摘要：無線技術在核電站設計建造和運行管理等方面具有*的技術和經濟優勢。為提高我國核電技術發展的自主化水平，在系統調研上核電站無線技術應用的現狀和發展趨勢的基礎上，從安全監管、技術和實施等層次對制約無線技術應用的若干關鍵問題進行了探討。
　　
　　引言
　　
　　無線技術尤其是射頻無線技術的進步促進了移動通信和無線局域網的普及，同時也推動了工業無線技術的飛速發展。2006年，艾默生公司推出了將無線技術與HART總線技術有效集成的SmartWireless（智能無線）產品;2007年，霍尼韋爾發布了oneWireless的工業無線解決方案。多家通信行業供應商也認準工業無線技術的市場潛力，推出了各具特色的工業應用產品。摩托羅拉公司憑借通信領域的技術積累，致力于將其MEA技術推廣到工業應用領域;思科和塵埃網絡公司聯合推出了SecureWirelessPlant工業無線技術產品，充分發揮前者在無線通信領域的技術優勢和后者豐富的工業現場經驗。核能作為清潔、的綠色能源，對保護環境、改善能源結構、滿足我國日益增長的能源需求等均具有重要意義。在此背景下，跟蹤上核電站無線技術應用的進展，并前瞻性地針對無線技術核電工程應用的關鍵問題進行探討，這對推動我國全面開展相關應用研究、相關技術發展方向和提升我國核電技術發展的自主化水平具有積極的意義。
　　
　　一、相關工作
　　
　　核電設施的安全運行對社會、經濟和環境具有重要影響，因此，核電站無線技術需要考慮的問題比較復雜。無線技術應用不僅僅是核電業主的個體行為，它還涉及核安全機構的監管、供貨商的配合以及研究設計院的等多個方面。美國核電站無線技術應用研究的參與方示意圖如圖1所示。
　　

　　核電站無線技術應用一般是在美國核管會（NRC）和美國能源部（DOE）的支持下，由電力研究院（EPRI）等研究機構聯合核電站業主和供貨商共同完成的。下面分別從政府部門、研究機構、核電業主及供貨商等四方面，對上核電站無線技術應用研究的相關工作進行總結介紹。
　　
　　1.1政府部門
　　
　　作為美國法定的核安全監管機構，NRC一直密切關注新興技術的可行性和安全性評估。通過資助學術機構開展相關研究，NRC對無線技術核設施應用的安全性進行了評估，編制了《無線技術及其在核設施應用評估》和《工業無線協議在核設施環境下的共存評估》等報告，這為NRC編制相關標準、法規和導則提供了技術基礎和決策依據。NRC認為在現階段無線技術的應用尚未作為安全有關系統的組成部分，現役核電站改造及新建核電站可能會在安全系統中引入無線系統。
　　
　　美國能源部（DOE）通過工業技術項目（ITP）支持無線技術在能源領域的應用研究。在ITP支持下，橡樹嶺國家實驗室、西北太平洋國家實驗室、Honeywell、GE、Eaton和AMS等對無線技術在能源（包括核能）領域的應用進行了研究。Honeywell推出的OneWireless工業無線技術即源自ITP的支持。自2008年起，DOE開始支持AMS公司對無線技術在核電站設備在線監測中的應用進行深入研究。目前，AMS已完成*階段工作，它計劃于2010年在美國和英國多座核電站安裝原型系統并進行實地驗證。
　　
　　1.2研究機構
　　
　　因與核電業主的密切，EPRI在美國核電站無線技術應用研究中起著重要作用。近幾年來，EPRI儀控部門一直將無線技術在核電站的應用作為其重要的研究方向。通過與核電站業主合作，EPRI在核電站實地布置了無線系統，從而對核電廠配套子項BOP的廠房設備狀態監測和語音系統集成等進行試驗研究。2009年，EPRI驗證了無線傳感網絡在核電站監測中的應用，重點研究了無線傳感網絡的安全性、可靠性和網絡組織結構問題。預期在2010年形成導則，初步解決網絡選擇、操作優化以及設計相關的問題。
　　
