港口泄漏辐射剂量计算机监测与预警系统设计

摘 要

　　随着经济的发展与进步，港口安全引起社会公众的广泛关注。港口集装箱透视安检 通道系统中的加速器在工作状态下会产生泄漏辐射，将对附近区域人员造成放射性损伤 并且对港口周围环境造成污染。因此，为了预防港口泄漏辐射的危害，保障现场人员的 安全，设计一种港口泄漏辐射剂量计算机监测预警系统是非常必要的。

　　结合项目需求，本文提出了 RS-485 总线总线监测仪的自控系统设计方案，进行系 统硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括设备选型与硬件连接；软件设计主要包括复 杂报表处理功能设计、组态监控功能设计以及系统仿真预警功能设计。通过组态王 King View 软件设计监测预警系统界面，利用串口通讯完成上位机与现场之间的数据传输。论 文提出了基于 BP 神经网络的港口泄漏辐射预警算法，采用 DDE 通讯方式完成 MATLAB 与组态王之间预测结果数据的传输，实现了对现场泄漏辐射剂量预警。同时利用 Power Builder 开发工具完成港口泄漏辐射剂量监测预警系统的复杂报表功能。

　　实际应用表明：本文设计的港口泄漏辐射剂量计算机监测预警系统性能稳定，建立 的预测模型也具有较高的准确率，满足项目整体设计要求，具有良好的可靠性和实时性。

　　关键词：辐射剂量；神经网络；监测预警

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 总线 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

目 录 

　　第一章 绪论

　　1.1 研究目的及意义

　　随着我国的经济发展以及进出口贸易业务的增长，1998 年 6 月，国家要求在所有海 关货运量大的港口设立大型集装箱透视安检通道系统。该安检系统用来检查集装箱中运 输货物是否存在违禁危险品等，具有查验速度快以及查验准确的特点，节约了大量的管 理资源，社会效益良好[1].由于集装箱透视安检通道系统中的加速器在工作状态下会产 生一定量的电离辐射，会对现场人员造成放射性损伤并且污染周围环境，因此港口泄漏 辐射安全问题不容忽视[2]. 在传统的辐射剂量监测系统中，工作人员现场操作辐射监测仪进行测量，存在测量 次数有限、现场工作人员容易受到辐射损伤等弊端[3].与此同时，大部分辐射监测系统 仅仅实现了对辐射剂量的实时监测。当系统监测到港口安检区域的辐射泄漏剂量率已经 超过安全阈值时，引起系统报警。本文提出了基于 BP 神经网络的港口泄漏辐射剂量预 警算法，实现了泄漏辐射剂量预警功能。通过已采集的泄漏辐射剂量信息数据来预测未 来泄漏辐射剂量的变化情况，不仅可以实时监测当前港口泄漏辐射剂量的变化，而且还 能提前发出报警信号，通知现场人员及时撤离，预防事故发生。

　　1.2 国内外现状

　　目前，科学研究人员在辐射监测系统方面做了很多研究，并取得不错的成果。大部 分研究者将重点放在了辐射监测系统的设计，主要在提高辐射监测的精度和传输方式上 做了大量研究，例如通过 RS-485 总线总线、以太网或者无线网络等技术对数据进行采 集[4-5].辐射监测系统主要是以计算机系统为核心进行控制，通过监测仪等设备采集数据， 完成辐射剂量计算机监测系统的设计，在系统功能方面仅仅实现了实时监测与报警功能 [6-9].有些系统加入了预测模型，这些模型大多采用了线性回归分析、卡尔曼滤波、灰色 理论等预测方法。

　　线性回归分析预测是利用数据 y = f （x）的相互关系来建立方程，将该 方程作为回归分析预测模型对样本结果进行预测。卡尔曼滤波预测用于数据的预测处理 并通过计算机进行快速运算，是通过预测模型中每一步得出的状态值和观测值都作为随 机变量再通过归一化的线性组合得到一个新的随机变量，其中卡尔曼增益是通过观测值 与实际值之间的协方差最小时确定的，将增益代入状态方程中就可以得到下一步的状态 值，并且以此类推。灰色预测是对已知信息和未知不确定信息的系统进行预测，根据灰 色理论的预测原理可知该预测方法基本不受到数据的限制，与传统的预测方法不同， 打破了概率统计法的局限性，以便于从系统自身挖掘信息并充分利用已知信息对结 果进行预测[10-12].

