无线通信应用于核安全级网络的初步分析

2021-06-04钟思洁蒲笑非赵梦薇王嘉瑞

科技视界 2021年12期

钟思洁单伟蒲笑非赵梦薇王嘉瑞

(核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610000)

随着无线通信技术在常规工业过程控制领域（例如，高铁等）的普及应用，其已被证明具有一定的可靠性和安全性。随着核动力装置仪控系统智能化、小型化、协同性的不断提升，在非安全级的核动力装置仪控系统中，无线通信技术会得到逐步的应用和推广。那么，一旦无线通信技术在非核安全领域得到成熟应用之后，未来其是否有可能被引入到核安全级仪控系统中值得研究。

1 国内外研究现状

目前，国际上无线通信技术在核工业领域的研究主要集中在无线传感器的应用。无线传感器可以很方便地采集，诸如温度，压力和湿度之类的数据，具备体积小、成本低等优点，但是无线传感器遵循IEEE 802.15.4标准，传输速率低，并且工作在公共频段，极易被其余信号干扰。报告[1]中分析目前新兴的和已采用的无线技术，介绍了工业应用相关的标准和法规。讨论了无线传感器网络应用于工业自动化应用的一些重要设计准则，最后以蒸汽锅炉为实例，介绍了蒸汽锅炉中温度和压力的无线监控的实现。文献[2]中提出利用无线传感器，针对旋转类设备的预测性维修的思路，可以实现通过无线传感器连续的远程监视关键过程条件。文献[3]中分析了目前无线传感器网络应用在核动力反应堆中所面临的挑战。针对在恶劣环境中射频传播问题，提出使用超宽带技术作为可行的解决方案，以及针对该超宽带技术的传感器的远程供电方案。文献[4]介绍了一种概念验证的原型智能工厂配置管理系统，该系统使用针对手动阀类型的无线组件位置传感器来帮助降低基于现场的组件位置验证活动的运营成本，并减少由于组件位置错误而引起的运营挑战。

除了无线传感器技术外，文献[5]从无线网络的安全性出发，介绍了有关无线网络安全和必要的安全控制的问题，最后根据核设施网络安全计划及其在无线系统中的应用提出了基本建议。

总体上来看，国际上对于无线通信技术本身的安全性、抗干扰性已有较为充分的研究，对无线传感器在核工业中的应用也给出了一些可行的解决方案，但关于无线通信技术应用于核安全级仪控系统的研究，目前尚处于起步探索阶段。

因此，有必要对从核安全级仪控系统的无线需求出发，结合目前无线通信的发展，开展无线通信技术应用在核安全级仪控系统的初步分析研究。

2 主要研究内容

随着核动力装置不断提高的数字化和网络化要求，仪控系统内部传输的信息量越来越大，传输速度越来越快，传统的硬接线通信方式已越来越难以满足设备智能化、小型化需求：电缆体积大，布线复杂，同时面临电缆老化的等风险。因此在保证核动力装置仪控系统可靠性和安全性的同时，亟待开发一种新的通信网络传输模式，譬如利用无线通信技术完成核安全级系统内外部的数据传输。

特别是反应堆保护系统这类核安全级的系统，对可靠性和安全性有极高的要求，而网络作为设备信息交换的手段，相当于设备的神经，它的安全性、可靠性对于设备能否正常执行其设计功能具有重要的意义。网络功能的丧失将严重影响设备功能的实现。所以，研究在核安全级仪控系统的无线通信网络的设计技术，包括网络协议、网络结构、安全性可靠性设计技术具有重要意义。

