辐射环境监测站一般由剂量率仪、谱仪、空气采样器、干湿沉降采样器、气象监测设备和系统软件等组成, 其内置的探测设备能实时监测, 系统软件对监测数据进行分析处理, 每个监测站的数据采用有线和无线互为冗余的方式传输到数据汇总中心(大型监测网络设有前沿站负责汇总区域数据), 数据汇总中心对区域内监测站的数据实时汇总^[1], 通常组网成为一套独立的、大型的监测系统, 是核设施和核电厂了解设施运行对周边环境影响的关键途径之一, 也是监管部门实施监督性监测的重要组成部分。目前, 环境保护部已在全国31个省(包括自治区、直辖市)部署了约140个辐射环境监测站^[2], 该系统在福岛核事故期间实时发布全国辐射环境连续监测数据, 为消除公众的疑惑和恐慌发挥了重要作用。2012督性监测。辐射环境监测站的稳定运行不仅能监控区域的辐射环境质量, 而且能起到预警和事故期间提供应急决策支持的关键性作用^[1-2]。

1 存在的几个问题

辐射环境监测站的系统软件作为人机交互的基础, 是实现稳定、可靠运行的关键因素之一。由于我国在这方面的建设起步较晚, 缺乏建设和运维经验, 现有辐射环境监测站系统软件普遍存在问题。

1.1 数据处理能力薄弱

现有系统软件已具备对数据进行存储、处理、分析和展示的基本功能, 但数据处理能力还比较薄弱, 需要大量的人工分析和干预^[1]。

1.1.1 异常数据的处理

辐射环境监测站的测量结果实时反映环境辐射场的变化, 是作为区域环境质量和应急预警的关键指标, 对数据的可靠性要求高。然而, 探测器或多或少地会受到环境变化(包括温湿度、降雨等)和设备故障的影响, 导致出现异常数据, 干扰我们的判断。图 1是某环境监测站的部分历史数据, 年, 环境保护部和国家能源局联合发布了《核电厂辐射环境现场监督性监测系统建设规范(试行)》的通知, 要求加强对核电厂的监客观地反映了此类问题。图中左侧出现了一个瞬时异常值, 数据处理中发现是由于高气压电离室压电效应导致电荷瞬时释放引起的异常数据, 而图中右侧也出现了局部数据偏高的情况(详见图 1右上角放大的图例), 这是由于当时空气中的氡、钍子体被雨水冲刷至地面或探测器表面引起的剂量率升高, 应为正常读数。然而, 现有系统软件无法主动甄别此类数据, 只能全部作为异常进行报警, 随后进行人工校核, 容易造成人力、物力的浪费, 影响系统的执行效率。

1.1.2 数据库的预处理

原始数据存入数据库后, 现有系统软件一般不对其进行预处理, 而是按照用户的指令对数据进行实时操作。由于辐射环境监测站的设备采集频率较快(30 s或5 min), 数据量随运行时间的增加而快速增长, 访问时在短时间内会对计算机系统造成大的运算负荷, 不仅降低了访问速度, 影响运行人员的观感, 甚至可能引起宕机。

1.2 运维效率低

辐射环境监测站的运行方式为自动运行, 运维模式为运行人员按制度定期进行维护和检查。由于部分辐射环境监测站建设在偏远地区, 交通和气候条件差, 人员素质参差不齐, 运行维护经验极其缺乏, 虽然投人的资源大, 但运维效率低^[1]。

1.3 缺乏主动性防护

辐射环境监测站部分建设在偏远地区, 采用无人值守方式运行, 目前主要通过防护栏等被动方式布控, 站房缺少摄像、门禁和雨浸等实时主动性防护系统。一方面受到建设资金的主观投资因素影响, 另一方面也受到网络带宽的客观制约。

2 系统软件的完善和改进 2.1 数据预处理

为提升系统软件的运行效能, 本工作对拉依达准则、肖维勒准则(Chauvenet)、狄克逊准则(Dixon)和格拉布斯准则(Gruhhs)剔除异常数据的效果和在国内外类似系统的应用情况进行了分析。环境保护部在《环境γ辐剂量率自动监测技术要求》(征求意见稿)中指出使用Gmbhs准则来剔除5分钟内的异常数据; 西班牙Almaraz核电站在RADLINE系统运行数年后, 通过对数据分析, Baeza等人建议使用拉依达准则来设定报警限值, 这种设定方法能充分涵盖区域环境辐射场的变化情况^[4], 是一种简单高效的处理方式。

本工作建议通过对特定区域的历史监测数据的统计分析来设定报警限值:

