автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационная поддержка системы массового радиационного контроля проб сложного химического состава

|||

005045565

Кожин Олег Владимирович

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА СИСТЕМЫ МАССОВОГО РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПРОБ СЛОЖНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 июн ¿012

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре Информационных технологий государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова» (МИТХТ им. М.В. Ломоносова).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Кузин Рудольф Евгеньевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Ермуратский Петр Васильевич, профессор кафедры Электротехники, электроники и микропроцессорной техники, МИТХТ им. М.В. Ломоносова

кандидат технических наук, Якушев Сергей Андреевич, начальник отдела СПО, ФГУП "РосРАО"

Ведущая организация

ГУП МосНПО "Радон"

Защита состоится «26» июня 2012 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.08 при Московском государственном университете тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г. Москва, просп. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова (119571, г. Москва, просп. Вернадского, 86).

Автореферат диссертации размещен на сайте ВАК http://vak.ed.eov.ru.

Автореферат разослан «24» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук --К.Ю. Колыбанов

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Среди приоритетов в области экологической политики химической промышленности России поставлена и постоянно решается проблема нормирования антропогенного воздействия на окружающую среду всех перерабатывающих предприятий, включая предприятия химического профиля государственного концерна Росатом. Комплекс химических предприятий Росатома на основе тонких химических технологий обеспечивает переработку огромных объемов урановых руд и получение готовой продукции для атомной энергетики и оборонной промышленности на сотни миллиардов рублей.

Особое внимание при этом уделяется вновь создаваемым предприятиям, для которых требуется обеспечение высокоэффективных природоохранных мероприятий ещё на стадии исследования и разработки новых технологических решений. Самым перспективным из вновь создаваемых предприятий государственного концерна Росатом является Эльконский горнометаллургический комбинат (ЭГМК). Эльконское рудное поле, расположенное в Алданском горнопромышленном районе южной части республики Саха (Якутия), объединяет ряд урановых месторождений и является самым крупным в мире по запасам урана. Общие разведанные запасы Эльконского урановорудного района оцениваются в 346 тысяч тонн, что составляет 7% мировых запасов урана.

Для освоения месторождений Эльконского урановорудного района необходима разработка нового подхода к переработке бедных урановых руд на базе самых современных химических технологий, включающего в себя технико-экономические аспекты, обеспечивающие рентабельность и конкурентоспособность готовой продукции, а также экологические аспекты, учитывающие современные жесткие требования по защите окружающей среды. Новое производство, кроме готовой продукции (5 тысяч тонн урана в год), будет сопровождаться появлением больших объемов радиоактивных отходов (РАО) и вредных химических веществ (ВХВ), создающих значительную нагрузку на окружающую среду. Только на ЭГМК будет ежегодно сбрасываться на хвостохранилище более 3.1*1014 Бк (8.4*103 Ки) долгоживущих альфа-излучающих радионуклидов, в том числе 230ТЬ, 22бКа, 222Ып, 210РЬ и 210Ро.

В мире к настоящему времени накоплено значительное количество РАО, которые образовались в результате технологических процессов добычи и обогащения урановых руд, эксплуатации атомных электростанций, переработки облучённого ядерного топлива, использования источников радиоактивного излучения в науке, технике и медицине. РАО представляют большую опасность для человека и других объектов биосферы из-за их радиационного и токсического воздействия. В исходном виде РАО непригодны для хранения из-за малой механической прочности и значительной химической активности, поэтому они подлежат переработке и кондиционированию, которые обеспечивают уменьшение

объема отходов и их перевод в твердую стабильную монолитную форму. И только в кондиционированном виде РАО переводят в стадию длительного технологического хранения.

