CN112230266B - 一种辐射监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辐射监控系统，系统包括远程辐射监控平台以及多个边缘控制器，每个边缘控制器配置多个设置在放射源工作区域内的辐射监测终端；所述边缘控制器与其所处无线网络范围内的多个辐射监测终端通信连接，远程辐射监控平台与多个边缘控制器通信连接。本发明的辐射监测终端同时采集辐射剂量、位置信息和气象信息，通过辐射监测终端和边缘控制器搭建采集网络并且进行边缘侧数据分析，监测数据对边缘控制器中小尺度辐射扩散评估模型进行修正，使辐射剂量预测更精确；系统考虑了风速风向、核电站与城市距离以及城市内部形态等影响，且将辐射监测和辐射扩散评估相结合，实现辐射监测、评估、预警、预案等功能。

Description

一种辐射监控系统
技术领域
本发明属于放射性物质辐射监控及辐射扩散评估技术领域，具体涉及一种辐射监控系统。
背景技术
随着科学技术和社会经济高速发展，放射性物品(核电设施、放射源等)广泛应用于电力、农业、科研、医疗等多个领域。然而，由于放射性物品产生的辐射影响看不见、摸不着，放射性物品一旦管理不善造成隐患，必然对公共安全及环境带来潜在危害。日本福岛核电厂事故、朝鲜核试验，以及放射源丢失、泄漏事件，使得人们对于核安全与放射性污染问题的关注度越来越高。
目前市场上的辐射监测设备未考虑气象、风向等对辐射扩散有影响的环境因素。也未见有将辐射扩散和放射性辐射监测相融合的产品或文献报道。国际上使用最广泛的辐射剂量强度评估模型软件MAAP，只能显示孤立的点的剂量、模型只能模拟大尺度范围的扩散、不具备城市内辐射扩散模型分析能力，同时也没有考虑气象变化和建筑形态，是一种理想状态下的大尺度稳态模型，且该技术对国内封锁。目前大尺度扩散方面比较著名的软件都是基于高斯模型和拉格朗日模型，高斯模型，程序简单，计算量小，但是假设在天气条件稳定，表面粗糙度稳定，适用距离不长(10KM以下)，没有考虑风速风向等因素；而核电站距离城市的距离远近不同，每年风向天气条件也不同；而拉格朗日模型是对污染物粒子进行受力分析，去描述每一个粒子的运动情况，粒子追踪精准、适用距离长，但是污染物粒子太多，要同时跟踪这么多粒子，计算量非常大且复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种辐射监控系统，系统考虑了风速风向、核电站与城市距离以及城市内部形态等影响，且将辐射监测和辐射扩散评估相结合，实现辐射监测、评估、预警、预案等功能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种辐射监控系统，包括远程辐射监控平台以及多个边缘控制器，每个边缘控制器配置多个设置在放射源工作区域内的辐射监测终端；
所述边缘控制器与其所处无线网络范围内的多个辐射监测终端通信连接，所述远程辐射监控平台与多个边缘控制器通信连接；
所述辐射监测终端，用于实时监测放射源所在环境的辐射剂量、气象信息、位置信息以及设备状态；
所述边缘控制器，用于管理和采集所处无线网络范围内多个辐射监测终端的信息，对周围环境辐射强度做出安全评估及预测，并将处理后的数据上传到远程辐射监控平台；
所述远程辐射监控平台，用于在线实时管理辐射监测终端及边缘控制器的辐射监测数据、设备状态、位置信息以及气象信息，根据多个边缘控制器提供的多个区域扩散评估预测，进行大尺度范围辐射扩散评估预测，并给出相应区域所需防护建议。
进一步的，所述远程辐射监控平台包括辐射扩散评估模型、模型任务调度模块、设备管理模块、数据管理模块、预警管理模块、应急响应管理模块、GIS管理模块、权限管理模块以及系统管理模块；
