基于物聯(lián)網(wǎng)的測井放射源在線式智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

呂楠 呂幸端 李軍

摘 要：本課題基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對勝利測井公司施工作業(yè)中對放射源的管理需求，通過本課題的研究，解決測井放射源監(jiān)控面臨的主要難題及關(guān)鍵技術(shù)，解決放射源本體監(jiān)控，以及遠(yuǎn)程觀測監(jiān)控中心多數(shù)據(jù)庫、多任務(wù)、多用戶、平臺擴(kuò)展和組織架構(gòu)等一系列監(jiān)測難題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；測井；放射源；智能管理

概述：放射性測井是石油工業(yè)與探礦工業(yè)的一項(xiàng)重要的測井工藝，是在油氣勘探過程中進(jìn)行的特殊的和帶有一定風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)。放射源的使用不當(dāng)或丟失會(huì)造成極大的環(huán)境危害和社會(huì)恐慌。因此，要對放射源進(jìn)行嚴(yán)格有效的監(jiān)管與控制，以保障環(huán)境與人身的安全。

1.問題的提出

《中華人民共和國放射性污染防治法》（2003 年）、《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》（國務(wù)院449 號令）等二十多部法律法規(guī)，嚴(yán)格規(guī)范了放射源的使用及管理全過程，對放射源的銷售、購買、儲運(yùn)、使用、退役等均做了嚴(yán)格的規(guī)范要求，并明確了監(jiān)管機(jī)構(gòu)和責(zé)任部門。企業(yè)作為放射源的直接使用者，對放射源的監(jiān)管負(fù)有最為重要而不可推卸的責(zé)任。

勝利測井公司是一個(gè)大型綜合性專業(yè)技術(shù)服務(wù)公司，現(xiàn)有近百個(gè)裝備精良的作業(yè)隊(duì)伍，因測井作業(yè)的需要，常年使用大量放射源（總數(shù)量約260 枚），部分放射源活度極大，且需隨施工車赴野外工地作業(yè)。目前其放射源日常管理主要以人工方式為主，程序繁瑣，人員暴露時(shí)間長，而且工作責(zé)任巨大，護(hù)源人員心理負(fù)擔(dān)較重，萬一發(fā)生放射性源撒落等問題，將給國家造成不可估量的政治影響和經(jīng)濟(jì)損失，亟需研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的放射性源在線智能管理系統(tǒng)。

2.原理與方法

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)完成測井作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺和測井儀器車流動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)平臺見圖1。實(shí)現(xiàn)測井海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和業(yè)務(wù)分析一體化，能夠支持移動(dòng)3G技術(shù)的成熟和4G技術(shù)等多種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，通過該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急管理、安全防范等領(lǐng)域的快速應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和已有的建立在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫上的各種測井應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成，充分發(fā)揮已有信息資源的價(jià)值，真正發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的“物物互聯(lián)、感知世界”的核心價(jià)值。

通過GPS、GPRS、RFID、GIS、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用，對生產(chǎn)管理、安全、測井資料質(zhì)量、放射源、車輛進(jìn)行多方位監(jiān)控，實(shí)施測井放射源雙監(jiān)控平臺的管理，形成與源車、絞車、護(hù)源工的聯(lián)動(dòng)報(bào)警的全過程智能管理，提升QHSE管理水平 。

3.系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在國外，美國核管理委員會(huì)（Nuclear Regulatory Commission）和挪威放射性保護(hù)管理局（Radiation Protection Authority）相繼推出了測井用放射源安全使用許可制度，對放射源的存放、監(jiān)管、使用、運(yùn)輸以及回收等過程制定了詳細(xì)的規(guī)范，同時(shí)為保護(hù)測井操作人員免于放射性傷害，制定了放射性保護(hù)和安全需求。在2005年IEEE工業(yè)技術(shù)會(huì)議上，推出了ALDS系統(tǒng)，主要應(yīng)用于測井現(xiàn)場的密封放射源的自動(dòng)泄露檢測。國外還未見類似本課題研究內(nèi)容的相關(guān)報(bào)道。

國內(nèi)相關(guān)課題的研究主要集中在放射源源庫監(jiān)控，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集選用能監(jiān)測各種放射性工作場所X、Y射線輻射劑量率的輻射劑量儀，將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到數(shù)據(jù)終端；或采用RFID射頻系統(tǒng)或紅外通訊系統(tǒng)在源庫范圍內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控放射源。國內(nèi)，特別是對放射源在車輛運(yùn)輸過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控研究較少，而在測井服務(wù)程序中，放射源從源庫到井場的運(yùn)輸過程是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，極易造成放射源的丟失，因此放射源在運(yùn)輸過程中的監(jiān)控研究勢在必行，也是今后的發(fā)展趨勢。

