物联网安防在核设施领域中的应用
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摘 要：介绍了几种先进的物联网技术在核设施安防中的典型应用，包括控制区域防护、周界防护、用RFID技术对核燃料存储和运输的管理、无线传感器网络数据采集、基于ZigBee技术的无线传输等。提出了基于物联网技术的核设施安防实现架构，包括前端实现、通信模式和后端实现等。最后通过分析，论证了物联网技术在核设施安防中的应用有效性和可靠性。
关键词：物联网；核设施；安防；RFID
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2013）07-0027-04
0 引 言
一般来说，安防可以定义为做好准备和保护，以应付攻击或者避免受害，从而使被保护对象处于没有危险、不受侵害、不出现事故的安全状态。显而易见，安全是目的，防范是手段，通过防范的手段达到或实现安全的目的，就是安全防范的基本内涵。相比较于一般的工厂、小区、家庭而言，核设施有必要配置更为稳定可靠的安防系统。
安防技术一直处于信息领域的前沿。安防包括了诸多业务范围，涵盖了计算机科学、多媒体通信技术、监测技术、智能化技术等技术领域，是一个交叉学科。安防的这些领域，一直是新技术革新的突破口。
传统的安防系统主要指运用安全防范产品和其他相关产品所构成的入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、液晶拼接墙系统、门禁消防系统、防爆安全检查系统等，或由这些系统为子系统组合或集成的电子系统或网络。
近几年来，随着互联网技术的发展，安防对于互联网的依存度逐年增加。安防正日益演化为一个网络化集成的过程，主要目标在于将监控点的信息与状态通过互联网进行互通和管理，这正与物联网的发展方向不谋而合。同时，随着国内外对物联网技术的研究和行业应用日益深入，基于物联网的安防系统发展迅速。物联网安防技术是通过应用物联网技术，将安防监控领域的所有监控目标（人、设备、仪器、装置等物体）连接到网络上以进行信息交互，实现智能监控。总的来说，物联网技术的发展将意味着安防技术的一次巨大变革。
众所周知，核电厂若发生意外，除造成生命财产的损失外，辐射在空间上的巨大扩散和时间上的长久影响会带来更多的安全问题，且还会造成民众心理上的恐慌。因此，核电厂安防系统的构建，通常都会以最高等级来处理。相比于传统的安防手段，本文将重点从物联网技术角度分析核设施的安防解决方案。
1 物联网概述
1.1 物联网技术的基本概念
物联网（Internet of Things） [1]指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。而在物联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。
物联网的概念是在1999年提出的，它的定义很简单：就是把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。也就是说，物联网是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。
国际电联的报告指出，物联网主要有四个关键性的应用技术：标签事物的RFID技术、感知事物的传感网络技术、思考事物的智能技术、微缩事物的纳米技术。
1.2 物联网安防的优势
基于物物互联的理念，物联网技术的发展将带来网络社会的一场革命。物联网安防技术的优势如下：
（1） 防御模式的转变
传统的基于互联网架构，通过布置在监控区域的传感器被动采集目标状态的监控模式将被主动防御替代，监控区域的所有物体均将连入互联网。
（2） 提高信息处理效率
由于RFID、传感器网络等技术的引入，物联网安防提高了信息的丰富性和宽泛性，同时，采用智能数据分析技术，可大大提高信息处理的效率，缩短特殊事件的反应时间。
（3） 改善人员工作条件
物联网安防不仅仅意味着对被监控物体的保护，还意味着保证人员安全。采用物联网安防，可为安防区域内工作的人提供安全、舒适的工作和生活环境。
（4） 节省成本
