1.1  前言

在当今工农业生产领域，放射源已经被广泛应用于测井、探伤、医疗、辐照加工、科学研究等诸多部门，已经成为这些部门和行业不可或缺的生产手段。与放射源的广泛应用形成鲜明对比的是，长期以来，放射源的监控工作一直处于落后的人工监管状态，国内各地近期不断出现放射源丢失或放射物质泄漏的新闻报导。随着放射源的广泛使用，对放射源的监管日益成为企事业单位和各级政府部门势头心头之患，因此加强放射源使用过程中的安全监管工作变得日益紧迫。

该伽玛测井公司是一个大型综合性专业技术服务公司，现有83个装备精良的作业队伍，可提供陆上和海上裸眼井测井、套管井测井、油井射孔、井壁取心、资料解释等技术服务。先后为美国CHEVRON、加拿大FRACMASTER等公司提供了技术服务，中标并优质完成了中国第一口大陆科学钻探井测井施工。

因测井作业的需要，常年使用大量放射源（总数量约260枚），部分放射源活度极大，且需随车赴野外工地作业。目前其放射源日常管理主要以人工方式为主，程序繁琐，人员暴露时间长。且该工作责任巨大，人员心理负担较重。

本系统针对该测井公司日常施工作业中对放射源的管理需求，采用在线式辐射探测、RFID（射频ID）放射源管理、智能控制终端等先进技术和设备，设计了整套放射源监测管理系统。该系统能够实现放射源的统一ID编号管理、出入库管理、在线式车辆运输监控和异常情况报警等功能。具备数据信息实时传输，重要数据交叉验证，监控流程严密可靠等优点，可为胜利测井公司放射源的日常使用和管理提供一个高效、安全、智能化的解决方案，以降低安全责任差错，进一步提高安全生产水平。

1.2  测井公司放射源监控系统需求分析

1.2.1  放射源监控的必要性

放射性测井测井是石油工业与探矿工业的一项重要的测井工艺，是在油气勘探过程中进行的特殊作业，同时放射性测井还是带有一定风险性的作业。放射源的使用不当或丢失会极大的环境危害和社会恐慌。因此，放射源的使用和储运过程除了要求配备合格的防护器材，采取必要的安全措施外，更重要的是对放射源进行严格有效的监管与控制，以保障环境与人身的安全。

国家各相关部门针对放射源的管理颁布了近二十余部法律法规或规章制度，其中《中华人民共和国环境保护法》（1989年）、《中华人民共和国放射性污染防治法》（2003年）、《放射性环境管理办法》（国家环境保护局第3号令，1990年）、《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》（国务院令449号）、《放射性同位素与射线装置安全许可管理办法》（国家环境保护总局令31号）等法律法规均严格规范了放射源的使用及管理全过程，对放射源的销售、购买、储运、使用、退役等均做了严格的规范要求，并明确了监管机构和责任部门。企业作为放射源的直接使用者，对放射源的监管负有最为重要而不可推卸的责任。

1.2.2 放射源的使用现状

该测井公司现有放射源库两座，同位素配制室一座。现有密封放射源264枚，总活度28.8TBq，非密封源年用量370GBq。本系统主要针对密封性放射源的使用过程进行监控。

源库内放射源的储存情况分为两种情况，一是放射源放入源罐，然后存入源库地下的储存井内（见图1-1）；二是放射源装在专用运源车上停在源车库内（见图1-2）。

  

图1-1  源库                             图1-2  源车车库

放射源的使用是由施工小队从源库领出放射源，装上源车，开赴工地。施工小队一般每队6～10人组成，共三部车。其中一台为放射源运输车（源车），用源数量一般为一个20居里的中子源、一个2居里的伽玛源和2～3个刻度器（刻度源）。

施工小队领源和还源（即出入库）时，在办理相关手续的同时，源库保管员使用手持式伽玛辐射仪来检查放射源是否在源罐中。入库时在进入源库大门时检测，出库时，用源车运输的在源车库门处检测，在源库存放的在源库门处检测。

