唐 輝，徐 彬，王 艷，鄧曉欽，谷 洪

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，成都 611139)

放射性同位素在核技術(shù)利用領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，遍布于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研以及衛(wèi)生等行業(yè)。在達到其使用周期后，這些含有放射性同位素的廢物必須進行妥善的處置，以免危害人員健康、污染環(huán)境。城市放射性廢物庫是收貯和暫存放射性廢物的環(huán)保設(shè)施，國家對城市放射性廢物實行科學(xué)監(jiān)管、集中收貯、規(guī)范存放、統(tǒng)一處置的管理模式，在各省建設(shè)了城市放射性廢物庫，用于收集轄區(qū)內(nèi)核技術(shù)利用單位產(chǎn)生的各類放射性廢物。

四川省城市放射性廢物庫已建成30余年，雖經(jīng)過改、擴建后配備了電動行車以及裝卸系統(tǒng)[1]，但仍存在一些問題：(1)放射性廢物庫出入庫抓取方式落后(采用機械抓取)，通過行吊設(shè)備進行放射源出入庫工作時，工作人員仍需下入坑內(nèi)操作，增加了工作人員近距離接觸放射源時間，使人員受到不必要的劑量照射；(2)放射源貯存信息通過電子表格臺賬的形式進行錄入登記，容易出現(xiàn)信息錯誤與缺失，且不方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計；(3)落后的放射源抓取方式導(dǎo)致放射源出入庫管理與庫內(nèi)安防系統(tǒng)、劑量監(jiān)測系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)等缺乏必要的聯(lián)鎖，削弱了庫內(nèi)放射源的實體保衛(wèi)能力，威脅著庫區(qū)的輻射環(huán)境安全[2]；(4)放射性廢物庫數(shù)據(jù)無法共享。

為提升放射源安全操作水平，促進放射源貯存信息的科學(xué)化管理，強化庫內(nèi)放射源的實體保衛(wèi)能力，確保庫區(qū)的輻射環(huán)境安全，本文開展了城市放射性廢物庫放射源自動抓取系統(tǒng)的功能設(shè)計與開發(fā)，研究設(shè)計了放射性廢物庫房聯(lián)動系統(tǒng)，通過在四川省城市放射性廢物庫的實際應(yīng)用，實現(xiàn)了放射性廢物庫的安防聯(lián)動管理。

1 方案設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

為解決目前城市放射性廢物庫存在的問題，開發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)需要具備以下功能:(1)放射源自動抓取，智能行吊裝置可根據(jù)管理人員輸入的坑位代碼自動將坑蓋、源容器移動到指定坑位位置；(2)具備信息存儲與查詢的功能，實現(xiàn)放射源臺賬數(shù)據(jù)的信息化管理；(3)將自動抓取系統(tǒng)與廢物庫安防系統(tǒng)聯(lián)鎖管理，提升廢物庫的安全水平。

本文討論了兩大系統(tǒng)的設(shè)計：一是放射源自動抓取操作系統(tǒng)，實現(xiàn)放射源的自動裝卸與入井、出井等操作；二是放射性廢物庫房安全聯(lián)動系統(tǒng)，對區(qū)域輻射、進出車輛、行吊過程等多個模塊進行聯(lián)鎖監(jiān)測，確保庫區(qū)安全[3]。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 城市放射性廢物庫自動抓取系統(tǒng)以及安全聯(lián)動技術(shù)總體設(shè)計

1.2 城市放射性廢物庫自動抓取系統(tǒng)的設(shè)計及實施流程

1.2.1放射性廢物(源)自動抓取系統(tǒng)的設(shè)計

城市放射性廢物庫自動抓取系統(tǒng)由裝卸系統(tǒng)、放射性廢物(源)貯源坑位、數(shù)控行車系統(tǒng)以及抓取系統(tǒng)組成。裝卸系統(tǒng)、數(shù)控行車系統(tǒng)與抓取系統(tǒng)配合使用，通過遠距離遙控操作，將運輸車輛上的放射性廢物(源)轉(zhuǎn)移至吊裝區(qū)。數(shù)控行車系統(tǒng)可實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，能準(zhǔn)確與標(biāo)準(zhǔn)化放射性廢物(源)貯源坑位對接，根據(jù)庫坑土建工藝以及行車制造工藝的精度，行車行走定位誤差不大于1 cm。抓取裝置在不更換抓頭的情況下，能分別抓取貯源容器和庫坑蓋板，以避免人員近距離操作。放射性廢物貯源坑位為半地下式設(shè)計，可滿足多層貯存容器疊加放置，充分利用庫容，同時針對貯存放射性物品單獨開展所在坑位的輻射屏蔽，滿足輻射防護最優(yōu)化的原則[4]。