　　橡樹嶺國家實驗室（ORNL）是核設施領域享譽世界的*研究機構，其I&C部門作出了許多開創性貢獻。ORNL研究了核電站和核燃料處理等核設施嚴酷工況下的無線通信問題，設計開發了一系列的硬件、協議和技術標準。NRC通過委托ORNL開展研究工作，完成了對核電站無線技術應用的安全性和潛在風險等多項評估。
　　
　　西北太平洋國家實驗室（PNNL）在無線網絡化測量尤其是在射頻標簽技術（RFID）方面取得了多項成果。早在2002年，PNN就完成了“下一代核電站在線智能自診斷監測系統”的前瞻性研究項目，對核電站工藝監測、診斷、預測的無線技術應用進行了探索。PNNL研究的重點是針對廠用水系統，利用RFID技術對離心泵進行在線監測和故障檢測識別。
　　
　　美國圣地亞國家實驗室與意大利聯合研究中心（JRC）合作，對核電站安保系統無線技術應用的射頻干擾及網絡安全問題進行了驗證研究。
　　
　　1.3核電業主
　　
　　無線技術能夠在保守的核電行業迅速得到應用，其根本原因是核電業主對低成本和高運營效率的追求。從前面的介紹可以看出，無線技術的經濟和技術優勢毋庸置疑，正是這雙重優勢促使核電業主自發地通過多種方式探索無線技術的應用。
　　
　　目前，無線技術在核電站的應用主要是語音通信、數據通信、安保監控、設備狀態監測、輻射測量及重型設備操縱等方面。下面對若干核電站的無線技術應用作進一步介紹。
　　
　　田灣核電站安裝了一套包括視頻、溫度和煙霧等探測器的無線系統，以進行安保監控和異常運行工況監測。秦山核電基地在役電廠和在建項目均安裝了應急通信等無線系統。大亞灣核電站也布置了基于無線技術的應急通信系統。
　　
　　ArkansasNuclearOne（ANO）核電站布置了多用途無線網絡。工作人員在現場進行儀表校準等作業時，利用筆記本電腦和PDA即可方便地連接到無線網絡并獲取相關技術資料。ANO在停堆換料期間還利用無線網絡構建了無線視頻監控系統。
　　
　　ComanchePeak核電站是世界上無線技術應用的核電站之一。該核電站安裝了IEEE802.llb無線網絡，建立的VoIP無線系統可保證廠區范圍內的工作人員時刻保持。工作人員可利用無線視頻監控等手段在停堆換料期間進行監督管理，也可借助無線網絡實現遠程讀表。無線加速度傳感器還能監測機組中重要的泵和電機的運行狀態。ComanchePeak無線技術應用的一個突出特點是所有應用均采用了相同的無線技術標準。
　　
　　SanOnofre核電站布置了基于IEEE802.15.4協議的無線mesh網絡，電站可利用無線傳感器監測二回路給水泵的電機溫度。通過分析電機溫度數據，可及早發現可能的故障征兆，防止不必要的停機或受迫低功率運行，從而提高核電站的經濟性和可用性。
　　
　　Sevafield核電站是英國一座正值退役期的核電站。為避免員工在超過規定輻照強度的區域內工作，電站綜合利用了超帶寬RFID技術和無線輻照劑量測量設備，保障了核電站工作人員的人身安全。對中、美、英等國核電站無線技術應用的現狀進行了歸納整理，如表1所示。

　　
　　1.4供貨商
　　
　　Honeywell在2007年推出了可靠、安全、通用和開放的onewireles工業無線平臺。onewireles通過一個架構，便可支持視頻監視、移動工作站、即時定位、管道腐蝕監測、機械狀態診斷、污染物排放監測和過程參數監控等多種應用。它在同一個平臺下可支持HART、Profibus、DeviceNet、ModbuS及OPC等多種通信協議?；裟犴f爾的解決方案采用mesh網絡結構提供內在冗余性，具有自組織、自愈合和自動重新組態的特點，無單點故障。OneWireless的主要產品包括XYR6000列變送器、移動工作站、即時定位跟蹤機械設備健康狀態監測EHM以及無線視頻監視CCTV等。XYR6000系列變送器包括無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線模擬量輸入變送器以及無線開關量輸出變送器等。
