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港口泄漏輻射劑量計算機監測與預警系統設計

添加時間:2021/07/19 來源:未知 作者:樂楓
本文設計的港口泄漏輻射劑量計算機監測預警系統性能穩定,建立 的預測模型也具有較高的準確率,滿足項目整體設計要求,具有良好的可靠性和實時性。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  隨著經濟的發展與進步,港口安全引起社會公眾的廣泛關注。港口集裝箱透視安檢 通道系統中的加速器在工作狀態下會產生泄漏輻射,將對附近區域人員造成放射性損傷 并且對港口周圍環境造成污染。因此,為了預防港口泄漏輻射的危害,保障現場人員的 安全,設計一種港口泄漏輻射劑量計算機監測預警系統是非常必要的。

  結合項目需求,本文提出了 RS-485 總線總線監測儀的自控系統設計方案,進行系 統硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括設備選型與硬件連接;軟件設計主要包括復 雜報表處理功能設計、組態監控功能設計以及系統仿真預警功能設計。通過組態王 King View 軟件設計監測預警系統界面,利用串口通訊完成上位機與現場之間的數據傳輸。論 文提出了基于 BP 神經網絡的港口泄漏輻射預警算法,采用 DDE 通訊方式完成 MATLAB 與組態王之間預測結果數據的傳輸,實現了對現場泄漏輻射劑量預警。同時利用 Power Builder 開發工具完成港口泄漏輻射劑量監測預警系統的復雜報表功能。

  實際應用表明:本文設計的港口泄漏輻射劑量計算機監測預警系統性能穩定,建立 的預測模型也具有較高的準確率,滿足項目整體設計要求,具有良好的可靠性和實時性。

  關鍵詞:輻射劑量;神經網絡;監測預警

ABSTRACT

  With the economic development and progress, port safety has aroused widespread concern of the public. The accelerator in the port container perspective security inspection channel system will generate leakage radiation under working conditions, which will cause radioactive damage to the people in the nearby area and cause pollution to the surrounding environment of the port. Therefore, in order to prevent the hazards of port leakage radiation and ensure the safety of on-site personnel, it is very necessary to design a computer monitoring and early warning system for port leakage radiation dose.

  Combined with the project requirements, this paper puts forward the design scheme of the automatic control system of the RS-485 總線 bus monitor, and carries out the system hardware design and software design. Hardware design mainly includes equipment selection and hardware connection; software design mainly includes complex report processing function design, configuration monitoring function design and system simulation early warning function design. Through the KingView software design, the monitoring and early warning system interface is designed, and the serial port communication is used to complete the data transmission between the host computer and the scene. The thesis puts forward an early warning algorithm of port leakage radiation based on BP neural network, and uses DDE communication to complete the transmission of the prediction result data between MATLAB and KingView, and realizes the early warning of on-site leakage radiation dose. At the same time, the Power Builder development tool is used to complete the complex report function of the port leakage radiation monitoring and early warning system.

  The practical application shows that the computerized monitoring and early warning system of the port leakage radiation dose designed in this paper has stable performance, and the established prediction model also has high accuracy, meets the overall design requirements of the project, and has good reliability and real-time performance.