(1)裝卸系統(tǒng)的設(shè)計[5]

裝卸系統(tǒng)組成示于圖2。裝卸系統(tǒng)能夠與運輸車通過輥子系統(tǒng)實現(xiàn)對接，工作人員只需通過遙控器操作，即可將標(biāo)準(zhǔn)容器卸車，然后運輸至指定位置，整個過程避免了工作人員與放射源的直接接觸。

1.手動軌行平車；2.托架裝置；3.卡固裝置；4.平車輥子系統(tǒng)；5.軌道系統(tǒng)；6.車內(nèi)輥子系統(tǒng)；7.車內(nèi)卡固裝置

(2)數(shù)控行車系統(tǒng)及貯源坑位設(shè)計

數(shù)控行車系統(tǒng)是放射源自動抓取系統(tǒng)的主要設(shè)備，行車跨度13.5 m，最大起升高度4.7 m，采用雙橋梁式設(shè)計，設(shè)計最大抓取重量為3.2 t，通過橫向電機和縱向電機控制行車前后左右移動。行車吊臂采用四節(jié)套筒式伸縮設(shè)計，為剛性結(jié)構(gòu)，可有效提高吊臂的穩(wěn)定性；行車吊具采用伸縮式抓頭設(shè)計，抓頭上有行程開關(guān)，確保吊具定位準(zhǔn)確。

貯源坑位為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，源坑蓋板整體尺寸為長1.1 m，寬1.1 m，厚度為0.25 m，重量為800 kg，坑位內(nèi)部尺寸為長0.9 m，寬0.9 m，深1.5 m，可存放三層源容器。源容器為圓柱形，由不銹鋼制成，直徑0.82 m，高度0.48 m。數(shù)控行車系統(tǒng)與貯源坑位平面圖示于圖3。

圖3 數(shù)控行車系統(tǒng)與貯源坑位平面圖

(3)放射源自動抓取系統(tǒng)軟件及功能開發(fā)

自動抓取系統(tǒng)軟件設(shè)計有登錄模塊、自動抓取模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、信息查詢模塊和狀態(tài)監(jiān)控模塊。

登錄模塊必須經(jīng)過相關(guān)授權(quán)才能進行操作，確保操作安全。

自動抓取模塊，用戶可選擇出入庫等不同模式，輸入坑位號、桶號等相關(guān)信息，軟件根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，控制行車系統(tǒng)基于坐標(biāo)定位、圖像識別技術(shù)，自動搜尋目標(biāo)位置并準(zhǔn)確定位，然后按照設(shè)定的抓取坑蓋、抓取目標(biāo)桶的流程控制行車系統(tǒng)完成相應(yīng)操作，實現(xiàn)了放射性廢物(源)出入庫操作的全自動化。

數(shù)據(jù)庫模塊主要是在放射性廢物(源)出入庫操作時錄入放射性廢物(源)編碼、核素類別、使用單位、收貯時間、收貯人員、坑位號等數(shù)據(jù)，用戶可通過輸入不同的查詢條件，得到儲存井信息、貯源桶信息(庫內(nèi)或出庫)，實現(xiàn)了廢物庫放射性廢物(源)數(shù)據(jù)信息化管理，有效提高了數(shù)據(jù)管理的水平，提升了工作效率。

信息查詢模塊采用三維模型清晰形象地顯示庫房中儲存井與貯源桶存放情況。該模型用水平面上的方框來代表井所在位置，縱向高度代表井中的貯源桶個數(shù)，通過拖動其右側(cè)與下側(cè)的滑動按鈕，可任意改變模型的視角。

狀態(tài)監(jiān)控功能是為了保障系統(tǒng)電氣控制元器件的正常運行，該功能用樹形圖來顯示該系統(tǒng)的主要電氣控制元件的運行與故障情況。狀態(tài)運行正常的情況下，其與總系統(tǒng)之間的連線顯示綠色；如果發(fā)生故障，其將變?yōu)榛疑⑶矣小癤”顯示。該功能可有效顯示電氣元器件的工作狀態(tài)，縮短故障排除、維修維護的時間。

