江 月

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

在油田開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，放射性測(cè)井方法一直占據(jù)著非常重要的地位。大慶油田放射源主要是測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司和測(cè)井公司使用的測(cè)井用放射源，分為密閉型及非密封型兩類，包括誘發(fā)式中子源(241Am -Be)、示蹤流量測(cè)井用同位素微球(133I、131Ba)、連續(xù)示蹤相關(guān)測(cè)井用液體同位素(131Ba)、三相流測(cè)井用放射源(109Gd)、水泥環(huán)密度測(cè)井用放射源(137Cs)以及其他刻度試驗(yàn)用放射源(137Cs 或60Co)等。大慶油田幅員遼闊，放射源使用廣泛，隨著當(dāng)前環(huán)保、健康、安全等方面的要求不斷提高，放射源的管理難度越來(lái)越大。因此，亟需針對(duì)放射源和放射性源庫(kù)開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止放射源在保存、運(yùn)輸或使用過(guò)程中丟失或遺漏等事故的發(fā)生。

本文介紹了一種放射源和放射源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)放射性劑量監(jiān)控、放射性監(jiān)控目標(biāo)跟蹤定位、放射性源庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

1 跟蹤定位技術(shù)原理

1.1 RFID 射頻技術(shù)

RFID 射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽(Tag 或Transponder)、RFID 讀寫(xiě)器(Reader Interrogator)、天線(Antenna)三部分構(gòu)成，工作原理如圖1 所示。

電子標(biāo)簽一般由芯片以及耦合元器件組成，芯片上有EEP2ROM 用來(lái)儲(chǔ)存識(shí)別碼或其他數(shù)據(jù)，標(biāo)簽內(nèi)含有內(nèi)置天線，主要功能是完成與讀寫(xiě)器的通信。電子標(biāo)簽采用主動(dòng)標(biāo)簽，主動(dòng)發(fā)出射頻信號(hào)方式。標(biāo)簽中芯片的能量由電子標(biāo)簽所附的電池提供，工作頻段在微波(2.45 GHz/5.8 GHz)［1］。

RFID 讀寫(xiě)器的任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。

圖1 RFID 射頻技術(shù)原理

天線是一種以電磁波形式把無(wú)線電收發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置。RFID 的通信距離(監(jiān)控范圍)受RFID 芯片頻段、天線的收發(fā)能力、讀寫(xiě)器的性能、磁場(chǎng)和周邊環(huán)境的干擾等因素的影響，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)源標(biāo)簽的通信距離在10 m 左右，有源標(biāo)簽的通信距離最大可達(dá)100 m。

1.2 GPS/GSM 無(wú)線定位通信技術(shù)

GPS(Global Positioning System)即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，GSM(Global System for Mobile Communication)即全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。利用GSM 短消息進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線通信，具有通信成本低，不受通信線路及地區(qū)限制、保密性高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且使用方便、靈活，通訊快捷，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。

2 放射源及源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的放射源及放射性源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于RFID 與GPS/GSM 技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的，通過(guò)RFID 射頻識(shí)別技術(shù)及GSM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)放射源目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集處理。當(dāng)放射源出現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的非法移動(dòng)，離開(kāi)RFID 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將報(bào)警并通過(guò)監(jiān)控中心的信息系統(tǒng)及時(shí)通知值班人員和監(jiān)管部門，附著在放射源上的電子標(biāo)簽自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、跟蹤功能，并通過(guò)定位系統(tǒng)對(duì)放射源進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)放射源管理目標(biāo)的自動(dòng)化監(jiān)控管理。系統(tǒng)工作模式圖如圖2 所示。

圖2 放射源及放射性源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)工作模式圖

系統(tǒng)劑量監(jiān)控模塊采用RSM900C -II/A 輻射劑量監(jiān)控器，該裝置可對(duì)X、Gamma 外照射空氣吸收劑量率進(jìn)行測(cè)量并在出現(xiàn)異常狀況時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警，提醒工作人員放射源或射線裝置已處于工作或泄漏狀態(tài)。RSM900C-II/A 輻射劑量監(jiān)控器采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口、433 MHz 無(wú)線傳輸方式與計(jì)算機(jī)連接傳輸數(shù)據(jù)。該裝置可存儲(chǔ)12 個(gè)月的歷史記錄，設(shè)有報(bào)警功能，報(bào)警閾值可任意設(shè)置，當(dāng)劑量率超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)監(jiān)控器將向系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息［2］。

系統(tǒng)采用的電子標(biāo)簽是nRF2401 單片射頻收發(fā)芯片［3］，該芯片工作于2.4 GHz ～2.5 GHz ISM 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。該芯片能耗非常低，以-5 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)工作電流只有18 mA，具有集成化、多工作模式、節(jié)能設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。

該系統(tǒng)的RFID 讀寫(xiě)器由目前該領(lǐng)域比較成熟的STC89E516 MCU、EM4095 讀寫(xiě)芯片(工作頻段100 ～150 Hz)及配套電路構(gòu)成［4］，系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串行通訊接口與RFID 讀寫(xiě)器連接，讀取電子標(biāo)簽內(nèi)部的編碼信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在定位及通訊設(shè)計(jì)過(guò)程中，本系統(tǒng)通過(guò)接口切入與油田GPS 定位系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)接，在電子標(biāo)簽通過(guò)大慶油田GPS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的定位及通信功能。

