)、地球化學、鉆孔等各類數(shù)據(jù)。Gestech為桌面軟件，于1995年開始研發(fā)，主要功能包括樣品管理、原位試驗數(shù)據(jù)管理、實驗室水文地質(zhì)和地球化學數(shù)據(jù)管理及實驗室科研工作的跟進。

圖2 法國地下實驗室數(shù)據(jù)管理體系

SAGD (Système d’Acquisition et de Gestion des Données，地學數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng))主要存儲傳感器動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠確保所有數(shù)據(jù)的安全存儲和可追溯，在發(fā)生故障時不出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)錯誤等問題，支持用戶通過任意聯(lián)網(wǎng)計算機連接并訪問SAGD數(shù)據(jù)庫[7]及控制實驗。ANDRA 在SAGD基礎之上開發(fā)了Geoscope軟件（圖3），其主要采取C/S架構，支持查詢、二三維可視化、分析和預警等功能。

截至2016年12月19日，SAGD數(shù)據(jù)庫日記錄值為160萬，累計記錄值為27億，在環(huán)境區(qū)域、水壓網(wǎng)絡、地下實驗室監(jiān)測點的統(tǒng)計信息如表2所示，總測量點數(shù)量達到19 201，說明在地下實驗室運行階段，傳感器數(shù)量將達到萬級，數(shù)據(jù)采集規(guī)模和數(shù)據(jù)并發(fā)量較大，對網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)存儲能力要求較高，需要通過管理系統(tǒng)對設備狀態(tài)、傳輸網(wǎng)絡進行自動化管理，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸、安全存儲和高效管理。

圖3 Geoscope軟件界面

表2 SAGD數(shù)據(jù)庫監(jiān)測信息統(tǒng)計表

DMS Socrate為基于Oracle的文檔管理系統(tǒng)，通過Socrate管理各類技術報告、科研報告和管理報告等，通過Sinequa搜索引擎來進行知識管理。

整體而言，Andra數(shù)據(jù)管理體系較為完善，針對傳感器數(shù)據(jù)、報告數(shù)據(jù)和其他試驗數(shù)據(jù)采用分別存儲和管理的方式，建立了3個數(shù)據(jù)庫，并基于各個數(shù)據(jù)庫分別研發(fā)了相應的軟件，來實現(xiàn)對現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的有效管理和使用，極大提升了數(shù)據(jù)管理效率，為地下實驗室的研發(fā)提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐和保障。

4 瑞士高放廢物地質(zhì)處置數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

瑞士Grimsel Test Site（GTS）地下實驗室從1984年5月開始運行，由Nagra運營管理。為便于管理和使用數(shù)據(jù)，Nagra自主研發(fā)了Datenmanagement、Geodaten等軟件和ArcGIS插件。

Datenmanagement支持數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)傳輸與存檔、元數(shù)據(jù)全文檢索、空間查詢、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)下載等功能。用戶在上傳或下載數(shù)據(jù)時，均需向數(shù)據(jù)管理員申請許可。其中，上傳數(shù)據(jù)時需單獨描述每個數(shù)據(jù)集，編寫其元數(shù)據(jù)信息，并進行質(zhì)量檢查，以保證數(shù)據(jù)的準確性。截至2019年9月，Nagra已將GIS數(shù)據(jù)、巖芯照片全部存儲至Datenmanagement中，地震數(shù)據(jù)和鉆孔編錄數(shù)據(jù)仍在遷移中，未來計劃遷移3D模型、CAD和BIM等數(shù)據(jù)。

Geodaten軟件支持空間查詢、地圖打印和二三維數(shù)據(jù)查看等功能。ArcGIS插件能夠?qū)?shù)據(jù)庫與ArcGIS桌面軟件連通，支持在ArcGIS中直接查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，以利用ArcGIS強大的功能進行數(shù)據(jù)處理、分析和可視化等操作。

Nagra數(shù)據(jù)管理體系較為簡單，能夠滿足基本的數(shù)據(jù)檢索、空間查詢、數(shù)據(jù)管理與可視化等需求。針對GIS數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)，靈活采用自研軟件與市場成熟軟件（如OpendTect、PETREL、GoCAD）相結合的方式，實現(xiàn)了較為豐富強大的可視化和分析功能。

瑞典、芬蘭、法國和瑞士地下實驗室數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗豐富，建立了完善的質(zhì)量控制體系，以保證進入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)均符合質(zhì)量要求，開發(fā)了各種管理和應用軟件，基本能夠滿足地下試驗數(shù)據(jù)的存儲、管理與使用等需求。但部分地下實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由于其建成時間較早，受制于當時信息化技術，集成化程度還有待提高，軟件功能不夠豐富與強大，數(shù)據(jù)分析和挖掘功能不足，多層次用戶交互體驗效果不佳。

