一种放射性核素污染预测系统及方法

技术领域

本申请涉及核辐射检测领域，具体而言，涉及一种放射性核素污染预测系统及方法。

背景技术

目前，应用在核辐射领域场景的核素污染预测及预测技术均无法实现海洋环境下的实时预测核污染扩散态势、分析核素迁移轨迹、预计污染扩散范围等功能，加上核辐射场景的特殊性，使得相关技术十分缺少。而现有的核素迁移扩散模型的输入参数一般都是通过水动力模型进行模拟计算得到，但是利用水动力模型进行模拟计算的前提是需要输入充裕的模型输入参数和条件，但是对于很多事先并未出现过的场景，模型输入参数和条件并不充裕，采用水动力模型进行计算也就无法及时获得核素迁移扩散模型所需的输入参数，同时模拟没有实测数据进行实时修正，导致模型适用性得到质疑。

现有的海上放射性核素监测方法由于智能性较差、获取数据单一、可参考性不强等缺点并不足以应对核泄漏事故。对于核素浓度低的放射性海洋，只能通过采集海水样品，带回实验室进行监测，这种方法处理复杂、工作量大且耗时长。虽然走航式监测可以监测核素浓度高的放射性海洋，但是不能监测核素浓度低的放射性海洋，而且不能在地面平台上进行实时监测。同时现有计算方法也存在无法实时验证模拟结果是否准确的问题。

因此，如何应对现有技术中存在的放射性核素迁移扩散预测结果不够准确、难以得到实测数据验证的问题成为本领域技术人员所要解决的众多问题之一。

发明内容

本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种放射性核素污染预测系统及方法，不断调整波浪滑翔器和水下自主航行器检测不同海域的放射性核素信息数据，结合预测模型的预测结果，对比反馈差值并修改模型参数，将海洋多个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围直观显示出来，将水动力数值模型输出结果可视化，进而解决放射性核素迁移扩散预测结果不够准确、难以得到实测数据验证的问题。

本申请目的通过下述技术方案来实现：

第一方面，本申请提出了一种放射性核素污染预测系统，所述系统包括探测子系统和控制中心子系统，所述探测子系统包括波浪滑翔器和水下自主航行器，所述波浪滑翔器上安装有第一闪烁探测器、第一位置传感器、风速传感器、洋流流速检测器，所述水下自主航行器上安装有第二闪烁探测器和第二位置传感器，与所述探测子系统通讯连接的所述控制中心子系统包括主机及信号传输电路；

所述第一闪烁探测器和所述第二闪烁探测器分别用于感知所属的所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据；

所述第一位置传感器和所述第二位置传感器分别用于测量所属的所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器当前的位置；

所述风速传感器用于测量所述波浪滑翔器当前的风速；

所述洋流流速检测器用于测量所述波浪滑翔器当前的洋流流速信息；

所述主机用于通过所述信号传输电路接收所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据、所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器当前的位置、风速、洋流流速信息，并进行数据分析得到监测区域的污染水平，还通过水动力数值模型根据放射性核素信息数据对下一时刻的扩散趋势进行预测。

在一种可能的实施方式中，所述主机包括控制中心，所述控制中心通过放射性核素污染预测及预测输出的控制指令进行模型参数修正，并发送至所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器调整协同监测路径。

在一种可能的实施方式中，所述控制中心子系统还包括控制中心无线收发模块、主控模块、海洋数值模拟系统和数据采集单元，所述主控模块分别与所述中心无线收发模块和所述数据采集单元相连；

所述控制中心无线收发模块用于接收和发送所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据、所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器当前的位置、风速、洋流流速信息；

所述主控模块用于向波浪滑翔器和水下自主航行器发送控制指令，所述控制指令指示所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器行驶至目标位置；

所述数值模拟系统用于根据放射性核素信息数据对海洋放射性核素扩散进行模拟；

所述数据采集单元用于存储放射性核素信息数据、所述波浪滑翔器当前的位置、风速、洋流流速信息。

在一种可能的实施方式中，所述波浪滑翔器包括由柔性吊缆连接的水面母船和水下滑翔机，所述水面母船上安装太阳能电池板并设置主控系统、通信系统和导航设备。

在一种可能的实施方式中，所述太阳能电池板的峰值发电功率为80W，平均功率为8W，额外电能负载为4W，蓄电储备满足连续无光工作时间为3天。

在一种可能的实施方式中，所述控制中心子系统还包括多制式通信射频收发机，所述多制式通信射频收发机安装在水面船只或沿海地面建筑内。

在一种可能的实施方式中，所述水下自主航行器搭载卫星通信和多频无线通信系统，实现和控制中心子系统的远程数据和指令交互。

在一种可能的实施方式中，所述水下自主航行器根据任务情况安装多个能源模块以增加续航里程。

在一种可能的实施方式中，所述放射性核素信息数据包括核污染剂量率和核素类别。

第二方面，本申请还提出了一种放射性核素污染预测方法，所述方法包括：

通过波浪滑翔器搭载的第一闪烁探测器和水下自主航行器搭载的第二闪烁探测器分别获取所处海域的放射性核素信息数据，将所述放射性核素信息数据通过传输电路发送至主机的控制中心；