  Keywords:Radiation dose;Neural network;Monitoring and early warning

計算機監測與預警系統

目 錄 

  第一章 緒論

  1.1 研究目的及意義

  隨著我國的經濟發展以及進出口貿易業務的增長,1998 年 6 月,國家要求在所有海 關貨運量大的港口設立大型集裝箱透視安檢通道系統。該安檢系統用來檢查集裝箱中運 輸貨物是否存在違禁危險品等,具有查驗速度快以及查驗準確的特點,節約了大量的管 理資源,社會效益良好[1].由于集裝箱透視安檢通道系統中的加速器在工作狀態下會產 生一定量的電離輻射,會對現場人員造成放射性損傷并且污染周圍環境,因此港口泄漏 輻射安全問題不容忽視[2]. 在傳統的輻射劑量監測系統中,工作人員現場操作輻射監測儀進行測量,存在測量 次數有限、現場工作人員容易受到輻射損傷等弊端[3].與此同時,大部分輻射監測系統 僅僅實現了對輻射劑量的實時監測。當系統監測到港口安檢區域的輻射泄漏劑量率已經 超過安全閾值時,引起系統報警。本文提出了基于 BP 神經網絡的港口泄漏輻射劑量預 警算法,實現了泄漏輻射劑量預警功能。通過已采集的泄漏輻射劑量信息數據來預測未 來泄漏輻射劑量的變化情況,不僅可以實時監測當前港口泄漏輻射劑量的變化,而且還 能提前發出報警信號,通知現場人員及時撤離,預防事故發生。

  1.2 國內外現狀

  目前,科學研究人員在輻射監測系統方面做了很多研究,并取得不錯的成果。大部 分研究者將重點放在了輻射監測系統的設計,主要在提高輻射監測的精度和傳輸方式上 做了大量研究,例如通過 RS-485 總線總線、以太網或者無線網絡等技術對數據進行采 集[4-5].輻射監測系統主要是以計算機系統為核心進行控制,通過監測儀等設備采集數據, 完成輻射劑量計算機監測系統的設計,在系統功能方面僅僅實現了實時監測與報警功能 [6-9].有些系統加入了預測模型,這些模型大多采用了線性回歸分析、卡爾曼濾波、灰色 理論等預測方法。

  線性回歸分析預測是利用數據 y = f (x)的相互關系來建立方程,將該 方程作為回歸分析預測模型對樣本結果進行預測?柭鼮V波預測用于數據的預測處理 并通過計算機進行快速運算,是通過預測模型中每一步得出的狀態值和觀測值都作為隨 機變量再通過歸一化的線性組合得到一個新的隨機變量,其中卡爾曼增益是通過觀測值 與實際值之間的協方差最小時確定的,將增益代入狀態方程中就可以得到下一步的狀態 值,并且以此類推;疑A測是對已知信息和未知不確定信息的系統進行預測,根據灰 色理論的預測原理可知該預測方法基本不受到數據的限制,與傳統的預測方法不同, 打破了概率統計法的局限性,以便于從系統自身挖掘信息并充分利用已知信息對結 果進行預測[10-12].

  對于輻射劑量很多時候呈現出的非線性特點,不適合采用線性回歸分 析預測對數據進行處理分析,卡爾曼預測主要是對狀態空間模型進行預測,而灰色預測模型不夠靈活并且預測效果一般;谏鲜鲱A測模型的不足,提出了 BP 神經網絡預測, 對輻射劑量數據進行學習訓練,建立準確的預警模型[13].上個世紀 70 年代以來,隨著 港口貿易的快速發展,大型汽車集裝箱透視安檢通道系統的廣泛應用,放射性輻射問題 一直是公眾關注的話題,由于港口安檢系統的加速器產生電離輻射會對港口環境造成污 染,因此港口泄漏輻射監測系統的研究得到重視。

  1.2.1 國外研究現狀

  世界上包括德國、丹麥、瑞士、挪威、比利時、以及英國、美國和日本在內的多個 國家根據早期系統的研究和數據積累建立了輻射監測網絡,例如挪威的輻射防護協會、 比利時的公共環境衛生部等。政府和企業每年組織大量工作人員對環境輻射進行監測, 輻射監測的相關技術得以深入研究,一些重要的輻射監測設施日益完善[14-16].上個世紀 九十年代,聯合國環境署對于緊急事故發生時人們的意識和準備這一主題發表觀點,隨 之提出了預警系統。在上個世紀九十年代末,德國、羅馬尼亞等多個國家對預警系統投 入使用,效果顯著[17-18].輻射監測預警體系在初期建立的時候首先要保證可以提供充足 的費用,這樣才能夠推動整個系統的快速發展。其次對系統的需求分析表明,預警系統 不僅要滿足系統的穩定性而且在仿真過程中對系統的響應速度同樣有要求[19].在環境輻 射監測系統方面,國外的研究進展如下:

 。1)環境輻射監測相關技術規范日趨完善,技術規范所涵括的監測內容非常廣泛, 包括了正常情況下的環境輻射監測,也包括了應急情況下的輻射監測。在國際原子能機 構最近一次推出的輻射監測技術標準規范中,全面深入地介紹了環境監測技術方法和環 境監測原理。

 。2)針對目前常規核輻射環境監測技術來看,各國已經基本形成了成熟的監測技術 標準規范。注重全民安全意識的提升,更多地考慮公眾的基本需求。在解決方案設計方 面,更加注重環境監測的實際需求。在常規環境監測的基礎上,設計了事故早期預警裝 置,不但可以實時傳遞監測信息,完善監測技術和監測方法,而且可以預防輻射事故的 發生。

  1.2.2 國內研究現狀

  我國環境輻射監測系統起步較晚,但是發展迅猛,涉及到電離輻射危害的企業已經 基本建立了完善的環境輻射監測管理系統。上個世紀八十年代,國家聯合核工業企業成 立了環境輻射安全監測網。從輻射監測技術的基本原則到具體監測技術的研究,都充分 考慮到了各種常規工作情況下以及各種突發事件情況下的整體環境輻射監測。其中 1980 年到 1983 年,我國輻射監測儀表發展迅速。1988 年全國統計已經有超過 6000 臺在用的 核輻射監測儀。中核集團下的北京核儀器廠和同屬中核的西安核儀器廠都是核元件和輻 射監測系統的最大生產商,我國核儀器儀表相關行業技術標準規范日益完備。輻射監測分為現場監測以及基于系統的環境輻射劑量監測,現場監測主要是利用輻射劑量儀器進 行劑量監測并記錄數據,而輻射劑量監測系統則分為環境輻射劑量監測、氣象環境輻射 劑量監測以及外圍環境輻射劑量監測。

  很多科技公司也開始注重輻射探測器的研制并致 力于環境輻射監測,例如中輻核儀器有限公司主要從事輻射劑量儀表的研發,陜西衛鋒 作為一家民營企業專注于輻射環境監測領域的研究。從社會公眾角度出發,個人劑量儀 的出現有效的消除了社會公眾的恐慌緊張情緒,滿足社會公眾的心理要求。

  個人劑量儀 的發展和使用隨著人們安全防護意識的增強也逐漸變得迅速和廣泛,例如采用了能量補 償性的 G-M 計數管的個人輻射劑量報警儀,適用于多種場合,如室內瓷磚/大理石檢測、 CT 放射醫療室、核工業放射性檢測等[20-22].泄漏輻射不僅對人們身體造成嚴重損害而且 產生的輻射污染問題在很長一段時間內都無法完全解決?蒲泄ぷ魅藛T除了在輻射監測 儀表和輻射監測系統管理方面做出研究,同時在監測技術方面做出了巨大努力[23].由于 環境輻射監測系統屬于多學科融合,要求技術人員不僅掌握計算機技術還要掌握核電工 程領域的基本知識。隨著技術的不斷發展,為了改善探測器在低能端的能量響應問題, 科研人員在硬件和軟件上都做出了優化設計[24].同時結合快速發展的移動通信技術,保 證環境輻射監測系統的準確時效性。 1980 年涂序彥教授首次提出了"神經系統控制論",其中重點介紹了神經網絡的結 構、功能以及模型。到 20 世紀 80 年代中期,我國學術界掀起了研究神經網絡的熱潮。

  1990 年我國在北京召開了首屆神經網絡研討會。1992 年我國聯合國際神經網絡協會在北 京召開了國際會議,在國家研究計劃與科研人員的大力推動下,中國在神經網絡研究方 面取得了非常大的進展[25].神經網絡不僅具有良好的自學習能力、自適應性和容錯性, 而且可以充分逼近復雜的非線性關系,適用于處理不確定對象[26-27].

