引言
无线技术尤其是射频无线技术的进步促进了移动通信和无线局域网的普及，同时也推动了工业无线技术的飞速发展。2006年，艾默生公司推出了将无线技术与hart总线技术有效集成的smartwireless（智能无线）产品;2007年，霍尼韦尔发布了onewireless的工业无线解决方案。多家通信行业供应商也认准工业无线技术的市场潜力，推出了各具特色的工业应用产品。摩托罗拉公司凭借通信领域的技术积累，致力于将其mea技术推广到工业应用领域;思科和尘埃网络公司联合推出了securewirelessplant工业无线技术产品，充分发挥前者在无线通信领域的技术优势和后者丰富的工业现场经验。核能作为清洁、的绿色能源，对保护环境、改善能源结构、满足我国日益增长的能源需求等均具有重要意义。在此背景下，跟踪上核电站无线技术应用的进展，并前瞻性地针对无线技术核电工程应用的关键问题进行探讨，这对推动我国全面开展相关应用研究、相关技术发展方向和提升我国核电技术发展的自主化水平具有积极的意义。
一、相关工作
核电设施的安全运行对社会、经济和环境具有重要影响，因此，核电站无线技术需要考虑的问题比较复杂。无线技术应用不仅仅是核电业主的个体行为，它还涉及核安全机构的监管、供货商的配合以及研究设计院的等多个方面。美国核电站无线技术应用研究的参与方示意图如图1所示。
核电站无线技术应用一般是在美国核管会（nrc）和美国能源部（doe）的支持下，由电力研究院（epri）等研究机构联合核电站业主和供货商共同完成的。下面分别从政府部门、研究机构、核电业主及供货商等四方面，对上核电站无线技术应用研究的相关工作进行总结介绍。
1.1政府部门
作为美国法定的核安全监管机构，nrc一直密切关注新兴技术的可行性和安全性评估。通过资助学术机构开展相关研究，nrc对无线技术核设施应用的安全性进行了评估，编制了《无线技术及其在核设施应用评估》和《工业无线协议在核设施环境下的共存评估》等报告，这为nrc编制相关标准、法规和导则提供了技术基础和决策依据。nrc认为在现阶段无线技术的应用尚未作为安全有关系统的组成部分，现役核电站改造及新建核电站可能会在安全系统中引入无线系统。
美国能源部（doe）通过工业技术项目（itp）支持无线技术在能源领域的应用研究。在itp支持下，橡树岭国家实验室、西北太平洋国家实验室、honeywell、ge、eaton和ams等对无线技术在能源（包括核能）领域的应用进行了研究。honeywell推出的onewireless工业无线技术即源自itp的支持。自2008年起，doe开始支持ams公司对无线技术在核电站设备在线监测中的应用进行深入研究。目前，ams已完成*阶段工作，它计划于2010年在美国和英国多座核电站安装原型系统并进行实地验证。
1.2研究机构
因与核电业主的密切，epri在美国核电站无线技术应用研究中起着重要作用。近几年来，epri仪控部门一直将无线技术在核电站的应用作为其重要的研究方向。通过与核电站业主合作，epri在核电站实地布置了无线系统，从而对核电厂配套子项bop的厂房设备状态监测和语音系统集成等进行试验研究。2009年，epri验证了无线传感网络在核电站监测中的应用，重点研究了无线传感网络的安全性、可靠性和网络组织结构问题。预期在2010年形成导则，初步解决网络选择、操作优化以及设计相关的问题。
橡树岭国家实验室（ornl）是核设施领域享誉世界的*研究机构，其i&c部门作出了许多开创性贡献。ornl研究了核电站和核燃料处理等核设施严酷工况下的无线通信问题，设计开发了一系列的硬件、协议和技术标准。nrc通过委托ornl开展研究工作，完成了对核电站无线技术应用的安全性和潜在风险等多项评估。
西北太平洋国家实验室（pnnl）在无线网络化测量尤其是在射频标签技术（rfid）方面取得了多项成果。早在2002年，pnn就完成了“下一代核电站在线智能自诊断监测系统”的前瞻性研究项目，对核电站工艺监测、诊断、预测的无线技术应用进行了探索。pnnl研究的重点是针对厂用水系统，利用rfid技术对离心泵进行在线监测和故障检测识别。
美国圣地亚国家实验室与意大利联合研究中心（jrc）合作，对核电站安保系统无线技术应用的射频干扰及网络安全问题进行了验证研究。
1.3核电业主