采用物联网技术，一方面，由于自动化程度更高，同样的安防工作仅需要更少的人力就可完成，因此可以节省人力成本；另一方面，由于采用了大量低功耗监控设备及其网络，因此还可大大降低能耗成本。
就发电原理而言，核电厂是利用铀燃料进行核裂变产生的高热加热锅炉的水，使水变成高温产生高压水蒸气，再以蒸气推动汽轮机带动发电机发电。尽管核能发电属于清洁能源，但却有较多安全隐患存在，因此，核电厂安防层级相较于其他发电形式一般要高出很多。
目前，核设施物联网综合安防管理系统主要采用RFID、传感器网络、智能图像分析、无线数据传输等信息技术，通过建设具有动态实时管理功能的厂区周界防护系统、智能门禁系统、厂区智能视频分析系统、库房安防综合应用系统等，实现了核设施安防信息与公安、消防等信息平台的对接。
2.1 国内外现状
在国外，现有核电站安防平台提供方主要有霍尼韦尔、莱奈尔、赫氏和西门子公司等。
美国霍尼韦尔公司通过整合视频监控系统、防盗报警系统及门禁控制系统，实现了一套可在单一平台上与工业过程控制和机电设备控制进行无缝集成的安防系统，其安防集成解决方案称为HIIS （Honeywell Industrial Integrated Solution）。HIIS集成平台能有效应对安全生产过程中有意无意破坏、违章操作、人员安全保障的实时监控、管理和应急反应处理所面临的诸多挑战，可用于规模大小不等的场所，可解决不同种类及不同程度的安全防范问题，全面保护生产、员工和周边的安全。目前，霍尼韦尔公司的方案已成功应用于英国Foulness核电站、Hunterston核电站、Barnwood核电站、澳大利亚Lucas Heighes Nuclear核设备公司的安防系统中。其为西班牙科尔多瓦核电厂提供的集成安防系统，被欧洲重要商业杂志评论为“为欧洲提供了最佳的安防解决方案”。
法国跨国公司巨头艾瑞华（Areva）下属的Areva NP工厂负责核电厂的设计和建构，日前在德国埃尔兰根采用有源射频识别系统确保其文件存档人员的安全。这家工厂拥有世界各地核电厂的蓝图和高度机密的文件，按照各个国家的法律以及该公司的合同义务，这些文件必须在防火的档案中存放约90年。该公司表示，这套RFID系统的应用非常有价值，运作以来还没出现问题[3]。
与此同时，国内一些高校和研究机构也对核设施安防进行了较为深入的研究。
浙江大学针对放射源的异常泄漏、意外丢失和被盗等问题，研制了基于RFID/GPRS的放射源监控系统。在该系统中，辐射剂量检测仪和GPS无线定位模块分别实时获取放射源辐射剂量值与位置信息，RFID阅读器读取安装在放射源底部的电子标签状态信息。放射源辐射剂量值、位置与标签状态信息通过GPRS无线传输方式发送到远程监控中心。当辐射剂量超标或者放射源状态异常时，现场进行声光报警，同时监控中心通过GSM Modem向管理人员发送短信报警，从而实现对放射源的监控与报警。该系统投入运行效果良好，数据稳定可靠，报警准确，有效地提高了放射源的监管水平。
核工业计算机应用研究所、中科院和中国核工业集团公司对基于RFID技术的核燃料储运一体化管控平台[6]进行了深入研究。该平台以核燃料仓储规模不断扩大、调拨频次逐渐增加为应用背景，以有效提高储运效率、优化管控手段为目的，依托RFID技术和信息集成理念，以某核燃料仓库为研究对象，构建了一个储运一体化的管控平台。在数据采集、容器监控及信息处理方面革新传统管理方法，并重点对该管控平台的系统分级保护、电子标签应用规范、安全协议采用及防冲撞算法等关键技术进行分析，给出了管控平台的系统解决方案和模型的体系设计。该平台将有助于提高核燃料储运信息采集及处理的自动化程度，并实现核燃料容器级的精细化管理。
南华大学对基于RFID的放射源跟踪管理系统设计开展了研究工作[2]，旨在利用RFID技术、计算机数据库管理技术来探素和建立一套先进的放射源安全和防护电子标签管理和追踪识别方案。此外，该校联合中核（北京）核仪器厂和无锡聚光盛世传感网络有限公司对基于RFID的放射源在线监管系统进行了详细设计与实现[5]。
此外，中广核铀业发展有限公司等也对物联网技术在核燃料业务的应用开展了研究工作[7]，均取得了一定的阶段成果。
2.2 核安防需求分析与物联网防护措施