1.2.3 监控对象

根据测井公司对放射源的使用情况可以归纳本系统需监控的放射源对象如下：

密封性放射源总数：264枚；

其中车载放射源对象为：

       （1）一个中子源（²³⁸Pu＋Be或²⁴¹Am＋Be，二者只取其中一个）；

       （2）一个密度源：¹³⁷Cs

       （3）四个刻度源：单独的γ源²⁴¹Am、²²⁶Ra（架子）、¹³⁷Cs源（习惯性称为双胞胎）和一个中子源²⁴¹Am＋Be（冰块）；天然U、Th、K源（可以不监测）。

1.2.4 监控要求

监测对象按放射源所处的位置可分为源库监测与源车监测。

对监控目标（具体到哪个放射源）的监控总体要求是“源在哪里，监控就跟踪到哪里。”具体要求为：

（1）对每个源库，监控目标是否在源库里，其出入库情况。监控信息在源库本地显示，并上传到控制中心并形成数据记录。

（2）对每一辆源车，监控目标是否在源车上，源车的出入院大门的情况，包括源车编号（牌照号）、车上所载放射源信息（源ID号）等。监控信息在值班室本地显示，并实时上传到控制中心，形成数据记录。

（3）源车外出期间，监控目标的异常移动。监控信息在车上本地显示，异常报警信息及时传给押运员，并上传到控制中心，形成报警记录。

（4）在控制中心，可通过计算机实时查询任意放射源的存储和使用情况；查询源车位置、车载放射源状况；自动显示异常报警信息并启动报警处置程序；生成放射源使用情况统计报表等。

1.3  放射源监测系统建设目标

1.3.1 系统建设遵循的原则

• 实时性原则

放射源监测系统必须做到对放射源的储存、运输、异常情况等状态进行不间断的监测，并将监测信息实时传输至控制中心或值班室。

• 可靠性原则

监测系统同时使用在线式辐射探测和放射源RFID（电子标签）管理两套监控装置，可实现放射源有无及放射源身份的双重识别。同时设计了重要数据的交叉验证机制，保证了系统的高可靠性。

• 严密性原则

针对测井公司放射源储存、运输、施工等工作的每个操作环节，设计了相匹配的监测手段和智能化装置，以实现整个监测过程的无缝连接，杜绝监控漏洞，提高监控过程的严密性。

• 高效性原则

在各个监测位置设计了自动辐射监测装置和总线式（或红外）数据传输网络，并安装智能化控制终端，以实现出入库、进出院门和车载运输的自动化操作，将大大提高放射源管理工作效率。

• 安全性原则

放射源的管理工作存在一定的危险性。以信息化、自动化的技术手段实现操作人员的远距离自动作业，尽可能缩短操作人员接触放射源的时间，是本系统设计时遵循的安全性原则。

1.3.2 建设目标和内容

本系统的总体建设目标是：在胜利测井公司建立统一的放射源基础信息数据库，实现放射源的数字化管理，完成对放射源存储、运输和使用各环节的实时监控，构建远程实时的放射源信息管理平台。

主要建设内容包括：

• 源库监测子系统建设

该子系统主要包括放射源辐射探测装置、源ID号射频读出装置、源库智能控制器、485数据总线接口等部分。可实现放射源出入库过程的自动检测、自动信息录入和查询等功能。

• 院门监测子系统建设

该子系统主要包括值班室智能控制器、院门红外数据传输模块、无线GPRS传输模块等部分。可实现源车出入院门时的数据自动传输、放射源位置信息的查询等功能。

• 源车监测子系统建设

该子系统主要包括放射源辐射探测器、放射源ID号读出器、车载智能控制器、车载红外数据传输模块、车载无线报警器及车载电源等部分。可实现对源车上放射源的实时监测、源状态信息的无线实时传输，以及放射源异常移动报警等功能。

