核輻射環(huán)境安全多傳感器信息融合方法研究

王麗坤，袁宏，柳芳，陳進(jìn)超

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核輻射環(huán)境安全多傳感器信息融合方法研究

王麗坤1，袁宏1，柳芳1，陳進(jìn)超2

（1、四川金核礦業(yè)有限公司，成都 610052；2、成都理工大學(xué)，成都 610061）

為了及時發(fā)現(xiàn)核能開發(fā)和利用過程中可能出現(xiàn)的核輻射安全隱患，保障核輻射環(huán)境安全，論文討論了核輻射環(huán)境的類型，及其安全影響因素，并利用貝葉斯估計(jì)和灰關(guān)聯(lián)分析的方法分別進(jìn)行核輻射環(huán)境同質(zhì)傳感器信息融合和異質(zhì)傳感器信息融合，該方法對核輻射環(huán)境危害評價、管理與防治決策起到重要的作用。

核輻射環(huán)境；信息融合；貝葉斯估計(jì)；灰關(guān)聯(lián)分析

放射性核素自發(fā)現(xiàn)以來，在儀器制造、考古、醫(yī)學(xué)、食品、生物學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)和科技能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但核能在為人類的生產(chǎn)、生活帶來巨大利益的同時，其在勘探開發(fā)、利用過程中，也可能造成一定程度的環(huán)境污染。放射性污染通常無嗅無味，不易被察覺，但一旦發(fā)生污染，將對會人民生命安全、公眾財(cái)產(chǎn)造成巨大危害，引起社會不安與動蕩。為了獲得核輻射環(huán)境安全狀態(tài)信息，需將采集到的多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、綜合的分析和評判，為相關(guān)單位和政府機(jī)構(gòu)提供詳細(xì)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，將對核輻射環(huán)境安全監(jiān)測工作具有重大研究意義。

核輻射環(huán)境類型多樣，受核輻射場地的用途和周邊環(huán)境地形地貌等影響，不同類型核輻射環(huán)境的安全影響因素、監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測頻率不同，這就需要對核輻射環(huán)境特征進(jìn)行深入分析，為下一步進(jìn)行環(huán)境安全綜合分析評判服務(wù)。同時核輻射環(huán)境安全往往與放射性水平、穩(wěn)定性等多種因素相關(guān)，為此需布設(shè)多種傳感設(shè)備，如溫度傳感設(shè)備、應(yīng)力傳感設(shè)備、壓力傳感設(shè)備、風(fēng)速傳感設(shè)備、γ輻射探測儀、α探測儀、β探測儀、VCO傳感器等。各種傳感器信息對確定實(shí)際核輻射環(huán)境狀態(tài)都或多或少存在一定程度的不確定性、不完全性、不嚴(yán)密性。因此，為提高核輻射環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)對信息的處理能力，提高監(jiān)測性能和結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，需采用信息融合方法實(shí)現(xiàn)對多傳感器信息進(jìn)行綜合判斷與估計(jì)，保障核輻射環(huán)境安全。

1 核輻射環(huán)境分析研究

1.1 核輻射環(huán)境

核輻射環(huán)境放射源包括天然放射源和人工放射源。天然放射源包括宇宙輻射，大氣、地殼及水體的輻射，放射性（伴生）礦物所產(chǎn)生的天然核素輻射。核輻射射線主要有三種α射線、β射線、γ射線，α射線是氦核，β射線是電子流，穿透力均較小，對人體均有一定的傷害；γ射線是一種波長很短的電磁波射線，其穿透力很強(qiáng)，常用于地球物理勘探。宇宙輻射與天然核輻射一直存在，并沒有影響人類的生活與工作，但過量的人為核輻射會使人體受到暫時性或永久性的傷害。

人工放射源是由于人類活動產(chǎn)生并釋入環(huán)境中的放射性核素的輻射，其主要集中于核武器的試驗(yàn)和生產(chǎn)、核動力（主要是核電）生產(chǎn)、核技術(shù)的應(yīng)用和核資源的勘探開發(fā)等領(lǐng)域。