В процессе работ по созданию ядерного щита СССР на ряде предприятий Министерства среднего машиностроения проводилась радиохимическая переработка облучённого природного урана, регенерированного топлива и других технологических продуктов, содержащих как естественные радионуклиды, так и продукты деления урана (техногенные радионуклиды). К настоящему времени, когда произошла производственная переориентация таких предприятий, их территория, и прежде всего хвостохранилища, требуют реабилитации с целью сокращения загрязненных территорий. В процессе инженерно-изыскательских работ, предшествующих разработке проектов реабилитации, в процессах освоения новых урановорудных районов, создания новых технологий обогащения руд и обращения с РАО большую роль играют исследования радионуклидного состава проб разнообразных образцов окружающей среды реабилитируемых территорий.

Разработка новых технологий по переработке уран и торий содержащих руд на предприятиях государственной корпорации по атомной энергии (ГК «Росатом») связана с ещё большим объемом работ по исследованию радионуклидного состава технологических проб сырья, полупродуктов, радиоактивных отходов и готовой продукции. Реализация крупномасштабных исследований по радиоэкологическому мониторингу промплощадок, санитарно-защитных зон и прилегающих территорий таких предприятий во исполнение законов РФ «Об охране окружающей среды» и «Об атомной энергии» также требует определения радионуклидного состава проб образцов окружающей среды.

Исследованием радионуклидного состава разнообразных проб в нашей стране и за рубежом занимаются специализированные лаборатории радиационного контроля (ЛРК), аккредитованные на компетентность и независимость органами Госстандарта. Лаборатория радиационного контроля ОАО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии» (ЛРК ВНИИХТ) имеет такую аккредитацию с 2001г.

Область аккредитации ЛРК ВНИИХТ - определение активности элементов атмосферы, гидросферы, литосферы, сточных вод, строительных материалов, минерального сырья, твердых и жидких технологических материалов и отходов производства спектрометрическими и радиохимическими методами. При проведении исследований радионуклидного состава проб используется, как инструментальный гамма-спектрометрический метод, так и радиохимический с последующей альфа-спектрометрией или альфа и бета-радиометрией специально приготовленных счетных образцов. Существенной особенностью выполняемых исследований является большой поток проб образцов исследуемых сред разнообразных по составу и происхождению (а по существу, большой поток информации).

До недавнего времени в информационной системе (ИС) ЛРК ВНИИХТ основная часть информации хранилась в рабочих журналах, результаты

обрабатывались вручную, из-за чего эффективность работы ИС ЛРК была невысокая и присутствовал фактор человеческой ошибки. Существенным шагом по улучшению ситуации явилась модернизация существующей ИС ЛРК на основе системного подхода и информационных технологий. Этим определяется актуальность и важность выбранной темы исследований.

В диссертации излагаются научно-обоснованные технические решения по созданию информационной системы ЛРК.

Цель работы

Целью диссертации является повышение эффективности системы радиационного контроля предприятия химического профиля на примере ОАО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии» (ВНИИХТ).

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Системный анализ информационных потоков на примере системы радиационного контроля «ВНИИХТ»;

• Разработка комплекса информационных моделей ИС ЛРК;

• Разработка структуры базы данных ИС ЛРК;

• Реализация алгоритмов обработки информации в ИС ЛРК на основе радиохимических методик;

Разработка аппаратно-программного комплекса ИС ЛРК «ВНИИХТ».

Объект исследования

Объектом исследования является информационная система лаборатории радиационного контроля (ЛРК) предприятия химического профиля ОАО «ВНИИХТ».

Предмет исследования

Предметом исследования является применение информационных технологий в системе радиационного контроля для обеспечения высокой эффективности ЛРК «ВНИИХТ» при анализе большого потока данных.

Научная новизна

1. На основе системного анализа информационных потоков определено «узкое место» процессов обработки информации в ЛРК «ВНИИХТ» - отсутствие системы управления данными;

2. Разработан комплекс информационных моделей процессов обработки данных в ИС ЛРК;

3. На основе информационных моделей разработана структура базы данных ИС ЛРК;

Практическая значимость работы

1. Разработан аппаратно-программный комплекс информационной системы ЛРК «ВНИИХТ»;

2. Разработано специальное программное обеспечение (СПО), реализующее предложенные алгоритмы обработки результатов измерений на основе радиохимических методик JIPK «ВНИИХТ»;

3. Все разработки приняты в опытно-промышленную эксплуатацию в ОАО «ВНИИХТ».

