基于自组网技术的涉核环境人员安全系统研究

2020-08-01殷琪张宇星张安锐张弦王坤徐世超牛昊轩董岱林

机械工程师 2020年7期

殷琪，张宇星，张安锐，张弦，王坤，徐世超，牛昊轩，董岱林

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都610213；2.哈尔滨希塔科技有限公司，哈尔滨150000）

0 引言

在核电站换料检修期间，有大量的人员执行操作和检修试验活动，然而由于环境复杂，不可避免地存在人员安全风险和隐患。因此为了能实时掌握所有人员的安全状态，需要建立一个实时传输所有现场人员身体和所处环境情况的网络系统，以便于后端指挥人员及时发现前端存在的问题并执行正确的决策。

目前在煤矿井下作业、火灾现场应急处理及军事领域等特殊领域已经在应用分布式的无线自组网技术，建立人员或者设备的实时在线监测联网系统。

本文简要介绍了无线自组网通信技术，并将该技术与核电站换料检修等应用场合相结合，开展了涉核环境人员安全系统的探析研究。

1 自组网技术

1.1 技术概述

无线自组网是一个具备临时性自治功能的系统，主要由多个附带无线收发装置的移动终端组成，又被简称为“Ad Hoc网络”。在无线自组网系统中，每个用户终端可以在一定范围内自由移动，并且每个移动终端都具备路由器和主机的功能。在实际使用时，每个用户终端可以随机或者特定地部署在目标环境中，各个用户终端间通过预先设定好的协议自组织起来，从而获取环境信息并且相互协同完成特定任务。

1.2 技术特点

无线自组网技术与传统通信技术的显著不同点在于其不依赖于固定设施，因此可以在绝大多数地方展开并构成临时性的独立网络系统，其主要技术优势有：1）自组织。各个移动终端地位平等，任意一个终端的加入和离开都不会影响整个网络系统的运行，抗干扰能力强。2）动态拓扑结构。自组网技术可实时监测通信质量和各终端状态，并快速地调整由于终端位置的不断变化、无线信道间的相互干扰、地形的复杂多变、终端的临时开闭等因素导致的网络拓扑结构变化。3）分布式控制。各个终端均具备独立路由和中心控制功能, 分布式的控制方式使整个系统具有很强的鲁棒性和抗毁性，解决了单一中心控制损毁而导致的整个系统瘫痪的问题。

然而，无线自组网技术与我们常见的诸多无线设备一样，还存在一定技术瓶颈，相对于有线通信，其主要技术劣势有：1）能源受限。各个移动终端的能源供应均来源于电池，受制于目前电池技术的发展，持续使用时间不长，尤其是自组网系统中作为主机的终端，因此需考虑节省能源。2）带宽有限。相比于有线信道，无线信道的带宽要低得多，并且由于无线信道衰减、相互间干扰等因素存在,使得终端实际带宽远小于理论最大带宽值，容易造成网络堵塞。3）安全性较差。无线信道相比于有线通信，由于缺乏物理防护，容易被入侵、伪造、窃听等各种网络攻击，导致信息传输存在泄漏和恶意篡改等风险，需要对信息做加密技术处理，完善保密机制。

2 安全系统设计探析

2.1 涉核环境特点

1）屏蔽环境。涉核场所为了防止核辐射外放，设置了诸多的辐射屏蔽物，例如混凝土层、铅层等，因此常规的信号通信技术应用局限性很大。

2）人员分散，并行操作。换料检修时往往需要人员分散到多个位置，并行操作，若是想将安全管理精确到每一个人，常规的现场人员安全管理方法具备很大的实施难度。

3）辐射危险。核辐射是无影无形的，操作人员可能会误入较强的辐射区域，常规的辐射标识物提示方法存在管理漏洞，管理人员也无法掌握每个人的运动轨迹。

4）高操作安全性。为了保证核安全，涉核操作需要很高的操作安全性，任何微小的操作失误都可能导致严重的事故发生，因此对于操作者的自身状态要求较高，而目前采用的管理办法为旁边设置专人通过目视管理，但这样只能关注到操作情况，无法了解操作者的状态，存在事故发生的隐患。

2.2 系统组成设计

该人员安全系统主要由移动用户终端、移动式信号中继站、现场控制中心、远程指挥终端构成。一线施工人员佩戴移动终端进入目标应用区域，对施工人员自身状态和所处环境情况进行数据采集，并以自组网的形式组成子系统，安全系统会自动识别出与信号中继站通信质量最佳的移动终端，并且指示信号中继站移动至最佳位置，从而保证信号传输质量。然后信号中继站将信号发送到现场控制中心，便于控制中心调度人员实时监控现场信息，及时做出正确的决策。若是有需要，还可以通过互联网或卫星的方式将现场数据发送到远程指挥终端。该系统中所有的通信是双向的，既可以自下而上，也可以自上而下，保证了施工作业的后端控制与现场反馈形成闭环，为施工人员的安全提供了坚实的技术保护盾。