　　
　　Emerson在2006年推出了SmartWirelesS無線解決方案。同霍尼韋爾的onewireles一樣，smartWireless也采用了mesh網絡技術，不同的是SmartWirelesS*符合WirelessHART標準；mesh網絡提供了冗余的數據通信路徑，可避免單點故障。SmartWireless適用于監測、開環控制和閉環控制，zui大支持100000個節點。Smartwireless的主要產品包括用于測量與分析的無線變送器、無線振動變送器及無線開關量變送器等。其中用于測量與分析的無線變送器包括Rosemount30515壓力、流量和液位變送器，Rosemount848T無線溫度變送器，Rosemount648無線溫度變送器以及Rosemount6081無線pH變送器等。
　　
　　對核電站無線技術應用而言，SmartWirelesszui突出的特點是其能夠與Ovation進行無縫集成。Ovation提供了標準的接口和網關集成，系統可以自動識別無線網關和無線設備；同時，用戶在Ovation畫面上可以清晰直觀地獲得無線設備的工藝和設備診斷信息。Ovation系統已經在火電廠和核電廠非IE級系統得到了廣泛應用，第三代核電技術AP1000的非IE級系統也采用了Ovation平臺。我們有理由相信，SmartWireless與Ovation的無縫集成能力將強有力地推動其在核電站的應用。
　　
　　二、關鍵問題
　　
　　目前，無線技術在核電站的應用還于語音數據通信、安保監控和火災探測等非安全有關系統，在IE級（安全級）系統中尚未得到應用；在核電站非安全有關領域，無線技術應用仍處于探索階段，其推廣應用還有若干關鍵問題需要解決。下面從監管、技術和實施等三個層次探討核電站無線技術應用的若干關鍵問題。
　　
　　2.1監管層次
　　
　　核安全監管部門相關標準、導則和規范的制定是無線技術在核電站及其他核設施廣泛應用的必要前提。新興技術的應用在一定程度上是對核安全監管部門監督管理能力的考驗。監管部門需要具有對新技術安全性、可靠性和潛在風險進行評估的相應能力，進而制定相關標準、規范和導則，以確保核電站的安全可靠運行。面對新興技術的挑戰，核安全監管部門應積極應對而非保守避讓。早在2004年，美國NRC的克里斯蒂娜·安東尼斯庫就已指出“已得到廣泛應用的無線技術應用于核電站是不可避免的趨勢，管理機構必須作好準備應對其挑戰”。我國核安全監管部門有責任也有義務加強對無線技術的應用研究，并及早制定相應的標準、導則和規范。
　　
　　2.2技術層次
　　
　　技術層次問題指無線技術本身，包括電磁場理論、天線技術、信道編碼／擴頻和多址接入以及拓撲控制等多方面的問題。目前，無線技術已經滲透到日常生活的各個方面，在石油化工等重要工業領域也到了廣泛應用，故其在技術層次上是基本成熟的。
　　
　　自20世紀末以來，我國一直緊跟世界無線技術研究的前沿。在國務院頒布的《（國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中，“新一代寬帶無線移動通信”同“大型*壓水堆及高溫氣冷堆核電站”等項目一起被列為16個重大專項；“傳感器網絡及智能信息處理”被列為信息產業這一重點領域的優先主題之一，我國將重點發展“低成本的傳感器網絡和實時信息處理系統”;“自組織網絡技術”被列為信息技術前沿研究方向之一。需要指出的是，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年》中提到的“自組織網絡”和“傳感器網絡”主要是指無線自組織網絡和無線傳感器網絡。