　　对于辐射剂量很多时候呈现出的非线性特点，不适合采用线性回归分 析预测对数据进行处理分析，卡尔曼预测主要是对状态空间模型进行预测，而灰色预测模型不够灵活并且预测效果一般。基于上述预测模型的不足，提出了 BP 神经网络预测， 对辐射剂量数据进行学习训练，建立准确的预警模型[13].上个世纪 70 年代以来，随着 港口贸易的快速发展，大型汽车集装箱透视安检通道系统的广泛应用，放射性辐射问题 一直是公众关注的话题，由于港口安检系统的加速器产生电离辐射会对港口环境造成污 染，因此港口泄漏辐射监测系统的研究得到重视。

　　1.2.1 国外研究现状

　　世界上包括德国、丹麦、瑞士、挪威、比利时、以及英国、美国和日本在内的多个 国家根据早期系统的研究和数据积累建立了辐射监测网络，例如挪威的辐射防护协会、 比利时的公共环境卫生部等。政府和企业每年组织大量工作人员对环境辐射进行监测， 辐射监测的相关技术得以深入研究，一些重要的辐射监测设施日益完善[14-16].上个世纪 九十年代，联合国环境署对于紧急事故发生时人们的意识和准备这一主题发表观点，随 之提出了预警系统。在上个世纪九十年代末，德国、罗马尼亚等多个国家对预警系统投 入使用，效果显著[17-18].辐射监测预警体系在初期建立的时候首先要保证可以提供充足 的费用，这样才能够推动整个系统的快速发展。其次对系统的需求分析表明，预警系统 不仅要满足系统的稳定性而且在仿真过程中对系统的响应速度同样有要求[19].在环境辐 射监测系统方面，国外的研究进展如下：

　　（1）环境辐射监测相关技术规范日趋完善，技术规范所涵括的监测内容非常广泛， 包括了正常情况下的环境辐射监测，也包括了应急情况下的辐射监测。在国际原子能机 构最近一次推出的辐射监测技术标准规范中，全面深入地介绍了环境监测技术方法和环 境监测原理。

　　（2）针对目前常规核辐射环境监测技术来看，各国已经基本形成了成熟的监测技术 标准规范。注重全民安全意识的提升，更多地考虑公众的基本需求。在解决方案设计方 面，更加注重环境监测的实际需求。在常规环境监测的基础上，设计了事故早期预警装 置，不但可以实时传递监测信息，完善监测技术和监测方法，而且可以预防辐射事故的 发生。

　　1.2.2 国内研究现状

　　我国环境辐射监测系统起步较晚，但是发展迅猛，涉及到电离辐射危害的企业已经 基本建立了完善的环境辐射监测管理系统。上个世纪八十年代，国家联合核工业企业成 立了环境辐射安全监测网。从辐射监测技术的基本原则到具体监测技术的研究，都充分 考虑到了各种常规工作情况下以及各种突发事件情况下的整体环境辐射监测。其中 1980 年到 1983 年，我国辐射监测仪表发展迅速。1988 年全国统计已经有超过 6000 台在用的 核辐射监测仪。中核集团下的北京核仪器厂和同属中核的西安核仪器厂都是核元件和辐 射监测系统的最大生产商，我国核仪器仪表相关行业技术标准规范日益完备。辐射监测分为现场监测以及基于系统的环境辐射剂量监测，现场监测主要是利用辐射剂量仪器进 行剂量监测并记录数据，而辐射剂量监测系统则分为环境辐射剂量监测、气象环境辐射 剂量监测以及外围环境辐射剂量监测。

　　很多科技公司也开始注重辐射探测器的研制并致 力于环境辐射监测，例如中辐核仪器有限公司主要从事辐射剂量仪表的研发，陕西卫锋 作为一家民营企业专注于辐射环境监测领域的研究。从社会公众角度出发，个人剂量仪 的出现有效的消除了社会公众的恐慌紧张情绪，满足社会公众的心理要求。