本文主要针对物联网在核电站中核设施安防中的应用进行说明，即如何采用物联网技术对核电站中重要的物实现有效的安防管理，包括控制区域、新燃料库（新料）和乏燃料库（废料）。
2.2.1 控制区域防护
控制区域管理包括核电主控室和周界的安防。其中，周界安防主要针对核反应堆周边区域。智能周界防入侵系统是物联网技术的一个重要应用。随着社会的不断发展，人们安防意识的不断提高，传统周界防范手段已难以适应安全保卫工作的需要，因此，各种技术周界防范手段成为了首要选择。这些技术防范手段，将周界防范从单纯的物理隔绝上升到智能管理，有效提高了周界防入侵的效率。目前，市场上已有红外线对射、微波探测、振动电缆、视频监控等多种技术周界防入侵设备，然而，这些设备在性能上或多或少存在着不足。例如视频监控，采用定点监控，则监控范围小，采用连续扫描，则造成资源浪费，此外还易受安装环境影响，存在监控盲区；又如红外监控，则容易受到天气、外加热源等外部环境的影响，误报率较高；又如微波场和电子围栏，则易受电磁干扰而使系统瘫痪，且系统复杂，成本较高。在这种情况下，基于物联网技术，发展一种功能完备、性能稳定、高性价比的智能周界防入侵系统，就显得重要而且必要。
核电站实体保卫主要分为两部分：
第一部分由核电站整体设施的周界保护（两道围栏）组成，图1所示是其两道围栏的组成示意图。
图1 两道围栏组成示意图
在图1中，a道围栏由具有探测入侵报警功能的YAEL压力传感的多道铁丝构成，铁丝呈水平方向，间隔为10～15cm，下密上疏。围栏每隔50 m设置一探测器，任何在铁丝网上的攀爬、剪切的入侵行为，均能被该探测器检测到，并转换为相应的电信号。该信号传送到和探测器一一对应配置的信号处理器。该基于微处理机技术的处理器，通过对信号的逻辑分析，而后给出RS-485的串口通信报警或简单的开关量常闭的接点报警。整个系统的供电为12VDC。
使用该探测器，可在核电站的构成一封闭的周界报警系统，当然，在核电站的出入口还应采用相应的门禁系统，由此构成一无间隙的周界报警系统。
第二部分是为了确保核电设施的安全，同时在6 m宽的两道围栏中间采用微波对射系统，图2所示是采用微波对射系统的安全防护示意图。该系统在两道围栏间每隔60 m设置一微波发射/接收器。
图2 采用微波对射系统的安全防护示意图
本系统的设计构想为：当有入侵发生时，a层围栏一般能在第一时间给出报警，如果越过第一层围栏，系统还有第二层微波探测报警系统，b层围栏是不具有报警功能的一般物理围栏。
通过使用双层报警系统，能大大提高系统的报警检测率，能确保如核电站这类高安全等级的现场能处于相对安全的保护监测下。微波接收器同样在报警状态下能给出常闭开关量的报警和RS485的串口报警。
系统在一些盲区，则采用多谱勒微波探测器对一些小面积的区域进行覆盖。
所有现场探测器的报警信号都被引入中央监控中心的中央处理机，当然整个大安防系统还需有CCTV视频监控的图像复核。这样一来，监控中心值班的人员能一天24 h监控整个现场的情况。
目前，核电站一般有三层保护：视频监控、门禁和报警（红外、微波）。
（1）视频监控系统
视频监控周界防入侵系统主要由摄像头和控制计算机组成，摄像头摄取管理周界附近视频图像，并由控制计算机显示于监视器上供监控人员观察。
（2）门禁系统
门禁系统综合运用计算机、电子、机械、磁电和自动识别等技术，给核设施工作人员提供一种进出通道口的快捷方式，保证防护区域内的安全，同时还可节省保安人员、管理人员，提高核设施管理工作效率。
（3）报警系统
报警系统又可分为基于微波场和红外线对射两种方法。微波场式周界防入侵系统是在发射装置和接收装置之间形成一个稳定的微波场，当微波场受到外界入侵干扰时发出报警信号。在红外线对射式周界防入侵系统中，主动红外周界防护探测器利用红外光线在警戒区域构成一道无形警戒线，当警戒线上的警戒状态被破坏时，则系统发出报警信号。
2.2.2 核燃料库防护
核燃料库是核电站重点安防地区。核燃料库安防包括对新燃料库和核废料的防护管理。显然，核燃料（新燃料、核废料）都是不能够泄漏或丢失的。废料是指受到核污染的物品，有暂存库，铅桶保管一旦有泄漏，后果极其严重。因此，对核燃料的安防保护是核电站的一个重点，需要严加保护。
一般来说，核燃料库的安全风险主要有：
·人员非法入侵，特别是储存场所周界范围较大时很容易由任何地点入侵。