• 控制中心放射源信息管理系统建设

该子系统为控制中心后台信息管理系统，主要包括后台数据库、放射源信息查询、源车位置状态查询、异常报警提示，以及放射源使用情况统计报表等功能。

 2．系统总体设计

该油田测井公司放射源监测系统采用先进的核电子学和RFID技术，实现对测井用放射源的自动化和智能化识别跟踪和实时定位管理，确保放射源的储存、运输和使用始终处于在线监控状态下，并提供放射源的出入源库、上下源车、进出院门、野外定位以及异常移动报警等的信息记录和处理功能。

2.1  系统总体架构

以监测系统所处的位置来划分，放射源监测系统包括源库监测子系统、源车监测子系统、院门监测子系统和控制中心信息管理子系统等四部分。源库监测子系统安装于每个源库入口处，可对出入源库的放射源进行自动检测和登记；源车监控子系统安装于每个源车上，可对放置于源车上固定位置的每一个放射源进行实时监测；院门监测子系统安装于院门值班室，可对出入院门的源车及车上放射源进行自动登记；控制中心信息管理子系统安装于控制中心计算机，可对整个系统中源车及放射源的位置、状态等信息进行记录、储存、查询和异常报警等操作。

放射源的监测管理以院门口为界限，在院门口监控出入院门口的源车，由院门监测子系统和源车监测子系统配合，记录外出源车所载有的放射源类型和数量以及返回源车的放射源类型和数量。在院门口处记录的外出放射源的总数量应等于院外所有源车上放射源的数量之和；而院门口处记录的内部放射源的总数量应等于源库和院内所有源车上的放射源的数量之和。

院内在源库门口记录放射源出入源库和上下源车的情况，由源库监测子系统和源车监测子系统协同完成。

院外（野外）源车上的放射源上下车情况由源车监测子系统实时监控，在开启异常报警功能时，还能将放射源的异常移动向控制中心和押运员报警。

三个子系统的监测信息，包括放射源ID编号、放射源基本信息、出入库情况、上下车情况、进出院门口情况、源车位置、押运员、库房管理员、车牌号和作业时间信息等，均通过网络接口或GPRS无线通道发送到控制中心，并存入控制中心信息管理数据库中，共后续查询和管理使用。其中，源库和院门口位置固定，可采用内部局域网上传监测信息到值班室，再由值班室通过网络向控制中心发送数据；而源车运输放射源进行野外作业，移动范围大，因此，需通过GPRS等无线通信业务上传信息到控制中心。

本放射源监测系统的主要技术指标如下：

1. 监测对象：密封型放射源；
2. 最大监测对象容量：512个；
3. 最大监测源车数量：50台
4. 其中车载目标源类型：中子源（²³⁸Pu＋Be或²⁴¹Am＋Be）、¹³⁷Cs、²⁴¹Am、²²⁶Ra、¹³⁷Cs（双胞胎）；
5. 源识别方式：辐射强度探测与电子标签相结合
6. 监测形式：实时在线监测
7. 监测范围：源库院内及源车车厢内
8. 监测记录保存时间：可保存两年内的监测记录

2.1.1  放射源的识别和管理过程

放射源的位置和状态（是否正常）是监测的基本要求。针对每一个放射源，需要列入数据库进行管理的信息包括放射源名称、出厂日期、活度等基本信息以及放射源ID号、当前位置、进出库情况、上下车情况、押运员、库房管理员、出入院门情况、车牌号、是否有异常移动等。为了全面记录这些信息，需要采取三方面措施：其一，为每个放射源制作一个RFID （电子标签，即射频识别ID卡），存储放射源ID号。将电子标签贴在放射源的屏蔽箱（或罐）上，放射源（带有电子标签）在上下车、出入库时，在库门口和车上的RFID读出器将读取电子标签信息，并传递给源库和源车监测子系统；其二，在源库监测子系统配置放射源辐射探测器，在放射源出入库时检测屏蔽罐中是否有源存在，避免人工开罐检测。只有检测到源辐射存在，并且正确读出源ID号时，出入库信息才有效；其三，在源车的监测子系统中，为每一个需储运的放射源设置专门的存放架（或存放箱），放射源辐射探测器安装于固定位置的存放架（箱）附近。当探测器检测到辐射存在时，则可认为是对应的放射源位于存放架（箱）内；相反地，认为是已下车。

