基于物联网的辐射源安全监管系统的设计与实现

摘要：辐射源具有强烈的社会敏感性，无论是丢弃还是泄漏，都会给人类社会和环境造成无法估量的损失和危害。为了使其能够进一步造福于人类社会，对辐射源进行规范使用，安全监管尤为重要。文章介绍了一套集辐射源剂量监测、RFID电子标签、GPS地球定位、位移检测、视频监控和管理为一体的安全监管物联网应用系统，以降低辐射源被盗的风险，准确高效地实现辐射源安全监管的目标。
关键词：物联网；辐射源；RFID；GPS；GPRS；视频监控

0 引言
    随着核技术和信息技术的快速发展，辐射源的应用市场日趋广泛。通过在工业、农业、医学和研究方面的应用，辐射源为人类和社会提供了巨大利益，为科技进步做出了重要贡献。同时，因辐射源管理不善而对环境和人身健康造成了严重危害。辐射源传统的监管方式为上锁、警示和人为看护等，但因人为因素导致丢失和泄漏事故比比皆是，给社会和公众安全带来巨大威胁。因此，建立一套基于物联网的辐射源安全监管系统，将辐射源与网络连接起来进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等目标具有重要的现实意义。

1 系统总体架构
    基于物联网的辐射源安全监管系统的总体架构由前端现场部分(感知层)、数据传输部分(传输层)和安全监管部分(应用层)等组成，图1所示是其系统结构图。其中，前端现场部分以辐射源为前提设置剂量检测、RFID电子标签识别、GPS定位跟踪、视频监控等装置，以确保辐射源出现丢失、位移和泄漏等异常情况时通过传输层向监管中心发送实时数据和状态信号并向现场本地和监管人员发送报警信号。数据传输部分是通过GPRS方式将剂量信息、电子标签信息传送到监控中心；将视频监控信号通过3G、ADSL或专线等方式传输到监控中心；将移动源位置信息通过GPS定位和GPRS传送到监控中心；将移动源视频监控图像通过GPRS以图片形式传输到监控中心。由监控中心的安全监管系统完成信息的分析处理、智能化应用服务和控制决策。

2 现场前端感知层的设计
    现场前端感知层主要由剂量检测仪、防拆毁RFID标签、RFID阅读器、位移监测设备、高清网络摄像机及网络设备等硬件设备构成。
2．1 剂量检测
    使用不同型号的测量仪对各个辐射源应用场所的辐射强度进行测量。各监测仪通过光电传感器收集被测放射源的测量数据，经过A／D转换后，测量仪将所获得的数字信号通过无线网络传输到监控中心。监控中心可以判断辐射源是否出现丢失或剂量外泄等事故。
2．2 RFID电子标签及阅读器
    射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术是一种新兴自动识别技术，是物联网的核心技术。它采用无线射频方式进行非接触双向数据通讯以达到目标识别并交换数据的目的。RFID具有远距离、同时可识别多个标签、识别速度快、标签存储容量大、数据安全等特点。在本方案中，利用RFID技术，实现了辐射源防盗报警，其原理如图2所示。

    如果为每个辐射源安装有效距离小于10 m的防拆毁RFID标签，并在离放射源不远处(如小于10 m)安装RFID阅读器，那么，RFID阅读器将不断地读取RFID传来的数据。一旦RFID标签被拆毁，或辐射源被移动到距离RFID阅读器超过10 m距离，RFID阅读器将不能再读取到该RFID的数据，此时就认为放射源被非法移动，报警器将自动通过短信方式向特定号码的手机发送报警信息，同时，通过GPRS或CDMA或3G网络，向监控中心发送报警信息。
2．3 GPS(Global Positioning System)全球定位系统
    终端设备由GPS接收机、GPRS收发模块等组成，GPS模块负责接收卫星定位(经度、纬度和海拔高度)信号，GPRS模块负责完成信息的无线传输。当移动辐射源在使用或运输过程中，为了实现GPS终端对辐射源实现可靠的远程监控，GPS结合GIS(Geographical Information System)地理信息系统对辐射源移动的位置进行实时跟踪，GPS工作不正常时则通过GIS系统在相应的地图上标以报警信息。
2．4 位移监测
    当辐射源封装体与安装位置出现非法位移时，系统将及时向监管中心和现场进行报警，以提醒现场相关人员及时采取防范措施。
2．5 高清网络视频监控
    视频监控的应用占据了安防领域大部分比例，对辐射源工作现场进行全天候实时监控和录像更是必要的。尤其在一些重要场所(如水厂、电厂固定源和一些特殊需要的移动运输源)，一般均采用高清网络视频监控技术。