核武器試驗(yàn)釋放到環(huán)境中放射性物質(zhì)主要是是90Sr和137Cs，對公眾的影響很小。核武器生產(chǎn)包括鈾濃縮、钚生產(chǎn)、氚生產(chǎn)和武器加工制造等，在此過程中會產(chǎn)生大量的放射性廢物，需進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，以免引發(fā)核輻射污染事故。核動力生產(chǎn)包括核燃料循環(huán)的全部過程，其每個環(huán)境都存在放射性流出物向環(huán)境釋放和環(huán)境監(jiān)測的問題。核技術(shù)應(yīng)用涉及到工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研等方面，包含有輻照育種、輻照加工，食品的殺菌消毒保鮮，工程設(shè)施和機(jī)械設(shè)備探傷，安檢中的輻射探測，醫(yī)療中的輻射診斷和治療等項(xiàng)目。雖然核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域操作的放射性物質(zhì)數(shù)量不大，但其排入環(huán)境的放射性物質(zhì)量巨大，且使用較分散、集中監(jiān)管困難，需定時定期監(jiān)控核輻射劑量，避免造成突發(fā)核泄漏事故。核資源勘探開發(fā)過程中會形成一些勘探遺留設(shè)施，如鉆井平臺、探槽、探坑、鈾廢礦石堆、鈾尾礦庫等，需進(jìn)行綜合的監(jiān)控監(jiān)管，降低發(fā)生突發(fā)事故的風(fēng)險(xiǎn)。支撐項(xiàng)目：

1.2 核輻射環(huán)境安全影響因素分析

核輻射環(huán)境是一個多層次、多結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)，并且具有放射性污染的特殊性。影響核輻射環(huán)境安全的因素多種多樣，作用大小不一，其組成要素包括大氣、水、土壤、巖石、廠房、放射性物質(zhì)、人類活動等。按照組成要素的差別，不同的核輻射環(huán)境也具有相異的特征。本文從放射性、地質(zhì)、氣象等方面分析核輻射環(huán)境安全的影響特征。

1）放射性因素

核輻射環(huán)境種類多樣，包括核電站、核反應(yīng)堆、核廢物處置中心、工業(yè)和材料和研究中心、伴生礦、鈾礦山以及鈾廢礦石堆或鈾尾礦庫等。環(huán)境的核輻射狀況反應(yīng)環(huán)境放射性水平，包括放射性濃度、平均γ輻射劑量率、氡析出率、氣溶膠、U、Th、226Ra、40K等。

2）地質(zhì)因素

核輻射環(huán)境中天然輻射劑量水平受γ輻射影響較大，而環(huán)境中γ輻射隨地質(zhì)、地貌等條件影響變化較大。同時，核輻射環(huán)境還受不同類型的地質(zhì)情況影響，包括工程條件、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和地面沉降等。

3）其他因素

核輻射環(huán)境還受氣象條件、植被和土壤等條件的影響。其中，氣象條件對核輻射環(huán)境的影響主要是風(fēng)和降水。風(fēng)速是非常重要的影響指標(biāo)，主要包括水平方向的擴(kuò)散與空氣流動的擴(kuò)散兩個方面。另外，降水會使核輻射污染物跟雨水混合，一起向外擴(kuò)散。

2 核輻射安全狀態(tài)分級

核輻射環(huán)境類型多樣，不同類型的核輻射環(huán)境影響因素、監(jiān)測的信息和監(jiān)測的次數(shù)均不同。如鈾尾礦庫（或鈾廢石場）受γ輻射、氡氣、庫區(qū)容積、坡度、巖石穩(wěn)定性、降雨量、地下水等因素影響，按照國家《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T61-2001》需定期監(jiān)測γ輻射空氣吸收劑量率、氡及其子體、氡析出率等項(xiàng)目；放射性伴生礦受所排廢水量、廢渣量、降水、風(fēng)等因素影響，按照國家《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T61-2001》需1、2次/年地監(jiān)測γ輻射空氣吸收劑量率、U、Th、226Ra、40K、氡等項(xiàng)目；核事故場外早期應(yīng)急監(jiān)測，按照國家《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范HJ/T61-2001》需對α射線、β射線、γ射線、中子（n）進(jìn)行快速、準(zhǔn)確監(jiān)測。