所述辐射扩散评估模型，用于对辐射扩散剂量进行评估；
所述模型任务调度模块，用于将辐射扩散评估模型快速部署到相应的边缘控制器中；
所述设备管理模块，用于远程管理辐射监测终端；
所述数据管理模块，用于管理边缘控制器上传的数据；
所述预警管理模块，用于判断辐射剂量强度是否超出安全标准，并发出事故预警；
所述应急响应模块，用于根据预警管理模块给出的不同危险等级后给出相应的所需防护措施；
所述GIS管理模块，用于实时位置信息管理；
所述权限管理模块，用于用户访问权限的管理；
所述系统管理模块，用于模块与模块之间的有机性、联动性以及协调性管理。
进一步的，所述辐射扩散评估模型包括大尺度辐射扩散评估模型和小尺度辐射扩散评估模型；
所述小尺度辐射扩散评估模型，用于对放射源周围环境中的辐射扩散剂量进行评估；
所述大尺度辐射扩散评估模型，通过辐射监测终端提供的实时数据和小尺度辐射扩散评估模型提供的区域预测，对放射源周围环境辐射剂量强度进行预测评估。
进一步的，所述小尺度辐射扩散评估模型具体采用基于纳斯方程的计算流体力学模型，具体为：
其中，ρ为密度，v为速度，S为源项，t为时间，p为压力，μ为粘度，g为重力加速度，α为体积分数，F为外力场，下标m、k以及dr分别表示混合物、每种组分以及漂移力，表示混合物的速度向量，/>表示速度向量的转置矩阵/>表示重力加速度向量，/>表示组分间漂移力速度向量，/>表示外力场向量，/>表示哈密顿算子。
进一步的，所述大尺度辐射扩散评估模型具体采用基于高斯烟羽-拉格朗日混合模型，指定位置的放射性物质浓度为：
其中，s1和s2为放射性物质的传播距离，I1和I2为放射性物质强度，g为放射性物质分布概率，Qp(s)为放射性物质在传播一定距离s后的质量流量，σy为扩散因子。
进一步的，所述边缘控制器包括协议解析模块、边缘计算模块、传输模块以及定位模块；
所述协议解析模块，用于接入多种通信协议采集设备，对接收的通信协议进行数据解析，对解析数据之间的关联构件进行统一规定，形成统一描述语言存入边缘计算模块；
所述边缘计算模块，包括数据预处理模块和轻量级数据分析模块，用于对协议解析模块解析后的数据进行筛选并进行小尺度辐射扩散评估模型分析；
所述传输模块，用于将处理后的数据发送至远程辐射监控平台，同时接收小尺度辐射扩散评估模型在所述轻量级数据分析模块中部署；
所述定位模块，用于采集边缘控制器的位置信息。
进一步的，所述数据预处理模块，用于对解析后的数据进行审核、筛选处理；
所述轻量级数据分析模块，用于对数据预处理模块处理后的实时数据进行小尺度辐射扩散评估模型分析，并根据实时数据与小尺度辐射扩散评估模型历史预测数据进行比较分析，实时修改小尺度辐射扩散评估模型。
进一步的，所述辐射监测终端包括电池、电源管理模块、辐射监测模块、通信模块、定位模块、微气象采集模块以及显示屏；
所述电池，用于辐射监控终端各组件的供电；
所述电池管理模块，用于监管辐射监测终端各组件的功耗和电量实时反馈；
所述辐射监控模块，用于采集辐射剂量数据；
所述通信模块，用于与边缘控制器通信；
所述定位模块，用于采集辐射监测终端的位置信息，支持GPS加北斗双重定位；
所述微气象采集模块，用于采集风速、风向以及空气温湿度数据；
所述显示屏，用于显示设备编号、辐射剂量、电池电量、报警信息、无线信号状态以及温湿度信息。
进一步的，所述通信模块具体为WIA模块、Zigbee模块、LoRa模块、NB-IOT模块、WIFI模块以及4G模块中的一种或多种；
所述显示屏采用LCD显示屏。
进一步的，所述辐射监测模块具体采用闪烁体结合新型硅光电倍增的新型辐射监测传感器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明设置的辐射监测终端可以同时采集辐射剂量、位置信息和气象信息，通过辐射监测终端和边缘控制器搭建采集网络并且进行边缘侧数据分析，监测数据对边缘控制器中小尺度辐射扩散评估模型进行修正，辐射剂量预测更精确。