1.2.2自動抓取系統(tǒng)工作流程

自動抓取系統(tǒng)工作流程[6]如下：工作人員將收貯的放射源放入運輸車上的標(biāo)準(zhǔn)容器桶中，運輸車到達庫區(qū)指定位置后，通過輥道系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)容器桶運輸?shù)綆靺^(qū)裝卸系統(tǒng)上，遙控開動手動軌行平車運行到庫房內(nèi)固定位置后，工作人員在軟件系統(tǒng)中輸入放射源信息、入庫坑號等數(shù)據(jù)，數(shù)控行車自動抓取坑蓋板、容器桶，放置到選定的坑位內(nèi)存放。出庫操作流程反之即可。

1.3 安全聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計

安全聯(lián)動系統(tǒng)的設(shè)計目的是實現(xiàn)放射性廢物(源)自動抓取系統(tǒng)與輻射劑量監(jiān)控系統(tǒng)、射頻安防系統(tǒng)等的聯(lián)鎖功能。當(dāng)出現(xiàn)輻射劑量超標(biāo)時，放射性廢物(源)自動抓取系統(tǒng)和裝卸系統(tǒng)啟動操作鎖止功能，報警信號同時傳輸至安防系統(tǒng)，觸發(fā)現(xiàn)場聲光報警功能，在操作人員手動解除報警后方可進行下一步操作。射頻安防系統(tǒng)用于識別進入裝卸區(qū)的放射性廢物(源)信息以及人員身份信息，同時將這些信息錄入信息系統(tǒng)進行管理。出現(xiàn)非法闖入事件時，輸出報警信號，自動抓取系統(tǒng)啟動鎖止功能，在操作人員手動解除報警后方可進行下一步操作。安全聯(lián)動系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化設(shè)計和建設(shè)，分別由以下部分組成。

(1)區(qū)域輻射監(jiān)測子系統(tǒng)

區(qū)域輻射監(jiān)測子系統(tǒng)根據(jù)實際需求及布線最優(yōu)要求，兼顧冗余及拓展功能，分別設(shè)置在四個庫房和1個門衛(wèi)室，其中門衛(wèi)室設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集主機，1個γ劑量探頭和1個就地聲光報警裝置；四個庫房內(nèi)分別設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集主機，6個γ劑量探頭和6個就地聲光報警裝置。系統(tǒng)可實現(xiàn)實時測量、聲光報警、圖形顯示、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)長期存儲及遠程傳輸、系統(tǒng)聯(lián)鎖等功能。

(2)車輛通道門子系統(tǒng)

車輛通道門設(shè)計在庫區(qū)入口處，對出入庫區(qū)的車輛進行劑量監(jiān)控。車輛通道門子系統(tǒng)包括探測器子系統(tǒng)和現(xiàn)場控制子系統(tǒng)。探測器子系統(tǒng)包括探測器組件，如塑料閃爍體、光電倍增管(放大器)，單個晶體體積30 L；現(xiàn)場控制子系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制器(含控制計算機、數(shù)據(jù)采集接口、電源等)、車速監(jiān)測裝置、聲光報警裝置、視頻監(jiān)控與抓拍系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時圖像化顯示車輛通過、報警信息及輻射源所在位置，能夠有效識別非法核材料，可測量被檢車輛速度。

(3)射頻監(jiān)控子系統(tǒng)

射頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過射頻技術(shù)，實現(xiàn)對放射源的出入庫的信息化管理。具有識別電子標(biāo)簽，實現(xiàn)非接觸式電子標(biāo)簽管理(人員管理和放射源管理)，對放射源罐的拍照存檔管理，數(shù)據(jù)庫管理，數(shù)據(jù)存貯、歷史數(shù)據(jù)查詢、管理報表生成及打印等功能，可與庫房內(nèi)行吊及監(jiān)測探頭進行聯(lián)動，根據(jù)劑量監(jiān)測數(shù)據(jù)與射頻采集信息自動觸發(fā)行吊系統(tǒng)的啟動、終止以及復(fù)位等相關(guān)操作。

(4)輻射劑量監(jiān)控中心

輻射劑量中心安裝于庫區(qū)值班監(jiān)控室內(nèi)，建設(shè)有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊，可集中管理劑量監(jiān)控、報警等數(shù)據(jù)，可將實時采集的輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)采用多種方式進行展示，包括測值顯示、趨勢線顯示等，并將放射源庫房內(nèi)監(jiān)測探頭數(shù)據(jù)同時傳輸至射頻信息管理平臺，與庫房內(nèi)其他設(shè)備進行聯(lián)鎖控制。車輛通道門子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可實時上傳輻射劑量報警、車輛超速報警等數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心，通過監(jiān)控中心實現(xiàn)與各系統(tǒng)的信息匯總和聯(lián)鎖管理。

