闕澤勝，孫美琴，于國華*

（1.廣東省核工業(yè)地質(zhì)局輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510800；2.廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800；3.武漢智博創(chuàng)享科技股份有限公司，湖北 武漢 430000）

天然輻射環(huán)境外業(yè)調(diào)查內(nèi)容不僅包括文字信息，還有照片、點(diǎn)位、觀測(cè)儀器原始文件等，涉及樣本數(shù)量大、數(shù)據(jù)格式多樣、存儲(chǔ)技術(shù)要求高。采用常規(guī)的紙質(zhì)手簿方式進(jìn)行野外調(diào)查的作業(yè)模式具有工作量較大、耗費(fèi)時(shí)間長、誤差較大、實(shí)時(shí)性較差等缺陷[1-2]，且有填報(bào)不規(guī)范、容易出錯(cuò)等問題，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和完備性，不利于數(shù)據(jù)集成與后續(xù)分析。因此，有必要探索一種簡便易用、穩(wěn)定可靠的野外調(diào)查數(shù)據(jù)采集解決方案，實(shí)現(xiàn)天然輻射環(huán)境野外調(diào)查工作的數(shù)字化、智能化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

人類所受輻射照射主要來源于天然輻射，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）已將氡及其子體劃歸為I類致癌因子[3]。上世紀(jì)八十年代，國家環(huán)保局組織開展了全國環(huán)境天然放射性水平調(diào)查，并建立了數(shù)據(jù)庫，包括環(huán)境天然貫穿輻射水平、土壤中天然放射性核素含量和水體中天然放射性核素濃度3個(gè)分?jǐn)?shù)據(jù)庫[4]。廣東省參照上世紀(jì)八十年代國家環(huán)保局的天然放射性水平調(diào)查方法，從2013年開始進(jìn)行了新一輪全省放射性地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作，并采用最新輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)重新進(jìn)行測(cè)量，于2016年完成了調(diào)查入庫工作，建立了廣東省放射性地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)[5]。根據(jù)廣東省放射性地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目[6]，環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)包括：①監(jiān)測(cè)方法及儀器設(shè)備數(shù)據(jù)；②儀器宇宙射線響應(yīng)數(shù)據(jù)；③陸地γ輻射劑量率數(shù)據(jù)（包括原野、道路和室內(nèi)3種類型）；④就地γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)；⑤土壤、巖石、水體和底泥中放射性核素含量數(shù)據(jù)。

根據(jù)前人的研究，天然輻射環(huán)境采集信息主要包括γ輻射劑量率、就地γ能譜、氡濃度，以及土壤、巖石、水體等介質(zhì)中放射性核素的調(diào)查。因此，為解決天然輻射環(huán)境信息采集問題，系統(tǒng)建設(shè)的具體需求定義為實(shí)現(xiàn)對(duì)原野γ輻射劑量率、道路γ射劑量率、室內(nèi)γ輻射劑量率、土壤氡濃度、空氣氡濃度和就地γ能譜等6類監(jiān)測(cè)對(duì)象信息的現(xiàn)場(chǎng)采集錄入，以及對(duì)土壤、巖石、水體、底泥、動(dòng)物和植物等6類樣品信息的現(xiàn)場(chǎng)采集錄入。具備錯(cuò)誤自查功能，即用戶可以在移動(dòng)端輸入數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)判斷輸入信息是否規(guī)范，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集信息的審查、管理功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)原野、道路和室內(nèi)γ輻射劑量率儀器讀數(shù)的Grubbs法則檢驗(yàn)功能。具備一鍵歸檔原始記錄表功能，即按野外原始記錄表格模板，一鍵生成各調(diào)查要素原始記錄表信息，實(shí)現(xiàn)基本地圖服務(wù)等功能。

1.2 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)的桌面端部分負(fù)責(zé)任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)審查等。通過通信服務(wù)功能將桌面端的任務(wù)分配給相應(yīng)的調(diào)查人員。調(diào)查人員登入手持端，可查看本調(diào)查小組的調(diào)查任務(wù)，通過手持端在野外進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的采集，采集完的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)回傳到桌面端進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用。手持端樣品采集信息通過二維碼技術(shù)，將樣品流轉(zhuǎn)到輻射實(shí)驗(yàn)室的LIMIS系統(tǒng)，LIMIS系統(tǒng)再將樣品檢測(cè)結(jié)果發(fā)送到桌面端。