2、本发明的大尺度辐射扩散评估模型计算简单，能反应实际扩散过程，它不跟踪所有粒子，把放射性物质分成若干个小团，每一小团用拉格朗日方法来跟踪，然后在单个小团的内部，用高斯模型来算，最后的扩散分布的情况是所有小团的情况累加起来，程序简单，对比高斯模型既考虑了风速风向等影响因素，计算速度也比拉格朗日模型快，且适用距离比较符合核电站与城市的距离。
附图说明
图1是本发明辐射监控系统总体架构图；
图2是本发明远程辐射监控平台总体结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明一种辐射监控系统，包括远程辐射监控平台以及多个边缘控制器，每个边缘控制器配置多个设置在放射源工作区域内的辐射监测终端；所述边缘控制器与其所处无线网络范围内的多个辐射监测终端通信连接，远程辐射监控平台与多个边缘控制器通信连接。
所述辐射监测终端，用于实时监测放射源所在环境的辐射剂量、气象信息、位置信息以及设备状态；所述边缘控制器，用于管理和采集所处无线网络范围内多个辐射监测终端的信息，对周围环境辐射强度做出安全评估及预测，并将处理后的数据上传到远程辐射监控平台；所述远程辐射监控平台，用于在线实时管理辐射监测终端及边缘控制器的辐射监测数据、设备状态、位置信息和气象信息，根据多个边缘控制器提供的多个区域扩散评估预测，进行大尺度范围辐射扩散评估预测，并给出相应区域所需防护建议。
在本实施例中，如图2所示，所述远程辐射监控平台包括辐射扩散评估模型、模型任务调度模块、设备管理模块、数据管理模块、预警管理模块、应急响应管理模块、GIS管理模块、权限管理模块以及系统管理模块。
所述辐射扩散评估模型，用于对辐射扩散剂量进行评估；所述模型任务调度模块，用于将辐射扩散评估模型快速部署到相应的边缘控制器中；所述设备管理模块，用于远程管理辐射监测终端；所述数据管理模块，用于管理边缘控制器上传的数据；所述预警管理模块，用于判断辐射剂量强度是否超出安全标准，并发出事故预警；所述应急响应模块，用于根据预警管理模块给出的不同危险等级后给出相应的所需防护措施；所述GIS管理模块，用于实时位置信息管理；所述权限管理模块，用于用户访问权限的管理；所述系统管理模块，用于模块与模块之间的有机性、联动性以及协调性管理。
在本实施例中，所述辐射扩散评估模型包括大尺度辐射扩散评估模型和小尺度辐射扩散评估模型；所述小尺度辐射扩散评估模型，用于对放射源周围环境中的辐射扩散剂量进行评估；所述大尺度辐射扩散评估模型，通过辐射监测终端提供的实时数据和小尺度辐射扩散评估模型提供的区域预测，对放射源周围环境辐射剂量强度进行预测评估。
在本实施例中，所述小尺度辐射扩散评估模型具体采用基于纳斯方程的计算流体力学模型，具体为：
其中，ρ为密度，v为速度，S为源项，t为时间，p为压力，μ为粘度，g为重力加速度，α为体积分数，F为外力场，下标m、k以及dr分别表示混合物、每种组分以及漂移力，表示混合物的速度向量，/>表示速度向量的转置矩阵/>表示重力加速度向量，/>表示组分间漂移力速度向量，/>表示外力场向量，/>表示哈密顿算子。
在本实施例中，所述大尺度辐射扩散评估模型具体采用基于高斯烟羽-拉格朗日混合模型，指定位置的放射性物质浓度为：
其中，s1和s2为放射性物质的传播距离，I1和I2为放射性物质强度，g为放射性物质分布概率，Qp(s)为放射性物质在传播一定距离s后的质量流量，，σy为扩散因子。
在本实施例中，所述辐射监测终端包括电池、电源管理模块、辐射监测模块、通信模块、定位模块、微气象采集模块以及显示屏。