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положены методы системного анализа (декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, абстрагирование, формализация, композиция, моделирование), методология функционального моделирования систем IDEF0, методология моделирования потоков данных DFD, методология проектирования баз данных IDEF1X, теория реляционных баз данных, структурированный язык запросов SQL.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе» (Владимир, октябрь 2011); научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2009», МИТХТ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2009; конференции Североуральского региона «Эффективные информационные технологии», Березники, ноябрь 2011; научно-технической конференции «Конференция молодых ученых и специалистов ОАО «ВНИИХТ», посвящённая Дню химика 2009», ВНИИХТ, Москва, 2009; ХП международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии», Санкт Петербург, октябрь 2011; научно-технической конференции «5-ая юбилейная конференция молодых ученых и специалистов ОАО «ВНИИХТ», посвящённая 60-ти летию основания института», ВНИИХТ, Москва, 2011.

По результатам работы были получены два диплома на конференциях «Молодых ученых и специалистов ОАО «ВНИИХТ» в 2009 и 2011 годах.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, и 5 публикаций в сборниках трудов научно-технических конференций.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрены актуальность и практическая ценность работы. Сформулирована цель работы и поставлены задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели. Обоснованы методы исследований, научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе «Системный анализ информационных потоков в лаборатории радиационного контроля ВНИИХТ» исследованы информационные потоки процесса обработки проб различного происхождения и радионуклидного состава, основные факторы, определяющие эффективность и качество обработки информации, а также определено узкое место процесса переработки информации в системе.

Лаборатория радиационного контроля ВНИИХТ проводит анализ состава радионуклидов, содержащихся в рудах, образцах окружающей среды и технологических пробах. Область аккредитации ЛРК - проведение измерений методами спектрометрии и радиохимии для радиационного контроля элементов атмосферы (атмосферные осадки), гидросферы (поверхностные, подземные и ливневые воды, донные отложения), литосферы (почвы, фунты), сточных вод, строительных материалов, удобрений и мелиорантов, минерального сырья, твердых и жидких технологических материалов, готовой продукции и отходов производства.

С момента аккредитации лаборатории радиационного контроля (2001 год), ЛРК «ВНИИХТ» исследовано более трёх тысяч проб различной активности и сложности. Более половины всех определений пришлись на последние 4 года. Высокая неравномерность поступления проб и сжатые сроки выполнения заказов определили сильное возрастание аналитической нагрузки на лабораторию.

За последнее десятилетие, основным источником радиоактивных проб, поступающих в лабораторию радиационного контроля, являются технологические и инженерно-изыскательские подразделения ведущих предприятий химического профиля ГК «Росатом»:

• Кирово-Чепецкий химический комбинат (КЧХК);

• Машиностроительный завод (АО МСЗ, г. Электросталь);

• ОАО «Государственный специальный проектный институт»;

• ОАО «Ведущий НИПИ Промтехнологии»;

• ЗАО «Эльконский горнометаллургический комбинат»;

• Предприятия скважинного подземного выщелачивания урана ЗАО «Далур» и ЗАО «Хиагда»;

• ОАО «ВНИИ химической технологии»;

• Предприятия, осуществляющие выделение тория при переработке рудных материалов (ЗАО «Ковдорский ГОК», Киргизский комбинат «Кутесай 2»).

На рис.1 показаны источники радиоактивных проб в контексте ядерного топливного цикла (ЯТЦ).

радиоактивные элементы

Рис. 1 Схема поступления источников проб сложного состава.

При исследовании радионуклидного состава используется как инструментальный гамма-спектрометрический метод анализа (табл. 1, рис. 2), так и альфа-спектрометрические или радиометрические методы с предварительной радиохимической пробоподготовкой.