不同類型核輻射環(huán)境因環(huán)境區(qū)域本底及影響受眾不同，其環(huán)境安全劃分級別也不同。如鈾廢礦石堆（或鈾尾礦庫）環(huán)境安全特點(diǎn)，來劃分環(huán)境安全狀況等級。鈾廢礦石堆作為人工堆積成的具有放射性的壩體，其環(huán)境安全主要受放射性水平、地質(zhì)因素及氣象因素等方面的影響。其放射性水平主要受γ輻射劑量率、氡吸出率、U、Ra等因素控制，其中γ輻射劑量率和氡析出率對環(huán)境的放射性影響較大，廢渣中的放射性元素含量、水系中的放射性元素含量也會造成一定危害；其地質(zhì)因素包括地質(zhì)構(gòu)造、巖石完整性、巖石堅(jiān)硬程度、地形地貌、壩體坡度、地下水及地表水等，其中巖石完整性對環(huán)境的影響程度較大；氣象因素包括降水、風(fēng)速、風(fēng)向等，其中降雨量對環(huán)境的放射性水平及地質(zhì)穩(wěn)定性水平均有一定影響。針對鈾廢礦石堆環(huán)境安全影響因素特點(diǎn)，影響環(huán)境的主要因素，根據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218－94）、相關(guān)文獻(xiàn)及資料，劃分鈾尾礦庫（或鈾廢礦石場）安全狀況等級見表。

鈾廢礦石堆環(huán)境安全分類標(biāo)準(zhǔn)表

安全等級巖體完整性指標(biāo)地震烈度年降雨量/（mm）植被覆蓋/（%）渣堆坡高/m渣堆坡度/（°）渣堆量/（104t）廢渣鈾/104Bq /kgγ劑量率/（10-8Gy/h） 極安全Ⅰ90～1000～20～40080～10010～150～100～10～7.40～17.4 安全Ⅱ75～902～3400～50050～8015～2010～251～37.4～3717.4～35 基本安全Ⅲ50～754～3500～60020～5020～3025～353～537～5035～50 不安全Ⅳ30～506～4600～70010～2030～4035～405～1050～10050～70 極不安全Ⅴ0～308～6700～10000～1040～8040～5010～20100～37070～120

3 核輻射環(huán)境安全監(jiān)測及信息融合

核輻射環(huán)境受放射性水平、地質(zhì)、氣象等因素影響，核輻射環(huán)境安全的監(jiān)測主要采用γ輻射探測器、α探測器、β探測器、中子劑量當(dāng)量儀、雨量計(jì)等多種傳感器。各種傳感器監(jiān)測的特征類型可能不同，監(jiān)測的信息特征也可能不同，這些信息有些具有實(shí)時性或非實(shí)時性，相互之間可能具有冗余性或互補(bǔ)性。而多傳感器信息融合就是將多個同質(zhì)類型及異質(zhì)類型的傳感器在空間或時間上的冗余或互補(bǔ)信息根據(jù)特定的方法進(jìn)行組合計(jì)算，獲得核輻射環(huán)境的一致性描述，能更詳盡、完備地展示核輻射環(huán)境系統(tǒng)的綜合特征。下面將從同質(zhì)傳感器與異質(zhì)傳感器兩方面分析研究核輻射環(huán)境的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息融合，實(shí)現(xiàn)核輻射環(huán)境的綜合評判與估計(jì)。

3.1 核輻射環(huán)境同質(zhì)傳感器信息融合

核輻射環(huán)境監(jiān)測中同質(zhì)傳感器信息融合通過對來自多個同類型傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可獲得相對于單傳感器更精確的估測數(shù)據(jù)，提高同質(zhì)傳感器的可靠性。多傳感器系統(tǒng)的融合技術(shù)方法有：貝葉斯估計(jì)、多貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、統(tǒng)計(jì)決策理論、DS推理以及具有置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則等。而貝葉斯估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中的多傳感器底層的一種常用的方法，故本文同質(zhì)傳感器信息融合采用貝葉斯估計(jì)的融合計(jì)算方法。

