無線通信應用于核安全級網絡的初步分析

鐘思潔 單 偉 蒲笑非 趙夢薇 王嘉瑞

(核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610000)

隨著無線通信技術在常規工業過程控制領域（例如，高鐵等）的普及應用，其已被證明具有一定的可靠性和安全性。隨著核動力裝置儀控系統智能化、小型化、協同性的不斷提升，在非安全級的核動力裝置儀控系統中，無線通信技術會得到逐步的應用和推廣。那么，一旦無線通信技術在非核安全領域得到成熟應用之后，未來其是否有可能被引入到核安全級儀控系統中值得研究。

1 國內外研究現狀

目前，國際上無線通信技術在核工業領域的研究主要集中在無線傳感器的應用。無線傳感器可以很方便地采集，諸如溫度，壓力和濕度之類的數據，具備體積小、成本低等優點，但是無線傳感器遵循IEEE 802.15.4標準，傳輸速率低，并且工作在公共頻段，極易被其余信號干擾。報告[1]中分析目前新興的和已采用的無線技術，介紹了工業應用相關的標準和法規。討論了無線傳感器網絡應用于工業自動化應用的一些重要設計準則，最后以蒸汽鍋爐為實例，介紹了蒸汽鍋爐中溫度和壓力的無線監控的實現。文獻[2]中提出利用無線傳感器，針對旋轉類設備的預測性維修的思路，可以實現通過無線傳感器連續的遠程監視關鍵過程條件。文獻[3]中分析了目前無線傳感器網絡應用在核動力反應堆中所面臨的挑戰。針對在惡劣環境中射頻傳播問題，提出使用超寬帶技術作為可行的解決方案，以及針對該超寬帶技術的傳感器的遠程供電方案。文獻[4]介紹了一種概念驗證的原型智能工廠配置管理系統，該系統使用針對手動閥類型的無線組件位置傳感器來幫助降低基于現場的組件位置驗證活動的運營成本，并減少由于組件位置錯誤而引起的運營挑戰。

除了無線傳感器技術外，文獻[5]從無線網絡的安全性出發，介紹了有關無線網絡安全和必要的安全控制的問題，最后根據核設施網絡安全計劃及其在無線系統中的應用提出了基本建議。

總體上來看，國際上對于無線通信技術本身的安全性、抗干擾性已有較為充分的研究，對無線傳感器在核工業中的應用也給出了一些可行的解決方案，但關于無線通信技術應用于核安全級儀控系統的研究，目前尚處于起步探索階段。

因此，有必要對從核安全級儀控系統的無線需求出發，結合目前無線通信的發展，開展無線通信技術應用在核安全級儀控系統的初步分析研究。

2 主要研究內容

隨著核動力裝置不斷提高的數字化和網絡化要求，儀控系統內部傳輸的信息量越來越大，傳輸速度越來越快，傳統的硬接線通信方式已越來越難以滿足設備智能化、小型化需求：電纜體積大，布線復雜，同時面臨電纜老化的等風險。因此在保證核動力裝置儀控系統可靠性和安全性的同時，亟待開發一種新的通信網絡傳輸模式，譬如利用無線通信技術完成核安全級系統內外部的數據傳輸。

特別是反應堆保護系統這類核安全級的系統，對可靠性和安全性有極高的要求，而網絡作為設備信息交換的手段，相當于設備的神經，它的安全性、可靠性對于設備能否正常執行其設計功能具有重要的意義。網絡功能的喪失將嚴重影響設備功能的實現。所以，研究在核安全級儀控系統的無線通信網絡的設計技術，包括網絡協議、網絡結構、安全性可靠性設計技術具有重要意義。

本文主要從以下幾個方面進行研究：

（1）核安全級網絡的設計要求；

（2）擬采用的無線通信網絡布局；

（3）核安全級無線網絡關鍵問題。

3 核安全級網絡的設計要求

3.1 實時性、確定性

儀控設備內部多個分布式子系統信息耦合通常比較緊密，比如保護裝置內冗余通道間的信息交換，有著實時性和確定性的要求。

以在研和在建保護裝置為例，一是對于主邏輯裝置保護動作響應時間有著系統級實時性的要求；二是對于安全級系統，其任務執行過程要求具有確定性。

這就要求所用的網絡協議具有可確定的實時性能，即極壞情況下的響應時間是可確定的。

3.2 高可靠性

根據核安全級儀控系統要求，單一節點出現故障，不會影響整個通信網絡的功能。需要驗證設計的無線網絡通信拓撲結構能否滿足核安全級儀控系統所要求的無線網絡通信質量要求。

3.3 網絡監控能力

系統應提供監控無線網絡的手段。通過這些手段應能夠檢測和糾正無線網絡中的異常情況。需要監測的數據包括：網絡負載、傳輸錯誤率、數據包丟失、延遲和抖動以及連接到網絡的設備的完整列表。通過這些監測信息，保證通信系統的錯誤率控制在系統設計規定的可接受范圍內。

