一种专用核事故立体态势感知系统的设计与开发

袁伟，王刚，李藐，陈显波，李浪

1. 中国人民解放军 96901 部队 23 分队，北京 100094

2. 火箭军士官学校，山东 青州 262550

态势感知（situation awareness，SA）是一种基于环境、动态整体地洞悉安全风险的能力，是以安全大数据为基础，从全局视角提升对安全威胁的发现识别、理解分析、响应处置能力的一种方式，最终是为了决策与行动，是安全能力的落地[1]。在20 世纪80 年代，美国空军就提出了态势感知的概念，主要包括感知、理解和预测3 个层次。自21 世纪起，态势感知的概念逐渐被大众所接受，并随着计算机技术的蓬勃发展而快速升级，其在众多行业领域的实践运用就是通过计算机系统对能够引起安全态势发生变化的要素进行获取、理解和显示，并对今后发展趋势的顺延性预测，最终目的就是要进行决策与行动。

近年来，涉核活动频率大幅提升，发生铀钚等特种核材料爆炸、燃烧类核事故可能性加大。倘若核事故一旦发生，扩散速度快、危害程度大、影响范围广，需要采取行之有效的核应急态势感知技术手段，快速判断识别放射性污染物源项基本特征，预测分析事故态势和影响危害范围，辅助指挥决策人员制定应急处置行动方案和筹划兵力运用。然而，现阶段核应急态势感知相关能力较为薄弱，主要渠道是依靠前端核辐射探测器提供的监测信息来掌握事故状况，存在数据格式不一、零散且难于调取利用的弊端，同时也缺乏核事故态势分布预测、应急处置辅助决策和行动过程可视化呈现等方面技术手段[2]。因此，亟需探索建立一种适用于中小尺度核事故场景的立体态势感知系统，能够有针对性地解决上述问题，从而为提升核应急处置能力提供有效手段。

1 核应急态势感知系统架构

根据核事故场景的基本特点以及核应急业务工作的实际需求，设计明确了核事故立体态势感知系统的主体架构，如图1 所示。本系统主要包括前置探测器监测模块、监测数据预处理模块、源项预置与反演模块、污染态势评估模块、决策优化生成模块和三维可视化显示模块等6 个主要功能部分。

图1 系统的主体架构

其中，前置探测器监测模块布设于涉核活动或核事故现场区域附近，其他模块集成化部署于核应急指挥大厅，通过有关信息的生成、传输、采集、处理、分析和展示等一系列流程化操作，帮助决策人员完成处置任务筹划。图2 为系统运行的基本工作流程。

2 核应急态势感知系统模块功能

2.1 前置探测器监测模块

前置探测器主要分为固定式部分、便携式部分和机动式部分。固定式部分也就是安装在各种核材料操作场所中的固定监测报警设备，重点对空间环境剂量率、放射性气溶胶浓度等参数进行常态化监测，事故发生后及时预警并向上级报告情况，由上级指挥有关人员手持便携式α/β 表面污染监测仪、γ/中子剂量仪等探测器进一步进行监测确认。机动式部分主要包括搭载核辐射探测器的监测车、无人机、飞艇、浮空平台等。图3 为不同样式的前置探测器。

图3 不同样式的前置探测器

前置探测器总体采用通用接口模组方式，监测数据能够按照需要自动采集并保存至存储单元，并可通过远程WIFI、ZIGBEE、LORA、GPRS、北斗等多种通信方式，传输给核事故立体态势感知系统后台，从而有效解决传统的有线布缆破断或调制解调器故障导致数据无法及时上传等问题。此外，本模块设计中综合采用了多种探测样式，实现了核事故立体层面信息的感知和获取，大大提高了探测的广度和范围[3-5]。

2.2 监测数据预处理模块

核事故现场不同类型探测器产生放射性测量数据的渠道各异、数据定义缺乏统一标准，导致获得数据的内涵不一致。此外，还可能由于传输渠道异常、通信中断、信号干扰等情况，导致一部分数据缺失、误报或者出现奇点等现象。为此，必须采取技术处理措施提高原始数据完整性、真实性和格式统一性。

监测数据预处理模块的主要作用就是对前置探测器采集的多样化数据进行逻辑性分析，通过填写缺失的值、光滑噪声数据、识别或删除离群点并解决不一致性来清除无效数据，将不规则分布的数据通过离群点检测算法、聚类算法等转换为规则数据的处理，并对不同格式类型进行同化和标准化，以有利于后续系统的运算分析[6]。