　　个人剂量仪 的发展和使用随着人们安全防护意识的增强也逐渐变得迅速和广泛，例如采用了能量补 偿性的 G-M 计数管的个人辐射剂量报警仪，适用于多种场合，如室内瓷砖/大理石检测、 CT 放射医疗室、核工业放射性检测等[20-22].泄漏辐射不仅对人们身体造成严重损害而且 产生的辐射污染问题在很长一段时间内都无法完全解决。科研工作人员除了在辐射监测 仪表和辐射监测系统管理方面做出研究，同时在监测技术方面做出了巨大努力[23].由于 环境辐射监测系统属于多学科融合，要求技术人员不仅掌握计算机技术还要掌握核电工 程领域的基本知识。随着技术的不断发展，为了改善探测器在低能端的能量响应问题， 科研人员在硬件和软件上都做出了优化设计[24].同时结合快速发展的移动通信技术，保 证环境辐射监测系统的准确时效性。 1980 年涂序彦教授首次提出了"神经系统控制论",其中重点介绍了神经网络的结 构、功能以及模型。到 20 世纪 80 年代中期，我国学术界掀起了研究神经网络的热潮。

　　1990 年我国在北京召开了首届神经网络研讨会。1992 年我国联合国际神经网络协会在北 京召开了国际会议，在国家研究计划与科研人员的大力推动下，中国在神经网络研究方 面取得了非常大的进展[25].神经网络不仅具有良好的自学习能力、自适应性和容错性， 而且可以充分逼近复杂的非线性关系，适用于处理不确定对象[26-27].

　　国内的监测预警系 统最早是为了建立环境指标体系，环境指标体系包括污染指标和保护指标等[28-29].上个 世纪九十年代末，科研工作者已经对环境监测预警系统有了深刻的理论研究并且积累了 大量成功案例。在区域环境监测预警的基础上，对各地区建立监测预警系统，例如长春 经济开发区环境风险管理预警模型、珠江口区域环境安全监测预警系统、天津经济开发 区环境监测预警系统以及长江沿江环境监测预警系统。目前随着我国对环境的重视程度 以及监测技术水平不断提升，根据我国地域的不同特点，在三峡以及内蒙古草原地区分 别设置了环境参数指标，例如研究环境g 能谱测量方法，构建不同的预警指标体系[30]. 通过对预警系统的动态模拟以及决策分析，开发出可以提供更多环境信息的预警系统 [31-32].

　　1.3 本文研究内容和章节安排

　　本文在阅读大量相关文献的基础上，结合项目现场情况，确定了港口泄漏辐射剂量 监测预警系统的设计需求，提出了 RS-485 总线总线监测仪的自控系统设计方案，对系 统硬件部分和软件部分进行设计。硬件设计主要包括硬件设备选型与硬件连接；软件设计主要包括复杂报表处理软件设计、组态监控软件设计以及系统仿真预警功能设计。论 文提出了基于 BP 神经网络的监测预警系统，通过组态王 King View 设计监测预警系统 界面，通过串口通讯对辐射剂量数据进行传输实现系统的监测功能，利用 DDE 通讯获 取 MATLAB 预测数据实现系统的预警功能，同时采用 Power Builder 开发工具实现系统 复杂报表处理功能。

　　主要研究内容包括：查阅大量相关文献，对港口泄漏辐射剂量监测预警系统需求进 行分析，系统功能主要包括实时监测、显示报警、复杂报表处理等。组态界面主要包括 密码登录界面、工况图显示界面、系统监测预警界面。

　　本文选取 BP 神经网络预测方法， 通过确定神经网络隐含层节点，设置预测模型的重要参数，在 MATLAB 上完成系统实 验仿真[33-34].MATLAB 与组态王之间的数据通过 DDE 通讯进行传输，继而设计组态王 监控界面将 MATLAB 的预测结果图示化显示出来，完成系统预警功能。由于组态王生 成的报表文件只能在组态王软件上查看，无法在其他应用软件中浏览，因此客户下载组 态王软件增加成本的同时给客户带来不便。相比之下，Power Builder 开发软件具有强大 的查询、报表和图形功能，该系统采用 Power Builder 开发工具对辐射剂量数据进行处理 分析，实现系统复杂报表功能[35].论文的章节安排如下：

