谢晋雄¹ 慕容灏鼎² 邢 军² 莫燕妮² 邝凯毅²

摘 要 本项目分析了国境口岸核辐射监测的特点，研制了体积小、重量轻、跟踪速率高的可视化核辐射监测仪器，并结合载体改造技术，集成了移动监测平台。经工程实现，本项目研究输出的监测平台高效实用，可以满足国境口岸对核辐射实时移动监测的应用需求。

关键词 国境口岸；核辐射；移动监测

 Design and Engineering Realization of Nuclear and Radiation Mobile Monitoring Platform at Frontier Ports

XIE Jin-Xiong¹  MU RONG Hao-Ding²  XING Jun²  MO Yan-Ni²  KUANG Kai-Yi²

Abstract This project analyzes the features of nuclear and radiation monitoring at frontier ports. We developed a visualized nuclear and radiation monitoring instrument, characterized by small volume, lightweight and high tracing rate. We integrated a mobile monitoring platform with the carrier transformation technology. Under the engineering realization, the monitoring platform developed by this project is efficient and practical and meets the application requirements on real-time nuclear and radiation mobile monitoring at frontier ports. 

Keywords frontier ports; nuclear and radiation; mobile monitoring

国际贸易日趋频密，开放与发展催生大流量的通关环境需求。如毗邻香港的深圳，口岸众多，且口岸数量目前尚在增设中。据统计，2018年经深圳口岸出入境人员2.52亿人次，日均69.0万人次；出入境车辆1514.2万辆次，日均4.1万辆次；海港口岸集装箱吞吐量2573.6万标准箱。高通量带来口岸核安全防控风险不确定性的增加，口岸监管部门的日常监管压力也随之不断增加。

口岸区域核辐射监测与排查，是确保我国国境口岸及境内公共安全不受放射性超标物质威胁的重要管控措施，其与核电站等涉核应用场所的辐射监测在应用需求方面存在很大差异。以核电站为例，涉核应用场所监测的重点对象是核反应堆、机组等生产部件以及核材料仓库等设施，特别是一些关键的连接处、开闭口、管路等，具有明显的位置指向。在该类监测应用中，更多地关注核泄露等疑似目标的涉事范围、强度、扩散速度以及核素类别等，具有一定的分析需求，对时效性的要求相对并不突出。与之相比，国境口岸的核辐射监测具有极强的时效要求，其监测范围大，对象具有不确定性，一旦出现涉核目标，则要求快速发现、快速锁定，并对目标实施跟踪，以便进行拦截与排查。因此，在国境口岸的核辐射监测应用中，更多关注的是监测性能，包括更高的探测灵敏度、更快的响应速度、高准度的定位能力、便捷的目标锁定和跟踪能力。

在口岸区域的核辐射监测作业中，传统的核辐射探测设备主要是门式设备与立柱式设备，都存在安装条件要求高、监测范围小、监测效能低等不足。例如，立柱式设备在高通量人流中发现存在放射性超标物质时，无法准确锁定放射源位置，从而导致排查时间过长，使工作人员及被截查旅客受外照射的伤害难以控制；再如，门式设备和立柱式设备均需固定安装使用，无法完整覆盖口岸监管场域的所有范围。由此可见，这两类设备均不能满足大范围、广区域、大流量核辐射监测工作需要。

为适应我国国境口岸对大范围、高效率的核辐射监测需求，本项目采用在移动平台上集成核辐射成像监测设备的思路，充分延伸与扩展口岸核辐射监测区域。特别是针对应用需求，主要从两个方面进行了研发：(1) 针对监测发现和排查的高效性要求，研制高跟踪能力和轻量化的核辐射可视化实时成像探测仪；(2) 针对移动监测活动的可靠性与可持续性要求，对移动监测平台进行改造和集成。

1  实时成像探测仪研制

大通量环境下，传统核辐射监测设备仅能就环境中存在的辐射超标情况进行报警，由于对源的方位和源强未知，往往导致辐射源的排查困难，人员暴露在照射危害环境中的时间加长。本项目通过研制具备实时成像定位能力的核辐射探测仪，尝试满足快速排查的应用需要。实时成像定位探测仪通过集成一台高清摄像机及一台gamma;射线探测器，分别采集可见光图像和gamma;射线的入射方向，并在控制器中通过图像合成处理，融合出突出标示放射源方位的图像，如图1所示。