2.2 RFID 編碼規(guī)則

RFID 技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，需要按照既定規(guī)則對(duì)放射源進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局文件環(huán)發(fā)［2004］118 號(hào)定義了放射源的編碼規(guī)則［5］，本系統(tǒng)按照該文件的規(guī)則進(jìn)行放射源編碼，方法是將RFID 芯片的64 個(gè)字節(jié)中的每8 個(gè)字節(jié)設(shè)為一個(gè)編碼單位，不同編碼單位代表不同含義。

第1 -2 個(gè)編碼為放射源來(lái)源，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的放射源，來(lái)源為兩位數(shù)字表示的生產(chǎn)單位代碼;國(guó)外生產(chǎn)的，來(lái)源為兩位字母表示的生產(chǎn)國(guó)家代碼。第3 -4 個(gè)編碼單位為出廠時(shí)間，用生產(chǎn)年份的后2 位數(shù)字表示。如2013年出廠的放射源，則填寫(xiě)13。第5 -6 個(gè)編碼單位為放射源的核素代碼。第7 -8 個(gè)編碼單位為放射源序列號(hào)。

按照上述編碼規(guī)則對(duì)全部放射源及放射性監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行編碼，寫(xiě)入RFID 芯片及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，即可對(duì)放射性監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行定向掃描。

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括源庫(kù)劑量監(jiān)控、射頻識(shí)別、GPS 定位、視頻監(jiān)控等模塊，不同權(quán)限用戶登陸后可以按照用戶安全級(jí)別進(jìn)行相關(guān)允許操作，包括修改系統(tǒng)設(shè)置、監(jiān)控對(duì)象移動(dòng)授權(quán)等。系統(tǒng)允許管理員根據(jù)需要進(jìn)行劑量監(jiān)控掃描時(shí)間、預(yù)警劑量上限、射頻識(shí)別設(shè)備啟停時(shí)間、射頻識(shí)別掃描時(shí)間等系統(tǒng)設(shè)置以及監(jiān)控對(duì)象信息錄入、數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出等操作。

DQJY 放射源及源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3 所示。射頻識(shí)別設(shè)備啟動(dòng)后，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的監(jiān)控對(duì)象發(fā)出要求，監(jiān)控對(duì)象附著的電子標(biāo)簽將按照通訊協(xié)議將自身唯一的RFID 編碼反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行判斷，若比較數(shù)據(jù)信息一致，如監(jiān)控對(duì)象在合法距離范圍內(nèi)則對(duì)電子標(biāo)簽應(yīng)答;若比較信息不一致，系統(tǒng)判斷監(jiān)控對(duì)象出現(xiàn)異常情況，預(yù)警模塊將啟動(dòng)，相關(guān)預(yù)警信息將發(fā)出，并通過(guò)GPS 定位模塊對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行定位。

3 放射源及源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程采用的監(jiān)控對(duì)象為同位素釋放器2個(gè)，鉛制密閉刻度源儲(chǔ)存罐2 個(gè)，電子標(biāo)簽放置位置分別在同位素釋放器表面和鉛制放射源儲(chǔ)存罐內(nèi)部。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

圖3 DQJY 放射源及源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖

測(cè)試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別放射性監(jiān)控對(duì)象的非法移動(dòng)，并在源庫(kù)放射性劑量出現(xiàn)超出閾值的異常變化(增大或減小)時(shí)發(fā)出警報(bào)提示監(jiān)控人員。

4 結(jié)論

針對(duì)油田生產(chǎn)實(shí)際需求，基于輻射劑量監(jiān)控技術(shù)、RFID 設(shè)計(jì)技術(shù)和GPS 定位技術(shù)開(kāi)發(fā)出了放射源及源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許監(jiān)控對(duì)象有10 m/s 的移動(dòng)速度，識(shí)別距離可達(dá)50 m，可同時(shí)識(shí)別100 個(gè)監(jiān)控對(duì)象，數(shù)據(jù)庫(kù)的信息存儲(chǔ)量為5 000 條，電子標(biāo)簽的電池使用時(shí)間為3 年。

表1 放射源及放射性源庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)放射源出現(xiàn)非法移動(dòng)并超出監(jiān)控范圍時(shí)，該系統(tǒng)可以定向識(shí)別并實(shí)時(shí)顯示放射源所在位置，定位精度小于5 m。

該系統(tǒng)可對(duì)放射性監(jiān)控對(duì)象的非法移動(dòng)進(jìn)行跟蹤定位，輔助放射性源庫(kù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效防止放射性監(jiān)控對(duì)象的失竊和遺失等情況的出現(xiàn)。

［1］張麗英，王憲偉，莊乾章，等. 基于RFID、GSM 技術(shù)的放射源防盜示蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(7 -2)，187 -189.

［2］北京萬(wàn)維盈創(chuàng)科技發(fā)展公司.RSM900C-II/A 輻射劑量監(jiān)控器產(chǎn)品手冊(cè)［Z］.2011(資料)

［3］劉 濤，張麗英，張斌達(dá).基于GPS/GSM 的放射源跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(6):166-168.

［4］EM Micro-Electronic-Marin SA. EM4095/EM4100 datasheet.2002 (資料)

［5］ 顏擁軍，周劍良.基于RFID 的放射源跟蹤管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2008，28(4):687 -690.