　　第一章：绪论，讨论了课题研究的目的及意义，对港口泄漏辐射剂量监测预警系统 的国内外现状进行调查分析，介绍了本文主要研究内容及章节安排。

　　第二章：分析了港口泄漏辐射来源以及电离辐射的危害，介绍软件相关技术包括软 件系统架构以及数据通信协议，在港口泄漏辐射计算机监测预警系统开发过程中涉及到 的相关技术理论概述做了简单介绍。

　　第三章：根据系统的功能需求分析、设计原则以及系统特点制定港口泄漏辐射剂量 监测预警系统的总体设计方案。 第四章：港口泄漏辐射剂量监测预警系统的硬件方案设计，包括了硬件接线和系统 硬件选型，完成系统的硬件设计。

　　第五章：对比分析现有预测方法后选取 BP 神经网络对本系统的数据进行预测仿真。

　　通过介绍在 MATLAB 中的构建过程以及各个参数的确定过程，最后对系统进行仿真实 验。

　　第六章：设计了港口泄漏辐射剂量监测预警系统的软件方案，通过组态王 King View 软件设计监测预警系统界面，利用串口通讯完成上位机与现场之间的数据传输，采用 DDE 通讯方式完成 MATLAB 与组态王之间预测结果数据的传输，实现了对现场泄漏辐 射剂量预警。同时利用 Power Builder 开发工具完成港口泄漏辐射剂量监测预警系统的复 杂报表功能。 第七章：论文结论和展望。