利用建立的水动力数值模型预测所述波浪滑翔器和所述水下自主航行器所处区域的污染情况；

预测下一位置的污染情况，将所述波浪滑翔器和水下自主航行器移动至所述下一位置时的实际测量值与所述放射性核素信息数据进行对比，反馈差值并修改模型参数；

分析预测结果并根据所述预测结果调整监测路径区域，直至得到海洋各个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围。

上述本申请主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本申请可采用并要求保护的方案；且本申请，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本申请方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本申请所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本申请公开了一种放射性核素污染预测系统，闪烁探测器和位置传感器分别感知波浪滑翔器和水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据与当前位置，风速传感器、洋流流速检测器分别检测波浪滑翔器当前的风速和洋流流速信息，主机通过信号传输电路接收信息，并进行数据处理得到监测区域的污染水平。不断调整波浪滑翔器和水下自主航行器检测不同海域的放射性核素信息数据，结合预测模型的预测结果，对比反馈差值并修改模型参数，将海洋多个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围直观显示出来，将水动力数值模型输出结果可视化，进而解决放射性核素迁移扩散预测结果不够准确、难以得到实测数据验证的问题。

附图说明

图1示出了本申请实施例提出的一种放射性核素污染预测系统的结构示意图。

图2示出了本申请实施例提出的水动力数值模型的流程示意图。

图3示出了本申请实施例中的一种放射性核素污染预测方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有的海上放射性核素监测方法不仅智能性较差，获取数据还比较单一，可参考性不强，不足以应对核泄漏事故，也不能同时监测大气和海洋的放射性水平。对于核素浓度低的放射性大气和海洋，只能通过采集海水和大气样品，带回实验室进行监测，这种采样监测方法样品处理复杂，工作量大，耗时长，虽然走航式监测可以监测核素浓度高的放射性海洋和大气，不能监测核素浓度低的放射性海洋和大气，而且不能在地面平台上进行实时监测。

而现有技术中有一种方案《一种放射性核素滨海实时迁移扩散计算方法及系统》，该计算方法通过优化现有的实时流场计算模型，利用优化后的实时流场计算模型开展实时流场计算，将计算得到的实时流场数据输入优化后的放射性核素迁移扩散方程，能实现放射性核素在滨海水环境的实时数值模拟计算，但该方法仍然存在无法实时验证模拟结果是否准确的问题。

因此为了解决上述问题，请参照图1，图1示出了本申请实施例提出的一种放射性核素污染预测系统的结构示意图，该系统包括探测子系统和控制中心子系统，探测子系统包括波浪滑翔器和水下自主航行器，系统包括探测子系统和控制中心子系统，探测子系统包括波浪滑翔器和水下自主航行器，波浪滑翔器上安装有第一闪烁探测器、第一位置传感器、风速传感器、洋流流速检测器，水下自主航行器上安装有第二闪烁探测器和第二位置传感器，与探测子系统通讯连接的控制中心子系统包括主机及信号传输电路。

第一闪烁探测器和第二闪烁探测器分别用于感知所属的波浪滑翔器和水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据，第一位置传感器和第二位置传感器分别用于测量所属的波浪滑翔器和水下自主航行器当前的位置。风速传感器用于测量波浪滑翔器当前的风速，洋流流速检测器用于测量波浪滑翔器当前的洋流流速信息。风速传感器和洋流流速检测器依据波浪滑翔器利用波浪动力实现自身前向驱动的原理完成区域的洋流流速和风速测量。

主机用于通过信号传输电路接收波浪滑翔器和水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据、波浪滑翔器和水下自主航行器当前的位置、风速、洋流流速信息，并进行数据分析得到监测区域的污染水平，还通过水动力数值模型对下一时刻的扩散趋势进行预测。