本文主要从以下几个方面进行研究：

（1）核安全级网络的设计要求；

（2）拟采用的无线通信网络布局；

（3）核安全级无线网络关键问题。

3 核安全级网络的设计要求

3.1 实时性、确定性

仪控设备内部多个分布式子系统信息耦合通常比较紧密，比如保护装置内冗余通道间的信息交换，有着实时性和确定性的要求。

以在研和在建保护装置为例，一是对于主逻辑装置保护动作响应时间有着系统级实时性的要求；二是对于安全级系统，其任务执行过程要求具有确定性。

这就要求所用的网络协议具有可确定的实时性能，即极坏情况下的响应时间是可确定的。

3.2 高可靠性

根据核安全级仪控系统要求，单一节点出现故障，不会影响整个通信网络的功能。需要验证设计的无线网络通信拓扑结构能否满足核安全级仪控系统所要求的无线网络通信质量要求。

3.3 网络监控能力

系统应提供监控无线网络的手段。通过这些手段应能够检测和纠正无线网络中的异常情况。需要监测的数据包括：网络负载、传输错误率、数据包丢失、延迟和抖动以及连接到网络的设备的完整列表。通过这些监测信息，保证通信系统的错误率控制在系统设计规定的可接受范围内。

3.4 物理安全

核安全级网络的无线通信设备应受到物理措施的保护，以免被恶意篡改或意外损坏。

3.5 电磁兼容

在恶劣（反射、吸收、混乱）核动力装置环境中的无线信号传播问题，一方面需要考虑环境对于无线信号传播的影响，保证无线通信稳定可靠进行通信，另一方面，应考虑设备之间的相互干扰。

4 拟采用的无线网络通信布局

在目前核安全级仪控系统中，子系统之间通信频繁。信号流向为核探测器、传感器等采集数据送往核测、过程测量仪表设备，接着送往保护系统机柜进行逻辑处理，处理后的数据部分送往停堆断路器，部分送往专设开关柜。

在信号传输中，因为核安全级网络可靠性的设计要求，通信网络中存在大量冗余设备，特别是冗余的逻辑处理设备，相互之间的硬接线极其繁杂，导致有线通信的核安全级网络的线缆体积大，布线复杂，不便于维修。通过将有线通信方式转化为无线通信方式，进一步满足设备小型化的需求。

希望应用的无线通信网络布局如图1所示。

图1 无线通信网络布局

5 核安全级无线网络关键问题

目前核安全级网络应用无线通信技术，主要面临网络结构、网络协议、安全性可靠性设计技术等关键问题。

5.1 高可靠性的无线网络拓扑结构

关键问题：核安全级网络正常运行工况以及异常运行工况下，要求所有节点都能接入无线网络，从而网络数据中心可以获得所有的数据，并且根据数据逻辑运算得到当前反应堆状态，实现仪控目的。因此，如何设计可靠的无线网络拓扑结构，保障所有节点时刻都能正常接入网络，是无线网络应用在核安全级仪控系统需要解决的重要问题。

解决途径：采取多AP模式拓扑结构，设置多个网络接入点，覆盖所有的节点，保障每个节点可以顺利接入两个或两个以上的接入点。针对这一网络拓扑结构布置思路，需要进行建模分析，分析环境中存在不同程度的遮挡等情况下，如何分布接入点，才能保证各节点在异常状况下都能正常接入网络。

5.2 无线网络的通信协议研究

关键问题：对于外界干扰或噪声等，无线网络系统需要具有相当的抗干扰能力，运用常规的无线网络通信频段不仅容易被监听，还易发生同频段的其他信号干扰网络通信质量。另一方面，不同节点间也不能有冲突或者干扰，需要保证节点能有序高速地接入网络。为了保障无线通信的高速可靠性以及对噪声的鲁棒性，需要研究无线网络通信的通信协议。通信协议应保证无线网络能够高速可靠运行，避免干扰信号使网络情况产生波动，造成网络不必要的延迟。

解决途径：为了避免不相干的信号干扰无线网络通信甚至破坏正常网络通信，需要选取合适频段，保证无线网络能有效可靠运行。另一方面，采取时分复用技术，保证频段内同一时隙只有一个节点与接入点通信，避免频段内多个节点同时与接入点通信，从而产生碰撞，增加节点的接入时间。通信协议需要通过试验分析通信效率，验证通信协议的有效性。