  國內的監測預警系 統最早是為了建立環境指標體系,環境指標體系包括污染指標和保護指標等[28-29].上個 世紀九十年代末,科研工作者已經對環境監測預警系統有了深刻的理論研究并且積累了 大量成功案例。在區域環境監測預警的基礎上,對各地區建立監測預警系統,例如長春 經濟開發區環境風險管理預警模型、珠江口區域環境安全監測預警系統、天津經濟開發 區環境監測預警系統以及長江沿江環境監測預警系統。目前隨著我國對環境的重視程度 以及監測技術水平不斷提升,根據我國地域的不同特點,在三峽以及內蒙古草原地區分 別設置了環境參數指標,例如研究環境g 能譜測量方法,構建不同的預警指標體系[30]. 通過對預警系統的動態模擬以及決策分析,開發出可以提供更多環境信息的預警系統 [31-32].

  1.3 本文研究內容和章節安排

  本文在閱讀大量相關文獻的基礎上,結合項目現場情況,確定了港口泄漏輻射劑量 監測預警系統的設計需求,提出了 RS-485 總線總線監測儀的自控系統設計方案,對系 統硬件部分和軟件部分進行設計。硬件設計主要包括硬件設備選型與硬件連接;軟件設計主要包括復雜報表處理軟件設計、組態監控軟件設計以及系統仿真預警功能設計。論 文提出了基于 BP 神經網絡的監測預警系統,通過組態王 King View 設計監測預警系統 界面,通過串口通訊對輻射劑量數據進行傳輸實現系統的監測功能,利用 DDE 通訊獲 取 MATLAB 預測數據實現系統的預警功能,同時采用 Power Builder 開發工具實現系統 復雜報表處理功能。

  主要研究內容包括:查閱大量相關文獻,對港口泄漏輻射劑量監測預警系統需求進 行分析,系統功能主要包括實時監測、顯示報警、復雜報表處理等。組態界面主要包括 密碼登錄界面、工況圖顯示界面、系統監測預警界面。

  本文選取 BP 神經網絡預測方法, 通過確定神經網絡隱含層節點,設置預測模型的重要參數,在 MATLAB 上完成系統實 驗仿真[33-34].MATLAB 與組態王之間的數據通過 DDE 通訊進行傳輸,繼而設計組態王 監控界面將 MATLAB 的預測結果圖示化顯示出來,完成系統預警功能。由于組態王生 成的報表文件只能在組態王軟件上查看,無法在其他應用軟件中瀏覽,因此客戶下載組 態王軟件增加成本的同時給客戶帶來不便。相比之下,Power Builder 開發軟件具有強大 的查詢、報表和圖形功能,該系統采用 Power Builder 開發工具對輻射劑量數據進行處理 分析,實現系統復雜報表功能[35].論文的章節安排如下:

  第一章:緒論,討論了課題研究的目的及意義,對港口泄漏輻射劑量監測預警系統 的國內外現狀進行調查分析,介紹了本文主要研究內容及章節安排。

  第二章:分析了港口泄漏輻射來源以及電離輻射的危害,介紹軟件相關技術包括軟 件系統架構以及數據通信協議,在港口泄漏輻射計算機監測預警系統開發過程中涉及到 的相關技術理論概述做了簡單介紹。

  第三章:根據系統的功能需求分析、設計原則以及系統特點制定港口泄漏輻射劑量 監測預警系統的總體設計方案。 第四章:港口泄漏輻射劑量監測預警系統的硬件方案設計,包括了硬件接線和系統 硬件選型,完成系統的硬件設計。