其中水动力数值模型通过网格确定计算区域，并根据粒子输入文件(包含粒子的剂量、位置信息)对未来时刻其扩散趋势进行计算与预测。

控制中心子系统通过通信总线与控制子系统进行核污染检测信息和控制指令数据的交互传输，控制中心子系统通过卫星通信与控制子系统进行核污染检测信息和控制指令数据的交互传输。波浪滑翔器和水下自主航行器都属于移动平台，波浪滑翔器上安装有闪烁探测器，位置传感器，风速传感器，洋流流速器，闪烁探测器安装于波浪滑翔器的水下滑翔机的框架上，通过通信线缆和控制中心中的控制系统相连接。而水下自主航行器上安装有闪烁探测器和位置传感器。

此外控制中心子系统包括据可视化工具，可视化工具用于将包含时间、位置、浓度等基础信息以图表等形式进行可视化输出。控制中心在模型预测值与多移动平台实测值的差值小于预设阈值时，使用python，C#等编程语言，设计可视化编码方案，根据核素迁移扩散预测模型的输出结果，读取其中的核素时间、空间信息，再将其转换为易于分析数据的图表、动态模拟及GIS辅助展示等形态，并对水动力模型的预测结果进行可视化输出，该预设阈值可以根据实际情况自行设置。

波浪滑翔器能够保证长时间测数据，而自主航行器能够较快速获得实测数据，面对不同的需求能自由组合波浪滑翔器和自主航行器，二者还可以进行通信组网获取更加完整的数据。

波浪滑翔器包括由柔性吊缆连接的水面母船和水下滑翔机，水面母船上安装太阳能电池板并设置主控系统、通信系统和导航设备，其中太阳能电池板的峰值发电功率为80W，平均功率为8W，额外电能负载为4W，蓄电储备满足连续无光工作时间为3天。

水下自主航行器具有卫星通信、定位和自主导航的能力，能够实现机动的走航测量和检测数据记录。根据水下自主航行器的工作特点，将其工作定位为核事故发生时的机动监测。水下自主航行器根据任务情况安装多个能源模块以增加续航里程。水下自主航行器搭载卫星通信和多频无线通信系统，实现和控制中心子系统的远程数据和指令交互。

放射性核素信息数据包括核污染剂量率和核素类别，信号传输电路将放射性核素信息数据、波浪滑翔器当前的位置、风速、洋流流速信息等电信号发送至主机的控制中心，控制中心通过放射性核素污染预测及预测输出的控制指令进行模型参数修正，并发送至波浪滑翔器和水下自主航行器调整协同监测路径。

其中控制中心子系统还包括控制中心无线收发模块、主控模块、海洋数值模拟系统和数据采集单元，主控模块分别与中心无线收发模块和数据采集单元相连；

控制中心无线收发模块用于接收和发送放射性核素信息数据、波浪滑翔器当前的位置、风速、洋流流速信息。

主控模块用于向波浪滑翔器和水下自主航行器发送控制指令，控制指令指示波浪滑翔器和水下自主航行器行驶至目标位置；

数值模拟系统用于根据放射性核素信息数据对海洋放射性核素扩散进行模拟；

数据采集单元用于存储放射性核素信息数据、波浪滑翔器当前的位置、风速、洋流流速信息。

通过控制中心无线收发模块、主控模块、海洋数值模拟系统和数据采集单元能够实现包括滤波处理、数据处理等，同时给出监测区域的污染水平。

控制中心子系统还包括多制式通信射频收发机，多制式通信射频收发机安装在水面船只或沿海地面建筑内。

此外，本申请还提出了一种放射性核素污染预测方法，该方法包括：

通过波浪滑翔器搭载的第一闪烁探测器和水下自主航行器搭载的第二闪烁探测器分别获取所处海域的放射性核素信息数据，将放射性核素信息数据通过传输电路发送至主机的控制中心。

利用建立的水动力数值模型预测波浪滑翔器和水下自主航行器所处区域的污染情况。

预测下一位置的污染情况，将波浪滑翔器和水下自主航行器移动至下一位置时的实际测量值与放射性核素信息数据进行对比，反馈差值并修改模型参数。

分析预测结果并根据预测结果调整监测路径区域，直至得到海洋多个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围。

当核事故发生之后，将目标海域预报环境信息以及监测得到放射性污染信息作为基本参数，模拟计算事故之后的流场、放射性物质浓度的动态特征，将探测子系统在监测海域检测到的放射性污染信息作为示踪物加入海洋模型中，模拟不同类型放射性物质的迁移路径、范围和浓度。利用海洋水动力模型，将放射性污染物作为示踪物，通过水动力模型模拟放射性污染物的迁移路径、范围和浓度，根据检测结果预测扩散模型的准确性并对模型参数进行修正，提高扩散模型的准确性，在结果准确的情况下接受修正的模型。