3.2 需求分析

一是建設(shè)測井放射源物聯(lián)網(wǎng)平臺，形成一套成熟的源庫、源車監(jiān)控、放射源本體監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)、測井放射源物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺系統(tǒng)，以及相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范。

二是實(shí)現(xiàn)源罐、源車、絞車與護(hù)源工、生產(chǎn)調(diào)度部門的實(shí)時(shí)、閉環(huán)、聯(lián)動(dòng)報(bào)警，提升測井作業(yè)的精細(xì)化管理水平。

圖1 測井放射源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概念圖

3.3 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)源罐、源車、絞車與護(hù)源工、生產(chǎn)調(diào)度部門的實(shí)時(shí)、閉環(huán)、聯(lián)動(dòng)管理。系統(tǒng)中RFID檢測設(shè)別負(fù)責(zé)讀取放射源電子標(biāo)簽中的信息，放射源輻射探測器確定源是否位于屏蔽罐（箱）中，二者信息融合為放射源的識別信息，再加上出入庫、上下車以及放射源出庫時(shí)錄入的管理員、車牌號，車輛GPS定位信息、視頻監(jiān)控等其它信息，共同組成放射源的管理信息，這些構(gòu)成了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的核心信息。

4.總體設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

對監(jiān)控目標(biāo)（具體到哪個(gè)放射源）的監(jiān)控總體要求是“源在哪里，監(jiān)控就跟蹤到哪里?！本唧w要求為：

（1）對每個(gè)源庫，監(jiān)控目標(biāo)是否在源庫里，其出入庫情況。監(jiān)控信息在源庫本地顯示，并上傳到控制中心并形成數(shù)據(jù)記錄。

（2）對每一輛源車，監(jiān)控目標(biāo)是否在源車上，源車的出入大門的情況，包括源車編號（牌照號）、車上所載放射源信息（源ID號）等。監(jiān)控信息在值班室本地顯示，并實(shí)時(shí)上傳到控制中心，形成數(shù)據(jù)記錄。

（3）源車外出期間，監(jiān)控目標(biāo)的異常。監(jiān)控信息在車上本地顯示，異常報(bào)警信息及時(shí)傳給押運(yùn)員，并上傳到控制中心，形成報(bào)警記錄。

（4）在控制中心，可通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)查詢?nèi)我夥派湓吹拇鎯褪褂们闆r；查詢源車位置、車載放射源狀況；自動(dòng)顯示異常報(bào)警信息并啟動(dòng)報(bào)警處置程序；生成放射源使用情況統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

4.2 設(shè)計(jì)原則

（1）實(shí)時(shí)性原則

放射源監(jiān)測系統(tǒng)必須做到對放射源的儲存、運(yùn)輸、異常情況等狀態(tài)進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，并將監(jiān)測信息實(shí)時(shí)傳輸至控制中心或值班室。

（2）可靠性原則

監(jiān)測系統(tǒng)同時(shí)使用在線式輻射探測和放射源RFID（電子標(biāo)簽）管理兩套監(jiān)控裝置，可實(shí)現(xiàn)放射源有無及放射源身份的雙重識別。同時(shí)設(shè)計(jì)了重要數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證機(jī)制，保證了系統(tǒng)的高可靠性。

（3）嚴(yán)密性原則

針對測井公司放射源儲存、運(yùn)輸、施工等工作的每個(gè)操作環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了相匹配的監(jiān)測手段和智能化裝置，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測過程的無縫連接，杜絕監(jiān)控漏洞，提高監(jiān)控過程的嚴(yán)密性。

（4）高效性原則

在各個(gè)監(jiān)測位置設(shè)計(jì)了自動(dòng)輻射監(jiān)測裝置和總線式（或紅外）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，并安裝智能化控制終端，以實(shí)現(xiàn)出入庫、進(jìn)出院門和車載運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化操作，將大大提高放射源管理工作效率。

（5）安全性原則

放射源的管理工作存在一定的危險(xiǎn)性。以信息化、自動(dòng)化的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)操作人員的遠(yuǎn)距離自動(dòng)作業(yè)，盡可能縮短操作人員接觸放射源的時(shí)間，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)遵循的安全性原則。

4.4 系統(tǒng)架構(gòu)

以監(jiān)測系統(tǒng)所處的位置來劃分，放射源監(jiān)測系統(tǒng)包括：源庫監(jiān)測子系統(tǒng)、出入庫管理子系統(tǒng)、源車監(jiān)測子系統(tǒng)和測井放射源物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺系統(tǒng)等四部分。源庫監(jiān)測子系統(tǒng)安裝于每個(gè)源庫入口處，可對出入源庫的放射源進(jìn)行自動(dòng)檢測和登記；出入庫管理子系統(tǒng)安裝在車輛出入口處，用于對車輛的出入進(jìn)行控制。源車監(jiān)控子系統(tǒng)安裝于每個(gè)源車上，可對放置于源車上固定位置的每一個(gè)放射源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；測井放射源物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺系統(tǒng)安裝于控制中心計(jì)算機(jī)，可對整個(gè)系統(tǒng)中源車及放射源的位置、狀態(tài)等信息進(jìn)行記錄、儲存、查詢和異常報(bào)警等操作。

