袁偉，王剛，李藐，陳顯波，李浪

1. 中國人民解放軍 96901 部隊 23 分隊，北京 100094

2. 火箭軍士官學(xué)校，山東 青州 262550

態(tài)勢感知（situation awareness，SA）是一種基于環(huán)境、動態(tài)整體地洞悉安全風(fēng)險的能力，是以安全大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從全局視角提升對安全威脅的發(fā)現(xiàn)識別、理解分析、響應(yīng)處置能力的一種方式，最終是為了決策與行動，是安全能力的落地[1]。在20 世紀80 年代，美國空軍就提出了態(tài)勢感知的概念，主要包括感知、理解和預(yù)測3 個層次。自21 世紀起，態(tài)勢感知的概念逐漸被大眾所接受，并隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展而快速升級，其在眾多行業(yè)領(lǐng)域的實踐運用就是通過計算機系統(tǒng)對能夠引起安全態(tài)勢發(fā)生變化的要素進行獲取、理解和顯示，并對今后發(fā)展趨勢的順延性預(yù)測，最終目的就是要進行決策與行動。

近年來，涉核活動頻率大幅提升，發(fā)生鈾钚等特種核材料爆炸、燃燒類核事故可能性加大。倘若核事故一旦發(fā)生，擴散速度快、危害程度大、影響范圍廣，需要采取行之有效的核應(yīng)急態(tài)勢感知技術(shù)手段，快速判斷識別放射性污染物源項基本特征，預(yù)測分析事故態(tài)勢和影響危害范圍，輔助指揮決策人員制定應(yīng)急處置行動方案和籌劃兵力運用。然而，現(xiàn)階段核應(yīng)急態(tài)勢感知相關(guān)能力較為薄弱，主要渠道是依靠前端核輻射探測器提供的監(jiān)測信息來掌握事故狀況，存在數(shù)據(jù)格式不一、零散且難于調(diào)取利用的弊端，同時也缺乏核事故態(tài)勢分布預(yù)測、應(yīng)急處置輔助決策和行動過程可視化呈現(xiàn)等方面技術(shù)手段[2]。因此，亟需探索建立一種適用于中小尺度核事故場景的立體態(tài)勢感知系統(tǒng)，能夠有針對性地解決上述問題，從而為提升核應(yīng)急處置能力提供有效手段。

1 核應(yīng)急態(tài)勢感知系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)核事故場景的基本特點以及核應(yīng)急業(yè)務(wù)工作的實際需求，設(shè)計明確了核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的主體架構(gòu)，如圖1 所示。本系統(tǒng)主要包括前置探測器監(jiān)測模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、源項預(yù)置與反演模塊、污染態(tài)勢評估模塊、決策優(yōu)化生成模塊和三維可視化顯示模塊等6 個主要功能部分。

圖1 系統(tǒng)的主體架構(gòu)

其中，前置探測器監(jiān)測模塊布設(shè)于涉核活動或核事故現(xiàn)場區(qū)域附近，其他模塊集成化部署于核應(yīng)急指揮大廳，通過有關(guān)信息的生成、傳輸、采集、處理、分析和展示等一系列流程化操作，幫助決策人員完成處置任務(wù)籌劃。圖2 為系統(tǒng)運行的基本工作流程。

2 核應(yīng)急態(tài)勢感知系統(tǒng)模塊功能

2.1 前置探測器監(jiān)測模塊

前置探測器主要分為固定式部分、便攜式部分和機動式部分。固定式部分也就是安裝在各種核材料操作場所中的固定監(jiān)測報警設(shè)備，重點對空間環(huán)境劑量率、放射性氣溶膠濃度等參數(shù)進行常態(tài)化監(jiān)測，事故發(fā)生后及時預(yù)警并向上級報告情況，由上級指揮有關(guān)人員手持便攜式α/β 表面污染監(jiān)測儀、γ/中子劑量儀等探測器進一步進行監(jiān)測確認。機動式部分主要包括搭載核輻射探測器的監(jiān)測車、無人機、飛艇、浮空平臺等。圖3 為不同樣式的前置探測器。

圖3 不同樣式的前置探測器

前置探測器總體采用通用接口模組方式，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠按照需要自動采集并保存至存儲單元，并可通過遠程WIFI、ZIGBEE、LORA、GPRS、北斗等多種通信方式，傳輸給核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)后臺，從而有效解決傳統(tǒng)的有線布纜破斷或調(diào)制解調(diào)器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法及時上傳等問題。此外，本模塊設(shè)計中綜合采用了多種探測樣式，實現(xiàn)了核事故立體層面信息的感知和獲取，大大提高了探測的廣度和范圍[3-5]。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

