基于自組網(wǎng)技術(shù)的涉核環(huán)境人員安全系統(tǒng)研究

殷琪， 張宇星， 張安銳， 張弦， 王坤， 徐世超， 牛昊軒， 董岱林

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610213；2.哈爾濱希塔科技有限公司，哈爾濱150000）

0 引 言

在核電站換料檢修期間，有大量的人員執(zhí)行操作和檢修試驗(yàn)活動(dòng)，然而由于環(huán)境復(fù)雜，不可避免地存在人員安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。因此為了能實(shí)時(shí)掌握所有人員的安全狀態(tài)，需要建立一個(gè)實(shí)時(shí)傳輸所有現(xiàn)場(chǎng)人員身體和所處環(huán)境情況的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以便于后端指揮人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)前端存在的問(wèn)題并執(zhí)行正確的決策。

目前在煤礦井下作業(yè)、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理及軍事領(lǐng)域等特殊領(lǐng)域已經(jīng)在應(yīng)用分布式的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)，建立人員或者設(shè)備的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

本文簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)通信技術(shù)，并將該技術(shù)與核電站換料檢修等應(yīng)用場(chǎng)合相結(jié)合，開(kāi)展了涉核環(huán)境人員安全系統(tǒng)的探析研究。

1 自組網(wǎng)技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)是一個(gè)具備臨時(shí)性自治功能的系統(tǒng)，主要由多個(gè)附帶無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成，又被簡(jiǎn)稱(chēng)為“Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)”。在無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)中，每個(gè)用戶(hù)終端可以在一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)，并且每個(gè)移動(dòng)終端都具備路由器和主機(jī)的功能。在實(shí)際使用時(shí)，每個(gè)用戶(hù)終端可以隨機(jī)或者特定地部署在目標(biāo)環(huán)境中，各個(gè)用戶(hù)終端間通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的協(xié)議自組織起來(lái)，從而獲取環(huán)境信息并且相互協(xié)同完成特定任務(wù)。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)的顯著不同點(diǎn)在于其不依賴(lài)于固定設(shè)施，因此可以在絕大多數(shù)地方展開(kāi)并構(gòu)成臨時(shí)性的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：1）自組織。各個(gè)移動(dòng)終端地位平等，任意一個(gè)終端的加入和離開(kāi)都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。2）動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。自組網(wǎng)技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信質(zhì)量和各終端狀態(tài)，并快速地調(diào)整由于終端位置的不斷變化、無(wú)線(xiàn)信道間的相互干擾、地形的復(fù)雜多變、終端的臨時(shí)開(kāi)閉等因素導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。3）分布式控制。各個(gè)終端均具備獨(dú)立路由和中心控制功能, 分布式的控制方式使整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性，解決了單一中心控制損毀而導(dǎo)致的整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)題。

然而，無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)與我們常見(jiàn)的諸多無(wú)線(xiàn)設(shè)備一樣，還存在一定技術(shù)瓶頸，相對(duì)于有線(xiàn)通信，其主要技術(shù)劣勢(shì)有：1）能源受限。各個(gè)移動(dòng)終端的能源供應(yīng)均來(lái)源于電池，受制于目前電池技術(shù)的發(fā)展，持續(xù)使用時(shí)間不長(zhǎng)，尤其是自組網(wǎng)系統(tǒng)中作為主機(jī)的終端，因此需考慮節(jié)省能源。2）帶寬有限。相比于有線(xiàn)信道，無(wú)線(xiàn)信道的帶寬要低得多，并且由于無(wú)線(xiàn)信道衰減、相互間干擾等因素存在,使得終端實(shí)際帶寬遠(yuǎn)小于理論最大帶寬值，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。3）安全性較差。無(wú)線(xiàn)信道相比于有線(xiàn)通信，由于缺乏物理防護(hù)，容易被入侵、偽造、竊聽(tīng)等各種網(wǎng)絡(luò)攻擊，導(dǎo)致信息傳輸存在泄漏和惡意篡改等風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)信息做加密技術(shù)處理，完善保密機(jī)制。

2 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

2.1 涉核環(huán)境特點(diǎn)

1）屏蔽環(huán)境。涉核場(chǎng)所為了防止核輻射外放，設(shè)置了諸多的輻射屏蔽物，例如混凝土層、鉛層等，因此常規(guī)的信號(hào)通信技術(shù)應(yīng)用局限性很大。