此外，在源库出入口、源车驾驶室和院门值班室均配备能够进行源信息显示和查询的智能控制终端，工作人员可通过该终端实时了解作业中的放射源信息。这当中，由于位于源库出入口的辐射探测器无法确定出入库的方向，因此，需要在智能控制终端上输入出入库的方向（亦可录入和查询库内放射源信息），信息由网络总线传到值班室，再由值班室上传到控制中心。

    由上述分析，可得第i个放射源上下车与出入库的识别与信息采集如图2-2所示。

图2-2  放射源上下车与出入库的识别与信息采集

 

    由图2-2可知，当放射源出入库时，源库监测子系统的智能终端要人工录入出入情况，如果是放射源出库，还要录入出库后的押运员（或负责人）等信息；如果出库后放射源上车则还要录入车牌号等信息。这些信息通过院内网络送到值班室，再由值班室通过网络上传到信息管理中心，与源车监测子系统共享。因此，源车监测子系统中的智能终端无需再录入所储运的放射源等信息，而是由控制中心直接发送，押运员可实时验证和查询。储运过程中，只要放射源还在车上，辐射探测器便不停地将源的状态信息通过GPRS发送至控制中心（分设防和撤防两种状态），控制中心的数据库负责记录每时刻放射源的相关信息。设防状态表示车上所有放射源已经放置妥当，押运员在智能终端上将系统报警功能打开。此时若探测系统发现辐射量变化，则表明放射源出现异常移动，系统发出报警信息。撤防状态表示需要取出车上放射源用于测井作业，押运员在智能终端上将系统报警功能关闭。此时虽然系统不向外发报警信息，但存放架（或存放箱）中放射源的有无信息依然上传。

当源车进出院门口时，院门口通过定向红外收发装置判定源车是进院内还是出院作业，源车监测子系统控制模块将把车载所有放射源的信息通过安装在大门两侧的红外数据收发器传送至值班室，并由值班室上传到控制中心，以实现源车出入院门的管理和车上放射源信息的验证。

总之，系统中RFID读出器负责读取放射源电子标签中的信息，放射源辐射探测器确定源是否位于屏蔽罐（箱）中，二者信息融合为放射源的识别信息，再加上出入库、上下车、出入院门以及放射源出库时录入的管理员、车牌号，车辆GPS定位信息等其它信息，共同组成放射源的管理信息，这些构成了本系统数据管理的核心信息。

2.1.2  系统功能模块

    为了实现对放射源实时监测的最终目的，放射源监测系统需要具有多项功能，即放射源辐射探测器、RFID识别、单片机控制、GPRS收发、报警器、网络传输、LCD界面显示、智能终端（包括信息录入和查询等功能）、红外线检测与数传、数据库管理、GIS系统等。

 

    控制中心是相对独立的子系统，接收到来自值班室和源车的GPRS数据后，进行GIS系统和数据库的管理工作，包括源信息查询、源车地理位置查询、源信息报表、源基础信息管理以及异常报警处置等。同时，图2-3显示单片机控制模块和智能终端LCD界面模块是三个监测子系统都具备的功能模块，负责信息本地化预处理和传输控制以及信息显示、查询功能。源库和源车监测子系统还都具备RFID读出模块和放射源辐射探测器，其中，RFID读出模块由RFID读出器组成，用于认别电子标签中的放射源ID信息；而放射源辐射探测器是系统中核心的功能模块，由气体射线探测器、高压电源、放大器总线、和计数控制器等组成。为了保证野外源车上放射源的安全，避免被盗用或异常移动，源车监测子系统还具有独有的报警器模块，能实时地将异常报警信息传送给押运员和控制中心。