式中, D为实测剂量率k和σ分别为历史剂量率的统计平均值和标准偏差, n为灵敏度系数, 本工作建议分别设为-3、3和10

一旦实时监测数据偏离了正常统计范围(k-3σ≤D≤k+3σ), 软件自动对数据进行标识并触发二次分析机制。软件约定设备故障、系统故障或其它软硬件故障导致的数据异常升高(D﹥k+10σ)或降低(D <k-3σ)是瞬时发生的, 不会在数据采集周期(例如30 8或5 min)内持续发生, 因此, 瞬时发生的个别异常数据直接被剔除并做好数据标识, 便于运行人员排查数据异常的原因。

如果实时监测数据介于k+3σ<D< k+10σ之间, 软件将自动比对实时气象参数, 如采样周期内有降雨或降雪, 则直接入库统计, 否则应对数据进行标识, 由人工进行二次校核。

如果实时监测数据持续超过D=k+10σ则触发报警信号。

图 2是使用本方法对图 1中异常数据进行处理后的效果, 左侧由于高压电离室压电效应引起的异常值已被剔除, 右侧因下雨引起的异常值被自动识别为正常, 软件会对异常值进行标示并提示运行人员审查。

鉴于辐射环境监测站的地域性和气候变化会引起现存放射性水平的变化, 因此, 本方法建议确定报警限值时尽量使用较长(2个月以上)周期内的实际监测值进行计算。

数据库记录了全部的原始数据和经过处理后的二次数据。被剔除的、异常的监测数据都有数字标识, 运行人员对数据复核后可选择性恢复, 软件根据硬件运行环境的变化, 能在空闲时自动按照用户预先设定的统计间隔(例如天、月、季度和年)对数据进行二次处理并人库, 与未经处理直接访问相比, 访问速度可提高数十倍。

2.2 预防性维护

为了保证辐射环境监测站运行的可靠性, 必须对所有设备的状态和寿命有一个全面的掌控, 在设备失效之前预先进行维修和保养, 现有类似的辐射环境监测站都通过预先设定的运行维护计划进行人工维护, 这种运维方式对了解系统实时的运行工况常常是滞后的^[2]。

预防性维护能够从根本上改变运维的思维方式--从原来的"管理故障模式"向"管理故障影响和故障后果"方向转变, 针对辐射环境监测站中关键设备的特点建立可靠性维修体系, 从而提高辐射环境监测站的可靠性和运行效率, 降低维修成本。通过建立设备数据库, 记录设备功能、位置、制造商、供应商、规格、校验记录、设计参数、功能分级、故障缺陷记录、检修记录、备件数目、检定或校准周期等设备参数, 记录设备运行状态下各种动态参数、设备故障诊断信息、经验反馈等数据, 实现对设备缺陷或故障、定期试验、纠缺性检修、检定以及备件状况的动态式管理^[5]。对同一类型设备, 可根据仪表的结构和工艺流程, 定义其故障模式, 并进行维修风险分析, 列出故障影响因素、影响重要度和敏感度, 结合外部经验反馈做出设备的可靠性评估结果和维修决策, 从而决定设备是否维修, 何时维修, 维修什么部分, 是否需要采用其他设备进行替换, 以及如何保障维修效果来防止设备性能下降。例如, 通过设定高压电离室的检定有效期、收集GM计数管的总计数和干湿沉降仪机械传动杆的开启次数来判断对应设备的状态, 一旦达到设定的报警限值时, 系统能自动触发预防性维护报警, 自动提醒运行人员及时处理, 该功能运行效果见图 3。预防性维护功能大大降低对人工维护的依赖并显著提升了运维效能。

2.3 视频抽帧监控

环境辐射监测站大多建立在室外, 个别站址比较偏远, 网络带宽有限, 数据传输时必须先满足监测数据的传输, 剩余带宽才能用来传输监控视频。本文建议基于IP QoS (Quality of Service)技术控制网络资源及其使用, 确保在单一IP网络平台上更好的融合视频及数据等业务。在网络条件差时, 自动启用视频抽帧技术来实现主动防护, 视频抽帧技术能够实现自动定位异常数据帧、采用原始视频分辨率或降低分辨率的方式按固定时间间隔或自定义条件抽取静态画面, 抽取的图像可在小带宽环境下实时发送至数据中心, 大大加强对站点的防护。

3 结束语

本文通过分析现有辐射环境监测站系统软件存在的问题, 有针对性地提出了采取有效的数据预处理方式来提高异常数据处理的效率和系统访问速度, 通过整合现有站点软硬件系统形成有机的预防性维护模块来提高监测站系统的运维效率, 同时, 建议使用先进的网络技术来提供有效的主动性防护, 确保辐射环境监测站的安全。

结合上述改进内容, 本工作已经完成辐射环境监测站系统软件的开发和测试, 该软件基于模块化开发, 接口开放, 不仅能接人实验室样品分析、监测车、移动实验室、核电厂场内辐射监测系统的数据并进行管理, 而且可拓展至后果评价系统, 形成统一的数据管理平台。本软件已在中国原子能科学研究院和田湾核电厂部署, 目前运行正常。