2）人員分散，并行操作。換料檢修時(shí)往往需要人員分散到多個(gè)位置，并行操作，若是想將安全管理精確到每一個(gè)人，常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)人員安全管理方法具備很大的實(shí)施難度。

3）輻射危險(xiǎn)。核輻射是無(wú)影無(wú)形的，操作人員可能會(huì)誤入較強(qiáng)的輻射區(qū)域，常規(guī)的輻射標(biāo)識(shí)物提示方法存在管理漏洞，管理人員也無(wú)法掌握每個(gè)人的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4）高操作安全性。為了保證核安全，涉核操作需要很高的操作安全性，任何微小的操作失誤都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故發(fā)生，因此對(duì)于操作者的自身狀態(tài)要求較高，而目前采用的管理辦法為旁邊設(shè)置專(zhuān)人通過(guò)目視管理，但這樣只能關(guān)注到操作情況，無(wú)法了解操作者的狀態(tài)，存在事故發(fā)生的隱患。

2.2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

該人員安全系統(tǒng)主要由移動(dòng)用戶(hù)終端、移動(dòng)式信號(hào)中繼站、現(xiàn)場(chǎng)控制中心、遠(yuǎn)程指揮終端構(gòu)成。一線(xiàn)施工人員佩戴移動(dòng)終端進(jìn)入目標(biāo)應(yīng)用區(qū)域，對(duì)施工人員自身狀態(tài)和所處環(huán)境情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以自組網(wǎng)的形式組成子系統(tǒng)，安全系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別出與信號(hào)中繼站通信質(zhì)量最佳的移動(dòng)終端，并且指示信號(hào)中繼站移動(dòng)至最佳位置，從而保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。然后信號(hào)中繼站將信號(hào)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)控制中心，便于控制中心調(diào)度人員實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息，及時(shí)做出正確的決策。若是有需要，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星的方式將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程指揮終端。該系統(tǒng)中所有的通信是雙向的，既可以自下而上，也可以自上而下，保證了施工作業(yè)的后端控制與現(xiàn)場(chǎng)反饋形成閉環(huán)，為施工人員的安全提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保護(hù)盾。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)研究

在復(fù)雜的涉核環(huán)境中，由于存在信號(hào)屏蔽，通信路線(xiàn)基本不可能實(shí)現(xiàn)露天空曠環(huán)境下的直線(xiàn)傳輸，需要系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出最佳的多點(diǎn)傳輸路徑，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是該人員安全系統(tǒng)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

目前，主要的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)包括LoRa、SigFox、NB-IoT、ZigBee、6LoWPAN、Wireless HART、WIFI和BLE等。不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其適用場(chǎng)景不同。LoRa、SigFox和NB-IoT技術(shù)比較適合于傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗、數(shù)據(jù)速率低、傳輸數(shù)據(jù)量少的應(yīng)用場(chǎng)景（如智能抄表、智能物流）。LoRa和SigFox數(shù)據(jù)速率很低，NB-IoT成本相對(duì)較高。ZigBee、6LoWPAN這類(lèi)比較適合于傳輸速率要求相對(duì)較高、距離短、需要雙向準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信的場(chǎng)景。ZigBee和6LoWPAN都是無(wú)線(xiàn)多跳自組網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)速率較低，通常采用異步通信。異步通信網(wǎng)絡(luò)由于沖突、干擾、重傳等導(dǎo)致信道利用率低。Wireless HART基于TDMA設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，實(shí)時(shí)性高，常用于工業(yè)控制，其部署成本相對(duì)較高。WI-FI和BLE比較適合于數(shù)據(jù)傳輸速率要求高、距離短的應(yīng)用場(chǎng)景，如WI-FI適用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，BLE用于手環(huán)。目前主要的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和高可靠時(shí)間同步技術(shù)（HRTS）對(duì)比如表1所示。

表1 主要無(wú)線(xiàn)技術(shù)和高可靠時(shí)間同步技術(shù)（HRTS）對(duì)比

我們的人員安全系統(tǒng)需要在屏蔽環(huán)境內(nèi)自組網(wǎng)形成局域管理網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)需要較強(qiáng)的穩(wěn)定性及獨(dú)立運(yùn)行能力，因此NB-IoT完全不能滿(mǎn)足應(yīng)用環(huán)境。為了保障作業(yè)人員生命安全，在核環(huán)境里，需要布置各種環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器（輻射監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)等），人員需要佩戴生命體征（心跳、血氧、血壓等）傳感器和定位裝置，定位系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)人員活動(dòng)范圍、人員搜救、突發(fā)情況報(bào)警等。

