基于物聯網技術的核燃料運輸監測管理平臺設計構建

□ 吳 騰，李其朋

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518120)

1 引言

安全可靠的核燃料是核電站持續穩定運行的核心。導致核燃料破損的原因和機理是多方面的，從制造、運輸及吊裝到堆內運行中的任一環節發生問題都會影響燃料的可靠性。目前，隨著核電行業積極投身國家“一帶一路”建設，核燃料的運輸距離將大大加長，核燃料在運輸過程中的受損風險也將增加。

目前，國內尚未實現燃料運輸全過程的實時監測與風險提醒，也無法有效解決傳統核燃料運輸方式的封閉性與排他性，“物流運輸黑箱效應”和信息斷層現象持續存在，增加了燃料組件在長距離運輸過程中的受損風險。

綜上所述，當前亟需開發一套核燃料運輸監控系統，將物聯網技術引入核燃料的運輸過程，研發適合核燃料長距離運輸作業的物流監控實時采集終端和監控系統，實現對運輸風險的實時監測、預判與響應，實現核燃料高可靠性運輸。

本文詳細介紹了核燃料運輸監測管理平臺總體設計、智能監測終端構建方案和燃料運輸監測管理平臺軟件設計方案。

2 運輸監測管理平臺總體設計

2.1 平臺功能分析

為實現運輸過程中貨物實時位置、行駛速度、行駛線路、經受的沖擊危害等數據的多方可視、共享，實現運輸全過程的數據化與可視化跟蹤；同時結合監測數據、路況和天氣信息，實現在途貨物實時監控、風險預判、風險控制，核燃料運輸監測管理平臺設計了運輸監測、平臺報警、統計分析、風險預判、應用終端管理、后臺管理六大功能模塊，具體如下。

①運輸監測。對核燃料運輸容器的三軸加速度、傾角、氣壓、位置、容器周圍環境的溫濕度進行有效的監測，平臺軟件實時顯示監測信息；車輛要滿足車輛上下線實時提醒、車輛監控、車輛跟蹤、車輛查找、歷史軌跡回放以及定時定位車輛查詢等，這些功能可以保證對車輛進行實時有效的監控。

②平臺報警。平臺軟件支持接收智能監測終端觸發的報警信息，包括振動沖擊報警、容器傾斜報警、溫濕度氣壓報警、偏離路線報警、超速報警、非授權開箱報警、歷史風險路段報警、電池低電壓報警、終端脫落報警和終端模塊故障報警等，提高燃料運輸的可靠性。

③統計分析。發生沖擊報警時，平臺軟件可以分析沖擊方向、強度和車速等，并結合加速度、傾角、車速、視頻等監測數據進行原因分析；同時可根據歷史數據和路譜，評估減振器性能和容器疲勞壽命。根據數據庫保存的數據，可導出用戶個性化定義的報表，導出的報表主要有故障報表、加速度分析報表、監測數據報表等。

④風險預判。對每次運輸監測數據進行分析，同時結合路況和天氣數據，標記風險點，并以文字或圖表方式顯示統計分析結果并提供警示，車輛每次經過都會進行風險預警。通過建立故障庫，構建故障預警模型，當容器或車輛狀態達到風險評估標準時，會進行故障風險預警。

⑤應用終端管理。平臺軟件可以進行終端參數配置、終端控制等；報警模塊安裝在手持終端中，報警時通過手持終端提醒司機緊急處理，同時隨車人員可通過手持終端確認報警信息的準確性并上傳圖片或視頻。

⑥后臺管理。對整個平臺的基本信息進行記錄管理，包括用戶、車輛、容器和終端設備信息等；對不同的用戶進行授權管理，比如用戶管理、角色管理、權限管理以及日志管理等。

2.2 平臺整體結構設計

基于上述功能分析，設計與構建運輸監測管理平臺的硬件與軟件。在硬件方面，針對核燃料及其運輸容器的監測需求和自身特性，研發智能監測終端，集成加速度、溫濕度等多個傳感器芯片，監測振動、沖擊、跌落、翻滾、溫濕度異常、開箱等活動。在軟件方面，構建一個平臺軟件，實現實時位置、車輛行駛速度、行駛線路、經受的沖擊危害等數據的多方可視、共享，實現對運輸風險的預判和控制。

基于物聯網技術，平臺采取分層設計，分為感知層、傳輸層、業務層、服務層和展現層五層，通過RFID、全球定位系統、攝像頭和5G等技術，按約定的通信協議，實現智能監測終端和物聯網之間的連接，并且相互之間進行通信和信息的交換，實現對燃料運輸的跟蹤、定位、管理和監控(如圖1)。

圖1 平臺整體結構設計圖

感知層包含加速度數據采集、溫濕度采集、氣壓采集、超聲波采集、傾角采集、視頻采集、BDS定位、RFID電子標簽等，負責運輸車輛與運輸容器的狀態識別和感知。

傳輸層包含數據分析終端和手持終端，手持終端可通過無線通信模塊與應用服務器進行通訊，數據分析終端可通過5G通信和北斗衛星通信模塊與應用服務器進行通訊，負責數據的傳輸。