(5)無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

當(dāng)出現(xiàn)報警信號時(包括輻射劑量監(jiān)控中心和射頻信息管理平臺)，通過移動發(fā)射器，以短信的形式發(fā)送報警信息至指定顯示智能終端。

1.4 連鎖觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

連鎖觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計是將放射源庫內(nèi)的7臺核輻射探測器報警信號、射頻報警信號以及移動偵測相機報警信號進行邏輯組合，實現(xiàn)手動軌行平車、大門、行車及非法入侵報警指示燈等設(shè)備的連鎖響應(yīng)。

1.4.1裝卸系統(tǒng)連鎖的設(shè)計

裝卸系統(tǒng)手動軌行平車上安裝有探測器，用于移動探測裝卸系統(tǒng)手動軌行平車附近區(qū)域輻射劑量數(shù)據(jù)。當(dāng)測量值超過預(yù)設(shè)報警閾值時，輸出報警信號，手動軌行平車接收到報警信號后，手動軌行平車處于鎖定狀態(tài)。

1.4.2大門連鎖的設(shè)計

放射源庫內(nèi)安裝有6個固定式核輻射探測器，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警閾值時，報警信號傳輸至數(shù)據(jù)采集主機，經(jīng)處理后，輸出總報警信號?？倛缶盘栞敵鰹镈T1至DT6總共6個探測器報警信號的邏輯或信號輸出，總報警信號接入一個信號繼電器，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換電壓控制大門卷簾系統(tǒng)，關(guān)閉大門。

1.4.3自動抓取系統(tǒng)連鎖的設(shè)計

當(dāng)6個固定式輻射探測器有報警輸出時或射頻報警時，服務(wù)器端報警邏輯控制程序?qū)缶盘栠M行判斷，當(dāng)判斷有報警時，行車制動控制端接通，鎖定自動抓取系統(tǒng)；報警解除時，自動抓取系統(tǒng)制動控制端斷路，制動解除。

1.4.4非法入侵連鎖的設(shè)計

為判斷人員進入庫房是否合法，實現(xiàn)人員非法闖入時系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號的功能，本系統(tǒng)使用移動物偵測相機，當(dāng)識別到未佩戴合法射頻標(biāo)簽的物體進入廢物庫房時，輸出報警信號，報警輸出信號通過數(shù)據(jù)通訊線發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器端報警處理軟件解析報警命令，然后轉(zhuǎn)發(fā)報警命令給數(shù)據(jù)采集處理主機，數(shù)據(jù)采集處理主機接收到服務(wù)器端的報警輸出命令后，開啟非法入侵報警燈，鎖止自動抓取系統(tǒng)。待人工解除報警后，方可啟動自動抓取系統(tǒng)。

2 討論與分析

2.1 放射源自動抓取系統(tǒng)的優(yōu)勢與分析

四川省城市放射性廢物庫放射源自動抓取操作系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)人工操作放射源入庫的主要優(yōu)勢在于用時更少、人員受照劑量更小、操作難度更小。

(1)在自動放射源庫入庫過程中，操作人員完成卸車、入桶、入坑位操作，整個過程用時在17至22分鐘之間，具體時間依據(jù)坑位遠近有部分差距。而在人工操作的放射源庫回收入庫過程中，僅在貯源桶入坑這一個小步驟中，操作人員就需要花費40分鐘；

(2)使用放射源自動抓取系統(tǒng)時，操作人員與放射源近距離接觸(操作人員與輻射源距離在1 m范圍內(nèi))的時間不超過10分鐘；而在人工操作過程中，需要操作人員將貯源桶搬到鋼框內(nèi)，并進入坑內(nèi)操作，操作人員與放射源近距離接觸時間長達30分鐘。以1枚Ⅳ類Cs-137源入庫為例計算，該放射源1 m處劑量率為27.3 μSv/h，自動化入庫近距離接觸時間按10分鐘計算，人員受照劑量為4.55 μSv；人工操作入庫的近距離接觸時間按照30分鐘計算，人員受照劑量為13.65 μSv，操作人員所受的劑量遠大于自動化操作。

(3)使用放射源自動抓取系統(tǒng)時，整個流程不需要人工搬運，僅需完成信息錄入即可自動完成放射源出入庫；而人工操作出入庫時，需要操作人員搬運貯源桶，在吊裝過程中必須由多人進行輔助，以免出現(xiàn)蓋板晃動過大，造成吊裝危險，起吊操作難度大，對操作人員的操作要求高。