　　
　　自2006年起，國家通過“973重大基礎研究”計劃支持“無線傳感器網絡基礎理論與關鍵技術研究”項目，重點研究了無線傳感器網絡的理論及其工業應用，其中特別研究了無線傳感器網絡在煤炭開采和上海世博會安保中的應用。
　　
　　2008年10月，由中國科學院沈陽自動化所負責制定的、我國擁有*自主知識產權的工業過程自動化無線網絡標準WIA-PA成為IEC標準。WIP-PA是IEC繼WirelessHART后被批準的第2部針對工業過程自動化的標準。大唐、華為和中興等公司在無線通信領域積累了雄厚的技術基礎，能夠為工業無線技術的研發和應用提供支撐。
　　
　　綜上所述，國家中長期科學和技術發展規劃的實施、973項目的開展、具有自主知識產權標準的制定和國內無線通信企業已有的技術水平，都為我國在21世紀無線技術研究和應用中取得地位奠定了基礎，也為我國核電站無線技術應用的研究提供了強有力的支撐。
　　
　　2.3實施層次
　　
　　2.3.1技術標準
　　
　　為滿足不同需求，無線技術經過多年發展已形成多種技術標準和協議。對工業應用而言，主要技術標準有IEEE802系列、ISAl00和wirelessHART等。
　　
　　IEEE802系列標準（無線部分）是IEEE制定的無線通信標準，就工業應用而言主要有IEEE802.11和IEEE802．15這兩大類。這兩類標準分別包括多種子標準，其數據傳輸速率、調制擴頻技術、通信距離和安全機制等都不盡相同。IEEE802.11系列應用較為廣泛的有IEEE802.lla、IEEE802.llb和IEEE802.11g。近年來，隨著人們對無線網絡安全性要求的提高，更安全的IEEE802.11i和IEEE802.l1r技術的應用也逐漸增多。IEEE802.15系列中應用較多的是IEEE80215.1、IEEE802.15.3、IEEE802.15.4和IEEE.802.15.6a。IEEE.802.15.4技術是專門針對傳感器層次應用的技術標準，在當前的工業無線傳感網絡研究中應用較為普遍。
　　
　　ISAl00是ISA（instrumentation,systemandautomationsociety）的工業無線技術標準，目前還處于編制階段，預計將在近兩年內正式發布成為工業無線技術的標準。相比IEEE802系列標準，ISA100*以工業應用為目的，考慮了包括安全有關系統在內的工業應用需求。wirelessHART是HART現場總線協議的升級版，它支持在現場總線中使用無線技術Emerson的SmartWireless產品即基于此技術。
　　
　　核電站是復雜的工程系統，其運行和管理要求所布置的無線系統能滿足多種需求。語音通信要求保證通信的實時性；視頻安保監控需要高帶寬，但對實時性要求則低于語音通信。此外，隨著技術進步和應用經驗的積累，可能需要將已安裝的無線系統應用于新的領域，因此，要求系統有良好的可擴展性和可升級性。根據核電站多種應用需求選擇適用的無線技術標準是一個綜合評估的過程。根據相關研究和工業應用經驗，在評估過程中應重點考慮技術成熟性、網絡安全性、可靠性、擴展性、兼容性和實時性等因素。
　　
　　2.3.2網絡組織結構
　　
　　網絡組織結構對網絡時延、可靠性和穩定性等性能有重要影響。主要的網絡拓撲結構有星形、環狀、總線以及mesh結構等。星形和環狀拓撲結構較簡單，網絡延時較容易確定，但穩定性和可靠性差；mesh網絡是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中所提到的“自組織網絡”中的一種。mesh技術通過數據鏈路內在的冗余性實現高網絡可靠性，是當前工業應用中*的網絡組織結構。Honeywell和Emerson工業無線產品均采用了*的mesh網絡技術，基于此技術，現場儀控設備能以自組織的方式形成冗余網絡。因此，核電站無線技術應用宜采用mesh組織結構，以提高可靠性和容錯性。