　　第二章 港口泄漏辐射剂量监测预警系统相关技术

　　2.1 工程背景

　　2.1.1 港口泄漏辐射来源

　　2.1.2 港口泄漏辐射研究

　　2.2 系统软件相关技术

　　2.2.1 软件系统架构

　　2.2.2 相关软件介绍

　　2.2.3 数据通信协议

　　2.3 监测预警系统相关技术

　　2.3.1 系统监测技术

　　2.3.2 系统预警技术

　　2.3.3 数据采集技术

　　2.3.4 数据库技术

　　2.4 本章小结

　　第三章 港口泄漏辐射剂量监测预警系统总体方案设计

　　3.1 系统需求分析

　　3.2 系统设计原则

　　3.3 系统特点

　　3.4 系统总体方案设计

　　3.5 本章小结

　　第四章 港口泄漏辐射剂量监测预警系统硬件设计

　　4.1 系统硬件构成

　　4.2 系统硬件实现

　　4.2.1 系统监控层硬件实现

　　4.2.2 系统采集层硬件实现

　　4.3 系统硬件连接

　　4.4 本章小结

　　第五章 BP 神经网络预测模型构建与仿真

　　5.1 BP 神经网络简介

　　5.2 BP 神经网络的学习过程

　　5.2.1 正向传播过程

　　5.2.2 反向传播以及加权系数计算过程

　　5.3 BP 神经网络模型部分重要参数研究

　　5.3.1 BP 网络层数的确定

　　5.3.2 设定传递函数

　　5.3.3 设定网络函数的阈值和连接权值

　　5.3.4 设定 BP 网络的学习速率

　　5.3.5 预测模型建立

　　5.4 仿真及实验结果分析

　　5.4.1 样本采集

　　5.4.2 建立 BP 神经网络模型

　　5.4.3 拟合结果分析

　　5.5 本章小结

　　第六章 港口泄漏辐射剂量监测预警系统软件设计

　　6.1 港口泄漏剂量辐射监测预警系统软件结构设计

　　6.2 监测预警系统软件设计

　　6.2.1 组态王通讯设置

　　6.2.2 组态王变量设置

　　6.2.3 数据库设计

　　6.2.3 登录界面设计

　　6.2.4 系统主界面设计

　　6.2.5 系统参数界面设计

　　6.2.6 系统预警界面设计

　　6.3 复杂报表处理软件设计

　　6.3.1 主界面设计

　　6.3.2 管理员报表界面

　　6.3.3 操作员报表界面

　　6.3.4 数据浏览报表界面

　　6.3.5 系统维护

　　6.3.6 系统备份

　　6.4 本章小结

第七章 结论与展望

　　7.1 总结

　　本文提出了 RS-485 总线总线监测仪的自控系统设计方案，设计了基于 Power Builder 开发工具与组态软件相结合的港口泄漏辐射剂量计算机监测与预警系统设计。Power Builder 强大的报表功能，解决了系统中复杂报表问题，应用效果良好。系统分为硬件设 计和软件设计。硬件设计主要包括设备选型与硬件连接；软件设计主要包括复杂报表处 理软件设计、监测预警系统软件设计以及预测系统软件设计。港口泄漏辐射剂量计算机 监测与预警系统的功能主要包括复杂报表处理、实时监测、提前报警。组态王 King View 软件设计监测预警系统界面，利用串口通讯完成上位机与现场之间的数据传输。提出了 基于 BP 神经网络的港口泄漏辐射剂量预警模型，采用 DDE 通讯方式完成 MATLAB 与 组态王之间预测结果数据的传输，实现了泄漏辐射剂量预警功能。建立的预测模型也具 有较高的准确率，满足项目整体设计要求。主要工作如下：

　　（1）讨论了港口集装箱透视安检通道系统产生辐射原理以及泄漏辐射的危害，介绍 系统相关技术，包括系统软件相关技术以及监测预警系统相关技术。通过对项目的需求 分析，完成系统总体方案设计。

　　（2）介绍了港口泄漏辐射剂量监测预警系统的硬件设计过程，从系统监控层以及系 统采集层两个层面上具体介绍了每一层的硬件组成与选型，同时介绍了系统硬件连接方 式。

　　（3）建立 BP 神经网络预测模型的方法做出详细介绍，讨论了从网络层数到传递函 数、阈值和连接权值以及学习速率等主要参数的设定，并且对预测模型和设计方案进行 仿真验证，验证误差大小在合理的范围内，证明了该预测模型的可靠性。

　　（4）港口泄漏辐射剂量监测预警系统的软件开发部分，利用 Power Builder 软件进 行报表显示功能与打印功能设计，并在组态王界面上完成监测预警系统工况图界面的设 计，以便于现场人员听到报警紧急撤离并启动安全应急预案对危险事故及时处理，满足 了工业现场的实际运行需求。 出于对该系统的实时性和安全性的考虑设计了港口区域环境内的泄漏辐射剂量监测 预警系统，不仅实现了对辐射剂量数据的实时监测，而且还实现了对辐射剂量预测的功 能。通过此系统，不仅保障了现场人员的安全，也方便现场工作人员的监控和管理。

　　7.2 展望

　　本文设计的港口泄漏辐射剂量监测预警系统还有许多地方不足需要改进和完善，主 要有如下这几点： （1）添加监测种类，本系统的监测预警的数据过于单一，由于在系统的监测过程中 只通过探测器去采集了港口安检系统周围的辐射剂量数据。接下来我们可以添加其他的环境传感器，比如 DHT11 温湿度传感器、GP2Y1014PM2.5 浓度传感器以及甲醛浓度 ZE08-CH2O 传感器等等，将环境监测预警系统内容做到更加完善和全面。

　　（2）改进预测算法，每种算法在实际运运用中都会产生误差，由于误差的产生会对 实际问题的预测结果不那么准确，因此我们会引进组合型预测算法，例如结合遗传算法 或者别的预测算法，建立新的预测模型，使得系统误差减小从而输出的预测结果更为精 准。

致谢

　　时光荏苒，岁月如梭，弹指间三年的研究生生涯即将画上圆满的句号。在这三年时 光里，想向这一路上鼓励我、帮助我、教导我的老师、朋友和同学真诚地说一句谢谢。 首先感谢我的导师，徐竟天副教授。在我论文选题、思路整理、设计研究和论文撰 写过程中给予的宝贵意见。徐老师态度和蔼、治学严谨，他严肃的科学态度，精益求精 的工作作风，深深地感染和激励着我。

　　徐老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在 思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向徐老师和师母致以诚挚的谢意和崇高的 敬意。其次，感谢在三年期间陪我一起走过的同窗好友们，感谢你们在学习和生活期间 对我的无私帮助。此外，还要感谢实验室师姐张甜、连静以及师弟师妹们，感谢你们在 我需要帮助时及时伸出援助之手，让我感受到大家庭的温暖。同时感谢盛盟以及其他两 位可爱的舍友们对我生活上的照顾和关爱。

　　除此之外，感谢我的家人对我的支持和鼓励，你们一直是我求学路上最坚强的后盾， 让我免除了许多后顾之忧，不断学习进步，我爱你们。最后，感谢各位老师和评审专家 百忙之中对我的论文进行评审，谢谢。

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