核事故現(xiàn)場不同類型探測器產(chǎn)生放射性測量數(shù)據(jù)的渠道各異、數(shù)據(jù)定義缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致獲得數(shù)據(jù)的內(nèi)涵不一致。此外，還可能由于傳輸渠道異常、通信中斷、信號干擾等情況，導(dǎo)致一部分數(shù)據(jù)缺失、誤報或者出現(xiàn)奇點等現(xiàn)象。為此，必須采取技術(shù)處理措施提高原始數(shù)據(jù)完整性、真實性和格式統(tǒng)一性。

監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的主要作用就是對前置探測器采集的多樣化數(shù)據(jù)進行邏輯性分析，通過填寫缺失的值、光滑噪聲數(shù)據(jù)、識別或刪除離群點并解決不一致性來清除無效數(shù)據(jù)，將不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)通過離群點檢測算法、聚類算法等轉(zhuǎn)換為規(guī)則數(shù)據(jù)的處理，并對不同格式類型進行同化和標(biāo)準(zhǔn)化，以有利于后續(xù)系統(tǒng)的運算分析[6]。

2.3 源項預(yù)置反演模塊

核事故源項是科學(xué)開展核應(yīng)急態(tài)勢分析的前提和基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到整個處置行動的有效性，所有放射性大氣輸運擴散模型的輸入?yún)?shù)全部依賴于此。目前，源項預(yù)置反演模塊的主要功能大致可以分為2 種方式。

第1 種方式為預(yù)置源項參數(shù)，主要是在平時使用立體態(tài)勢感知系統(tǒng)進行訓(xùn)練推演過程中采用，此時沒有核事故實際發(fā)生環(huán)境，主要結(jié)合部隊核材料嚴重泄漏擴散事故的場景特征，采用理論分析、數(shù)值仿真、模擬試驗等手段，獲取放射性顆粒物事故初始時刻的粒徑分布、空間尺度、釋放量、化合價態(tài)等數(shù)據(jù)，作為后續(xù)污染態(tài)勢模型分析的輸入條件。

第2 種方式為實測數(shù)據(jù)反演，主要運用于核事故實際發(fā)生后的早期階段，利用不同位置坐標(biāo)點獲取的一部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合采用蒙特卡羅方法、離散縱標(biāo)法、點核積分方法等，逆向反推構(gòu)設(shè)出初始源項參數(shù)，從而為污染物擴散提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件。在計算過程中，還可根據(jù)不斷補充的實測數(shù)據(jù)持續(xù)進行修正優(yōu)化，提高態(tài)勢分析結(jié)果的精度。

2.4 污染態(tài)勢評估模塊

針對核事故發(fā)生區(qū)域的主要特點，設(shè)計開發(fā)了適用于不同環(huán)境條件的放射性污染態(tài)勢評估模式。例如，對于平原、巖地、戈壁等地勢相對開闊區(qū)域，考慮到大氣環(huán)境相對穩(wěn)定、地形平坦分布均勻，選用放射性擴散系數(shù)K 為常數(shù)的正態(tài)分布高斯擴散算法，快速估計事故規(guī)模和污染濃度，能夠反映出在某一點位放射性濃度伴隨擴散時間呈現(xiàn)的動態(tài)變化。對于山區(qū)、峽谷等窄長區(qū)域，放射性擴散運動受局地湍流影響較大，主要考慮選擇拉格朗日粒子隨機算法，采用大量Monte Carlo 抽樣質(zhì)點的隨機擴散方法來模擬大氣擴散，粒子模型跟蹤每個質(zhì)點的運動軌跡，通過這些質(zhì)點在空間和時間上的總體分布模擬污染物分布的情況與趨勢[7]。

2.5 決策優(yōu)化生成模塊

決策優(yōu)化生成模塊功能作用針對核事故覆蓋影響區(qū)域內(nèi)的公眾群體和應(yīng)急人員，按照各自對應(yīng)的劑量干預(yù)水平和現(xiàn)場相關(guān)信息，分析判斷應(yīng)采取的行動建議。對于公眾而言，主要提供包括撤離、避遷、飲食控制、去污等方面的方案以及這些方案的組合，輔助群眾做好自我防護和安全保護。對于應(yīng)急人員，重點開展應(yīng)急人員調(diào)配、應(yīng)急行動路線規(guī)劃等評估分析，形成應(yīng)急人員行動過程的輔助決策建議。