2.3 源项预置反演模块

核事故源项是科学开展核应急态势分析的前提和基础，其数据的准确与否直接关系到整个处置行动的有效性，所有放射性大气输运扩散模型的输入参数全部依赖于此。目前，源项预置反演模块的主要功能大致可以分为2 种方式。

第1 种方式为预置源项参数，主要是在平时使用立体态势感知系统进行训练推演过程中采用，此时没有核事故实际发生环境，主要结合部队核材料严重泄漏扩散事故的场景特征，采用理论分析、数值仿真、模拟试验等手段，获取放射性颗粒物事故初始时刻的粒径分布、空间尺度、释放量、化合价态等数据，作为后续污染态势模型分析的输入条件。

第2 种方式为实测数据反演，主要运用于核事故实际发生后的早期阶段，利用不同位置坐标点获取的一部分监测数据，综合采用蒙特卡罗方法、离散纵标法、点核积分方法等，逆向反推构设出初始源项参数，从而为污染物扩散提供基础数据条件。在计算过程中，还可根据不断补充的实测数据持续进行修正优化，提高态势分析结果的精度。

2.4 污染态势评估模块

针对核事故发生区域的主要特点，设计开发了适用于不同环境条件的放射性污染态势评估模式。例如，对于平原、岩地、戈壁等地势相对开阔区域，考虑到大气环境相对稳定、地形平坦分布均匀，选用放射性扩散系数K 为常数的正态分布高斯扩散算法，快速估计事故规模和污染浓度，能够反映出在某一点位放射性浓度伴随扩散时间呈现的动态变化。对于山区、峡谷等窄长区域，放射性扩散运动受局地湍流影响较大，主要考虑选择拉格朗日粒子随机算法，采用大量Monte Carlo 抽样质点的随机扩散方法来模拟大气扩散，粒子模型跟踪每个质点的运动轨迹，通过这些质点在空间和时间上的总体分布模拟污染物分布的情况与趋势[7]。

2.5 决策优化生成模块

决策优化生成模块功能作用针对核事故覆盖影响区域内的公众群体和应急人员，按照各自对应的剂量干预水平和现场相关信息，分析判断应采取的行动建议。对于公众而言，主要提供包括撤离、避迁、饮食控制、去污等方面的方案以及这些方案的组合，辅助群众做好自我防护和安全保护。对于应急人员，重点开展应急人员调配、应急行动路线规划等评估分析，形成应急人员行动过程的辅助决策建议。

2.6 三维可视化显示模块

三维可视化显示模块基于开放图形库OPENGL 技术集成开发，综合配置管理、渲染引擎等功能于一体，能够实现核事故放射性污染物扩散过程三维动态可视化展示。该模块能够驱动不同实体的位置、姿态、状态、特效的变化，完成地图数据、三维模型映射、特效插件和网络数据接口等配置工作，渲染引擎主要完成场景的实时渲染。为了满足核事故场景多通道显示的需求，三维可视化模块可以利用多通道显示扩展模块实现多台计算机共同完成同一场景的渲染，生成多通道三维显示画面。通过相关参数配置，就可实现横向、纵向以及任意多通道组合模式。在多通道显示模式下，三维可视化模块能够生成更大尺寸、更多内容、更具沉浸感的可视化场景。

3 核应急态势感知系统关键技术

核事故发生后，相应的区域内将快速产生放射性烟云，烟云在气象条件作用下朝下风向扩散形成明显沾染带。核事故立体态势感知系统运行过程主要是在明确释放源项特征的条件下，根据大气扩散的基本理论采用适当的扩散模型进行污染危害影响分析，提供科学合理的辅助决策。综上所述，核事故源项的有效识别、污染物形成与扩散探寻、污染态势信息的可视化展示、应急处置行动决策优化便成为本系统设计开发需要重点解决的关键技术。

3.1 核事故源项确立和识别

国外对源项技术开展了一些探索并取得了一定成果。例如，美国曾多次开展钚材料在不同爆轰高温条件下的源项扩散实验，其中最为有名的就是“过山车行动”（operation roller coaster，ORC）系列实验，借此获得了气溶胶源项参数。在源项反演方面，最为主要的研究成果大致包括基于概率统计理论方法和基于最优化理论方法。本文结合核事故立体态势感知系统的使用特点，有针对性地建立了源项有效获取的2 种模式。