Лаборатория имеет собственные радиохимические методики пробоподготовки:

235 234 238

• определение урана (альфа-спектрометрия, определение и, и, и,

234 238 232

соотношение и/ и, с внесением метки и);

• определение плутония (альфа-спектрометрия, определение 238Ри, 239Ри, с внесением метки 241Ри);

• определение стронция (бета-радиометрия ^г по накоплению 90У);

• определение 210РЬ, 210Ро (альфа-бета-радиометрия);

• определение тория (альфа-спектрометрия, бета-радиометрия,

232гг. ЙОти 228гтп. 234^^,

определение Тп, Тп, Тп, с внесением метки Тп);

• определение суммарной альфа-бета активности радионуклидов в воде (альфа-бета-радиометрия).

Таблица 1. Основные параметры гамма-спектрометрической МВИ __(масса счетного образца около 1 ООг)

Энергии основных Нижний предел

Радионуклид аналитических измерения

гамма-линий, кэВ активности, Бк

J8U (с "4Th и 2j4mPa) 63.1 5

/JUTh 67.7 10

i6Ra(c 214РЬ и 214Bi) 352, 609 2

,luPb 46.5 3

186 3

^BRa (с "Чс) 338,911 3

;28Th ( с 2U8TI) 238,583 3

UK 1461 30

-37Cs 662 2

"4lAm 59.5 2

Для гамма-спектрометрического анализа использовался спектрометр типа СЭГ-1П (Аспект) с германиевым детектором ВЕ2820 (Canberra), для альфа-спектрометрического анализа-спектрометр СЭА-13П (Аспект) с кремниевым детектором площадью 1000 мм2, а радиометрические измерения проводились с использованием радиометра альфа-бета-излучения LB-770. Получение информации и обработка спектров проводилась с помощью программных комплексов LSRM 2000, SpectraLineGP и SpectraLineADA.

Рис. 2. Гамма-спектр пробы

Госкорпорация по атомной энергии «РОСАТОМ» проводит периодически (с 2007г.) этапы интеркалибрации методов и средств радиационного контроля ведущих лабораторий отрасли и страны. ЛРК ОАО «ВНИИХТ» участвует во всех этапах интеркалибрации, успешно проведя определения активности природных и основных техногенных радионуклидов в различных образцах, и входит в пятёрку лучших лабораторий отрасли.

В связи с большим количеством проб, поступающих на анализы, их сложным нуклидным составом, а также требованиями экспрессности определений, возникает ситуация, когда необходимо проанализировать сотни проб в месяц на основе различных методик выполнения измерений (МВИ).

Большие проблемы возникают с пробами, в которых содержание измеряемых радионуклидов находится в пределах нижней границы обнаружения. Если для гамма-спектрометрического анализа это не является критическим, то в альфа-спектрометрии спектр представляет собой затянутые в мягкую область пики, нередко накрывающие друг друга. В связи с этим, расчет программными средствами становится затруднительным, требуется больше времени на измерение данных образцов. С другой стороны, сильно активные пробы могут загрязнить посуду и приборы пробоподготовки и измерения, что также требует осторожного обращения с пробами и предварительного анализа, увеличивающего время работы.

Важной особенностью выполняемых работ являлась то, что некоторые пробы имели высокую степень химического загрязнения. При исследовании почв и грунтов КЧХК пробы были загрязнены такими примесями, как стронций, хлористый натрий, кальций, а также нитратами и сульфатами различных элементов. Содержание перечисленных примесей в пробах на несколько порядков превышает концентрации анализируемых нуклидов.

В этих условиях затрудняется применение обычных методик, предназначенных для контроля относительно «чистых» проб и грунтов. Это вызвало необходимость проведения дополнительных исследований в ходе массовых анализов и принятия специальных мер для уменьшения влияния мешающих факторов. Так, например, при определении стронция-90, не сохраняется постоянный химический выход стронция при экстрагировании его из проб, поэтому пришлось усложнить методику, применив способ добавки образцовых растворов стронция-90.