利用貝葉斯估計(jì)進(jìn)行核輻射環(huán)境的同質(zhì)傳感器信息融合，該方法主要解決來自多個相同類型傳感器的、對同一被測對象的測量數(shù)據(jù)信息融合問題，數(shù)據(jù)處理的任務(wù)是獲取對被測數(shù)據(jù)更為可靠的估計(jì)。該算法原理分為三部分：置信距離理論、最佳融合數(shù)的選擇方法、基于貝葉斯估計(jì)的融合計(jì)算方法。

3.1.1 置信距離

信息融合計(jì)算之前，須對每一個傳感器輸出數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷。由于被測對象的真值是未知的，只能依據(jù)各個傳感器輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系進(jìn)行判斷。為充分利用各傳感器測量性能的先驗(yàn)知識，引入置信距離概念。

在多傳感器測量系統(tǒng)中，有個同質(zhì)傳感器對核輻射環(huán)境進(jìn)行測量。x表示第個傳感器的輸出數(shù)據(jù)，x表示第個傳感器的輸出數(shù)據(jù)，均服從高斯分布。

d為x對x的置信距離，反映傳感器輸出數(shù)據(jù)對傳感器輸出數(shù)據(jù)的支持程度。

將個傳感器中任意兩個傳感器輸出數(shù)據(jù)之間的置信距離，用矩陣形式表示，得到個傳感器輸出數(shù)據(jù)的置信距離矩陣。

3.1.2 最佳融合數(shù)的選擇

得到置信距離矩陣后需要選擇一個臨界值對置信距離值進(jìn)行劃分，用以判斷兩個傳感器輸出數(shù)據(jù)之間是否支持。定義二值r變量表示第個傳感器的輸出是否支持第個傳感器的輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)表示第個傳感器支持第個傳感器，當(dāng)表示第個傳感器不支持第個傳感器，即：

由此也可得到一個矩陣，我們稱之為關(guān)系矩陣：

得到關(guān)系矩陣后，需要選擇融合臨界值，來判斷該核輻射傳感器輸出的有效性，即當(dāng)一個核輻射傳感器的輸出個數(shù)多于時認(rèn)為其輸出數(shù)據(jù)可以參與信息融合。由此方法可得到關(guān)系矩陣的有效融合個數(shù)，也就是核輻射環(huán)境的最佳融合數(shù)。

3.1.3 信息融合

根據(jù)貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論將核輻射傳感器輸出數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)知識，每個核輻射傳感器均服從高斯分布，而每一次檢驗(yàn)過程可動態(tài)地看作是對先驗(yàn)知識的不斷修正過程。

核輻射環(huán)境信息融合就是得到個有效融合的傳感器的均值及方差，同質(zhì)融合傳感器也服從高斯分布，設(shè)，即：

核輻射環(huán)境信息融合的均值為：

其中，xxx，，μ，為核輻射環(huán)境傳感器的均值，σσσσ為核輻射環(huán)境傳感器的方差，μ為核輻射環(huán)境傳感器所有輸出數(shù)據(jù)的均值，σ為核輻射環(huán)境傳感器所有輸出數(shù)據(jù)的均方誤差。核輻射環(huán)境傳感器信息融合后的均值μ即為核輻射環(huán)境同質(zhì)傳感器信息融合結(jié)果。

3.2 輻射環(huán)境異質(zhì)傳感器信息融合

核輻射環(huán)境安全監(jiān)測主要采用輻射探測器、探測器、探測器、中子劑量當(dāng)量儀、雨量計(jì)等多種傳感器。不同類型的傳感器其特征信息均不同，相互之間具有空間或時間上的冗余性或互補(bǔ)性，本文利用灰關(guān)聯(lián)分析的方法進(jìn)行異質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)的信息融合。