    各个子系统及其功能模块的具体结构参阅第3、4章。

2.2  数据传输流程

源信息是放射源监测系统的核心数据，放射源的出入库、上下车和进出院门等可作为数据结构中的重要标志位。按传到信息管理中心的源信息来源不同，数据传输流程可以分为三类，即通过院内传输的值班室源信息、GPRS传输的车载源信息以及源车出入院门口时，源车与院门监测子系统间通过红外线数传车载源信息。这些源信息又通过值班室与控制中心间的院外网络连接传送到信息管理子系统中。如图2-4所示。

图2-4  数据流程图

 

放射源监测系统首次投入使用时，需要通过信息管理子系统的管理功能将所有放射源信息和人员信息录入到系统中，系统运行过程中只需根据放射源的出入库、上下车、进出院门、管理员和车牌号等情况，增添相应的数据库记录，从而使系统数据库的数据记录管理和维护更加方便快捷。

表等功能。

3．监测子系统设计

根据系统总体设计，放射源监控系统按照监控区域位置和功能的不同，划分为如下四个子系统：

• 源库监测子系统
• 院门监测子系统
• 源车监测子系统
• 控制中心信息管理子系统

3.1源库监测子系统

3.1.1设计要求

胜利测井公司共有三个源库存放放射源，为了达到对所有方式源的监控及管理目的，设计要求为：

（1）对所有被监控目标源的出入库作登记管理；

（2）上述登记信息传输到院门监控子系统。

下面以其中一个源库为例介绍源库监测子系统的设计方案。

3.1.2子系统组成与功能描述

（1）子系统组成

源库监测子系统包括：射频电子标签（RFID）、辐射探测装置、射频ID读出器、源信息采集单片机、本地智能控制终端、接口电路等。

（2）功能描述

如图3-1所示，放射源装置（屏蔽容器）是指按照测井工作需要或屏蔽需要而定制的具有一定形状的装置，其中内置放射源，装置上贴有微型柔性电子标签（RFID）。

辐射探测装置是用来探测源装置中放射源泄放射线的强度，据此可以判断源是否在装置中。

射频ID读出器是用来读取安装在源装置上的电子标签信息，可识别源的种类。射频ID读出器采用无线方式与电子标签交换信息，具有读取距离远、读取速度快、安全可靠等特点。

源信息采集单片机是用来采集源装置的信息，包括源装置ID号和源是否在装置中。此外，源信息采集单片机还要做简单的信息处理并上传信息到本地智能控制终端。

本地智能控制终端接收本库的源出入信息，在其LCD显示器（带触摸输入功能）上显示源装置的信息，并将结果数据传输到院门值班室。智能控制终端与控制中心数据库连接，可进行源的出入库管理、查询等操作。终端上采用“钥匙开关”开启装置电源，同时兼做授权管理。

本地（源库）智能终端可显示的信息包括：出入库情况、源的ID及其种类等信息。如图3-2所示。

图3-2 源库智能控制终端显示界面

 

3.1.3辐射探测装置

放射源辐射探测装置用来采集目标源射线强度信息，据此来判断放射源是否在位。射线探测装置包括：气体射线探测器、高压电源、脉冲信号放大与脉冲调制电路、直流电源等。如图3-3所示。

图3-3辐射探测装置结构

3.1.4射频电子标签

（1）RFID技术简介

射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）是从80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。和传统的磁卡、IC卡相比，射频卡最大的优点就在于非接触。因此，完成识别工作时无需人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。射频卡不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，短距离的射频卡可以在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离的产品多用于交通上，可达几十米，如自动收费或识别车辆身份。

射频识别系统包括读写器和电子标签（或称射频卡、读出器等）两个部分。统称为电子标签。

 