图1  成像定位仪图像合成原理示意图

Fig.1  Diagram of image composition principle of image positioning detector

在研发工程中，使用一种高开孔率的编码板准直器取代传统的伽马成像系统中的针孔准直器，大幅提高探测效率，提升系统对低活度或远距离的放射源探测与成像的性能指标。同时，使用闪烁体探测器耦合上PSPMT作为伽马前端探测器，以确保高的探测效率、定位精度，减少系统响应时间。针对可视化移动监测对辐射有害因子的初筛发现应用需求，考虑到中子辐射通常伴随gamma;射线辐射，此探测仪并未开发中子探测功能。

为适应移动监测的应用，定位仪进行小型化和轻量化设计，摒弃旧有厚屏蔽层的外壳设计，采用高开孔率的编码孔径成像设计^[1]，通过算法代替物理屏障排除本底杂讯，准确重建辐射源成像^[2]。改进结构设计后，定位仪采集端整机体积约为30 cmtimes;20 cmtimes;20 cm，重量控制在5 kg以内。定位仪的小型化除了提供灵活性以及减轻载体负担以外，同时减少了设备内部的空气空间，降低了内部空气中水分液化导致镜头起雾而影响成像效果的可能性。通过编码板结构的改进设计，定位仪的有效监测视野提升到60deg;以上，符合大范围监测的需求，10 m距离处的监测面积ge;50 m²。根据移动监测的户外实施属性，定位仪在防水密封性上进行了反复改良，其防护等级不低于IP65，使其在口岸户外高温高湿的应用环境中具备极强的适应性。

为提高设备精度，在设备的主控器（工控机）上开发了一整套辐射成像算法、辐射热点实时跟踪算法、剂量测量算法、能谱分析算法、图像融合算法，实现了对放射性物质的快速定位跟踪、辐射剂量测量、核素种类识别以及活度测量的功能^[3]。得益于设计及算法上的改良，目前该定位仪的探测灵敏度已提高到10 nGy/h，成像定位更新速率不低于每秒4帧。定位仪的主要技术参数详见表1。

2  移动监测平台改造与集成

移动监测平台由移动载体和监测设备、辅助模块组成。核辐射监测需要持续稳定的工作条件支持，本文从移动载体选择、设备与辅助装备集成、车顶承重加固、供电系统改造4个方面为监测作业提供稳定性。

表1  成像定位探测仪技术参数指标

Table 1  Technical parameters of image positioning detector

2.1 移动载体的选择

移动监测范围广阔，对负载能力和空间稳定性有较高的要求^[4]，飞行器（无人机等）难以胜任，可选用车辆、机器人等地面型载体。本项目选用乘用车辆作为移动监测平台的移动载体，以驾驶驱动其前往监测作业地点。

2.2 设备与辅助装备的集成

监测设备利用云台实现监测方向、角度的调节，装载于车顶上方以获取良好的视野。监测设备的主控器、监视器、网络交换机、供电系统等布设在车内，车内与车外之间的用电设备通过总线电路连接。车辆后备箱装载应急用辅助装备，包括防护服、长柄采样杆、屏蔽收纳箱、警戒设施等。配备30 m绕线盘，以备在附近有电源供应的地点长时间监测过程中为供电系统充电。

2.3 车顶承重加固

针对车载探测设备在移动过程中需经受持续较大程度的颠簸震动，采用于车顶加装承重转接板的方法，以提供车顶设备的固定支撑（见图2）。

图2  载重转接板分散重力原理示意图

Fig.2  Diagram of the weight distribution principle of load transmitting plate

通过在设备与车顶框架之间加设具有良好固定形态的钢质转接板，其面积与车顶平面面积相当，边缘与车顶承重边梁平齐，将转接板通过紧固件及焊接方式紧固在车顶承重梁中各个平均间距点位上，设备安装于转接板中间的位置。由此，设备重力通过转接板良好的均匀延展性分布到所有车顶承重梁上，而不再是仅靠设备位置下方的单一承重梁支撑，改变受力的方式，从而达到提供均匀应力支撑的目的。通过这一结构的改造，车顶对车载设备的稳定承重支撑达到80 kg以上，且在30 km/h的移动作业中不影响工作效能，在120 km/h的高速行驶中也不会对设备紧固的安全性产生任何影响。