5 我國高放廢物地質(zhì)處置數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀及展望

我國自1985年起開展高放廢物地質(zhì)處置研究工作，通過30多年的預選區(qū)篩選、場址篩選與評價工作，積累了大批寶貴的數(shù)據(jù)資料。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院針對科研數(shù)據(jù)不斷增加、數(shù)據(jù)管理和利用日益困難等現(xiàn)狀，基于數(shù)據(jù)庫、GIS、軟件工程等技術，開展了元數(shù)據(jù)設計與管理[8-9]、數(shù)據(jù)分類編碼[10]、數(shù)據(jù)模型[11]、數(shù)據(jù)庫設計[12]、地學信息集成[13]、數(shù)據(jù)管理與系統(tǒng)研發(fā)[14-16]等工作，積累了豐富的數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗。但上述研究主要面向靜態(tài)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)規(guī)模相對較小，無法滿足地下實驗室大規(guī)模試驗數(shù)據(jù)的動態(tài)管理要求。

北山地下實驗室在建設和運行期間，將開展大量現(xiàn)場試驗，并布設成千上萬個傳感器實時動態(tài)采集數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)具有傳輸距離長、采集周期長、類型多、規(guī)模大，數(shù)據(jù)質(zhì)量、安全與可追溯性要求高，數(shù)據(jù)共享、分析與可視化要求高的特點，管理難度較大。為實現(xiàn)各類現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的有效采集、管理和利用，研發(fā)北山地下實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，勢在必行。

通過對瑞典、芬蘭、法國和瑞士地下實驗室數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀的研究，提出下述建議，以期為北山地下實驗室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設計和研發(fā)提供參考：

（1）加強高放領域數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的頂層設計，充分利用相關領域技術基礎和成功經(jīng)驗，綜合考慮地下實驗室建設與運行階段中的發(fā)展需求。

（2）數(shù)據(jù)管理應服務于安全評價，需重點關注數(shù)據(jù)的完整性、可追溯性、可獲取性和安全性。

（3）面向多層次用戶對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應用需求，開發(fā)豐富的數(shù)據(jù)檢索、查詢和可視化表述功能。

（4）建立完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制機制，研發(fā)針對性的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)動靜態(tài)數(shù)據(jù)入庫自動檢查，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，為安全評價提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（5）設計統(tǒng)一的核心數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)管理模型，以適應地下實驗室大規(guī)?？茖W數(shù)據(jù)的集成化綜合管理，實現(xiàn)多源異構的試驗數(shù)據(jù)和相關資料的組織、存儲和快速檢索。

（6）采用桌面端、網(wǎng)頁端和移動端等多種形式相結合的方式，在多應用場景中提供相應的系統(tǒng)功能。

（7）建立全面、高效的數(shù)據(jù)與應用功能接口，提供數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)平臺的開放擴展接口，保證數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的可拓展性。

（8）需不斷維護和更新數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以保持系統(tǒng)的先進性，同時滿足地下實驗室在運行過程中可能出現(xiàn)的新需求。

（9）結合近年來飛速發(fā)展的云計算、數(shù)據(jù)挖掘和人工智能等技術，深度挖掘數(shù)據(jù)價值，提升數(shù)據(jù)資源的利用率。

6 結語

瑞典、芬蘭、法國和瑞士高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室經(jīng)過多年實踐，積累了豐富的數(shù)據(jù)管理經(jīng)驗，有力地支撐了各自國家地下實驗室的研發(fā)。我國北山地下實驗室開工在即，建設和運行階段將產(chǎn)生海量科研數(shù)據(jù)，應借助國外數(shù)據(jù)管理的有益經(jīng)驗，重視質(zhì)量控制、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)可視化、系統(tǒng)集成和用戶使用體驗，開發(fā)出更為穩(wěn)定可靠、功能強大的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為我國建設世界一流地下實驗室提供堅實的數(shù)據(jù)支撐和技術支撐。

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Current status and prospect of data management in Underground Research Laboratories for geological disposal of high-level radioactive waste

MA Mingqing，LING Hui，MA Jiayi

(Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)

Through the study of the current status of data management in Underground Research Laboratories(URLs) for geological disposal of high-level radioactive waste in Sweden, Finland, France, and Switzerland, the data types of large-scale scientific data in URLs are preliminarily sorted out, and the database structure and data management architecture of URLs are analyzed, the quality control, metadata management, dynamic management, and visualization functions of the data management system are analyzed and summarized. In response to the actual needs of large-scale scientific data management in Beishan URL of China, drawing on experience from international URL, it􀆳s recommended to take the integrity, authenticity and traceability of data as principles, and fully consider the prospectiveness, scalability and maintainability of the data management system, strengthen the top-level design and accelerate the research and development of the data management system of Beishan URLs.

data management; disposal of high-level radioactive waste; Underground Research Laboratories

TL941

A

1672-0636(2021)03-0380-08

10.3969/j.issn.1672-0636.2021.03.012

2021-05-20；

2021-06-04

馬明清（1994— ），男，新疆伊犁人，碩士，助理工程師，主要研究方向為高放廢物地質(zhì)處置數(shù)據(jù)管理及軟件開發(fā)。E-mail: constmmq@163.com