　　
　　在網絡結構設計時，還應考慮不同應用之間的隔離，如安保視頻監控無線網絡應與語音通信無線網絡隔離。此外，還應考慮無線網絡和有線網絡之間的隔離。在無線系統中，隔離主要通過采用不同的通信頻率或擴頻技術等手段實現。需要指出的是，無線射頻通信通常是同高速有線網絡聯合應用的。利用光纖主干網能提高無線網絡的數據吞吐量并能將數據傳輸到更遠距離。將無線射頻通信系統接入光纖主干網的另一個優點是在不允許無線通信的區域仍然可以通過有線網絡與無線網絡交換信息。
　　
　　綜合考慮上述因素并參考西屋公司AP1000核電站所采用的數字化儀控系統架構，提出了核電站無線技術應用參考架構，即通過技術手段實現不同應用通信網絡的物理隔離，利用mesh網絡實現現場設備的靈活布置并提高通信的可靠性。將無線系統接入已有的光纖主干網，一方面可提高無線系統的吞吐量和實時性，另一方面可利用無線系統獲取核電廠的全面信息。通過防火墻、隔離網關等技術手段確保無線網絡不會影響有線網絡。核電站無線技術應用的參考架構如圖2所示。
　　
　　2.3.3QoS控制
　　
　　電磁波空間傳播的特性決定了在一定時空范圍內的多臺無線設備不能同時占用特定頻段的信道，故無線網絡不可避免地存在時延和抖動問題。時延是指無線傳輸過程中數據接收端和發送端之間的時間延遲，而抖動則指相同的數據接收端和發送端在不同時刻時延的差異。在有線網絡中同樣存在時延和抖動，只是無線網絡的時延和抖動更明顯。網絡時延和抖動與網絡帶寬或數據傳輸速率密切相關，一般來說，數據傳輸速率越高，時延越小，抖動越不明顯。
　　
　　在給定網絡傳輸速率的情況下，時延和抖動也是可以控制的。有效防止這兩個現象發生的方法是采用QoS（qualityofservice）控制策略。QoS是一種基于優先級的網絡時延控制策略，它根據通信任務重要性及其網絡時延要求設定任務優先級，適用于無線和有線網絡。無線信道的接入控制確保了高優先級任務的數據先于低優先級任務傳輸。核電站數據通信、安保監控、火災探測和物料跟蹤管理等應用對網絡延時和抖動要求并不苛刻，運用當前的成熟技術是*可以滿足要求的。工業應用和核電站初步應用的經驗都已表明無線技術在此類應用中是*可行的。
　　
　　若將無線系統用作非lE級有線系統的多樣化后備，目前的成熟技術（如IEEE802.119）還不能*勝任。從某種意義上來看，ISAl00標準的制定就是為了解決此問題。在ISAl00技術標準中考慮了無線技術在儀控系統應用中嚴格的實時性要求，其QoS將通信任務劃分為六個優先等級。第O級優先級zui高，用以保證安全有關的任務，如安全互鎖、緊急停機和火災響應等；第1級用于電動機、流量和壓力控制等。由此可知，工業無線技術標準已能滿足安全有關等應用的實時性要求，因此，將無線系統用作核電站非lE級有線系統的多樣化后備在技術上是可行的。
　　
　　2.3.4電磁兼容性
　　
　　相比有線技術，核電站無線技術應用需重點解決的關鍵問題是電磁干擾和電磁兼容性。核電站機電設備較多，存在大量電磁干擾源，可能影響基于無線通信的語音通信和運行管理等。更重要的是，無線設備發射的電磁波有可能對核電站關鍵的機電設備造成干擾，也有可能影響儀表的正常讀數。為了規避可能出現的風險，核電站一般都劃定了無線設備禁用區，在此區域內禁止使用任何無線設備。根據上在核電站應用無線技術的經驗來看，這種做法略顯保守。
　　