2.6 三維可視化顯示模塊

三維可視化顯示模塊基于開放圖形庫OPENGL 技術(shù)集成開發(fā)，綜合配置管理、渲染引擎等功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)核事故放射性污染物擴散過程三維動態(tài)可視化展示。該模塊能夠驅(qū)動不同實體的位置、姿態(tài)、狀態(tài)、特效的變化，完成地圖數(shù)據(jù)、三維模型映射、特效插件和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口等配置工作，渲染引擎主要完成場景的實時渲染。為了滿足核事故場景多通道顯示的需求，三維可視化模塊可以利用多通道顯示擴展模塊實現(xiàn)多臺計算機共同完成同一場景的渲染，生成多通道三維顯示畫面。通過相關(guān)參數(shù)配置，就可實現(xiàn)橫向、縱向以及任意多通道組合模式。在多通道顯示模式下，三維可視化模塊能夠生成更大尺寸、更多內(nèi)容、更具沉浸感的可視化場景。

3 核應(yīng)急態(tài)勢感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

核事故發(fā)生后，相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)將快速產(chǎn)生放射性煙云，煙云在氣象條件作用下朝下風(fēng)向擴散形成明顯沾染帶。核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)運行過程主要是在明確釋放源項特征的條件下，根據(jù)大氣擴散的基本理論采用適當(dāng)?shù)臄U散模型進行污染危害影響分析，提供科學(xué)合理的輔助決策。綜上所述，核事故源項的有效識別、污染物形成與擴散探尋、污染態(tài)勢信息的可視化展示、應(yīng)急處置行動決策優(yōu)化便成為本系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 核事故源項確立和識別

國外對源項技術(shù)開展了一些探索并取得了一定成果。例如，美國曾多次開展钚材料在不同爆轟高溫條件下的源項擴散實驗，其中最為有名的就是“過山車行動”（operation roller coaster，ORC）系列實驗，借此獲得了氣溶膠源項參數(shù)。在源項反演方面，最為主要的研究成果大致包括基于概率統(tǒng)計理論方法和基于最優(yōu)化理論方法。本文結(jié)合核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的使用特點，有針對性地建立了源項有效獲取的2 種模式。

1）確定性源項模式。應(yīng)用有限元仿真軟件對核事故過程進行力學(xué)動態(tài)模擬，確定核材料能量響應(yīng)過程并據(jù)此設(shè)計等效縮比仿真實驗，通過建立一整套采樣取樣、制樣測量和化驗分析方法，獲取了污染物粒徑分布、空間尺度等一系列源項特征參數(shù)。該類源項主要在系統(tǒng)平時訓(xùn)練過程中使用。

2）非確定性源項模式。當(dāng)核事故發(fā)生時，在下風(fēng)向區(qū)域釋放多個前置探測器，確保獲取到相對充分的有效環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象地理環(huán)境信息確定放射性污染物擴散的模擬數(shù)值與前置實際探測的數(shù)據(jù)的最優(yōu)匹配，從而將源項轉(zhuǎn)化為一個多參數(shù)的目標(biāo)無約束優(yōu)化問題。對待求參數(shù)θ=(Q0，x0，y0，z0)，以污染物擴散的模擬數(shù)值與探測數(shù)據(jù)的誤差作為目標(biāo)函數(shù)，即

則該優(yōu)化問題可以表達為

式中： Θ為所有可行解構(gòu)成的解空間，θ為任一可行解，J（θ）為目標(biāo)函數(shù)，Q0為需要求出的核事故源項強度，X0= (x0，y0，z0)為需要求出的核事故源的位置，X為監(jiān)測坐標(biāo)(x，y，z)，Ccal(X，t) |θ為當(dāng)源參數(shù)取值為θ得到的時刻t在位置 (x，y，z)處計算數(shù)值，Cobs(X，t) 為時刻t在位置(x，y，z)處探測數(shù)值。因此，核事故源項位置定位表達式為

式中：T為監(jiān)測次數(shù)，N為監(jiān)測點數(shù)量。對前置探測器中N個監(jiān)測點獲取的數(shù)據(jù)進行建模，對不同位置監(jiān)測點不同時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計算數(shù)據(jù)進行比較，確定最佳匹配情況。為此，核事故源項位置的定位問題變成了在解空間θ尋找一個讓目標(biāo)函數(shù)最小的解向量J(θopt)[8]。

