口岸远程辐射巡检及处置系统的设计与验证_陈永欣.pdf

中国国境卫生检疫杂志2023年2月第46卷第1期Chinese Frontier Health Quarantine Feb.2023，Vol 46，No.1国境口岸区域的辐射安全排查是保障公众安全的第一道屏障，其重要意义不言而喻。受限于检测设备的适用性，在海关入境口岸等特殊场所，工作人员很难进入散货船舱或上货物堆垛，更无法根据标准要求进行网格化布点监测；另外，工作人员无法事先判断货物是否放射性超标，难以寻找放射性“热点”；或者在处置核与辐射恐怖事件中，需要手持仪器近距离检测，无法保证工作人员不受到放射性照射，危及身体健康1-3。基于对工作人员的保护和工作流程的优化，利用地面车、机器人、无人机等载体的机动性和智能化，工作人员远程操作开展放射性检测，在保障人员安全的前提下提高工作效率，也是对固定式和手持式监测设备的有力补充4-9。本研究开发设计了口岸辐射远程巡检及处置系统，能够远程巡测放射性物质，并集成机械臂处置装置，完成对放射性物质的初Design and test of remote radiation inspection and disposal systemat border portsCHEN Yongxin*，TANG Guojin，LI Cijin，XIAN Youqin，DENG Hequan，WEI Xingyu*Fangcheng Customs，Fangchenggang，Guangxi 538001，ChinaAbstract：ObjectiveTo develop a remote radiation inspection and disposal system for border ports，which can carryout remote patrol measurement，image positioning，remote disposal and remote reporting of radioactive substances.MethodsAccording to the requirements of intelligent radiation remote disposal and personal safety protection，the mechanicalmobile chassis，radioactive material image positioning unit，nuclide identification unit and mechanical grabbing devicewereintegrated.Thestaffcouldcontrolthegroundvehicletoapproachthemeasuredobjectremotely.Theenvironment and cargo images，visual radiation images and monitoring data were transmitted to the remote monitoringunit through the wireless module.The staff could view the measurement process and data in real time.It could alsocapture and transfer the identified radioactive sources.ResultsAfter testing，the system could effectively image andtrack radioactive substances in real time.The imaging time was between 1-15s，the image tracking speed reached 4frames/s，the accuracy of nuclide identification test was 100%，and the radioactive source could be preliminarily disposed.ConclusionThe developed system can meet the requirements of radiation monitoring at the border ports.It is apowerful supplement to the fixed radiation monitoring system and handheld monitoring instrument，greatly improvingthe efficiency of monitoring and personnel safety.Keywords：Radiation；Image positioning；Remote monitoring理论研究口岸远程辐射巡检及处置系统的设计与验证陈永欣1，唐国进2，李慈进1，冼有钦1，邓和权1，韦星羽11.防城海关，广西 防城港538001；2.中检集团广西公司防城港分公司摘要：目的研制一款口岸辐射远程巡检及处置系统，能够对放射性物质进行远程巡测、图像定位、远程处置和远程上报。方法针对智能辐射远程处置和人身安全保护的需求，整合机械移动底盘、放射性物质图像定位单元、核素识别单元、机械抓取装置，工作人员可远程控制地面车接近被测物，环境和货物图像、可视化辐射图像、监测数据通过无线模块传输至远程监控单元，工作人员可实时查看测量过程和测量数据，并能完成对已识别的放射源的抓取、转移。结果经过测试，该系统能够实时对放射性物质有效成像和跟踪，成像时间在115s之间，图像跟踪速度达到4帧/s，核素识别测试正确率100%，并能对放射源进行初步处置。结论研发的系统能够满足边境口岸对辐射监测的要求，是固定式辐射监测系统和手持监测仪的有力补充，极大提高了监测效率和人员安全性。