1.3 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)平臺(tái)以Java為主要開發(fā)語言，基于JDK1.8、NodeJS、Java、JavaScript、HTML5、CSS等開發(fā)環(huán)境，以O(shè)racle 11g為數(shù)據(jù)庫[7]，采用B/S體系架構(gòu)，如圖1所示。運(yùn)行支撐層包括終端、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備、移動(dòng)終端、路由器、單位專網(wǎng)、防火墻、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理軟件等，數(shù)據(jù)資源層包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、天然輻射監(jiān)管數(shù)據(jù)、野外采集數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)；GIS平臺(tái)包括GIS數(shù)據(jù)服務(wù)、GIS功能服務(wù)、GIS目錄服務(wù)、工作流管理、接口服務(wù)、二三維一體化、服務(wù)質(zhì)量控制；云架構(gòu)數(shù)據(jù)中心框架包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、專題輸出；業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括手持端和桌面端，其中手持端實(shí)現(xiàn)野外移動(dòng)數(shù)據(jù)采集，桌面端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)成果展示、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)安全保障；用戶層包括領(lǐng)導(dǎo)、項(xiàng)目管理人員、野外數(shù)據(jù)采集人員。

圖1 總體架構(gòu)圖

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析和系統(tǒng)總體架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)遵循易用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性、實(shí)用性、標(biāo)準(zhǔn)化、美觀性、可擴(kuò)展性等原則。根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，見圖2。底層數(shù)據(jù)可分為監(jiān)測(cè)信息原始庫、樣品信息原始庫、監(jiān)測(cè)信息成果庫、樣品信息成果庫、基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫，并通過GIS和數(shù)據(jù)中心技術(shù)進(jìn)行集成。數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)服務(wù)、流程管理、數(shù)據(jù)交換、接口管理和空間分析等應(yīng)用。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)圖

1.5 主要功能模塊設(shè)計(jì)

天然輻射環(huán)境移動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)包括手持端和桌面端，總體功能模塊設(shè)計(jì)見圖3。手持端功能包括主界面、數(shù)據(jù)管理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、樣品采集、樣品流轉(zhuǎn)、更多功能等模塊，主要完成野外數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集錄入，支撐離線和在線數(shù)據(jù)錄入和查詢、檢索、支撐基于GIS的數(shù)據(jù)展示和野外GPS定位，為野外數(shù)據(jù)采集提供信息化協(xié)助。桌面端功能包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)查詢、成果展示、設(shè)備管理、消息管理、用戶管理等模塊。

圖3 總體功能模塊設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)案例

基于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，開發(fā)了廣東省天然輻射環(huán)境移動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，包括手持端和桌面端。手持端主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、樣品數(shù)據(jù)的采集及回傳，桌面端主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理及成果的分析展示。

2.1 桌面端開發(fā)

天然輻射環(huán)境移動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)桌面端的開發(fā)遵循大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)總體框架，采用“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一服務(wù)、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”的指導(dǎo)思想，在充分利用云架構(gòu)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，立足天然輻射環(huán)境工作實(shí)際進(jìn)行研發(fā)。

1）主界面。如圖4所示，廣東省天然輻射環(huán)境數(shù)據(jù)采集平臺(tái)桌面端主界面包括地圖顯示區(qū)、功能模塊區(qū)。地圖顯示區(qū)主要用于顯示調(diào)查點(diǎn)空間信息和屬性信息。功能模塊區(qū)包括了任務(wù)管理、進(jìn)度管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)審查、通信服務(wù)等一級(jí)和二級(jí)菜單功能。