灰關(guān)聯(lián)分析是根據(jù)曲線幾何形狀的相似程度判斷核輻射環(huán)境異質(zhì)傳感器的相互關(guān)系。通過對核輻射環(huán)境安全的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)特征向量的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行系統(tǒng)特征優(yōu)勢分析，從整體上考慮核輻射環(huán)境的安全性，最終根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小給出核輻射環(huán)境的安全評判。

其中?（）稱為第個指標(biāo)x與x的絕對差；0.5是分辨系數(shù)。

參考序列的取值區(qū)間為x=[（），b（）]。

要利用灰關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行核輻射環(huán)境安全評判，需得到環(huán)境安全因素的權(quán)重。本文采用3標(biāo)度層次分析法，比較核輻射環(huán)境安全因素兩兩之間的重要程度，建立比較矩陣，并將比較矩陣對應(yīng)的行元素與列元素相加求均值，得到最優(yōu)傳遞矩陣。對最優(yōu)傳遞矩陣進(jìn)行指數(shù)運(yùn)算，建立一致矩陣（即判斷矩陣），該方法滿足一致性要求，也不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。將一致矩陣的特征向量歸一化處理即為核輻射環(huán)境第層系統(tǒng)的權(quán)重指標(biāo)：

核輻射環(huán)境的綜合權(quán)重為指標(biāo)層的權(quán)重與目標(biāo)層和描述層的相應(yīng)權(quán)重相乘，即各指標(biāo)權(quán)重的加權(quán)權(quán)重。將各指標(biāo)的綜合權(quán)重歸一化，即得到核輻射環(huán)境異質(zhì)傳感器信息融合權(quán)重為。

其中，w為影響核輻射環(huán)境安全的綜合權(quán)重，滿足：（11）

同時根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，取最大關(guān)聯(lián)度作為待測核輻射環(huán)境的安全等級。

核輻射環(huán)境的安全等級，可分為兩個方面，即單因素指標(biāo)的評判和綜合安全評判。我們一般將核輻射環(huán)境安全分為五個等級，即極安全、基本安全、安全、不安全、極不安全，相應(yīng)對應(yīng)于五個預(yù)警警度，即無警、微警、輕警、中警和重警。

4 結(jié)論與認(rèn)識

為了及時發(fā)現(xiàn)核能開發(fā)和利用過程中可能出現(xiàn)的安全隱患，保障核輻射環(huán)境安全，本文分析核輻射環(huán)境的類型及其環(huán)境影響因素，分別利用貝葉斯估計(jì)和灰關(guān)聯(lián)分析，開展核輻射環(huán)境同質(zhì)傳感器信息融合和異質(zhì)傳感器信息融合兩個關(guān)鍵問題的研究工作。運(yùn)用信息融合的方法評判核輻射環(huán)境的安全狀況，可充分利用先驗(yàn)信息，增加評判結(jié)果的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，有效減少人為因素的干擾，為政府及相關(guān)部門提供災(zāi)害預(yù)警信息，有助于核輻射危害的管理與防治決策。

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Research on Multi-sensor Information-Fusion Technology for Nuclear Radiation Environment

WANG Li-kun1YUAN Hong1LIU Fang1CHEN Jin-chao2

（1-Sichuan Kinghe Mining Co., Ltd., Chengdu 610061; 2- Chengdu University of Technology, Chengdu 610059 ）

This paper has a discussion on the types and the safety factors of nuclear radiation environment in order to find out the potential nuclear radiation safety hazard in the development and utilization of nuclear energy. The Bayesian estimation with grey correlation analysis is used for carrying out the homogeneous and heterogeneous sensor information fusion. This method plays an important role in the evaluation, management and prevention of nuclear radiation environment.

nuclear radiation environmental; information fusion; Bayesian estimation; gray correlation analysis

TL75

A

1006-0995（2016）03-0516-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.03.037

2015-11-27

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014FZ0030）

王麗坤（1985-），女，山西應(yīng)縣人，工程師，研究方向：信號與信息處理、監(jiān)測預(yù)警、安全評價