无线技术能够在保守的核电行业迅速得到应用，其根本原因是核电业主对低成本和高运营效率的追求。从前面的介绍可以看出，无线技术的经济和技术优势毋庸置疑，正是这双重优势促使核电业主自发地通过多种方式探索无线技术的应用。
目前，无线技术在核电站的应用主要是语音通信、数据通信、安保监控、设备状态监测、辐射测量及重型设备操纵等方面。下面对若干核电站的无线技术应用作进一步介绍。
田湾核电站安装了一套包括视频、温度和烟雾等探测器的无线系统，以进行安保监控和异常运行工况监测。秦山核电基地在役电厂和在建项目均安装了应急通信等无线系统。大亚湾核电站也布置了基于无线技术的应急通信系统。
arkansasnuclearone（ano）核电站布置了多用途无线网络。工作人员在现场进行仪表校准等作业时，利用笔记本电脑和pda即可方便地连接到无线网络并获取相关技术资料。ano在停堆换料期间还利用无线网络构建了无线视频监控系统。
comanchepeak核电站是世界上无线技术应用的核电站之一。该核电站安装了ieee802.llb无线网络，建立的voip无线系统可保证厂区范围内的工作人员时刻保持。工作人员可利用无线视频监控等手段在停堆换料期间进行监督管理，也可借助无线网络实现远程读表。无线加速度传感器还能监测机组中重要的泵和电机的运行状态。comanchepeak无线技术应用的一个突出特点是所有应用均采用了相同的无线技术标准。
sanonofre核电站布置了基于ieee802.15.4协议的无线mesh网络，电站可利用无线传感器监测二回路给水泵的电机温度。通过分析电机温度数据，可及早发现可能的故障征兆，防止不必要的停机或受迫低功率运行，从而提高核电站的经济性和可用性。
sevafield核电站是英国一座正值退役期的核电站。为避免员工在超过规定辐照强度的区域内工作，电站综合利用了超带宽rfid技术和无线辐照剂量测量设备，保障了核电站工作人员的人身安全。对中、美、英等国核电站无线技术应用的现状进行了归纳整理，如表1所示。
1.4供货商
honeywell在2007年推出了可靠、安全、通用和开放的onewireles工业无线平台。onewireles通过一个架构，便可支持视频监视、移动工作站、即时定位、管道腐蚀监测、机械状态诊断、污染物排放监测和过程参数监控等多种应用。它在同一个平台下可支持hart、profibus、devicenet、modbus及opc等多种通信协议。霍尼韦尔的解决方案采用mesh网络结构提供内在冗余性，具有自组织、自愈合和自动重新组态的特点，无单点故障。onewireless的主要产品包括xyr6000列变送器、移动工作站、即时定位跟踪机械设备健康状态监测ehm以及无线视频监视cctv等。xyr6000系列变送器包括无线温度变送器、无线压力变送器、无线模拟量输入变送器以及无线开关量输出变送器等。
emerson在2006年推出了smartwireless无线解决方案。同霍尼韦尔的onewireles一样，smartwireless也采用了mesh网络技术，不同的是smartwireless*符合wirelesshart标准；mesh网络提供了冗余的数据通信路径，可避免单点故障。smartwireless适用于监测、开环控制和闭环控制，zui大支持100000个节点。smartwireless的主要产品包括用于测量与分析的无线变送器、无线振动变送器及无线开关量变送器等。其中用于测量与分析的无线变送器包括rosemount30515压力、流量和液位变送器，rosemount848t无线温度变送器，rosemount648无线温度变送器以及rosemount6081无线ph变送器等。
对核电站无线技术应用而言，smartwirelesszui突出的特点是其能够与ovation进行无缝集成。ovation提供了标准的接口和网关集成，系统可以自动识别无线网关和无线设备；同时，用户在ovation画面上可以清晰直观地获得无线设备的工艺和设备诊断信息。ovation系统已经在火电厂和核电厂非ie级系统得到了广泛应用，第三代核电技术ap1000的非ie级系统也采用了ovation平台。我们有理由相信，smartwireless与ovation的无缝集成能力将强有力地推动其在核电站的应用。
二、关键问题