所述电池，用于辐射监控终端各组件的供电；所述电池管理模块，用于监管辐射监测终端各组件的功耗和电量实时反馈；所述辐射监控模块，用于采集辐射剂量数据；所述通信模块用于，与边缘控制器通信，包括WIA模块、Zigbee模块、LoRa模块、NB-IOT模块、WIFI模块以及4G模块；所述定位模块，用于采集辐射监测终端的位置信息，支持GPS加北斗双重定位；所述微气象采集模块，用于采集风速、风向、空气温湿度数据；所述显示屏用于显示设备编号、辐射剂量、电池电量、报警信息、无线信号状态以及温湿度信息。
在本实施例中，所述通信模块为WIA模块、Zigbee模块、LoRa模块、NB-IOT模块、WIFI模块以及4G模块中的一种或多种；所述显示屏采用LCD显示屏。
在本实施例中，所述辐射监测模块具体采用闪烁体结合新型硅光电倍增的新型辐射监测传感器。
在本实施例中，所述边缘控制器包括协议解析模块、边缘计算模块、传输模块以及定位模块；
所述协议解析模块，用于接入多种通信协议采集设备，对接收的通信协议进行数据解析，对解析数据之间的关联构件进行统一规定，形成统一描述语言存入边缘计算模块；
所述边缘计算模块，包括数据预处理模块和轻量级数据分析模块，用于对协议解析模块解析后的数据进行筛选并进行小尺度辐射扩散评估模型分析；所述数据预处理模块，用于对解析后的数据进行审核、筛选处理；所述轻量级数据分析模块，用于对数据预处理模块处理后的实时数据进行小尺度辐射扩散评估模型分析，并根据实时数据与小尺度辐射扩散评估模型历史预测数据进行比较分析，实时修改小尺度辐射扩散评估模型；所述传输模块，用于将处理后的数据发送至远程辐射监控平台，同时接收小尺度辐射扩散评估模型在所述轻量级数据分析模块中部署；所述定位模块用于采集边缘控制器的位置信息。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种辐射监控系统，其特征在于，包括远程辐射监控平台以及多个边缘控制器，每个边缘控制器配置多个设置在放射源工作区域内的辐射监测终端；
所述边缘控制器与其所处无线网络范围内的多个辐射监测终端通信连接，所述远程辐射监控平台与多个边缘控制器通信连接；
所述辐射监测终端，用于实时监测放射源所在环境的辐射剂量、气象信息、位置信息以及设备状态；
所述边缘控制器，用于管理和采集所处无线网络范围内多个辐射监测终端的信息，对周围环境辐射强度做出安全评估及预测，并将处理后的数据上传到远程辐射监控平台；
所述远程辐射监控平台，用于在线实时管理辐射监测终端及边缘控制器的辐射监测数据、设备状态、位置信息以及气象信息，根据多个边缘控制器提供的多个区域扩散评估预测，进行大尺度范围辐射扩散评估预测，并给出相应区域所需防护建议；
所述远程辐射监控平台包括辐射扩散评估模型，所述辐射扩散评估模型，用于对辐射扩散剂量进行评估；
所述辐射扩散评估模型包括大尺度辐射扩散评估模型和小尺度辐射扩散评估模型；
所述小尺度辐射扩散评估模型，用于对放射源周围环境中的辐射扩散剂量进行评估；
所述大尺度辐射扩散评估模型，通过辐射监测终端提供的实时数据和小尺度辐射扩散评估模型提供的区域预测，对放射源周围环境辐射剂量强度进行预测评估；
所述小尺度辐射扩散评估模型具体采用基于纳斯方程的计算流体力学模型，具体为：
其中，ρ为密度，v为速度，S为源项，t为时间，p为压力，μ为粘度，g为重力加速度，α为体积分数，F为外力场，下标m、k以及dr分别表示混合物、每种组分以及漂移力，表示混合物的速度向量，/>表示速度向量的转置矩阵，/>表示重力加速度向量，/>表示组分间漂移力速度向量，/>表示外力场向量，/>表示哈密顿算子；
