乏燃料铁路运输安全监控系统研究

李思颖，车德慧，杨露萍，杨文韬，张 辉

（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

乏燃料是指在核反应堆内辐照达到计划的卸料比燃耗后，从反应堆内卸出的不再使用的核燃料。由于其仍具有多种工业、材料上的用途，需要运送至后处理厂进一步分离处理[1]，提取有用物质。“十三五”期间，我国乏燃料的运输量急剧增加，核电站所需外运乏燃料为“十二五”的5倍多[2]，现阶段单一的公路运输方式已经不能满足乏燃料的外运需求，有必要研究铁路运输的可行性。乏燃料运输具有较大的风险。因其含有大量未用完的铀、钍、裂变产物(FP)和锕系核素(AC)，放射性强，毒性大[3]，一旦泄漏，对环境、人类、生态都将产生极大的辐射危害，还会带来严重的负面公众舆论效应；乏燃料中的β衰变会释放大量热能。因此，根据乏燃料自身特性，为控制乏燃料铁路运输风险，保障乏燃料铁路运输安全，构建乏燃料铁路运输安全监控系统，对乏燃料货包的表面辐射水平、温度变化及铁路车辆运行状况和运行轨迹等方面进行全程监控，以实现综合管理和风险控制。

1 乏燃料铁路运输安全监控系统总体设计

借助先进检测技术及物联网等信息化手段，对铁路运输过程中乏燃料货包的辐射剂量、温度、加速度的变化[4-6]，以及铁路车辆运行状况和运行轨迹进行全程监控，为托运人、收货人、铁路运输企业和国家相关管理部门提供在途运输的实时状态信息，及时发现异常状况，科学处置突发情况。

1.1 系统框架

乏燃料铁路运输安全监控系统由货包数据采集前端、列车汇集终端、托运人随车监控中心系统、管理部门4个部分组成。乏燃料铁路运输安全监控系统框架如图1所示。

（1）货包数据采集前端主要通过安装在货包上的探头和传感器采集货包的温度、辐射剂量、加速度等监测数据，同时结合GPS和我国的北斗导航定位系统获取每个车辆的定位信息。

（2）列车汇集终端是对前端采集到的乏燃料货包和车辆监测数据进行整合及传输，并设置相应阈值，实现预报警功能。

（3）托运人随车监控中心系统则在操作平台上显示了货包实时监控、车辆实时状态监控、报警管理、用户管理、监测装置安装管理、应急救援管理、参数设置等功能模块，方便随车人员全面了解货包及车辆信息，可以及时进行操作或处理。

（4）管理部门包括铁路内部系统、托运人内部系统、途径省市相关部门、国家核安全机构。这些管理部门通过连接系统所预留的接口，获取乏燃料铁路运输实时信息，对安全问题进行监管。各管理部门之间进行协调沟通，进一步保障运输过程的安全。

1.2 工作流程

系统的工作流程总体可分为运输启动、运输途中、运输结束3个步骤。

（1）运输启动。装车后，随车监控人员将监测采集设备电源开启，进行调试，测试设备是否可以正常运行，并对车辆信息进行核对，对乏燃料铁路货包状态进行判断。若满足运输条件，则允许列车汇集终端的RFID无线射频识别装备为本次运输分配唯一的ID号进行标识。列车汇集终端实时读取货包及车辆电子标签信息并将其发送至托运人随车监控中心系统，每一个货包及车辆都有唯一的标签号。无异常情况，则开始本次运输。

图1 乏燃料铁路运输安全监控系统框架图Fig.1 Framework of the spent fuel transportation safety monitoring system

（2）运输途中。启运后，货包数据采集前端开始通过传感器、GPS、北斗定位系统实时采集乏燃料铁路货包及车辆的相关状态，并通过蓝牙和LORA无线传感网按照一定的通信协议规则和发送策略，将组包后的监测数据发送至列车汇集终端的通信服务器上。列车汇集终端将接收到的监测信息整合，采用AES加密后，通过GPRS无线数据传输网络发送至托运人随车监控中心系统。若发生紧急情况，列车汇集终端可将报警信息发送至托运人随车监控中心系统，通过语音播报及液晶屏显示提醒运输人员。托运人随车监控中心系统接受到监测数据后，将数据用AES进行解密，存储后通过广域网上传至用户端显示界面，供托运人进行实时的操作、管理。铁路、国家、途径省市等相关管理部门还可接入托运人随车监控中心系统，了解乏燃料铁路运输途中的货包车辆状态，与随车托运人远程联络，进行监管。经过途中站点若需卸载一定量的货物，卸货信息应记录在托运人随车监控中心系统中。每经过中间站，都应及时检查电源电量及设备状态。