自動化庫和人工庫單次放射源出入庫數(shù)據(jù)比較列于表1。

表1 自動化庫與人工庫單次放射源出入庫(裝卸到入庫/出庫)比較

自動化放射源庫出入庫在工作時間、操作難度、操作人員所受劑量方面都明顯優(yōu)于人工操作，從輻射防護與安全防護的角度來看，具有較強的實用價值和推廣價值。

2.2 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的優(yōu)勢與分析

傳統(tǒng)的庫區(qū)安防系統(tǒng)，各安防子統(tǒng)獨立工作，無法實現(xiàn)聯(lián)鎖管理，假如安防系統(tǒng)出現(xiàn)報警或者被突破，行車系統(tǒng)同樣可以正常使用，放射源可以進行出入庫操作，不利于放射源的實體安全；且大部分系統(tǒng)報警的核查處理需要人工前往現(xiàn)場，工作量巨大，不利于庫區(qū)安防系統(tǒng)的運行和管理。

本文針對四川省城市放射性廢物庫設(shè)計了放射性廢物庫房聯(lián)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了放射性廢物庫的安全聯(lián)動管理。當(dāng)廢物庫劑量監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)報警信號、未佩戴合法射頻標(biāo)簽的人員進入廢物庫房觸發(fā)射頻安防系統(tǒng)報警等情況時，連鎖觸發(fā)系統(tǒng)可自動鎖止裝卸系統(tǒng)、廢物庫大門、自動抓取系統(tǒng)，使放射源無法移動，確保了放射源的實體安全。使用射頻、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，用技術(shù)防范手段代替人力防范，降低了庫區(qū)安防工作對人力的依賴，增強了安防系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和連續(xù)性。通過設(shè)計安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，大大提高了廢物庫的安全防范等級和防范能力，提升了廢物庫的智能化、信息化水平，提高了庫區(qū)管理的整體水平，降低了庫區(qū)安保人員的工作量，提升了廢物庫的安防管理水平，有利于廢物庫的安全運行和保障全省的輻射環(huán)境安全。

3 結(jié)論

(1)本文針對四川省城市放射性廢物庫出入庫操作的現(xiàn)狀，設(shè)計出放射源自動抓取系統(tǒng)，實現(xiàn)了從用戶到放射性廢物庫(入庫)以及從放射性廢物庫到最終處置場所(出庫)一整個循環(huán)對放射性廢源容器裝卸的自動化機械操作和備份性人工操作。實現(xiàn)了輸入指令后自動存放、提出放射源容器的全部流程，同時建立放射源存放數(shù)據(jù)庫。對放射性廢源容器裝卸的自動化操作，極大地減少了放射源出入庫操作的時間，降低了操作難度和對操作人員的技術(shù)要求，減少了操作人數(shù)，還極大地減少了工作人員與放射源近距離接觸的時間，從而大大降低了工作人員的受照劑量，降低了輻射事故發(fā)生的概率，同時實現(xiàn)了放射源數(shù)據(jù)的信息化管理。

(2)本文針對四川省城市放射性廢物庫設(shè)計了放射源自動抓取與安防的聯(lián)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了放射性廢物庫區(qū)域輻射監(jiān)測子系統(tǒng)、車輛通道門子系統(tǒng)、射頻監(jiān)控子系統(tǒng)、輻射劑量監(jiān)控中心與自動抓取系統(tǒng)的安全聯(lián)動管理，從而實現(xiàn)了廢物庫放射源出入庫與安防系統(tǒng)的一體化管理，有效提高了廢物庫的安全防范能力，滿足了國家對于提高廢物庫安全防范能力的要求。

(3)城市放射性廢物庫是一個比較龐大的系統(tǒng)工程，是核技術(shù)應(yīng)用中所產(chǎn)生的放射性廢物(源)的暫存場所，是放射性廢物(源)貯存管理的重要環(huán)保設(shè)施。本文設(shè)計了放射源自動抓取系統(tǒng)，探討了抓取系統(tǒng)與安全防范系統(tǒng)的聯(lián)動管理方案，通過在四川省城市放射性廢物庫內(nèi)實際應(yīng)用，印證了放射源自動抓取系統(tǒng)及庫房安全聯(lián)動技術(shù)的可行性，為放射性廢物的貯存管理提出了新的思路，為核技術(shù)應(yīng)用的進一步發(fā)展提供了有力的支撐。