·盗窃核燃料。
·火灾，设备保养产生的废机油或材料不当存放引发火灾。
·控制储存场的电力设备故障引发的辐射物外露事件。
·地下储槽渗水引发辐射随地下水外泄事件。
·地下储槽温湿控制不良引发储存桶生锈辐射外泄事件。
·核燃料运送过程发生事故造成料桶破损辐射外泄。
·恶意性破坏，环保抗争的恶意破坏。
根据上述列举的核燃料库高安全风险因素，构建一套稳定可靠的物联网安防系统成为核核燃料库防护最重要的工作环节。
2.2.3 物联网防护措施
目前，可以采用的有效物联网安防措施包括：
（1）基于RFID技术的核料管理
一方面，将RFID电子标签加贴在装核燃料的铅桶上，并利用相关设备实施严格监控和妥善管理，以达到核燃料铅桶不得被随意人为的物理移动或拆卸之目的。另一方面，对出入库的核料采用RFID电子标签进行登记，可有效避免出现核料“实盘不符”的情况。“实盘不符”是指对核料的实际盘点数量与数据库中的数量有出入。
（2）基于物联网技术的综合布防系统
除了传统的视频监控和门禁系统，针对核电厂主控室来说，还可以采用基于ZigBee技术的门磁、抽屉锁、红外感应装置等。这类装置功耗低，可以通过无线通信实现远程自动布防和撤防，报警响应速度快，且通信传输数据可加密，安全性高。
（3）无线传感器网络技术
作为物联网的关键技术之一，无线传感器网络技术可以有效提升安防等级。针对核设施来说，温度传感器、湿度传感器、辐射传感器、气压传感器、光照传感器、风力传感器、水压传感器、雨量传感器、地震传感器、建筑物沉陷传感器等数据采集装置的综合利用，结合ZigBee等无线传输网络，可以在最短时间内将感知到的风险发送到主控室并报警。
2.3 物联网核安防实现架构
具体来说，基于物联网技术的核设施安防实现架构可分为三部分，即前端实现、通信模式和后端实现。
2.3.1 前端实现
前端实现主要指防护节点的实现。防护节点的具体形式包括核燃料的铅桶上的RFID电子标签，主要用于对核燃料在仓储和运输过程中的管理；而核燃料库周界的传感器数据采集模块则用于采集各种环境信息；另外就是主控室和核燃料库周界的布防模块，主要用于采集各种关键告警信息。
2.3.2 通信模式
通信模式一般采用无线数据传输，利用ZigBee网络技术，优势包括低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
ZigBee网络中的设备可分为协调器、路由器和传感器节点等三种角色。通过传感器节点采集到的数据经过路由器综合后，进一步上传至协调器，再上传至主控室，实现无线组网通信。其物联网无线传输示意图如图3所示。
2.3.3 后端实现
后端实现主要指核设施安防管理平台，是整个安防系统的核心，它对各防护子系统进行数据采集、联动处理和显示管理，从而形成一套功能完整、界面统一及数据库共享的综合管理操作平台，使核设施具有全面、有效且综合的安全技术防范能力，可有效防范外部非法入侵，保证核电厂的安全生产、核燃料的存储得到可靠的保障。
图3 物联网无线传输示意图
3 结 语
物联网是继计算机、互联网和移动通信之后引发新一轮信息产业浪潮的核心领域，是应用信息通信技术的最新产物，可实现智能化的实时管理和控制，从而提高资源利用率和生产率。目前，物联网已成为国际新一轮信息技术竞争的关键点和制高点。核设施安防系统是保护核电厂内核燃料和重要设备的安保技术措施，本文对基于物联网技术的核电厂安防系统需求与实施架构进行了设计，分析论证了物联网技术在提高核设施安防等级方面的有效性和可操作性。
参 考 文 献
[1] 王保云. 物联网技术研究综述[J]. 电子测量与仪器学报，2009， 23（12）：1-7.
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[4] 何海洋，周洪亮，张宏建，等. 基于RFID/GPRS的放射源监控系统[J]. 核电子学与探测技术，2011，31（11）：1223-1227.
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[7] 高彦章，张志强，张辉，等. 物联网技术在核燃料业务的应用研究[C]// 2011年电力行业信息化年会论文集.杭州：中国电机工程学会，2011.