反应堆安全壳是一个将反应堆本体及一回路蒸汽发生器、主泵、稳压器、管道、阀门等设备包围集中在一起的密封建筑。安全壳能承受一定的内压，一旦发生事故，密封的安全壳能防止放射性物质扩散，不致污染周围环境。安全壳是确保核电站安全的最后一道屏障，是一个极其重要的建筑物^[1]。在安全壳进行打压试验期间，安全壳外壁裂缝易出现变形，影响安全壳的安全性能。裂缝作为土木工程结构中最常见的病理表现，对它的测量和危害性分析是有效维修的前提^[2]。对于安全壳受力的薄弱环节和打压试验期间的裂缝发生区，建立裂缝监测系统能及时发现裂缝的发生和发展趋势，更加有效地控制裂缝的发展，并为安全壳的日常维修和打压试验提供更准确的裂缝变化数据^[3]。

目前国内的反应堆安全壳裂缝监测工作主要是由法国一家公司完成的。该公司是在安全壳进行打压试验期间将传感器布设在安全壳外壁的裂缝处，等打压试验完成后取回传感器，再对数据进行分析。该方法无法在打压试验期间实时监测裂缝变形，且费用昂贵。近年来，无线传感器网络技术由于其自组织性、微结构性、低成本、灵活性、可靠性好、安装和维护成本低廉等特点，在变形监测系统中作为一种新型的数据传输方式正不断受到广泛的关注^[4]。

本文介绍的基于无线传感器网络的反应堆安全壳裂缝实时监测系统，能够实时地将布设在安全壳外壁裂缝上传感器的数据传回并进行处理和分析，可以有效地在打压试验期间对安全壳的裂缝进行实时监测。

1 无线传感器网络

无线传感器网络是一种无中心节点的全分布式系统，典型的无线传感器网络结构图如图 1所示。无线传感器节点随机布设在监测区域内，这些传感器节点集成有传感器、供电模块、数据处理、存储单元和通信模块。无线传感器节点经过多跳转发，自组织地构成网络系统，将信息发给汇集节点供用户使用^[2]。

本文介绍的反应堆安全壳裂缝实时监测系统的无线传感器网络体系如图 2所示。为了节省传感器节点的耗电量，延长传感器节点的工作时间，使用了固定的汇集节点——中继器。处于中继器接收范围内的无线传感器节点都将监测数据无线传输给中继器，然后中继器将接收到的数据转发给网关节点，网关节点通过串口直接连接到用户计算机。通过计算机终端对无线传感器网络进行配置和管理，并建立监测任务，收集和处理监测数据。

2 系统组成及安装 2.1 系统硬件

本文所涉及的无线传感器产品分别是无线传感器节点 (自带温度传感器模块)、数字式位移传感器、汇集节点及网关节点，如图 3所示。

2.2 系统软件

反应堆安全壳裂缝实时监测系统软件是在Microsoft Visual Studio 2010平台上用C#语言开发。软件主要包括系统设置、数据存储、数据查询、数据导入导出、绘制变形曲线图等功能。

2.3 系统安装

该系统安装所需的仪器设备如下：无线传感器节点30个，数字式LVDT位移传感器30个，汇集节点4个，网关节点1个，数据线1条，计算机1台。

布点原则：首先在安全壳上标注出需要安装传感器的位置，传感器位置确定的原则如下：长度为0~100 cm的裂缝，在裂缝中间位置安装一个传感器；长度为100~200 cm的裂缝，在裂缝的首尾各安装一个传感器；长度大于200 cm的裂缝，在裂缝首尾和中间一共安装3个传感器。

设备安装步骤为：

1) 根据需求对传感器节点进行采样率设置；

2) 清空传感器节点的存储空间；

3) 将传感器固定在安全壳外壁相应位置上；

4) 在安全壳穹顶顶部及圆环四周安装4个汇集节点；

5) 网关节点通过数据线与计算机连接。

3 系统测试

本次试验的内容主要是对无线信号传输、数据丢失率、节点耗电量和系统软件稳定性这4个方面的测试。试验场地为某核电站某安全壳的穹顶，穹顶内侧全部覆盖一层防泄漏的厚为6 mm的钢衬里，外侧为厚0.9 m的预应力混凝土。穹顶的密封结构导致信号无法穿透。穹顶表面为半球面，周围环境空旷，不存在反射面，信号无法反射。

为了测试不同采样率条件下的数据丢失率和节点耗电量，试验时将30个节点分成3组，每组10个节点，3组节点的采样率分别为1 min、15 min、30 min。每种采样率条件下的系统运行24 h，最后通过计算机终端接收到的数据总量来计算各采样率条件下的数据接收率，并查看节点耗电量。

3.1 无线信号传输

按照§2.3中的步骤完成系统设备安装。在计算机上运行该系统软件，通过5个周期的数据接收试验，30个传感器的数据全部能够接收到，说明该系统在反应堆安全壳上的无线信号传输功能满足要求。

3.2 数据丢失率

3种不同采样率条件下的数据丢失率见表 1。

从表 1可以看出，3种不同采样率的数据丢失率都小于20%，当采样间隔不低于15 min时，数据丢失率低于3%。采样率为1 min时，数据丢失率为17.4%，这主要是采样时间间隔太短，每1 min会有10个无线节点将传感器监测的数据发给汇集节点，由于环境影响以及传感器本身无线射频模块和休眠时间冲突等不稳定性因素，会导致数据丢失^[5-7]。在实际生产中，安全壳裂缝实时监测设置30 min采样率已经完全满足需求，所以在实际生产中采用该系统数据丢失率小于2%。

3.3 节点耗电量

3种不同的采样率条件下的节点耗电量如表 2所示 (试验后的节点电量为平均值)。

从表 2可以看出，采样率越高, 耗电量越大。在实际生产中所需的监测采样率为30 min，在该采样率下, 整个系统可监测时长为71 d，完全满足在安全壳打压试验整个过程对裂缝进行实时监测。

由于传感器节点监测裂缝宽度的变化是比较缓慢的，没有必要让所有节点一直处于工作状态，所以本系统设计的传感器节点在不需要进行监测及数据传输时处于休眠状态，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，能够节省电量，延长工作时间。休眠机制也是目前无线传感器网络中节省能源最有效的方式之一^[8-10]。

3.4 系统软件稳定性

在整个系统运行过程中，系统软件实时接收传感器监测数据，如图 4所示。

该界面可以完成对实时接收的传感器监测数据进行查看、导入和导出数据功能。

系统可以对实时接收的传感器监测数据进行处理，绘制裂缝变形-时间图和温度-时间图，如果导入压力数据, 可以绘制压力-裂缝变形图，如图 5所示。该界面可以完成图像绘制、图像保存和导出功能。

在整个试验过程中，系统软件能够实时接收传感器监测数据并对数据进行处理，具有很好的稳定性。

4 结束语

相对于传统的反应堆安全壳裂缝监测系统架构，本文提出的基于无线传感器网络的反应堆安全壳裂缝实时监测系统能够实时地对裂缝变形进行监测。该系统的低数据丢失率和低节点耗能能够满足在安全壳整个完整的打压期间对安全壳裂缝的监测，并且通过数据处理和绘制变形曲线，能够实时地反映出打压期间裂缝变形的趋势，分析核安全壳内打压气压的变化和裂缝变形的相关性。整个系统安装方便、耗费低、稳定性好，能够很好地应用于反应堆安全壳裂缝实时监测中。