所述大尺度辐射扩散评估模型具体采用基于高斯烟羽-拉格朗日混合模型，指定位置的放射性物质浓度为：
其中，s1和s2为放射性物质的传播距离，I1和I2为放射性物质强度，g为放射性物质分布概率，Qp(s)为放射性物质在传播一定距离s后的质量流量，σy为扩散因子。
2.根据权利要求1所述的一种辐射监控系统，其特征在于，所述远程辐射监控平台还包括模型任务调度模块、设备管理模块、数据管理模块、预警管理模块、应急响应管理模块、GIS管理模块、权限管理模块以及系统管理模块；
所述模型任务调度模块，用于将辐射扩散评估模型快速部署到相应的边缘控制器中；
所述设备管理模块，用于远程管理辐射监测终端；
所述数据管理模块，用于管理边缘控制器上传的数据；
所述预警管理模块，用于判断辐射剂量强度是否超出安全标准，并发出事故预警；
所述应急响应模块，用于根据预警管理模块给出的不同危险等级后给出相应的所需防护措施；
所述GIS管理模块，用于实时位置信息管理；
所述权限管理模块，用于用户访问权限的管理；
所述系统管理模块，用于模块与模块之间的有机性、联动性以及协调性管理。
3.根据权利要求1所述的一种辐射监控系统，其特征在于，所述边缘控制器包括协议解析模块、边缘计算模块、传输模块以及定位模块；
所述协议解析模块，用于接入多种通信协议采集设备，对接收的通信协议进行数据解析，对解析数据之间的关联构件进行统一规定，形成统一描述语言存入边缘计算模块；
所述边缘计算模块，包括数据预处理模块和轻量级数据分析模块，用于对协议解析模块解析后的数据进行筛选并进行小尺度辐射扩散评估模型分析；
所述传输模块，用于将处理后的数据发送至远程辐射监控平台，同时接收小尺度辐射扩散评估模型在所述轻量级数据分析模块中部署；
所述定位模块，用于采集边缘控制器的位置信息。
4.根据权利要求3所述的一种辐射监控系统，其特征在于，所述数据预处理模块，用于对解析后的数据进行审核、筛选处理；
所述轻量级数据分析模块，用于对数据预处理模块处理后的实时数据进行小尺度辐射扩散评估模型分析，并根据实时数据与小尺度辐射扩散评估模型历史预测数据进行比较分析，实时修改小尺度辐射扩散评估模型。
5.根据权利要求1所述的一种辐射监控系统，其特征在于，所述辐射监测终端包括电池、电源管理模块、辐射监测模块、通信模块、定位模块、微气象采集模块以及显示屏；
所述电池，用于辐射监控终端各组件的供电；
所述电源管理模块，用于监管辐射监测终端各组件的功耗和电量实时反馈；
所述辐射监测模块，用于采集辐射剂量数据；
所述通信模块，用于与边缘控制器通信；
所述定位模块，用于采集辐射监测终端的位置信息，支持GPS加北斗双重定位；
所述微气象采集模块，用于采集风速、风向以及空气温湿度数据；
所述显示屏，用于显示设备编号、辐射剂量、电池电量、报警信息、无线信号状态以及温湿度信息。
6.根据权利要求5所述的一种辐射监控系统，其特征在于，所述通信模块具体为WIA模块、Zigbee模块、LoRa模块、NB-IOT模块、WIFI模块以及4G模块中的一种或多种；
所述显示屏采用LCD显示屏。
7.根据权利要求5所述的一种辐射监控系统，其特征在于，所述辐射监测模块具体采用闪烁体结合硅光电倍增的新型辐射监测传感器。
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拉格朗日粒子模型在核事故应急中的开发与应用;杨晔等;原子能科学技术;第47卷;第712-716页 *

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CN112230266A (zh) 2021-01-15

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