1）确定性源项模式。应用有限元仿真软件对核事故过程进行力学动态模拟，确定核材料能量响应过程并据此设计等效缩比仿真实验，通过建立一整套采样取样、制样测量和化验分析方法，获取了污染物粒径分布、空间尺度等一系列源项特征参数。该类源项主要在系统平时训练过程中使用。

2）非确定性源项模式。当核事故发生时，在下风向区域释放多个前置探测器，确保获取到相对充分的有效环境数据，根据气象地理环境信息确定放射性污染物扩散的模拟数值与前置实际探测的数据的最优匹配，从而将源项转化为一个多参数的目标无约束优化问题。对待求参数θ=(Q0，x0，y0，z0)，以污染物扩散的模拟数值与探测数据的误差作为目标函数，即

则该优化问题可以表达为

式中： Θ为所有可行解构成的解空间，θ为任一可行解，J（θ）为目标函数，Q0为需要求出的核事故源项强度，X0= (x0，y0，z0)为需要求出的核事故源的位置，X为监测坐标(x，y，z)，Ccal(X，t) |θ为当源参数取值为θ得到的时刻t在位置 (x，y，z)处计算数值，Cobs(X，t) 为时刻t在位置(x，y，z)处探测数值。因此，核事故源项位置定位表达式为

式中：T为监测次数，N为监测点数量。对前置探测器中N个监测点获取的数据进行建模，对不同位置监测点不同时段的监测数据和模拟计算数据进行比较，确定最佳匹配情况。为此，核事故源项位置的定位问题变成了在解空间θ寻找一个让目标函数最小的解向量J(θopt)[8]。

3.2 核事故污染形成与扩散探寻

污染扩散研究对于科学判断放射性物质的扩散运动轨迹、影响覆盖范围具有极其重要的意义。针对部队开阔空间核事故，虽然确立了基于正态分布的高斯扩散算法，但要区分有风点源扩散模式、小风和静风点源扩散模式，对于扩散系数等参数仍然需要通过科学化分析判断确定。同样，复杂地形环境下影响核事故污染扩散的有关因素和制约条件，也必须通过大量理论和试验手段予以分析掌握[9]。

通过设置贴近部队核事故特征的环境条件，运用流体动力学方法模拟了放射性烟云初始形成的基本过程，并总结得到规律性结论。事故发生后短时间内，烟云形态最初为近似椭球的烟团，在中反向水平密度梯度变化下产生快速、反旋转、条束状的涡环，涡环围绕其涡核由内向外翻卷，涡环直径逐渐变大并且较为稳定上升；由于烟云空间密度的不一致性，导致扩散上升速度不一，气团下部形成烟柱，在水平风作用下烟团顶部形态发生了不对称变化，烟云在一定时间后趋于稳定。

在烟云运动数值仿真的基础上，设计并开展了野外不同风场、不同地形条件下的烟云扩散循迹实验。通过测量分析，烟云尺寸随时间变化规律与模拟仿真分析数据的相关性和变化规律基本一致，理论计算曲线结果比实验测量值略高，考虑到烟云存在分层抛洒和局部反应现象，并存在近地面不同高度风场干扰，不可避免地存在一定误差。根据烟云形态测量数据，经过函数拟合换算得到了不同环境条件下烟云运动的基本规律，为后续扩散模型修正与开发奠定了理论基础[10]。图4 为野外烟云扩散运动实景。

图4 野外烟云扩散运动实景

3.3 污染态势信息的可视化展示

根据核事故源项、污染扩散等研究成果，基于OPENGL 技术集成开发了污染态势信息可视化展示功能，实现海量级粒子浓度场仿真计算以及污染物扩散过程三维动态可视化展示，定量给出气溶胶空间梯度变化及人员受照剂量，同时还能展示地形变化、风场的变化以及浓度的分布状态。图5 为污染态势三维可视化的实现过程[11]。