2）任務(wù)管理。任務(wù)管理模塊包括項(xiàng)目管理、任務(wù)管理、調(diào)查點(diǎn)管理和調(diào)查小組管理等功能。針對(duì)計(jì)劃任務(wù)，管理人員可以組建針對(duì)本任務(wù)的調(diào)查小組，向調(diào)查小組成員推送該任務(wù)，調(diào)查小組人員用自己的賬號(hào)登錄桌面端或者移動(dòng)端，即可看到具體的任務(wù)情況，接收任務(wù)推送的相關(guān)信息和提醒。

3）進(jìn)度管理。進(jìn)度管理模塊包括工作進(jìn)度查詢和工作質(zhì)量報(bào)表等功能。工作進(jìn)度查詢實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)進(jìn)度和采樣進(jìn)度查詢、篩選、統(tǒng)計(jì)功能。工作質(zhì)量報(bào)表以任務(wù)完成耗時(shí)為指標(biāo)，進(jìn)行工作質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析。

4）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理模塊包括采集數(shù)據(jù)管理和資料歸檔功能。采集數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)編輯、導(dǎo)出、查看儀器讀數(shù)、查看照片信息、刪除和新建等功能。資料歸檔功能可以按調(diào)查表格模板實(shí)現(xiàn)一鍵歸檔。

5）數(shù)據(jù)審查。數(shù)據(jù)審查模塊包括我的待辦箱、我的候選箱、我發(fā)起的流程、我參與的流程、部署管理、分組管理功能。

6）應(yīng)急響應(yīng)。應(yīng)急響應(yīng)模塊包括調(diào)查小組位置監(jiān)控和調(diào)查小組檢查分級(jí)結(jié)果功能。用戶通過手持端及時(shí)回傳的調(diào)查小組人員位置信息，可以對(duì)調(diào)查人員位置信息進(jìn)行基于時(shí)間軸的回放。對(duì)于調(diào)查小組上傳的野外監(jiān)測(cè)分級(jí)結(jié)果，桌面端可同步顯示，1級(jí)為綠色點(diǎn)、2級(jí)為黃色點(diǎn)、3級(jí)為橙色點(diǎn)、4級(jí)為紅色點(diǎn)。

7）通信服務(wù)。通信服務(wù)模塊包括我的消息和消息發(fā)布功能。用戶可發(fā)送和接收移動(dòng)終端消息。

8）輔助工具。輔助工具模塊包括坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和格拉斯法則檢驗(yàn)工具。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換包括WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)和2000國家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，大地坐標(biāo)系與平面坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。格拉斯法則檢驗(yàn)工具，即對(duì)原野伽瑪輻射劑量率、道路伽瑪輻射劑量率和室內(nèi)伽瑪輻射劑量率提供Grubbs法則的科學(xué)性檢驗(yàn)。

9）系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置模塊包括用戶管理、部門管理和角色管理。

2.2 手持端開發(fā)

手持端主要完成野外信息的現(xiàn)場(chǎng)采集錄入，支持離線和在線數(shù)據(jù)錄入和查詢、檢索，支持基于GIS的數(shù)據(jù)展示和野外GPS定位。

1）主界面。如圖5所示，手持端主界面包括快速定位區(qū)、功能模塊區(qū)、任務(wù)顯示工具區(qū)、底圖管理區(qū)、工作區(qū)等。

2）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理模塊包括地圖管理和任務(wù)管理。任務(wù)分為采樣點(diǎn)任務(wù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)任務(wù)。

3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)原野γ輻射劑量率、道路γ輻射劑量率、室內(nèi)γ輻射劑量率、土壤氡濃度、空氣氡濃度、就地γ能譜等監(jiān)測(cè)任務(wù)的數(shù)量、監(jiān)測(cè)進(jìn)度、預(yù)警分級(jí)統(tǒng)計(jì)分析?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)列表頁面上方分別展示各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量；中間展示工作進(jìn)度，包含已監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和占比，待監(jiān)測(cè)的數(shù)量和占比；下方展示預(yù)警分級(jí)各級(jí)別的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和占比情況。