2.4 供电系统改造

监测用电使用独立于载体自用电路的供电系统，避免对载体自身电瓶产生超负荷影响^[5]。使用6块110 AH的铅酸蓄电池并联，搭配3 kw的正弦波逆变器组成供电系统，为车载设备提供12 VDC和220 VAC供电，全负荷续航能力可达8 h^[6]。外接常规市电进行充电，兼容标准充电桩。

考虑到监测交班需要，为避免工作人员在充电时启动、移动监测平台，导致线缆拉扯的危险情况出现，增设防误启动电路^[7]，电路图见图3。通过继电器的联动，使平台在接入外电充电时，切断启动电路，防止其启动。

3  工程实现效果

本项目研制的核辐射移动监测样车在深圳口岸投入使用（见图4），为海关等口岸核辐射有害因子监测防控单位履职提供移动监测技术支撑。经过实验和实际应用，该车能实现实时成像定位和跟踪放射源的功能（可在100 m内准确视频定位及跟踪到Ⅲ类以上移动放射源，定位偏离角度约为1.6deg;，跟踪速率达到4帧/秒，成像定位效果见图5）；实现实时与指挥中心通讯并提供远程图像传输（见图6）；监测范围充分，借助水平方向360deg;和垂直方向plusmn;45deg;的监测方向调节，可涵盖所有监测点和对象；设备集成结构稳固，可应对口岸各区域路况；供电系统运行稳定，能满足续航时长不低于8 h的日常监测工作。

图3  防误启动电路

Fig.3  Anti-misoperation electric circuit

图4  核辐射移动监测车在深圳口岸实施监测

Fig.4  Mobile nuclear radiation monitoring vehicle working at Shenzhen port

图5  实时成像定位效果

Fig.5  Effect of real-time image positioning

图6  指挥中心实时查看核辐射移动监测画面

Fig.6  Remote real-time surveillance of mobile nuclear radiation monitoring in the command center

4  结论

本文研制的移动监测平台能满足当前国境口岸监测范围拓展的需求，执法部门可以对全部履职区域实施全覆盖核监测排查，可视化定位监测，切实有效地提高了监测排查的效能，是传统非可视化探测设备的重要补充。

可视化移动监测平台执行初筛，配合利用传统探测设备灵敏度高、能够提示辐射剖面图等特点进行更精确的探测，两者互补，形成严密的监测矩阵，在确保监测防控可靠的同时，可有效提高通关效率。

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参考文献

[1]陈立宏, 李勇平, 赵翠兰, 袁超. 基于MURA编码孔径准直器核辐射成像系统设计[J]. 核技术, 2013, 36(08): 64-67.

[2]赵翠兰, 陈立宏, 李勇平. MURA编码辐射成像系统的解码方法[J]. 核技术, 2014, 37(08): 32-38.

[3]慕容灏鼎,邢军, 谢晋雄, 等. 核辐射移动监测车的监测探头: ZL201821926855.7 [P]. 2019-7-26.

[4]陈少祥, 陈久照, 张坚, 等. 多功能工程应急监测智能移动平台的可行性研究[J]. 广东土木与建筑, 2020, 27(02): 59-62.

[5]钱鹏. 浅谈车辆改装中综合电源供电系统的运用[J]. 汽车电器, 2017,  (09): 12-15.

[6]王斌, 徐俊, 曹秉刚, 等. 电动汽车的多模式复合电源能量管理自适应优化[J]. 西安交通大学学报, 2015, 49(12): 130-136.

[7]慕容灏鼎, 邢军, 谢晋雄, 等. 核辐射移动监测车用高安全电气控制电路: ZL201821927154.5 [P]. 2019-8-23.

（文章类别：CPST-C）