目前，无线技术在核电站的应用还于语音数据通信、安保监控和火灾探测等非安全有关系统，在ie级（安全级）系统中尚未得到应用；在核电站非安全有关领域，无线技术应用仍处于探索阶段，其推广应用还有若干关键问题需要解决。下面从监管、技术和实施等三个层次探讨核电站无线技术应用的若干关键问题。
2.1监管层次
核安全监管部门相关标准、导则和规范的制定是无线技术在核电站及其他核设施广泛应用的必要前提。新兴技术的应用在一定程度上是对核安全监管部门监督管理能力的考验。监管部门需要具有对新技术安全性、可靠性和潜在风险进行评估的相应能力，进而制定相关标准、规范和导则，以确保核电站的安全可靠运行。面对新兴技术的挑战，核安全监管部门应积极应对而非保守避让。早在2004年，美国nrc的克里斯蒂娜·安东尼斯库就已指出“已得到广泛应用的无线技术应用于核电站是不可避免的趋势，管理机构必须作好准备应对其挑战”。我国核安全监管部门有责任也有义务加强对无线技术的应用研究，并及早制定相应的标准、导则和规范。
2.2技术层次
技术层次问题指无线技术本身，包括电磁场理论、天线技术、信道编码／扩频和多址接入以及拓扑控制等多方面的问题。目前，无线技术已经渗透到日常生活的各个方面，在石油化工等重要工业领域也到了广泛应用，故其在技术层次上是基本成熟的。
自20世纪末以来，我国一直紧跟世界无线技术研究的前沿。在国务院颁布的《（国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，“新一代宽带无线移动通信”同“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”等项目一起被列为16个重大专项；“传感器网络及智能信息处理”被列为信息产业这一重点领域的优先主题之一，我国将重点发展“低成本的传感器网络和实时信息处理系统”;“自组织网络技术”被列为信息技术前沿研究方向之一。需要指出的是，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年》中提到的“自组织网络”和“传感器网络”主要是指无线自组织网络和无线传感器网络。
自2006年起，国家通过“973重大基础研究”计划支持“无线传感器网络基础理论与关键技术研究”项目，重点研究了无线传感器网络的理论及其工业应用，其中特别研究了无线传感器网络在煤炭开采和上海世博会安保中的应用。
2008年10月，由中国科学院沈阳自动化所负责制定的、我国拥有*自主知识产权的工业过程自动化无线网络标准wia-pa成为iec标准。wip-pa是iec继wirelesshart后被批准的第2部针对工业过程自动化的标准。大唐、华为和中兴等公司在无线通信领域积累了雄厚的技术基础，能够为工业无线技术的研发和应用提供支撑。
综上所述，国家中长期科学和技术发展规划的实施、973项目的开展、具有自主知识产权标准的制定和国内无线通信企业已有的技术水平，都为我国在21世纪无线技术研究和应用中取得地位奠定了基础，也为我国核电站无线技术应用的研究提供了强有力的支撑。
2.3实施层次
2.3.1技术标准
为满足不同需求，无线技术经过多年发展已形成多种技术标准和协议。对工业应用而言，主要技术标准有ieee802系列、isal00和wirelesshart等。
ieee802系列标准（无线部分）是ieee制定的无线通信标准，就工业应用而言主要有ieee802.11和ieee802．15这两大类。这两类标准分别包括多种子标准，其数据传输速率、调制扩频技术、通信距离和安全机制等都不尽相同。ieee802.11系列应用较为广泛的有ieee802.lla、ieee802.llb和ieee802.11g。近年来，随着人们对无线网络安全性要求的提高，更安全的ieee802.11i和ieee802.l1r技术的应用也逐渐增多。ieee802.15系列中应用较多的是ieee80215.1、ieee802.15.3、ieee802.15.4和ieee.802.15.6a。ieee.802.15.4技术是专门针对传感器层次应用的技术标准，在当前的工业无线传感网络研究中应用较为普遍。