图5 污染态势三维可视化的实现过程

在模块设计过程中，为了逼真模拟粒子运动过程及与环境条件的动态耦合，充分融合了地理数据、气象数据和粒子扩散数据，在统筹考虑地面高程对风场影响情况下，细化了气象预报数据的网格精度，更加精确地展示了风场、粒子等迁移扩散过程和污染物分布。对于大规模影像和地形数据，采用基于影像数据的多细节层次存储方式进行处理；对于气象的三维可视化，原始数据通常分布在等间距的经纬线网格和不同距离的高度网格上，采用局部直角坐标和球坐标相互综合的方法，完成气象等值线、等值面、体绘制和切面绘制；对于粒子扩散和态势评估数据，设置独立模块和接口，实现粒子输出时间序列、浓度剂量输出时间序列等同步展示问题。图6 为风场数据和粒子动态运动可视化展示。

图6 风场数据和粒子动态运动可视化展示

3.4 应急处置行动智能决策

行动决策在整个应急处置过程中起着极其重要的作用，需要考虑的综合因素较多。这种工作是在多个互相关联且交叉制约的因素下进行的，核应急必须将事故危害降至最低（如可避免剂量最大、集体剂量最小），同时采取措施的代价尽可能小。对于部队应急行动指挥人员，必须对核事故引起的放射性后果、带来的负面影响以及处置行动时效性和合理性作出统筹权衡，以确定最佳建议方案[12]。

本系统结合放射性污染态势评估结果，根据核事故现场行动信息开展应急行动力量调配、应急行动路径规划，形成应急人员行动规划辅助建议。例如，调遣人员快速抵近核事故现场前，首先按照应急行动预案中多种行动路线，确定路径上每个节点在评价区域中的网格位置，综合分析路径、速度、滞留时间等信息；其次，以核污染态势分布为输入，估算应急人员在各任务段上的预期剂量或集体剂量；最后，根据不同行动路线的剂量结果，综合剂量值、抵达时间、交通条件等要素进行合理化排序，确定最佳行动路线方案[13-15]。图7 为应急行动路径规划流程。

图7 应急行动路径规划流程

此外，结合辐射侦测、污染封控等具体情况，从核应急资源数据中调取应急装备、物资器材的属性参数，开展行动作业能力计算。根据放射性扩散面积和重点区域受污染情况等，评估污染压制等不同应急行动的作业能力、重点作业区域、预警限值等，形成应急行动辅助决策建议。

4 应用实例与效果评估

对于使用者而言，最为直观的是通过设计一个核事故案例来推演展示系统的功能实现过程，从而验证其实用性和有效性。以核材料意外爆炸为例，核事故产生大量放射性物质快速扩散，在下风向区域形成较大覆盖区域的辐射沾染带，在迅速开展应急灭火、抢救伤员、道路警戒等行动的同时，向上级指挥机构求援启动核事故立体态势感知系统。

4.1 核事故信息接收与展示

本系统进入应急模式，根据现场上报信息调取事故区域周边地形地貌、交通状况、力量部署等基础信息，并通过固定式、便携式和机动式前置探测器的远程通信方式获取现场气象、核辐射监测等大量数据，监测数据预处理模块对采集数据进行逻辑性分析、筛选处理和存储调用。

4.2 放射性污染态势分析研判

根据核事故现场地形特点选择对应的大气扩散模式，调用预置的源项参数进行早期污染态势评估，给出短时间内的放射性扩散情况。同时，结合现场监测数据持续进行源项反演以修正态势结果，通过不同颜色的比色卡呈现出重度、中度、轻度污染区大致范围，并得到核事故后下风方向的放射性危害程度以及不同人员受到的辐射剂量值。

4.3 应急处置行动辅助决策

在掌握不同时刻核事故污染态势分布后，本系统结合核事故现场具体情况进行智能化综合研判，开展应急行动路线规划等工作，科学化给出应急力量协同作业顺序、方法、要求和有关建议，并最终形成辅助决策报告以指导开展后续处置行动。

5 结论

本文结合核事故源项分析、大气扩散、剂量评价、行动决策的有关研究实践工作，介绍了一种专用核事故立体态势感知系统的主要架构、模块组成与功能以及开发过程中涉及的主要关键技术，并以核材料意外爆炸核事故为案例，结合应急处置流程展示了系统工作的大致过程，从而说明了该系统能够为重大核事故的危害感知预测以及科学开展核应急处置行动提供重要支持。本文提出的系统设计方法和技术途径，可为类似系统的构建提供有益的借鉴和参考。后续将结合使用和意见建议反馈情况，持续完善和固化相关技术成果。