業務層包含應用服務器和數據庫服務器，負責數據的解析、處理和存儲。

服務層包含接口服務器，負責程序的應用開發，與客戶端進行對接。

平臺的具體工作流程是：容器監測終端監測核燃料運輸容器的狀態信息，通過串口通信將工況信息發送至數據分析終端。數據分析終端通過BDS模塊獲取運輸車輛的位置信息和運行信息，再通過5G遠程通信模塊和北斗衛星模塊將位置信息和工況信息發送至云端。云端將收到的位置信息和工況信息存入數據庫，并將報警信號發送給手持終端。

3 智能監測終端構建

智能監測終端是運輸監測管理平臺的底層硬件，主要包括容器監測終端、數據分析終端、手持終端、視頻監控系統四個部分。其中，容器監測終端負責核燃料運輸容器內外的狀態監測；數據分析終端負責運輸車輛定位、視頻圖像采集、數據分析和通信；視頻監控系統負責運輸車輛前端和后端的視頻監控；手持終端負責核燃料運輸容器狀態顯示和報警顯示。智能監測終端的整體架構如圖2所示。

圖2 智能監測終端整體架構

3.1 容器監測終端設備

每個核燃料運輸容器配置4個容器監測終端，容器內外各安裝2個。每個容器監測終端集成三軸加速度、溫濕度、氣壓和超聲波傳感器。三軸加速度傳感器可以監測X、Y、Z三軸加速度，用來監測容器和組件的加速度狀態；溫濕度傳感器可同時采集溫度和濕度，用來監測容器內外的溫濕度變化；氣壓傳感器可采集容器內外氣體的壓強差；超聲波傳感器通過對容器頂蓋距離的監測判定容器是否打開。

容器監測終端的參數見表1，該設備與數據分析終端間通過一根電源通訊線纜進行供電和實時傳輸監測數據。

表1 容器監測終端參數

3.2 數據分析終端設備

在每個核燃料運輸容器外側底部安裝一個數據分析終端，集成北斗定位模塊、主控模塊、數據加密模塊、5G通信模塊、北斗衛星通信模塊、數據存儲模塊、傾角檢測模塊、RFID模塊，負責采集容器傾角、定位和視頻圖像，同時基于多傳感器數據融合算法[1]處理該容器4個容器監測終端的采集數據，判斷容器是否發生故障并與遠端服務器進行數據通信，并存儲運輸全過程的監測數據。

①北斗定位模塊。為了克服衛星信號受遮擋和干擾的問題，平臺采用A-BDS定位技術，支持北斗、移動網絡輔助兩種定位方式，在BDS定位模塊無法接收到衛星信號時采用移動網絡基站定位技術。A-BDS定位網絡結構圖如圖3所示。

圖3 A-BDS定位網絡結構圖

②主控模塊。采用主流低功耗ARM 微處理器，其具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優點，還可以根據嵌入式對象的不同特點靈活調整其可實現的功能，在嵌入式微處理器的應用方面具有重要地位[2]。由于ARM 的尋址方式大多在寄存器內即可操作完成，因此靈活便捷、執行效率高，且指令長度固定。

③數據加密模塊。加密模塊的算法安全引擎為實現各種密碼算法的協處理器，外加必要的RAM、FLASH等資源，以及相應的安全防護機制，輔以PCIE等各種外設接口。

④5G通信模塊。使用M.2尺寸接口，可通過PCIE的形式嵌入主板控制器內，支持5G NR SUB6/LTE FDD /LTE TDD/UTMS/GSM系統，可應用于全球大多數移動運營商的蜂窩網絡。

⑤北斗衛星通信模塊。在無線網絡故障或信號中斷的情況下，可采用北斗通信模塊以短報文的形式進行異常情況報警。北斗通信模塊型號BDM900，可支持北斗RDSS的屏蔽罩結構，內部集成LAN、高性能RDSS射頻收發芯片、北斗專用RDSS基帶電路，可完整實現RDSS定位、通信功能。

⑥RFID模塊。利用編碼標識技術和RFID技術，即通過編碼和智能監測終端之間建立一一映射關系，RFID 讀寫器能自動識別RFID標簽信息，標簽進入磁場后，接收讀寫器發出的射頻信號，憑借感應電流發送出芯片中存儲的數據信息。將信息解讀后，加上時間戳，進行打包，實現對每個貨包的自動識別[3]。

3.3 其他終端設備

①手持終端。手持終端用于運輸現場人員接收必要的信息并向平臺反饋現場狀況。手持終端具有定位、RFID識別、加密通訊、身份認證、攝像等功能。

②視頻監控系統。視頻監控系統主要用于記錄運輸容器在運輸過程中的狀況，采用紅外車載網絡攝像機。攝像機可先接入非網管型二層工業級以太網交換機HF-IES-EN1005-HX4P01，再通過交換機連接至數據分析終端，通過網口進行視頻圖像傳輸。