isal00是isa（instrumentation,systemandautomationsociety）的工业无线技术标准，目前还处于编制阶段，预计将在近两年内正式发布成为工业无线技术的标准。相比ieee802系列标准，isa100*以工业应用为目的，考虑了包括安全有关系统在内的工业应用需求。wirelesshart是hart现场总线协议的升级版，它支持在现场总线中使用无线技术emerson的smartwireless产品即基于此技术。
核电站是复杂的工程系统，其运行和管理要求所布置的无线系统能满足多种需求。语音通信要求保证通信的实时性；视频安保监控需要高带宽，但对实时性要求则低于语音通信。此外，随着技术进步和应用经验的积累，可能需要将已安装的无线系统应用于新的领域，因此，要求系统有良好的可扩展性和可升级性。根据核电站多种应用需求选择适用的无线技术标准是一个综合评估的过程。根据相关研究和工业应用经验，在评估过程中应重点考虑技术成熟性、网络安全性、可靠性、扩展性、兼容性和实时性等因素。
2.3.2网络组织结构
网络组织结构对网络时延、可靠性和稳定性等性能有重要影响。主要的网络拓扑结构有星形、环状、总线以及mesh结构等。星形和环状拓扑结构较简单，网络延时较容易确定，但稳定性和可靠性差；mesh网络是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中所提到的“自组织网络”中的一种。mesh技术通过数据链路内在的冗余性实现高网络可靠性，是当前工业应用中先进的网络组织结构。honeywell和emerson工业无线产品均采用了先进的mesh网络技术，基于此技术，现场仪控设备能以自组织的方式形成冗余网络。因此，核电站无线技术应用宜采用mesh组织结构，以提高可靠性和容错性。
在网络结构设计时，还应考虑不同应用之间的隔离，如安保视频监控无线网络应与语音通信无线网络隔离。此外，还应考虑无线网络和有线网络之间的隔离。在无线系统中，隔离主要通过采用不同的通信频率或扩频技术等手段实现。需要指出的是，无线射频通信通常是同高速有线网络联合应用的。利用光纤主干网能提高无线网络的数据吞吐量并能将数据传输到更远距离。将无线射频通信系统接入光纤主干网的另一个优点是在不允许无线通信的区域仍然可以通过有线网络与无线网络交换信息。
综合考虑上述因素并参考西屋公司ap1000核电站所采用的数字化仪控系统架构，提出了核电站无线技术应用参考架构，即通过技术手段实现不同应用通信网络的物理隔离，利用mesh网络实现现场设备的灵活布置并提高通信的可靠性。将无线系统接入已有的光纤主干网，一方面可提高无线系统的吞吐量和实时性，另一方面可利用无线系统获取核电厂的全面信息。通过防火墙、隔离网关等技术手段确保无线网络不会影响有线网络。核电站无线技术应用的参考架构如图2所示。
2.3.3qos控制
电磁波空间传播的特性决定了在一定时空范围内的多台无线设备不能同时占用特定频段的信道，故无线网络不可避免地存在时延和抖动问题。时延是指无线传输过程中数据接收端和发送端之间的时间延迟，而抖动则指相同的数据接收端和发送端在不同时刻时延的差异。在有线网络中同样存在时延和抖动，只是无线网络的时延和抖动更明显。网络时延和抖动与网络带宽或数据传输速率密切相关，一般来说，数据传输速率越高，时延越小，抖动越不明显。
在给定网络传输速率的情况下，时延和抖动也是可以控制的。有效防止这两个现象发生的方法是采用qos（qualityofservice）控制策略。qos是一种基于优先级的网络时延控制策略，它根据通信任务重要性及其网络时延要求设定任务优先级，适用于无线和有线网络。无线信道的接入控制确保了高优先级任务的数据先于低优先级任务传输。核电站数据通信、安保监控、火灾探测和物料跟踪管理等应用对网络延时和抖动要求并不苛刻，运用当前的成熟技术是*可以满足要求的。工业应用和核电站初步应用的经验都已表明无线技术在此类应用中是*可行的。
若将无线系统用作非le级有线系统的多样化后备，目前的成熟技术（如ieee802.119）还不能*胜任。从某种意义上来看，isal00标准的制定就是为了解决此问题。在isal00技术标准中考虑了无线技术在仪控系统应用中严格的实时性要求，其qos将通信任务划分为六个优先等级。第o级优先级zui高，用以保证安全有关的任务，如安全互锁、紧急停机和火灾响应等；第1级用于电动机、流量和压力控制等。由此可知，工业无线技术标准已能满足安全有关等应用的实时性要求，因此，将无线系统用作核电站非le级有线系统的多样化后备在技术上是可行的。