　　根據核電站無線技術應用的經驗反饋，經濟可行的方法是實測核電廠的電磁環境，選擇適當的位置布置無線接入點和無線網關，以確保無線設備和核電站機電設備互不干擾。隨著無線技術應用的深入，無線設備的數量將激增，全電廠的電磁環境測繪工作也相應變得異常繁重。當前，許多機構正在探索開發核電廠電磁環境仿真軟件，借助軟件自動完成核電廠電磁環境測繪和無線設備的布置優化。電磁環境仿真技術已在無線局域網、城域網的網絡布置和無線通信設備研發過程中得到了廣泛應用，因此，核電廠電磁仿真軟件的關鍵不在于無線電磁波傳輸的仿真技術，而在于對核電廠構筑物、系統和部件的電磁特性進行準確建模，并通過實地測量數據不斷修正和優化模型。
　　
　　2.3.5網絡安全性
　　
　　由于無線信道傳輸空間的開放性，無線系統容易受到外部惡意攻擊。無線技術在核電站的IE級系統和非IE級控制系統尚未得到應用，這在一定程度上是出于對網絡安全的考慮。從實際應用經驗來看，這種考慮略為保守。國內外的研究和工業應用經驗表明，采用安全防范技術的無線網絡，其安全性不遜于有線網絡。目前主要通過以下*技術保證無線網絡的安全性:
　　
　　①數據加密：為保護敏感數據免受偵聽，實施端到端的加密。研究表明，目前廣泛應用的128位AES加密對無線網絡是可行的。
　　
　?、?機制：在建立連接之前必須進行身份認證，防止未*的設備接入網絡，同時，動態變化密鑰，以保證*機制在加密方面足夠安全。技術是采用帶寬外機制（如紅外傳輸），實現一次性密鑰分配。
　　
　?、坌诺廊蒎e性：核電廠復雜的電磁環境有可能干擾正常無線通信，因此，信道都是有損的。通信協議必須能探測并適應丟包現象，并具備通信再同步能力。
　　
　?、芤苿影踩裕涸谝苿迎h境下保持無線系統的安全性，可采用主動密鑰緩存機制保證移動環境下的網絡安全，此機制是IEEE802.111協議的擴展，也是IEEE802.llr協議的基礎。
　　
　　⑤FIPS140-2符合性驗證：美國國防部要求所有軍用無線系統都要通過FIPS140-2符合性驗證。針對核電廠開展FIPS140-2符合性驗證，這對保證無線技術應用的安全性具有重要意義。
　　
　　2.3.6可靠性和人因工程
　　
　　就當前應用水平而言，對可靠性和人因工程的考慮不甚緊迫，因無線技術在短時間內很難在安全有關系統中得到應用；而從長遠發展考慮，對可靠性和人因工程進行探索研究則很有必要。
　　
　　經濟性追求和過時設備淘汰等因素決定了*成熟的技術必然會取代落后的技術。我們有理由相信無線技術將在數字化儀控系統中得到廣泛應用。
　　
　　無線技術的應用在技術上和經濟上使得全面監測電廠運行工況成為可能。核電廠運行工況信息的增加也帶來了新的問題，如在何處（就地或主控室等）以何種方式顯示（屏幕顯示或聲音報警等）都將成為新的研究課題。針對這些問題，應從人因工程的角度出發，合理設計人機交互界面和報警等系統，盡可能減少人因失誤，提高核電廠的可靠性。
　　
　　三、結束語
　　
　　無線技術在核電站的應用雖然尚處于起步探索階段，但其經濟和技術優勢已經引起了核電行業的密切關注，它有著廣闊的發展空間。無線技術在核電站的應用能夠降低布線成本、簡化工程設計、減少現場人員所受輻照，加強安保監控、實施全面的電廠壽命管理，并為有線系統提供多樣化后備。出于安全考慮，核電行業一直對新興技術持保守態度。為推動新興無線技術在核電站的深入應用，從安全監管、技術和實施等層次對制約無線技術應用的關鍵問題進行了研究。
　　
　　國家中長期科學和技術發展規劃、“973國家重點基礎研究發展計劃關于無線技術的研發投入和支持、TD-SCDMA和WIA-PA等一批我國擁有*自主知識產權的科技成果，以及華為、中興等擁有雄厚技術實力的企業，為我國核電行業發展無線技術奠定了堅實的基礎。只要我們抓住機遇，加大研究力量投入，就一定能在核電站無線技術應用領域取得重大突破。