3.2 核事故污染形成與擴散探尋

污染擴散研究對于科學(xué)判斷放射性物質(zhì)的擴散運動軌跡、影響覆蓋范圍具有極其重要的意義。針對部隊開闊空間核事故，雖然確立了基于正態(tài)分布的高斯擴散算法，但要區(qū)分有風(fēng)點源擴散模式、小風(fēng)和靜風(fēng)點源擴散模式，對于擴散系數(shù)等參數(shù)仍然需要通過科學(xué)化分析判斷確定。同樣，復(fù)雜地形環(huán)境下影響核事故污染擴散的有關(guān)因素和制約條件，也必須通過大量理論和試驗手段予以分析掌握[9]。

通過設(shè)置貼近部隊核事故特征的環(huán)境條件，運用流體動力學(xué)方法模擬了放射性煙云初始形成的基本過程，并總結(jié)得到規(guī)律性結(jié)論。事故發(fā)生后短時間內(nèi)，煙云形態(tài)最初為近似橢球的煙團，在中反向水平密度梯度變化下產(chǎn)生快速、反旋轉(zhuǎn)、條束狀的渦環(huán)，渦環(huán)圍繞其渦核由內(nèi)向外翻卷，渦環(huán)直徑逐漸變大并且較為穩(wěn)定上升；由于煙云空間密度的不一致性，導(dǎo)致擴散上升速度不一，氣團下部形成煙柱，在水平風(fēng)作用下煙團頂部形態(tài)發(fā)生了不對稱變化，煙云在一定時間后趨于穩(wěn)定。

在煙云運動數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計并開展了野外不同風(fēng)場、不同地形條件下的煙云擴散循跡實驗。通過測量分析，煙云尺寸隨時間變化規(guī)律與模擬仿真分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性和變化規(guī)律基本一致，理論計算曲線結(jié)果比實驗測量值略高，考慮到煙云存在分層拋灑和局部反應(yīng)現(xiàn)象，并存在近地面不同高度風(fēng)場干擾，不可避免地存在一定誤差。根據(jù)煙云形態(tài)測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過函數(shù)擬合換算得到了不同環(huán)境條件下煙云運動的基本規(guī)律，為后續(xù)擴散模型修正與開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)[10]。圖4 為野外煙云擴散運動實景。

圖4 野外煙云擴散運動實景

3.3 污染態(tài)勢信息的可視化展示

根據(jù)核事故源項、污染擴散等研究成果，基于OPENGL 技術(shù)集成開發(fā)了污染態(tài)勢信息可視化展示功能，實現(xiàn)海量級粒子濃度場仿真計算以及污染物擴散過程三維動態(tài)可視化展示，定量給出氣溶膠空間梯度變化及人員受照劑量，同時還能展示地形變化、風(fēng)場的變化以及濃度的分布狀態(tài)。圖5 為污染態(tài)勢三維可視化的實現(xiàn)過程[11]。

圖5 污染態(tài)勢三維可視化的實現(xiàn)過程

在模塊設(shè)計過程中，為了逼真模擬粒子運動過程及與環(huán)境條件的動態(tài)耦合，充分融合了地理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和粒子擴散數(shù)據(jù)，在統(tǒng)籌考慮地面高程對風(fēng)場影響情況下，細化了氣象預(yù)報數(shù)據(jù)的網(wǎng)格精度，更加精確地展示了風(fēng)場、粒子等遷移擴散過程和污染物分布。對于大規(guī)模影像和地形數(shù)據(jù)，采用基于影像數(shù)據(jù)的多細節(jié)層次存儲方式進行處理；對于氣象的三維可視化，原始數(shù)據(jù)通常分布在等間距的經(jīng)緯線網(wǎng)格和不同距離的高度網(wǎng)格上，采用局部直角坐標(biāo)和球坐標(biāo)相互綜合的方法，完成氣象等值線、等值面、體繪制和切面繪制；對于粒子擴散和態(tài)勢評估數(shù)據(jù)，設(shè)置獨立模塊和接口，實現(xiàn)粒子輸出時間序列、濃度劑量輸出時間序列等同步展示問題。圖6 為風(fēng)場數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)運動可視化展示。

圖6 風(fēng)場數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)運動可視化展示

3.4 應(yīng)急處置行動智能決策

行動決策在整個應(yīng)急處置過程中起著極其重要的作用，需要考慮的綜合因素較多。這種工作是在多個互相關(guān)聯(lián)且交叉制約的因素下進行的，核應(yīng)急必須將事故危害降至最低（如可避免劑量最大、集體劑量最?。?，同時采取措施的代價盡可能小。對于部隊?wèi)?yīng)急行動指揮人員，必須對核事故引起的放射性后果、帶來的負面影響以及處置行動時效性和合理性作出統(tǒng)籌權(quán)衡，以確定最佳建議方案[12]。