Иногда приходится проводить комплексный анализ, т.к. часть радионуклидов, подлежащих определению, не имеет достаточно интенсивного гамма-излучения. Таким образом, для определения 239Ри, Бг и 210Ро используются методики с регистрацией, соответственно, альфа- или бета-излучения, т. е. с предварительной радиохимической подготовкой. Эти более сложные методики анализа применялись также для измерения активности Тп, а также и и 210РЬ при величине их активности ниже пределов измерения гамма-спектрометрическим методом.

Исходные данные и результаты измерений обрабатываются и хранятся в информационной системе ЛРК «ВНИИХТ». Прохождение информационного потока в ЛРК «ВНИИХТ» можно охарактеризовать следующими основными стадиями:

• на этапе регистрации проб осуществляются процессы обработки поставляемой поставщиком проб информации, ее обработка и проверка. При большом числе поступаемых проб автоматизация данного процесса

позволяет сократить время регистрации и уменьшить влияние человеческого фактора;

• на этапе пробоподготовки происходит пополнение информации о физических и радиохимических параметрах преобразования проб и подготовке счетных образцов;

• на этапе измерения формируется основной массив спектральных данных высокой размерности, быстрый доступ к которым и эффективная обработка обеспечивают главный эффект увеличения производительности;

• на этапе расчетов активностей нуклидов систематизированная информация преобразуется в результаты измерений, чем повышается производительность и снижаются ошибки определений;

• на этапе выдачи результата систематизированные данные представляются в разнообразные массивы, обеспечивающие эффективное применение в проектах и отчетах.

Был выполнен системный анализ информационных потоков в системе радиационного контроля, в результате которого было найдено узкое место -отсутствие общей структуры данных и системы управления данными, полученными на отдельных этапах обработки информации (рис. 3).

Рис. 3. Выявление «узких мест» на основе системного анализа информационных потоков ИС ЛРК.

Задача централизованного хранения и управления данными решена при помощи реляционной базы данных (БД) в качестве ядра информационной системы лаборатории радиационного контроля, и специального программного обеспечения (СПО) для обработки данных, включающего:

• ПО поддержки ввода и вывода данных в БД на каждой стадии обработки информации;

• ПО, реализующее алгоритмы обработки результатов измерений на основе существующих МВИ, а также формы генерации отчетных протоколов;

• ПО поддержки и связи измерительной аппаратуры и БД.

Разработанное на основе комплекса информационных моделей СПО

позволяет повысить эффективность обработки данных и уменьшить влияние человеческого фактора.

Во второй главе «Информационные модели лаборатории радиационного контроля»» рассмотрен комплекс информационных моделей процессов обработки информации в ИС ЛРК, построенных на основе системного анализа.

К основным задачам информационного моделирования относятся декомпозиция ИС ЛРК на подсистемы, определение форматов промежуточных и отчетных электронных документов, разработка структуры хранения данных и системы управления данными.

Были построены функциональные модели в нотации ГОЕРО и модели потоков данных ОБО, описывающие информационные потоки лаборатории. Контекстная диаграмма функциональной модели процессов обработки информации лаборатории представлена на рис. (4).

Входным информационным потоком в ИС ЛКР «ВНИИХТ» являются пробы и сопроводительная информация о них. Выходной поток составляют протоколы и отчеты для заказчика. Пробы измеряются оператором на оборудовании с использованием программных средств и методик.

Инструкции Пробы

Сопроводительная информация

Химические методики

Методики измерений

Методики расчета

Лаборатория радиационного контроля

Ресурсы (материальные, энерго-)

Оператор

1 ......... ------------

Программное Измерительное

обеспечение оборудование

Пробы (остатки)

Оборудование

пробоггадготовки

Рис. 4 Контекстная диаграмма АО функциональной модели.

12

Декомпозиция контекстной диаграммы позволяет уточнить модель с требуемой степенью детализации, при этом обеспечивается соответствие граничных стрелок на родительской и дочерней диаграммах (рис. 5).