  第五章:對比分析現有預測方法后選取 BP 神經網絡對本系統的數據進行預測仿真。

  通過介紹在 MATLAB 中的構建過程以及各個參數的確定過程,最后對系統進行仿真實 驗。

  第六章:設計了港口泄漏輻射劑量監測預警系統的軟件方案,通過組態王 King View 軟件設計監測預警系統界面,利用串口通訊完成上位機與現場之間的數據傳輸,采用 DDE 通訊方式完成 MATLAB 與組態王之間預測結果數據的傳輸,實現了對現場泄漏輻 射劑量預警。同時利用 Power Builder 開發工具完成港口泄漏輻射劑量監測預警系統的復 雜報表功能。 第七章:論文結論和展望。

 

  第二章 港口泄漏輻射劑量監測預警系統相關技術

  2.1 工程背景

  2.1.1 港口泄漏輻射來源

  2.1.2 港口泄漏輻射研究

  2.2 系統軟件相關技術

  2.2.1 軟件系統架構

  2.2.2 相關軟件介紹

  2.2.3 數據通信協議

  2.3 監測預警系統相關技術

  2.3.1 系統監測技術

  2.3.2 系統預警技術

  2.3.3 數據采集技術

  2.3.4 數據庫技術

  2.4 本章小結

  第三章 港口泄漏輻射劑量監測預警系統總體方案設計

  3.1 系統需求分析

  3.2 系統設計原則

  3.3 系統特點

  3.4 系統總體方案設計

  3.5 本章小結

  第四章 港口泄漏輻射劑量監測預警系統硬件設計

  4.1 系統硬件構成

  4.2 系統硬件實現

  4.2.1 系統監控層硬件實現

  4.2.2 系統采集層硬件實現

  4.3 系統硬件連接

  4.4 本章小結

  第五章 BP 神經網絡預測模型構建與仿真

  5.1 BP 神經網絡簡介

  5.2 BP 神經網絡的學習過程

  5.2.1 正向傳播過程

  5.2.2 反向傳播以及加權系數計算過程

  5.3 BP 神經網絡模型部分重要參數研究

  5.3.1 BP 網絡層數的確定

  5.3.2 設定傳遞函數

  5.3.3 設定網絡函數的閾值和連接權值

  5.3.4 設定 BP 網絡的學習速率

  5.3.5 預測模型建立

  5.4 仿真及實驗結果分析

  5.4.1 樣本采集

  5.4.2 建立 BP 神經網絡模型

  5.4.3 擬合結果分析

  5.5 本章小結

  第六章 港口泄漏輻射劑量監測預警系統軟件設計

  6.1 港口泄漏劑量輻射監測預警系統軟件結構設計

  6.2 監測預警系統軟件設計

  6.2.1 組態王通訊設置

  6.2.2 組態王變量設置

  6.2.3 數據庫設計

  6.2.3 登錄界面設計

  6.2.4 系統主界面設計

  6.2.5 系統參數界面設計

  6.2.6 系統預警界面設計

  6.3 復雜報表處理軟件設計

  6.3.1 主界面設計

  6.3.2 管理員報表界面

  6.3.3 操作員報表界面

  6.3.4 數據瀏覽報表界面

  6.3.5 系統維護

  6.3.6 系統備份

  6.4 本章小結

第七章 結論與展望

  7.1 總結

  本文提出了 RS-485 總線總線監測儀的自控系統設計方案,設計了基于 Power Builder 開發工具與組態軟件相結合的港口泄漏輻射劑量計算機監測與預警系統設計。Power Builder 強大的報表功能,解決了系統中復雜報表問題,應用效果良好。系統分為硬件設 計和軟件設計。硬件設計主要包括設備選型與硬件連接;軟件設計主要包括復雜報表處 理軟件設計、監測預警系統軟件設計以及預測系統軟件設計。港口泄漏輻射劑量計算機 監測與預警系統的功能主要包括復雜報表處理、實時監測、提前報警。組態王 King View 軟件設計監測預警系統界面,利用串口通訊完成上位機與現場之間的數據傳輸。提出了 基于 BP 神經網絡的港口泄漏輻射劑量預警模型,采用 DDE 通訊方式完成 MATLAB 與 組態王之間預測結果數據的傳輸,實現了泄漏輻射劑量預警功能。建立的預測模型也具 有較高的準確率,滿足項目整體設計要求。主要工作如下:

 。1)討論了港口集裝箱透視安檢通道系統產生輻射原理以及泄漏輻射的危害,介紹 系統相關技術,包括系統軟件相關技術以及監測預警系統相關技術。通過對項目的需求 分析,完成系統總體方案設計。

 。2)介紹了港口泄漏輻射劑量監測預警系統的硬件設計過程,從系統監控層以及系 統采集層兩個層面上具體介紹了每一層的硬件組成與選型,同時介紹了系統硬件連接方 式。

 。3)建立 BP 神經網絡預測模型的方法做出詳細介紹,討論了從網絡層數到傳遞函 數、閾值和連接權值以及學習速率等主要參數的設定,并且對預測模型和設計方案進行 仿真驗證,驗證誤差大小在合理的范圍內,證明了該預測模型的可靠性。

 。4)港口泄漏輻射劑量監測預警系統的軟件開發部分,利用 Power Builder 軟件進 行報表顯示功能與打印功能設計,并在組態王界面上完成監測預警系統工況圖界面的設 計,以便于現場人員聽到報警緊急撤離并啟動安全應急預案對危險事故及時處理,滿足 了工業現場的實際運行需求。 出于對該系統的實時性和安全性的考慮設計了港口區域環境內的泄漏輻射劑量監測 預警系統,不僅實現了對輻射劑量數據的實時監測,而且還實現了對輻射劑量預測的功 能。通過此系統,不僅保障了現場人員的安全,也方便現場工作人員的監控和管理。

  7.2 展望

  本文設計的港口泄漏輻射劑量監測預警系統還有許多地方不足需要改進和完善,主 要有如下這幾點: (1)添加監測種類,本系統的監測預警的數據過于單一,由于在系統的監測過程中 只通過探測器去采集了港口安檢系統周圍的輻射劑量數據。接下來我們可以添加其他的環境傳感器,比如 DHT11 溫濕度傳感器、GP2Y1014PM2.5 濃度傳感器以及甲醛濃度 ZE08-CH2O 傳感器等等,將環境監測預警系統內容做到更加完善和全面。

 。2)改進預測算法,每種算法在實際運運用中都會產生誤差,由于誤差的產生會對 實際問題的預測結果不那么準確,因此我們會引進組合型預測算法,例如結合遺傳算法 或者別的預測算法,建立新的預測模型,使得系統誤差減小從而輸出的預測結果更為精 準。

致謝

  時光荏苒,歲月如梭,彈指間三年的研究生生涯即將畫上圓滿的句號。在這三年時 光里,想向這一路上鼓勵我、幫助我、教導我的老師、朋友和同學真誠地說一句謝謝。 首先感謝我的導師,徐竟天副教授。在我論文選題、思路整理、設計研究和論文撰 寫過程中給予的寶貴意見。徐老師態度和藹、治學嚴謹,他嚴肅的科學態度,精益求精 的工作作風,深深地感染和激勵著我。

  徐老師不僅在學業上給我以精心指導,同時還在 思想、生活上給我以無微不至的關懷,在此謹向徐老師和師母致以誠摯的謝意和崇高的 敬意。其次,感謝在三年期間陪我一起走過的同窗好友們,感謝你們在學習和生活期間 對我的無私幫助。此外,還要感謝實驗室師姐張甜、連靜以及師弟師妹們,感謝你們在 我需要幫助時及時伸出援助之手,讓我感受到大家庭的溫暖。同時感謝盛盟以及其他兩 位可愛的舍友們對我生活上的照顧和關愛。

  除此之外,感謝我的家人對我的支持和鼓勵,你們一直是我求學路上最堅強的后盾, 讓我免除了許多后顧之憂,不斷學習進步,我愛你們。最后,感謝各位老師和評審專家 百忙之中對我的論文進行評審,謝謝。

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