本系統(tǒng)結(jié)合放射性污染態(tài)勢評估結(jié)果，根據(jù)核事故現(xiàn)場行動信息開展應(yīng)急行動力量調(diào)配、應(yīng)急行動路徑規(guī)劃，形成應(yīng)急人員行動規(guī)劃輔助建議。例如，調(diào)遣人員快速抵近核事故現(xiàn)場前，首先按照應(yīng)急行動預(yù)案中多種行動路線，確定路徑上每個節(jié)點在評價區(qū)域中的網(wǎng)格位置，綜合分析路徑、速度、滯留時間等信息；其次，以核污染態(tài)勢分布為輸入，估算應(yīng)急人員在各任務(wù)段上的預(yù)期劑量或集體劑量；最后，根據(jù)不同行動路線的劑量結(jié)果，綜合劑量值、抵達時間、交通條件等要素進行合理化排序，確定最佳行動路線方案[13-15]。圖7 為應(yīng)急行動路徑規(guī)劃流程。

圖7 應(yīng)急行動路徑規(guī)劃流程

此外，結(jié)合輻射偵測、污染封控等具體情況，從核應(yīng)急資源數(shù)據(jù)中調(diào)取應(yīng)急裝備、物資器材的屬性參數(shù)，開展行動作業(yè)能力計算。根據(jù)放射性擴散面積和重點區(qū)域受污染情況等，評估污染壓制等不同應(yīng)急行動的作業(yè)能力、重點作業(yè)區(qū)域、預(yù)警限值等，形成應(yīng)急行動輔助決策建議。

4 應(yīng)用實例與效果評估

對于使用者而言，最為直觀的是通過設(shè)計一個核事故案例來推演展示系統(tǒng)的功能實現(xiàn)過程，從而驗證其實用性和有效性。以核材料意外爆炸為例，核事故產(chǎn)生大量放射性物質(zhì)快速擴散，在下風(fēng)向區(qū)域形成較大覆蓋區(qū)域的輻射沾染帶，在迅速開展應(yīng)急滅火、搶救傷員、道路警戒等行動的同時，向上級指揮機構(gòu)求援啟動核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)。

4.1 核事故信息接收與展示

本系統(tǒng)進入應(yīng)急模式，根據(jù)現(xiàn)場上報信息調(diào)取事故區(qū)域周邊地形地貌、交通狀況、力量部署等基礎(chǔ)信息，并通過固定式、便攜式和機動式前置探測器的遠程通信方式獲取現(xiàn)場氣象、核輻射監(jiān)測等大量數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對采集數(shù)據(jù)進行邏輯性分析、篩選處理和存儲調(diào)用。

4.2 放射性污染態(tài)勢分析研判

根據(jù)核事故現(xiàn)場地形特點選擇對應(yīng)的大氣擴散模式，調(diào)用預(yù)置的源項參數(shù)進行早期污染態(tài)勢評估，給出短時間內(nèi)的放射性擴散情況。同時，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)進行源項反演以修正態(tài)勢結(jié)果，通過不同顏色的比色卡呈現(xiàn)出重度、中度、輕度污染區(qū)大致范圍，并得到核事故后下風(fēng)方向的放射性危害程度以及不同人員受到的輻射劑量值。

4.3 應(yīng)急處置行動輔助決策

在掌握不同時刻核事故污染態(tài)勢分布后，本系統(tǒng)結(jié)合核事故現(xiàn)場具體情況進行智能化綜合研判，開展應(yīng)急行動路線規(guī)劃等工作，科學(xué)化給出應(yīng)急力量協(xié)同作業(yè)順序、方法、要求和有關(guān)建議，并最終形成輔助決策報告以指導(dǎo)開展后續(xù)處置行動。

5 結(jié)論

本文結(jié)合核事故源項分析、大氣擴散、劑量評價、行動決策的有關(guān)研究實踐工作，介紹了一種專用核事故立體態(tài)勢感知系統(tǒng)的主要架構(gòu)、模塊組成與功能以及開發(fā)過程中涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，并以核材料意外爆炸核事故為案例，結(jié)合應(yīng)急處置流程展示了系統(tǒng)工作的大致過程，從而說明了該系統(tǒng)能夠為重大核事故的危害感知預(yù)測以及科學(xué)開展核應(yīng)急處置行動提供重要支持。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計方法和技術(shù)途徑，可為類似系統(tǒng)的構(gòu)建提供有益的借鑒和參考。后續(xù)將結(jié)合使用和意見建議反饋情況，持續(xù)完善和固化相關(guān)技術(shù)成果。