Следующим этапом проектирования ИС являлось построение модели потоков данных, которая, помимо внешних по отношению к моделируемой системе сущностей, включает в себя как наименования функций (процессов), так и абстрактные накопители данных (документы, базы данных и т.д.).

Рис. 5. Декомпозиция первого уровня АО функциональной модели Диаграмма потоков данных DFD (DataFlow Diagram), приведенная на Рис. 6, построена с использованием нотации Гейна-Сарсона. Данная схема представляет собой схему потоков информации в вариации «как есть».

Рис. 6. Диаграмма информационных потоков DFD 13

Пунктиром обозначены границы подсистем ИС ЛРК. Обмен информацией между подсистемами осуществляется при помощи показанных на диаграмме документов, которые ведутся в бумажной и/или электронной форме.

Для упрощения и ускорения процессов обмена информацией была разработана объединенная база данных для централизованного хранения всех журналов (выделены цветом на рис. 6) в электронной форме. При проектировании структуры базы данных была построена реляционная модель данных в нотации ГОЕР1Х (рис. 7). Модель включает в себя схему Основного хранилища данных (о пробах, счетных образцах и результатах измерений), дополненную справочными таблицами.

customer Staff Spectrometer

Рис. 7 IDEF1X (ER) модель БД ИС ЛРК. Описание таблиц БД:

• customer — содержит сведения о заказчике;

• Staff - содержит сведения о пользователях, которые работают с системой, и ведет протоколирование действий с БД;

• Spectrometer - таблица, содержащая сведения о характеристиках прибора на тот или иной момент времени, позволяя вести статистику загрязнения, а также возможность сигнализировать о том, что пора проводить калибровку и чистку прибора;

• Input_samples - таблица характеристик входящих проб, содержит данные о времени и месте отбора, количестве и виде пробы, времени регистрации, виды необходимых анализов, реквизиты выходного протокола;

• Samples — сведения об измеряемых образцах, приготовленных тем или иным методом из пробы, содержат данные по приготовлению, метках, времени начала анализа, вид анализа, номер подложки для измерения (привязаны к конкретной пробе);

• result - сводная таблица результатов измерений, содержит активности радионуклидов, соотношения, времени измерения и т.д.

В третьей главе «Аппаратно-программный комплекс лаборатории радиационного контроля «ВНИИХТ»» описаны результаты исследований по созданию аппаратно-программного комплекса (АПК) системы радиационного контроля «ВНИИХТ» на основе клиент-серверной структуры и локальной вычислительной сети.

Клиентская часть. Клиентская часть АПК состоит из операционной системы (ОС), программного обеспечения для а, ß и у-измерений (готовые программные продукты Spectraline GP, Spectraline Ada и др.) и разработанного СПО «ОДРА» (Обработка Данных Радиационного Анализа), включающая в себя как внутренние, так и внешние модули расчета. В качестве ОС используется MS Windows. Выбор ее обусловлен тем, что эта ОС уже используется на задействованном в работе по анализу и обработке спектра аппаратном оборудовании. Необходимо отметить, что универсальность программы на основе клиент-серверной структуры позволяет запускать ее на любом компьютере или станции измерения, что делает систему более отказоустойчивой.

Программа «ОДРА» создана на объектно-ориентированном языке С# в среде разработки Microsoft Visual Studio 2010. Программа предназначена для регистрации проб и образцов в базе данных с последующим добавлением информации о пробах, обработке спектров включенными в программу алгоритмами методик и, наконец, формировании выходных отчетов, которые включают массивы данных об активностях проб по разным нуклидам.

Графический интерфейс пользователя программы выполнен в простой форме. В нем присутствуют такие меню, как:

• «Добавить» — меню для добавления в БД новой пробы, счетного образца или добавление в БД дополнительных данных об измерениях. Пример экранной формы приведен на рис. 8.

Номер Проб к.:

\А мяя ЗО"1? г -

Дата поступления

КЧХК

Заказчик

КЧХК. схвахинз 255

Вес(кг)/Объеи(я) J

№ догсеора с заказчикам

Рис. 8. Экранная форма добавления новых проб 15

Просмотр БД - просмотр всей БД с необходимой информацией (вид БД настраивается в подменю «Настройка» в меню «Сервис»), Пример экранной формы приведен на рисунке 9.