利用实测数据对污染扩散预测模型进行矫正，优化模型参数，以适应影响因素的变化，位置传感器、风速传感器、洋流流速检测器分别用于测量移动平台的位置、风速、洋流流速信息，信号传输电路与闪烁探测器、各类传感器、主机均具有信号连接，用于将闪烁探测器和各类传感器输出的电信号传输给主机的控制中心。

请参照图2，图,2示出了本申请实施例提出的放射性核素污染预测系统的应用流程图，具体分为以下几个流程：

第一、在t1时刻通过波浪滑翔器和水下自主航行器搭载的探测器可以获取t1位置区域的污染测量值，将污染测量值通过信号传输电路传输到控制中心中，还能将污染测量值中的核素信息制作海洋水动力模型的粒子输入文件确定模型参数取值，用于建立模型；

第二、建立水动力数值模型，预测移动平台移动路径上t2时刻位置区域的污染情况，将移动平台t2时刻到达该区域后的实际测量值和t1时刻对该区域的预测值进行对比，反馈差值以修正预测模型参数；

第三、对目标区域及下一时刻的监测路径区域进行污染预测；

第四、对目标区域的污染预测结果进行分析，对多次预测结果进行综合分析给出动态预测结果；

第五、控制中心接收动态预测结果，以及根据预计污染扩散范围等，为应急机构提供预测信息，为决策提供数据依据，并通过放射性核素污染预测及预测输出的控制指令并进行模型参数修正，然后发送给多移动平台，进而调整协同监测路径；

第六、重复第二步至第五步，得到海洋多个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围等。

此外，本申请实施例还可以设计可视化编码方案，读取优化参数后的核素迁移扩散预测模型的输出结果，对包含核素时间、空间信息的高复杂度文件进行可视化处理，辅助决策人员分析数据。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：

(1)利用搭载平台所采集的实测数据对污染扩散预测模型进行矫正，优化模型参数，以适应影响因素的变化，解决了放射性核素迁移扩散预测结果不够准确、难以得到实测数据验证的问题。

(2)通过波浪滑翔器、水下自主航行器等移动平台作为探测器的搭载平台，提高了探测器的探测范围和时间，解决现有的探测器难以在距离远的海域进行探测的问题。

(3)控制中心通过放射性核素污染预测及预测输出的控制指令并进行模型参数修正，发送给多移动平台，进而调整协同监测路径，改善了预测效率低、时效性差等缺点，实时的评价目标海域的污染水平及预测污染扩散态势，实现了对放射性核素迁移扩散路径的实时调整与预测，解决放射性核素迁移扩散的实时预测的问题。

(4)使用可视化工具对核素扩散预测模型输出的核素信息数据进行可视化处理，使得模型输出的结果更加直观、易于理解和应用，帮助决策人员更加准确地了解核素在海洋中的分布情况，进一步提高了海洋污染应急处置和管理能力。

此外，本申请实施例还提出了一种放射性核素污染预测方法，其用于执行上述放射性核素污染预测系统相应的技术效果。请参照图3，图3示出了本申请实施例提出的一种放射性核素污染预测方法的流程图，该方法包括以下各个步骤：

S100、通过波浪滑翔器搭载的第一闪烁探测器和水下自主航行器搭载的第二闪烁探测器分别获取所处海域的放射性核素信息数据，将放射性核素信息数据通过传输电路发送至主机的控制中心。

S200、利用建立的水动力数值模型预测波浪滑翔器和水下自主航行器所处区域的污染情况。

S300、预测下一位置的污染情况，将波浪滑翔器和水下自主航行器移动至下一位置时的实际测量值与放射性核素信息数据进行对比，反馈差值并修改模型参数。

S400、分析预测结果并根据预测结果调整监测路径区域，直至得到海洋各个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围。

因此，本申请公开的一种放射性核素污染预测系统，通过闪烁探测器和位置传感器分别感知波浪滑翔器和水下自主航行器所处海域的放射性核素信息数据与当前位置，风速传感器、洋流流速检测器分别检测波浪滑翔器当前的风速和洋流流速信息，主机通过信号传输电路接收信息，并进行数据处理得到监测区域的污染水平。不断调整波浪滑翔器和水下自主航行器检测不同海域的放射性核素信息数据，结合预测模型的预测结果，对比反馈差值并修改模型参数，将海洋多个目标区域的核污染扩散态势、核素迁移路径与预计污染扩散范围直观显示出来，将水动力数值模型输出结果可视化，进而解决放射性核素迁移扩散预测结果不够准确、难以得到实测数据验证的问题。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。