3 数据传输的设计
    GPRS(General Packet Radio Service)通用无线分组业务采用高速数据处理技术，其传输速率可达115 Kb／s，尤其是该传输方式为分组发送和传输，这意味着用户总是在线且按流量计费，因而可降低运行成本。本系统中的剂量监测数据、RFID电子标签信息、GPS定位数据(地理坐标经、纬度信息)等均可通过GPRS方式传送。
    通过3G／ADSL／光纤专线可传输辐射源现场或库房的视频监控图像。
    辐射源视频监控图像与辐射源信息管理系统以及实时数据接收和信息交换均可通过网络完成。
    通过短信报警功能，可在现场出现辐射源丢失或辐射源泄漏等异常情况时，通过手机等方式向监管人员发送信息，以便及时采取相应措施。

4 系统软件功能
    基于物联网的辐射源安全监管系统主要包括辐射源信息管理系统、实时数据接收系统、辐射源实时监控系统等几个模块。其中，辐射源信息管理系统用于辐射源相关信息的管理；实时数据接收系统用于管理实时接收的数据；辐射源实时监控系统可对辐射源进行视频监控和实时剂量检测，并在发生事故时实时报警。
4．1 辐射源信息管理系统
    辐射源信息管理系统可以分为涉源单位信息管理、辐射源信息管理、辐射源生命周期管理、电子地图、专业技术人员管理、数据查询统计等六部分。
    涉源单位信息管理完成对涉源单位的基本信息注册登记、管理和查询。
    辐射源信息管理用于完成对辐射源基本信息的管理和查询统计。
    辐射源生命周期管理完成环评登记、申购申请、竣工验收、执法监察、送储报废等流程的统一管理，用户可查询其监管流程、历史剂量监测数据、执法监察和巡检数据、事故措施和应急预案等管理。监督辐射源的转移情况并跟踪每个辐射源在其使用寿期终了时的去向，使所有辐射源长期得到监管和控制。
    系统提供电子地图功能，地图标注所有固定使用辐射源和存放辐射源的位置，标注移动辐射源和运输辐射源应行驶路线，电子地图显示各种辐射源包括移动、运输辐射源的当前位置。可按需提供专题图分析功能，可通过点击电子地图上的各监测点直接查阅企业信息和辐射源信息。
    专业技术人员管理即对专业技术人员进行管理。
    数据查询统计包括剂量检测数据、报警信息、GPS定位信息等的历史数据查询和对各种历史数据进行统计、分析和汇总并生成报表，为事故分析和决策提供依据。
4．2 实时数据接收系统
    实时数据接收系统主要实现的功能：一是实时接收剂量监测数据、RFID电子标签状态信息、GPS地球定位坐标数据，并存储到数据库服务器中；二是对接收到的数据进行处理，并增加日志记录功能，若发现异常需要报警时，则通过短信平台将报警信息发送到相关人员手机上；另外，实时数据接收系统还具有数据补传功能，可对网络故障情况下未及时上传的数据进行补传。
4．3 辐射源实时监控系统
    辐射源实时监控系统分为视频监控、实时剂量检测和实时报警功能三部分。
    视频监控用来实时显示现场各个点的视频图像，具有视频录像、图像抓拍功能；对装有云台的摄像机可实现远程控制；视频监控图像可在手机移动办公系统中直接查看。
    实时剂量检测用来读取实时数据接收系统获取的剂量检测数据。
    系统具备多种报警管理功能，以各种方式通知相关人员采取相应措施，为事故应急处理争取时间，有效降低危害程度。能够以声光进行现场报警，以电话、短信、邮件、视频等多种方式进行远程报警；具有剂量超标报警、辐射源位移报警、源丢失报警、源泄露报警、移动源偏离预定路线报警、非法破坏等异常报警；具有报警信息统计、查询、汇总管理等功能。

5 结语
    经试运行表明，本系统数据采集准确，通讯传输流畅，工作稳定可靠，各项新技术的功能和性能特点在项目应用中能得到充分体现，可实现辐射源安全监管的功能，并达到设计要求。