3.4 物理安全

核安全級網絡的無線通信設備應受到物理措施的保護，以免被惡意篡改或意外損壞。

3.5 電磁兼容

在惡劣（反射、吸收、混亂）核動力裝置環境中的無線信號傳播問題，一方面需要考慮環境對于無線信號傳播的影響，保證無線通信穩定可靠進行通信，另一方面，應考慮設備之間的相互干擾。

4 擬采用的無線網絡通信布局

在目前核安全級儀控系統中，子系統之間通信頻繁。信號流向為核探測器、傳感器等采集數據送往核測、過程測量儀表設備，接著送往保護系統機柜進行邏輯處理，處理后的數據部分送往停堆斷路器，部分送往專設開關柜。

在信號傳輸中，因為核安全級網絡可靠性的設計要求，通信網絡中存在大量冗余設備，特別是冗余的邏輯處理設備，相互之間的硬接線極其繁雜，導致有線通信的核安全級網絡的線纜體積大，布線復雜，不便于維修。通過將有線通信方式轉化為無線通信方式，進一步滿足設備小型化的需求。

希望應用的無線通信網絡布局如圖1所示。

圖1 無線通信網絡布局

5 核安全級無線網絡關鍵問題

目前核安全級網絡應用無線通信技術，主要面臨網絡結構、網絡協議、安全性可靠性設計技術等關鍵問題。

5.1 高可靠性的無線網絡拓撲結構

關鍵問題：核安全級網絡正常運行工況以及異常運行工況下，要求所有節點都能接入無線網絡，從而網絡數據中心可以獲得所有的數據，并且根據數據邏輯運算得到當前反應堆狀態，實現儀控目的。因此，如何設計可靠的無線網絡拓撲結構，保障所有節點時刻都能正常接入網絡，是無線網絡應用在核安全級儀控系統需要解決的重要問題。

解決途徑：采取多AP模式拓撲結構，設置多個網絡接入點，覆蓋所有的節點，保障每個節點可以順利接入兩個或兩個以上的接入點。針對這一網絡拓撲結構布置思路，需要進行建模分析，分析環境中存在不同程度的遮擋等情況下，如何分布接入點，才能保證各節點在異常狀況下都能正常接入網絡。

5.2 無線網絡的通信協議研究

關鍵問題：對于外界干擾或噪聲等，無線網絡系統需要具有相當的抗干擾能力，運用常規的無線網絡通信頻段不僅容易被監聽，還易發生同頻段的其他信號干擾網絡通信質量。另一方面，不同節點間也不能有沖突或者干擾，需要保證節點能有序高速地接入網絡。為了保障無線通信的高速可靠性以及對噪聲的魯棒性，需要研究無線網絡通信的通信協議。通信協議應保證無線網絡能夠高速可靠運行，避免干擾信號使網絡情況產生波動，造成網絡不必要的延遲。

解決途徑：為了避免不相干的信號干擾無線網絡通信甚至破壞正常網絡通信，需要選取合適頻段，保證無線網絡能有效可靠運行。另一方面，采取時分復用技術，保證頻段內同一時隙只有一個節點與接入點通信，避免頻段內多個節點同時與接入點通信，從而產生碰撞，增加節點的接入時間。通信協議需要通過試驗分析通信效率，驗證通信協議的有效性。

5.3 有線系統與無線通信共存問題

關鍵問題：在有限的物理空間里，高頻的無線網絡通信所帶來的磁場等問題無疑會對有線系統產生電磁干擾。

解決途徑：需要對有線系統采取一定的隔離手段，防止無線網絡對于有線系統的隔離，特別對于敏感設備，采取一定的屏蔽手段，防止電磁干擾對有線系統的準確性等造成影響。

6 總結

通過對關鍵問題的分析，為后續的核安全級無線網絡研究指明了方向，有助于科研的進一步開展。