Обработка - вызывает окно для обработки выбранных проб с занесением результатов в БД для формирования отчетов с результатами.

Сервис - вызывает подменю с настройками вида отображения БД, настройке сетевых параметров аутентификации и подключения БД.

Фал'1 .-рос* г 'ipcsj ' i "poPMCip 5Д ; Ссздис

посс гохс

йрупксе нвсторосемп

Вакп'ляц^'мк

гк-э-кфт

sE

Рис. 9. Экранная форма добавления новых проб

Для работы программы «ОДРА» и ее компонентов была использована программная платформа «.NET Framework 4.0», выпущенная компанией Microsoft в 2010 году. Основой платформы является исполняющая среда Common Language Runtime (CLR), способная выполнять как обычные программы, так и серверные веб-приложения. .NET Framework поддерживает создание программ, написанных на разных языках программирования. Программа связывается по протоколу TCP/IP с БД MySQL на удаленном сервере. Для подключения программы к БД MySQL используется MySQL Connecte) r/NET 5.1.

Серверная часть. Серверная часть АПК представлена на рис. 10. Она состоит из следующих блоков:

• БД MySQL с разработанной БД, хранящей всю информацию о пробах лаборатории;

• файлового хранилища данных, в котором собраны внешние данные, используемые программой, а также массивы данных для файлового обмена внутри лаборатории;

• программы архивирования и резервирования БД и важных данных файлового хранилища, которое раз в сутки делает резервную копию данных (записываемую как на отдельный носитель системы, так и на удаленный сервер) для гарантии их сохранности;

• программы антивируса, следящего за системой и файлами хранилища, для недопущения распространения вирусных эпидемий в локальной сети лаборатории;

• программ NAT и Firewall, обеспечивающих доступ к внешней сети института, а также защищающих сеть лаборатории от проникновения извне и предотвращения несанкционированного доступа к хранимой на сервере информации.

Примечательно то, что при необходимости избыточной безопасности данных возможно создание синхронизированных серверов, как в локальной сети, так и в сети Интернет, что делает систему почти полностью отказоустойчивой.

В качестве платформы реализации АИС были выбраны:

• серверная операционная система-FreeBSD 8.2;

• серверная СУБД - MySQL 5.0;

• web-сервер - Apache 2.2;

• антивирусная система - ClamAV;

• файловый сервер - Samba 3.0

• программа архивирования и резервирования данных - rsync;

• система защиты от сетевых атак - программный межсетевой экран IPFW в связке с программой трансляции сетевых адресов NAT, при поддержке ядра ОС;

• платформа разработки ПО - Microsoft Visual Studio 2010.

Выбор программных продуктов обусловлен следующими критериями:

• лицензии свободного программного обеспечения (BSD license, GNU GPL и др.), а для среды разработки использовалась бесплатная студенческая лицензия, ограничивающая право продажи разработанных на ней программных продуктов;

• знанием и опытом автора в построении серверных систем на основе данных продуктов;

• гибкость решений;

• возможность расширения;

• надежность.

Все разработанные программные средства прошли длительные тестирования на контрольных задачах, опытную эксплуатацию в 2009 - 2010 годах. Созданная ИС ЛРК «ВНИИХТ» находится в опытно-промышленной эксплуатации с апреля 2011 года. В результате значительно повышена эффективность системы, в том числе:

• производительность возросла на 15%

• выросла конкурентоспособность системы (по результатам Зх интеркалибраций ЛРК «ВНИИХТ» входит в пятерку лучших лабораторий отрасли)

• снизился фактор человеческой ошибки.