关键词：辐射；图像定位；远程监测中图分类号：R146；X837文献标识码：ADOI：10.16408/j.1004-9770.2023.01.006基金项目：防城港市技术研究与开发财政补助项目（防科AD20014029）通信作者：陈永欣，E-mail：25中国国境卫生检疫杂志2023年2月第46卷第1期Chinese Frontier Health Quarantine Feb.2023，Vol 46，No.12.1机械移动底盘口岸辐射远程巡检及处置系统整体布局在机械移动底盘上，为更好适应各种路面条件，底盘具有和汽车类似的特征，在水泥、柏油路上优势明显。为满足放射性物质图像定位系统和机械抓取装置的安装需求，设计了专门的安装底座，固定在标准型材支架上，便于放射性物质图像定位系统和机械臂安装（图3）。同时为了更好发挥移动平台作用，底盘还有以下特点：（1）采用可拆卸电池，方便更换维护；（2）全钢车身，并配置有双伺服电机驱动；（3）独立前轮转向及摇摆臂悬挂，可以轻松通过减速带；（4）适合长时间高强度工作；（5）断电后可以驻车，避免溜坡。2.2放射性物质图像定位单元要了解放射性物质的空间分布及强度，传统的核辐射测量方式多为巡测和多点测量，需要工作人员进入辐射场内，有时甚至要靠近放射性物质，不仅增加了工作人员受照时间和工作风险，且放射源的定位精度较差。如果能够对放射性物质进行远程监测和拍照，使辐射可视化，能够极大地提高检测效率，也能保证工作人员的安全。如图4所示，放射性物质图像定位单元主要包步处置，其技术特点如下：（1）能够精准地进行放射性物质的图像定位，使辐射可视化；（2）具有远程巡测功能，可远距离监控和控制，不需工作人员靠近；（3）具有远程处置功能，如发现放射性物质，能够远程处置，确保工作人员安全。1检测要求不同货物的放射性检测要求有所区别，本研究以GB 206642006有色金属矿产品的天然放射性限值10为例，其筛选要求：在距离有色金属矿产品货堆（直径2 m，厚度1 m）0.1 m处测量，辐射剂量率（包括环境本底剂量率）的现场检测筛选水平为400 nGy/h。对于高出筛选水平的或存在辐射剂量率“热点”，需就地核素定性分析、取样送检等后续处置。2系统设计机械移动底盘作为可移动载体，将图像采集、辐射监测分析等设备携带至检测现场，在底盘上安装无线传输装置、控制单元、机械臂、摄像头和放射性探测器；开发远程监控软件，操作人员可通过远程监控软件实时查看环境图像、被测物外观和测量数据等。口岸辐射远程巡检及处置系统主要包括：机械移动底盘、放射性物质图像定位单元、核素识别单元、机械臂抓取装置、通讯电力单元等。整个系统以移动底盘为载体，配有专门的遥控手柄和平板电脑等控制系统。组成示意图和结构图见图1和图2。图1口岸辐射远程巡检及处置系统组成示意图Fig.1Schematic diagram of remote radiation inspection and disposal system at ports图2口岸辐射远程巡检及处置系统结构图Fig.2Structure diagram of remote radiation inspectionand disposal system at ports放射性物质图像定位单元核素识别单元通讯电力单元机械抓取装置机械移动底盘标准型材支架顶部舱室面板顶部拓展接口急停开关阿克曼前轮转向图3机械移动底盘结构图Fig.3Structure diagram of mechanical moving chassis远程控制监控无线传输被测物样品射线射线机械臂抓取装置机械移动底盘放射性物质图像定位单元核素识别单元26中国国境卫生检疫杂志2023年2月第46卷第1期Chinese Frontier Health Quarantine Feb.2023，Vol 46，No.1括：射线探测系统、视频监测系统、数据处理系统、图像及测量结果显示系统、控制及调试系统、旋转云台。定位单元与远程控制监控之间通过Wi-Fi联系。定位单元内的射线监测系统对射入监测范围内的射线进行位置和能量信息探测，并将处理结果上传给数据处理系统。定位单元内置有光学摄像头，用于拍摄检测范围内的光学图像，并将采集信息提供给数据处理系统，在数据处理系统中与对应的伽玛图像完成融合，图像融合示意图见图5。放射性物质图像定位单元有两种工作模式静态监测和动态监测。静态监测模式可对准某一点或敏感区域持续监测，当出现泄露时及时报警；动态监测模式可对监测区域进行巡测，发现剂量超标时及时报警并回传抓拍图片和核素信息等。2.3核素识别单元射线是在放射源周围4空间发射的，探测器只能在放射源某一侧2空间内探测到射线，距离越远，能够有效捕捉到的射线量越小。因此核素识别探测器需要与图像定位探测器同轴配置，并跟随其同步移动。放射性物质图像定位单元的有效监测视野范围为40，为保证核素识别单元在这一空间范围内的探测灵敏度，核素识别单元探测器采用82 mm82 mm的圆柱型碘化钠晶体，为减少设备外壳对射线的损耗，外壳采用低密度铝材质。碘化钠晶体典型光谱波长为415 nm，为匹配碘化钠的晶体尺寸和光谱波长，采用光电倍增管，分压器电路根据光电倍增管型号及测量目的设计成能谱型。放大成形电路输出-3.30 V脉冲，对应3 Mev0 Kev 射线能量，近高斯波形。以射线能量作为横坐标，捕捉到的射线数量作为纵坐标，多道采集器采用1 024道，绘制成能谱图。“网口base”是核素识别单元的核心控制模块，采集的数据及数据平滑、去本底、寻峰、特征峰匹配等算法给出所识别核素的类型，并通过GE函数精准地判别剂量值，根据事先设置的报警阈值提示现场剂量值是否超标。2.4机械抓取装置发现放射性物质后，为避免人员直接近距离进行处理，口岸辐射远程巡检及处置系统集成了“机械臂”，可通过平板电脑展示机械臂、夹爪的控制和光学图像。其中机械臂采用多关节设计，自由度高，关节运动范围广，达175，