放射源的監(jiān)測管理以源庫為界限，記錄外出源車所載有的放射源類型和數(shù)量以及返回源車的放射源類型和數(shù)量。在源庫處記錄的外出放射源的總數(shù)量應(yīng)等于所有源車上放射源的數(shù)量之和； 在源庫門口記錄放射源出入源庫和上下源車的情況，由源庫監(jiān)測子系統(tǒng)和源車監(jiān)測子系統(tǒng)協(xié)同完成（出入庫管理系統(tǒng)）。源車上的放射源上下車情況由源車監(jiān)測子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，在開啟異常報(bào)警功能時(shí)，還能將放射源的異常移動(dòng)向控制中心和押運(yùn)員報(bào)警。

四個(gè)子系統(tǒng)的監(jiān)測信息，包括放射源ID編號、放射源基本信息、出入庫情況、上下車情況、源車位置、押運(yùn)員、庫房管理員、車牌號和作業(yè)時(shí)間信息等，均通過網(wǎng)絡(luò)接口或3G無線通道發(fā)送到控制中心，并存入控制中心信息管理數(shù)據(jù)庫中，共后續(xù)查詢和管理使用。其中，源庫位置固定，可采用內(nèi)部局域網(wǎng)上傳監(jiān)測信息到控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)；而源車運(yùn)輸放射源進(jìn)行野外作業(yè)，移動(dòng)范圍大，因此，需通過3G等無線通信業(yè)務(wù)上傳信息到控制中心見圖3。

4.5 技術(shù)路線

在查閱國內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)，消化、吸收、借鑒國內(nèi)外業(yè)已取得的研究成果的基礎(chǔ)上，利用成熟軟硬件技術(shù)和方法開展源庫監(jiān)控子系統(tǒng)、院門監(jiān)控子系統(tǒng)和源車監(jiān)控子系統(tǒng)的研究；重點(diǎn)對放射源本體監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程觀測監(jiān)控中心系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要思路是在目前成熟的軟硬件基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件電路的集成設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)多數(shù)據(jù)庫、多任務(wù)、多用戶和平臺可擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，按照“設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-實(shí)驗(yàn)-修改”的開發(fā)模式，逐步完善系統(tǒng)，探索建立一套適應(yīng)勝利測井公司特點(diǎn)的測井放射源監(jiān)控系統(tǒng)；由該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，形成測井放射源監(jiān)控的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范。通過在測井公司源庫、多個(gè)測井小隊(duì)和遠(yuǎn)程觀測監(jiān)控中心部署該系統(tǒng)，驗(yàn)證研究成果并達(dá)到放射源丟失零事故的效果。

4.6 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵，包括放射源本體GPS/GPRS跟蹤定位技術(shù)（包括電路設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、信號引入）；遠(yuǎn)程觀測雙監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與開發(fā)技術(shù)； 放射源射線檢測模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)；遠(yuǎn)程觀測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)與報(bào)警技術(shù)；遠(yuǎn)程觀測監(jiān)控系統(tǒng)組織機(jī)構(gòu)架設(shè)與多任務(wù)平臺擴(kuò)展技術(shù)。

5.達(dá)到效果

（1）通過建設(shè)測井放射源物聯(lián)網(wǎng)平臺，形成一套成熟的源庫、源車監(jiān)控、放射源本體監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)、測井放射源物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺系統(tǒng)。

（2）實(shí)現(xiàn)源罐、源車、絞車與護(hù)源工、生產(chǎn)調(diào)度部門的實(shí)時(shí)、閉環(huán)、聯(lián)動(dòng)報(bào)警，提升測井作業(yè)的精細(xì)化管理水平，其實(shí)際監(jiān)控過程。

6.結(jié)論

通過本課題的研究，形成具有領(lǐng)先水平的測井放射源監(jiān)控技術(shù)產(chǎn)品、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范，最大限度的降低測井放射源丟失事故發(fā)生率，避免由于放射源丟失造成的人員健康受損帶來的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，節(jié)約測井公司的生產(chǎn)運(yùn)營成本，并最大限度的避免放射源丟失造成的社會(huì)不安定因素影響，對進(jìn)一步提高測井公司和油田的安全生產(chǎn)水平，保障油田生產(chǎn)所需的穩(wěn)定外部社會(huì)環(huán)境具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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