3.4 智能監測終端安裝布局

為了方便核燃料運輸容器吊裝和信號傳輸，每臺容器上配備4個容器監測終端(2個安裝在容器內，2個安裝在容器外)、1個數據分析終端、1個高容量鋰電池、1個高集成接線盒、1個可折疊式天線盒。容器監測終端分別安裝在容器內的兩側和容器外底部的兩側，經論證其安裝位置可真實反映燃料組件的加速度數值。數據分析終端和高容量鋰電池安裝在容器底部中間位置。高集成接線盒和可折疊式天線盒安裝在容器充氣閥對側。智能監測終端安裝布局如圖4所示。

圖4 智能監測終端安裝布局圖

4 運輸監測管理平臺軟件設計

4.1 軟件架構設計

根據運輸監測管理平臺的功能分析，將軟件架構劃分為基礎信息、監控信息、報警信息、故障分析、數據統計、系統管理、地圖業務7大模塊，如圖5所示。

圖5 軟件架構模塊圖

軟件架構選用三層結構，如圖6所示。第一層為表現層(即瀏覽器端)，主要提供用戶和后臺進行交互操作時所需的界面以及最終操作結果的輸出顯示功能；第二層為邏輯層(即WEB 服務器端)，主要是利用服務器完成客戶端不同請求的邏輯處理功能；第三層為數據層(即數據庫)，主要是通過服務器接受客戶端數據處理任務請求，獨立進行各種運算并將結果返回客戶端[4]。

圖6 三層結構示意圖

4.2 物理架構設計

物理架構設計為三個服務器，分別為應用服務器、接口服務器和數據庫服務器，如圖7所示。

圖7 物理架構示意圖

應用服務器獲取車輛運輸狀態信息，并將數據存儲到數據庫服務器。

接口服務器需負責接收監控平臺客戶端的數據請求，負責監控平臺的各種監控、調度服務等。

數據庫服務器則負責儲存相關數據，便于后期進行數據分析和檢測。對數據庫中的關鍵字段，比如密碼、涉及安全的業務信息進行加密，由應用系統對固定重要數據進行加密，加密后的數據保存在數據庫中，通過命令行直接查詢數據也無法獲取明文信息。對于業務重要數據，則采用加入密碼鹽的方式進行加密處理，再存入數據庫。解密時由應用系統讀取加密的數據，在應用端進行解密，保障了數據在數據庫中存儲的安全性。

4.3 通信架構設計

智能監測終端設備與應用服務器采用5G和北斗衛星的無線通訊方式，在終端設備內嵌5G和北斗衛星無線通信模塊。無線通信網絡架構如圖8所示。

圖8 通信架構

數據分析終端與服務器端通過5G通訊進行數據傳輸，出于對組網需求和網絡安全性的考慮，5G通訊采用物聯網專網，平臺接入層采用相關技術，確保數據分析終端接入的安全控制和數據傳送的安全加密，數據分析終端通過特定的參數設置接入網絡，與互聯網進行隔離。而匯聚層與內部服務器網絡通過專線電路相連，保證數據傳輸的穩定性和安全性。

4.4 軟件界面設計

軟件界面包括主界面、在線監控、報警分析、狀態診斷、在途項目管理、歷史項目查看等模塊。

主界面用于實時顯示運輸車輛位置，并展示核燃料在運輸過程中的加速度峰值變化曲線以及運輸過程的各類報警信息統計，如圖9所示。

圖9 主界面設計

在線監控界面可實時監控記錄貨包加速度、傾角、溫濕度、氣壓等變化，以及貨包數據采集設備的電池電量，判斷貨包的安全狀態。當監測數據超過閾值時發出報警，在平臺界面上顯示報警詳細信息彈窗。同時將報警信息通過手持終端反饋給運輸人員，實現對運輸風險的及時響應，避免事故的發生。

報警分析界面可實現對單次報警的數據分析以及在途報警的統計分析。

狀態診斷界面可在運輸完成后實現對運輸全程數據的時域、頻域分析并結合采集的路譜，通過自研算法，預判減振器壽命和容器疲勞壽命等重要信息，確保后續核燃料的運輸安全。

在途項目管理和歷史項目查看界面用于在途項目管理和歷史項目運輸信息統計和查看。

5 結語

隨著核燃料運輸距離的加長，核燃料在運輸過程中的受損風險也將增加，傳統核燃料運輸過程中存在的“物流運輸黑箱效應”和信息斷層現象也亟待解決。本文設計構建了核燃料運輸監測管理平臺，并詳細闡述了平臺的總體設計、智能監測終端的構建方案和燃料運輸監測管理平臺軟件的設計方案。通過研發該平臺，實現核燃料實時監控、運輸風險預判及控制，打造核燃料的全流程安全運輸監測體系，提升核燃料運輸的可靠性和安全性，同時也為核電行業其他放射性物質的運輸監測管理提供一套解決方案。