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基于TDMA思想可實(shí)現(xiàn)基于高可靠時(shí)間同步技術(shù)（HRTS）工作在SUB-GHZ頻段的自主基站組網(wǎng)方案。該技術(shù)方案可支持信息采集、人員定位、網(wǎng)絡(luò)管理、雙向?qū)崟r(shí)通信。相比于異步網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，雖然HRTS同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜度相對(duì)較高，但是HRTS信道利用率高、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、時(shí)延較低并且有保障。同時(shí)HRTS數(shù)據(jù)速率相對(duì)較高，能夠支持更多的終端設(shè)備。并且HRTS工作在Sub-GHz頻段，相比于2.4 GHz，Sub-GHz干擾很少，傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)。由于HRTS傳輸距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)，相比于2.4 GHz無(wú)線(xiàn)技術(shù)，中央基站能夠覆蓋的小基站數(shù)量多，只需要少量的中央基站就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)封閉核作業(yè)環(huán)境的全覆蓋。并且在市場(chǎng)上已經(jīng)有過(guò)類(lèi)似的技術(shù)應(yīng)用案例，比如哈爾濱希塔科技有限公司已將該技術(shù)運(yùn)用于監(jiān)獄人員狀態(tài)監(jiān)測(cè)、大型管道檢修人員定位及環(huán)境采集等復(fù)雜封閉環(huán)境，因此基于高可靠時(shí)間同步技術(shù)（HRTS）工作在SUB-GHZ頻段的自主基站組網(wǎng)方案應(yīng)用于有核環(huán)境下人員安全保障的技術(shù)成熟度較高，具備很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

3 安全系統(tǒng)應(yīng)用探析

3.1 人員定位

該人員安全系統(tǒng)非常重要的一個(gè)功能便是提供現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)佩戴了移動(dòng)終端人員的定位信息，便于現(xiàn)場(chǎng)控制中心調(diào)度人員能實(shí)時(shí)掌握每個(gè)人的活動(dòng)軌跡，及時(shí)提醒接近危險(xiǎn)區(qū)域的人員，在發(fā)生事故后也能及時(shí)救援。

3.2 人員生命體征監(jiān)測(cè)

移動(dòng)終端搭載有生命體征傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴人員的身體狀態(tài)，比如心率、血氧、血壓、體溫、脈搏等關(guān)鍵身體機(jī)能指標(biāo)，讓施工人員自己和控制中心人員都能實(shí)時(shí)了解，降低了人員安全事故的概率。

3.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

移動(dòng)終端搭載有環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，可以實(shí)時(shí)采集佩戴人員的所處環(huán)境數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、輻射、有毒氣體含量、氫氧含量等關(guān)鍵環(huán)境數(shù)據(jù)，讓施工人員自己和控制中心人員都能實(shí)時(shí)了解，降低了人員安全事故的概率。

3.4 系統(tǒng)狀態(tài)反饋

定時(shí)自動(dòng)檢測(cè)人員安全系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并在網(wǎng)絡(luò)、硬件等出現(xiàn)故障時(shí)向控制中心反饋，便于系統(tǒng)維護(hù)人員及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的維護(hù)。

3.5 應(yīng)急事故處置

在核環(huán)境下，一旦發(fā)生預(yù)料之外的事故，可能會(huì)導(dǎo)致一線(xiàn)施工人員與后端控制人員失去聯(lián)系，也就是信號(hào)中繼站與移動(dòng)用戶(hù)終端通信中斷，在這種情況下，一定范圍內(nèi)的施工人員所佩戴的移動(dòng)終端可自行形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，相互間可以交流并且了解彼此的身體和環(huán)境狀態(tài)，同時(shí)所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)，當(dāng)救援通道打開(kāi)時(shí)，可以更加快捷有序地撤離事故現(xiàn)場(chǎng)，并且存儲(chǔ)的信息也能為后續(xù)的事故研究提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

本文對(duì)有核環(huán)境下人員安全系統(tǒng)進(jìn)行了整體介紹，對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)自組網(wǎng)通信展開(kāi)了調(diào)研，分析了目前幾大主流的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提出了基于高可靠時(shí)間同步技術(shù)（HRTS）工作在SUB-GHZ頻段的自主基站組網(wǎng)方案。結(jié)合目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境對(duì)該安全系統(tǒng)開(kāi)展了應(yīng)用研究，為后續(xù)自組網(wǎng)技術(shù)在核環(huán)境下的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。