② 远距离无源标签读出器性能指标

• 发射功率小，读出距离稳定可靠
• 支持触发后识别标签的功能
• 数据过滤、同步和异步等功能
• 标签数据ID匹配、离线工作等功能。产品参数：
  • 工作频率：902~928MHz
  • 读写ISO18000-6B/6C（EPC GEN2）协议系列  无源电子标签。
  • 天线内置：一体，水平极化天线
  • 有效距离：稳定读取距离12米，最远读取标签距离20米。
  • 快速识别：能识别速度大于120km/h快速移动的电子标签。

3.2院门监测子系统

3.2.1要求

测井公司的三个源库和若干车库在同一个大院里，院门口旁边有值班室。设计要求为：

（1）对每辆源车及车上源的出入作登记管理；

（2）监控目标源在三个源库的出入库情况登记管理；

（3）上述登记信息以网络方式传输到控制中心。

下面介绍院门监测子系统的设计方案。

3.2.2组成与功能描述

（1）组成

院门监测子系统包括：红外线数据收发装置、院门监控控制器、GPRS模块、接口电路。如图3-5所示。

图3-5 院门监测子系统结构

 

（2）功能描述

红外线数据收发装置用于判别源车进出情况并接收源车信息（车号、车上载源情况等）；

院门智能控制终端获取三个源库中放射源的出入库情况、源车出入院门的情况，并将这些信息通过院外网络上传到控制中心。

院门智能控制终端显示器可显示的信息包括：源车出入院门的情况，进一步选择后可查询车上源的信息。

3.2.3红外线数据传输装置

院门红外线数据传输装置安装于院门两侧立柱上，包括两个部分：左侧红外线接收头和右侧红外线接收头。

平常在没有车子出入院门时，院门一侧红外发射，另一侧接收，此时，没有车子出入院门，不起动红外信息传输。

 

一旦源车出入院门，则遮挡了院门两侧红外线“对射－接收”。此时，立即启动红外线信息传输程序，接收源车编号信息和车上各个放射源的信息。

3.3源车监测子系统

3.3.1设计要求

胜利测井公司运输放射源的车辆约有30辆。源车进入院子后，可以停在车库中；源车可走出院门，开往野外作业现场。

设计要求为：

（1）每辆源车出入院门要作登记管理；

（2）源车驶出院门后，控制中心要不间断地获取该源车的位置及所载放射源的信息；

（3）源车上的各目标源是否在位，源车上智能控制终端要显示并实时上传此信息；

（4）源车上的目标源由于工作需要正常卸车，押运员首先要手动解除设防（撤防），上传此信息到控制中心。放射源完成作业装车后，押运员手动将系统设置为设防状态。

（5）处于设防状态，若源车上的目标源出现异常移动，上传此信息到控制中心，并通过无线装置向押运员报警，押运员立即做应急处理。

下面介绍源车监测子系统的设计方案。

3.3.2组成与功能描述

（1）组成

源车监测子系统包括：辐射探测装置（多组）、电子标签读出装置、红外线数据传输装置、源车智能控制终端、源装置信息采集单片机、GPRS模块等。

（2）功能描述

辐射探测装置安装于源车车厢内放射源存放架（或存放箱）附近，用于检测放射源是否在指定的位置当中。

射频电子标签读出器安装于车厢门框上方，用于在源上下源车时读取源ID号；

红外线收发装置安装于车厢外部适当高度（与院门红外装置高度匹配），用于传输车辆编号及车载源信息；

源车智能控制终端安装于驾驶室押运员座位前，由押运员负责操作。智能终端从射线探测装置和射频标签读出器获得放射源的情况，在显示屏上显示，并将这些信息通过GPRS上传到控制中心。押运员可通过终端进行设防/撤防操作，并且可查询异常报警信息。

检测到异常报警（放射源异常移动）时，智能终端可控制无线报警装置，向押运员发出报警信息，押运员察觉随身携带的接收器发出的声光信号后可及时赶回源车进行处置，同时报警信息通过GPRS发至控制中心。

3.3.3源车放射源屏蔽装置

该部分根据源车车厢及放射源结构另行设计。