2.3 关键技术研究

在复杂的涉核环境中，由于存在信号屏蔽，通信路线基本不可能实现露天空旷环境下的直线传输，需要系统自动识别出最佳的多点传输路径，因此网络通信技术是该人员安全系统最为关键的环节。

目前，主要的物联网无线通信技术包括LoRa、SigFox、NB-IoT、ZigBee、6LoWPAN、Wireless HART、WIFI和BLE等。不同的物联网技术，其适用场景不同。LoRa、SigFox和NB-IoT技术比较适合于传输距离远、低功耗、数据速率低、传输数据量少的应用场景（如智能抄表、智能物流）。LoRa和SigFox数据速率很低，NB-IoT成本相对较高。ZigBee、6LoWPAN这类比较适合于传输速率要求相对较高、距离短、需要双向准实时通信的场景。ZigBee和6LoWPAN都是无线多跳自组网技术，数据速率较低，通常采用异步通信。异步通信网络由于冲突、干扰、重传等导致信道利用率低。Wireless HART基于TDMA设计，实现复杂，实时性高，常用于工业控制，其部署成本相对较高。WI-FI和BLE比较适合于数据传输速率要求高、距离短的应用场景，如WI-FI适用于远程视频监控，BLE用于手环。目前主要的无线技术和高可靠时间同步技术（HRTS）对比如表1所示。

表1 主要无线技术和高可靠时间同步技术（HRTS）对比

我们的人员安全系统需要在屏蔽环境内自组网形成局域管理网络，同时需要较强的稳定性及独立运行能力，因此NB-IoT完全不能满足应用环境。为了保障作业人员生命安全，在核环境里，需要布置各种环境监测传感器（辐射监测、空气质量监测、温湿度监测等），人员需要佩戴生命体征（心跳、血氧、血压等）传感器和定位装置，定位系统用于监测人员活动范围、人员搜救、突发情况报警等。

经过调研发现，基于TDMA思想可实现基于高可靠时间同步技术（HRTS）工作在SUB-GHZ频段的自主基站组网方案。该技术方案可支持信息采集、人员定位、网络管理、双向实时通信。相比于异步网络设计，虽然HRTS同步网络设计复杂度相对较高，但是HRTS信道利用率高、网络可靠性高、时延较低并且有保障。同时HRTS数据速率相对较高，能够支持更多的终端设备。并且HRTS工作在Sub-GHz频段，相比于2.4 GHz，Sub-GHz干扰很少，传输距离远，穿透能力强。由于HRTS传输距离远、穿透能力强，相比于2.4 GHz无线技术，中央基站能够覆盖的小基站数量多，只需要少量的中央基站就可以实现对整个封闭核作业环境的全覆盖。并且在市场上已经有过类似的技术应用案例，比如哈尔滨希塔科技有限公司已将该技术运用于监狱人员状态监测、大型管道检修人员定位及环境采集等复杂封闭环境，因此基于高可靠时间同步技术（HRTS）工作在SUB-GHZ频段的自主基站组网方案应用于有核环境下人员安全保障的技术成熟度较高，具备很强的应用前景。

3 安全系统应用探析

3.1 人员定位

该人员安全系统非常重要的一个功能便是提供现场每一个佩戴了移动终端人员的定位信息，便于现场控制中心调度人员能实时掌握每个人的活动轨迹，及时提醒接近危险区域的人员，在发生事故后也能及时救援。

3.2 人员生命体征监测

移动终端搭载有生命体征传感器，可以实时监测佩戴人员的身体状态，比如心率、血氧、血压、体温、脉搏等关键身体机能指标，让施工人员自己和控制中心人员都能实时了解，降低了人员安全事故的概率。

3.3 环境数据采集

移动终端搭载有环境监测传感器，可以实时采集佩戴人员的所处环境数据，比如温度、湿度、辐射、有毒气体含量、氢氧含量等关键环境数据，让施工人员自己和控制中心人员都能实时了解，降低了人员安全事故的概率。

3.4 系统状态反馈

定时自动检测人员安全系统的运行状态，并在网络、硬件等出现故障时向控制中心反馈，便于系统维护人员及时进行系统和数据的维护。

3.5 应急事故处置

在核环境下，一旦发生预料之外的事故，可能会导致一线施工人员与后端控制人员失去联系，也就是信号中继站与移动用户终端通信中断，在这种情况下，一定范围内的施工人员所佩戴的移动终端可自行形成一个闭环系统，相互间可以交流并且了解彼此的身体和环境状态，同时所有的关键数据将被存储，当救援通道打开时，可以更加快捷有序地撤离事故现场，并且存储的信息也能为后续的事故研究提供数据支持。