（3）运输结束。达到运输终点后，托运人员确认货包状态无异常后，进行卸货操作。完成卸货后，关闭监测设备，运输全过程将被记录在托运人随车监控中心系统的数据库中，以备后续查询、分析研究。

2 乏燃料铁路运输安全监控系统模块设计

2.1 货包数据采集前端

货包数据采集前端为高度集成的小型设备，主要实现在运输过程中对每个货包的表面温度、辐射量(中子、γ剂量率)、加速度等参数的监测，并将监测数据打包传输至列车汇集终端。设备内置电源，可独立工作。温度、中子、γ探头单独安置在货包支架上，提前将防辐照线缆布置在支架的钢管中，打开模块电源，当系统正常工作后，进入低功耗模式。货包数据采集前端包括辐射智能探头、无线非接触温度传感器、三轴压电式加速度传感器、电源、卫星定位等模块。

（1）辐射智能探头。实现长期稳定的现场γ辐射剂量和中子辐射剂量的监测，并能够实时进行远程传输。辐射智能探头技术指标如表1所示。

表1 辐射智能探头技术指标Tab.1 Technical specifications of radiation smart probe

（2）无线非接触温度传感器。乏燃料货包的无线非接触温度传感器采用H-RA/B系列温度探头，主要由红外光学镜头、滤光片光纤传导、传感器和电信号处理单元等组成，能够探测来自乏燃料货包的红外辐射，并根据其辐射强度确定目标的温度，适合于长距离、较强干扰的铁路运输环境。探头采用不锈钢外壳，在安装及运输过程中具备良好的防护能力。其主要的技术参数如下。①测量距离：0.2 ～ 10 m。②响应时间：10 ～ 150 ms。③工作温度：0 ～ 60℃。④存储温度：-20 ～ 80℃。⑤响应波长：1μm/1.6μm/2.2μm/2.6μm/3.9μm/8 ～ 14μm。无线非接触温度传感器组成原理如图2所示

图2 无线非接触温度传感器组成原理Fig.2 Structure of non-contact temperature sensor

（3）三轴压电式加速度传感器。振动检测选用三轴压电式加速度传感器芯片。三轴压电式加速度传感器的功能是将机械振动转换成电信号，当它感受到振动信号时，输出端产生一个与振动加速度成正比的电荷量。其具有体积小、质量轻、频带宽、可靠性高以及动态范围大等优势，三角剪切形式可以大大降低对各种环境影响(如温度变化)的灵敏度。三轴压电式加速度传感器可配接电荷放大器，为使用方便，还有与之配套的磁座、探针及导线。其主要技术参数如下。①测试范围：±2 g，4 g，8 g。②灵敏度：1 ～ 4 LSB/g。③工作温度：-30 ～ 75 ℃。④工作电压：1.6 ～ 3.5 V。⑤带宽：6.24 ～ 400.00 Hz。

（4）电源模块。货包数据采集前端采用电池供电，配置容量为20 Ah的可充电式锂电池，并设有电池更换口，以便及时更换。可根据实时运输状态发送指令来调整传输数据频率，从而在非必要时刻降低功耗，延长电池使用时间。每次中途换装后，应及时对电池进行查验，若电量低于一定值，则需要充电或更换电池。

（5）卫星定位模块。卫星定位模块用来获取车辆实时状态信息，具体内容包括车辆的实时位置(经度、纬度及海拔高度)、速度、行驶方向和停留时间。定位信息的获取使用北斗卫星和GPS组合定位，将每次采集到的相关定位信息回传至接受系统，通过坐标变换、动态纠偏算法和地图投影，并针对交叉或临近铁路线路纠偏错误点进行剔除或修正，进而转换成GIS地图中的铁路位置信息[7]，提高定位的实时性及精确度。

（6）其他模块。其他模块包括近场通讯模块，其通过蓝牙和LORA无线通信将采集到的货包信息、车辆位置信息传送至主控MCU。计时模块将监测到的数据进行时间上的对应，存储模块则是对所有的采集信息进行储存。