圖6 手持端現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)界面

4）樣品采集。樣品采集實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤、巖石、水體、底泥、動(dòng)物、植物等采樣任務(wù)的數(shù)量、監(jiān)測(cè)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)分析。樣品采集的采樣點(diǎn)列表界面上方分別展示各種采樣點(diǎn)的數(shù)量；中間展示工作進(jìn)度，包含已采樣的采樣點(diǎn)數(shù)量和占比，待采樣的數(shù)量和占比。列表右側(cè)的導(dǎo)航和定位按鈕可進(jìn)行空間位置交互。

5）樣品流轉(zhuǎn)。在手持APP中快速生成二維碼及掃描功能，可以識(shí)別采樣品實(shí)物二維碼標(biāo)簽，掃描成功后將得到物品編碼，通過物品編碼在數(shù)據(jù)庫中查詢對(duì)應(yīng)的原始資料并入庫對(duì)應(yīng)的成果資料，保證樣品在流轉(zhuǎn)過程中信息的無縫銜接。

6）更多功能。更多功能包括設(shè)置，小組和消息。其中設(shè)置按鈕可查看和維護(hù)個(gè)人信息、儀器參數(shù)管理，頻率設(shè)置、查看系統(tǒng)信息等。

7）地圖管理。地圖管理包括地圖縮放、地圖漫游、用戶定位、圖層控制、衛(wèi)星數(shù)量顯示、用戶坐標(biāo)顯示、地圖量算等。

8）軌跡管理。手動(dòng)開啟用戶軌跡收集服務(wù)，適用于用戶隨時(shí)開啟和關(guān)閉軌跡收集服務(wù)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)研究

1）基于二維碼的樣品信息傳輸技術(shù)。手持端采集的土壤、巖石、水體、底泥、動(dòng)植物等樣品信息，需傳輸?shù)捷椛鋵?shí)驗(yàn)室LIMIS管理系統(tǒng)。基于二維碼技術(shù)，在手持端的樣品流轉(zhuǎn)模塊，先生成采樣點(diǎn)的二維碼，后將二維碼傳輸至打印機(jī)進(jìn)行打印。輻射實(shí)驗(yàn)室再通過掃碼槍掃描二維碼，最后將樣品信息傳輸?shù)捷椛鋵?shí)驗(yàn)室的LIMIS管理系統(tǒng)中。

2）Grubbs準(zhǔn)則剔除可疑值技術(shù)。根據(jù)HJ 61-2021《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)要求，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的原野、道路和室內(nèi)伽瑪輻射劑量率儀器讀數(shù)，應(yīng)先進(jìn)行Grubbs法則檢驗(yàn)，以剔除可疑值。為提高工作效率，將Grubbs準(zhǔn)則剔除可疑值技術(shù)嵌入到手持端中，即在手持端現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)原野、道路和室內(nèi)伽瑪輻射劑量率現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)類要素，在輸入完儀器讀數(shù)后，進(jìn)行Grubbs準(zhǔn)則檢驗(yàn)。對(duì)儀器讀數(shù)不符合Grubbs準(zhǔn)則的T值進(jìn)行標(biāo)識(shí)，剔除儀器讀數(shù)異常值后不符合Grubbs準(zhǔn)則要求個(gè)數(shù)（不少于8個(gè)）的，該組數(shù)據(jù)不允許輸入手持終端。

3 結(jié)語

利用移動(dòng)GIS技術(shù)，從需求分析、系統(tǒng)作業(yè)流程、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)等方面闡述了天然輻射環(huán)境移動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為驗(yàn)證該方法的可行性，開發(fā)了廣東省天然輻射環(huán)境數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。該平臺(tái)的開發(fā)，解決了天然輻射環(huán)境外業(yè)調(diào)查采用常規(guī)紙質(zhì)手薄方式的缺陷，實(shí)現(xiàn)了天然輻射環(huán)境野外調(diào)查數(shù)據(jù)的信息采集、智能校驗(yàn)、實(shí)時(shí)上傳與有效管理，簡化了填報(bào)程序，規(guī)范了填報(bào)內(nèi)容，提高了工作效率。實(shí)踐證明，移動(dòng)GIS技術(shù)可有效應(yīng)用于天然輻射環(huán)境移動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)建設(shè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天然輻射環(huán)境野外調(diào)查工作的數(shù)字化、智能化。