2.3.4电磁兼容性
相比有线技术，核电站无线技术应用需重点解决的关键问题是电磁干扰和电磁兼容性。核电站机电设备较多，存在大量电磁干扰源，可能影响基于无线通信的语音通信和运行管理等。更重要的是，无线设备发射的电磁波有可能对核电站关键的机电设备造成干扰，也有可能影响仪表的正常读数。为了规避可能出现的风险，核电站一般都划定了无线设备禁用区，在此区域内禁止使用任何无线设备。根据上在核电站应用无线技术的经验来看，这种做法略显保守。
根据核电站无线技术应用的经验反馈，经济可行的方法是实测核电厂的电磁环境，选择适当的位置布置无线接入点和无线网关，以确保无线设备和核电站机电设备互不干扰。随着无线技术应用的深入，无线设备的数量将激增，全电厂的电磁环境测绘工作也相应变得异常繁重。当前，许多机构正在探索开发核电厂电磁环境仿真软件，借助软件自动完成核电厂电磁环境测绘和无线设备的布置优化。电磁环境仿真技术已在无线局域网、城域网的网络布置和无线通信设备研发过程中得到了广泛应用，因此，核电厂电磁仿真软件的关键不在于无线电磁波传输的仿真技术，而在于对核电厂构筑物、系统和部件的电磁特性进行准确建模，并通过实地测量数据不断修正和优化模型。
2.3.5网络安全性
由于无线信道传输空间的开放性，无线系统容易受到外部恶意攻击。无线技术在核电站的ie级系统和非ie级控制系统尚未得到应用，这在一定程度上是出于对网络安全的考虑。从实际应用经验来看，这种考虑略为保守。国内外的研究和工业应用经验表明，采用安全防范技术的无线网络，其安全性不逊于有线网络。目前主要通过以下先进技术保证无线网络的安全性:
①数据加密：为保护敏感数据免受侦听，实施端到端的加密。研究表明，目前广泛应用的128位aes加密对无线网络是可行的。
②*机制：在建立连接之前必须进行身份认证，防止未*的设备接入网络，同时，动态变化密钥，以保证*机制在加密方面足够安全。技术是采用带宽外机制（如红外传输），实现一次性密钥分配。
③信道容错性：核电厂复杂的电磁环境有可能干扰正常无线通信，因此，信道都是有损的。通信协议必须能探测并适应丢包现象，并具备通信再同步能力。
④移动安全性：在移动环境下保持无线系统的安全性，可采用主动密钥缓存机制保证移动环境下的网络安全，此机制是ieee802.111协议的扩展，也是ieee802.llr协议的基础。
⑤fips140-2符合性验证：美国国防部要求所有军用无线系统都要通过fips140-2符合性验证。针对核电厂开展fips140-2符合性验证，这对保证无线技术应用的安全性具有重要意义。
2.3.6可靠性和人因工程
就当前应用水平而言，对可靠性和人因工程的考虑不甚紧迫，因无线技术在短时间内很难在安全有关系统中得到应用；而从长远发展考虑，对可靠性和人因工程进行探索研究则很有必要。
经济性追求和过时设备淘汰等因素决定了先进成熟的技术必然会取代落后的技术。我们有理由相信无线技术将在数字化仪控系统中得到广泛应用。
无线技术的应用在技术上和经济上使得全面监测电厂运行工况成为可能。核电厂运行工况信息的增加也带来了新的问题，如在何处（就地或主控室等）以何种方式显示（屏幕显示或声音报警等）都将成为新的研究课题。针对这些问题，应从人因工程的角度出发，合理设计人机交互界面和报警等系统，尽可能减少人因失误，提高核电厂的可靠性。
三、结束语
无线技术在核电站的应用虽然尚处于起步探索阶段，但其经济和技术优势已经引起了核电行业的密切关注，它有着广阔的发展空间。无线技术在核电站的应用能够降低布线成本、简化工程设计、减少现场人员所受辐照，加强安保监控、实施全面的电厂寿命管理，并为有线系统提供多样化后备。出于安全考虑，核电行业一直对新兴技术持保守态度。为推动新兴无线技术在核电站的深入应用，从安全监管、技术和实施等层次对制约无线技术应用的关键问题进行了研究。
国家中长期科学和技术发展规划、“973国家重点基础研究发展计划关于无线技术的研发投入和支持、td-scdma和wia-pa等一批我国拥有*自主知识产权的科技成果，以及华为、中兴等拥有雄厚技术实力的企业，为我国核电行业发展无线技术奠定了坚实的基础。只要我们抓住机遇，加大研究力量投入，就一定能在核电站无线技术应用领域取得重大突破。