2.2 列车汇集终端

列车汇集终端主要由GPRS通信模块，无线通信服务器及主控CPU组成。无线通信服务器将各个货包和车辆的监测信息汇集后，做一定的缓存。利用编码标识技术和射频识别(RFID)技术，即通过编码和乏燃料货包数据采集前端实体设备之间建立一一映射关系，RFID读写器能自动识别RFID标签信息，标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流发送出芯片中存储的数据信息。将信息解读后，加上时间戳，进行打包。此技术利用射频信号、空间耦合、传输特性等实现对每个货包的自动识别[8]，具有识别速度快、数据容量大、标签数据可动态更改等优点[9]。

采用128位的AES对称加密算法加密监控数据，AES加密过程包含4个操作步骤，分别为字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，加密轮数为10轮，解密过程是对应的逆操作，可得到超过50 Mb/s的吞吐率。利用非对称加密算法RES管理AES的密钥，通过结合对称加密算法和非对称加密算法的优势，能够更快更安全的对监测数据进行加密处理。

由于每个货包车辆上都有SIM卡，因而打包处理好的货包监测信息可通过GPRS发送到托运人随车监控中心系统。列车汇集终端，实现了货包监测信息的整合和远程信号预警。

2.3 托运人随车监控中心系统

托运人随车监控中心系统是个结合处理器、通信服务器、显示器、键盘、电池等的便携式抗震计算机。通信服务器根据约定好的协议将列车汇集终端传输的数据包接收，处理器用AES算法进行解密处理，判断分析是否发生异常，存储进数据库，并通过液晶屏显示器显示，以便押运人能方便监控及处理。在途乏燃料铁路运输用户端Web界面，主要有以下功能。

（1）货包状态实时监控。实时监控记录货包辐射剂量、温度、加速度等变化，以及货包数据采集设备的电池电量，判断货包的安全状态。监测的货包实时数据通过车载设备可以自动生成《乏燃料铁路货包运行记录》。

（2）铁路车辆状态实时监控。包括车辆实时所处的经纬度、海拔高度、速度、行驶方向。通过车辆的位置可以确定车辆所在线路及站点，进而分析车辆停留时间，判断是否在站内超时保留。

（3）实时报警功能。当乏燃料铁路货包或铁路车辆状态发生异常时，如按照国际原子能机构《放射性物质安全运输规程》中规定，乏燃料货包容器的表面辐射剂量应小于2 mSv/h，货包表面温度上限值为85℃，超过上限值，系统发出警报，以便托运人及时消除隐患或进行救援，避免事故的发生。

（4）用户管理。分别为不同身份的用户提供不同权限的登陆显示界面，方便不同的管理者对乏燃料铁路运输情况进行查看及监控，保证系统的完整性和有效性。如后台编程开发人员则负责系统运行的维护，以防系统出现故障。托运人则进行车辆及货包信息的查阅及监控，并应对报警信息进行及时处理。

（5）监测装置安装管理。每个监测装置都匹配了相应的编码，托运人随车监控中心系统提供监测装置匹配关系查询、装置故障或报废等功能查询，方便及时安装和更换检修。

（6）应急救援管理。系统预留了与相关机构安全监控系统的接口，当乏燃料铁路货包或者车辆发生事故或异常时，提供应急预案查询、应急机构及人员查询等，并将事故或异常状态等信息发送至铁路相关部门，按《乏燃料铁路运输事故应急预案》启动预案予以施救。视情况而定是否需通知国家核应急相关单位，同时系统自动保存事故发生前后所有数据，以及事故处理过程中相关信息，供事后查看分析。

（7）参数设置。可进行各种监测的参数设置操作，包括报警阈值设置、纠偏阈值设置以及各种设施设备的参数设置等，并可以根据实际情况对参数进行调整。

3 结束语

乏燃料铁路运输的全过程应受到国家核安全部门、铁路内部系统、托运人内部系统及途经省市相关部门的监管。为确保乏燃料运输安全，及时处理运输过程中的情况和事故，有效组织应急与安保，研究设计乏燃料铁路运输安全监控系统。该系统集成核电子学与核监测、北斗卫星列车定位、物联网、无线传输等现代化技术，可实现乏燃料铁路运输监控的智能化，提高了运输的安全性和应急处置的及时性，为今后开展铁路乏燃料运输提供了保障，具有一定的市场与应用前景。今后，应进一步研究探索与现行铁路应急管理模式有效对接、与国家及沿途地方应急部门实现联动等问题。