Заключение.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

• на основе системного анализа информационных потоков определено «узкое место» процессов обработки информации в ЛРК «ВНИИХТ»: отсутствие эффективной системы управления данными;

• разработан комплекс информационных моделей информационной системы радиационного контроля;

• разработана модель базы данных системы радиационного контроля;

• разработан комплекс алгоритмов системы радиационного контроля «ВНИИХТ» на основе существующих радиохимических методик выполнения измерений;

• разработан аппаратно-программный комплекс подсистемы радиационного контроля «ВНИИХТ»;

• разработано специальное программное обеспечение системы радиационного контроля «ВНИИХТ»;

• все разработки приняты в опытно-промышленную эксплуатацию.

Публикации по теме диссертации В журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук

1. С.А.Красников, Т.Н.Таиров, В.А. Быковский, О.В.Кожин. Квалиметрия продуктов и пищевого сырья, содержащих радионуклиды. // М., Интеграл, № 5 (61) сентябрь-октябрь 2011, с.32-36.

2. Кузин P.E., Кожин О.В., Лебедев И.В., Могирев A.M., Писаненко С.С., Таиров Т.Н. Система информационной поддержки радиационного контроля большого потока проб. // М., Прикладная информатика № 2(38), 2012, с.26 -31.

Другие издания

3. О.В. Кожин, P.E. Кузин, A.M. Могирев, В.И. Прокопчик Автоматизированная информационно-аналитическая система радиационного контроля для решения задач ■ реабилитации территорий, загрязненных радионуклидами. // ВНИИХТ - 60 лет: Юбилейный сборник трудов. Под ред. Г.А.Сарычева. - М.ЮОО «Леонардо-дизайн», 2011 с.421-425.

4. A.B. Костров, С.А. Красников, О.В. Кожин. Организация радиационного контроля пищевого сырья и готовой продукции в системе менеджмента качества производства продуктов питания. // Материалы международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе» (Владимир, октябрь 2011). - Владимир: Изд.Вл.ГУ, 2011, с.312-315.

5. A.B. Костров, С.А. Красников, О.В. Кожин, Т.Н. Таиров. К задаче радиационного контроля продуктов питания и пищевого сырья. // Труды конференции Североуральского региона, Березники ноябрь 2011. Изд. Пермского ГУ. :Пермь, 2011, с. 97-100

6. О.В. Кожин, A.M. Могирев, В.И. Прокопчик, С.С. Писаненко. Опыт спектрометрических исследований радионуклидного состава проб окружающей среды. // Материалы третьей общероссийской конференции «Методы и средства радиационного контроля», Санкт Петербург, октябрь 2011. Спб.: Изд ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, 2011, с. 174-178.

7. О.В. Кожин, A.M. Могирев. Информационная система лаборатории радиационного контроля ВНИИХТ. // «Конференция молодых ученых и специалистов, посвященная дню химика», Сб. тезисов докладов. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2009. -56 стр.

Подписано в печать 23.05.2012. Формат 60x84/16, бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л.0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 72 Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова (МИТХТ). Издательско-полиграфический центр 119571, Москва, пр. Вернадского, 86

61 12-5/3909

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТОНКИХ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Кожин Олег Владимирович

ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА СИСТЕМЫ МАССОВОГО РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПРОБ СЛОЖНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (химическая технология)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор, Р.Е. Кузин

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 «СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ В ЛАБОРАТОРИИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ВНИИХТ».........................10

1.1 Источники проб сложного химического состава...................................10

1.2 Методики выполнения измерений (МВИ)..................................................14

1.3 Поиск узких мест системы ЛРК..................................................................20

ГЛАВА 2. «ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ЛАБОРАТОРИИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ».........................................................................24

2.1 Вербальная модель ЛРК................................................................................24

2.2 ГОЕБО модели ЛРК..........................................................................................26

2.3 ЭГБ модель ЛРК.............................................................................................29

2.4 ГОЕИХ модель ЛРК........................................................................................30

ГЛАВА 3. «АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ЛАБОРАТОРИИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ «ВНИИХТ»»....................................................35

3.1 Серверная часть...............................................................................................35

3.2 Клиентская часть...........................................................................................37

3.2.1 Специальное программное обеспечение.......................................37

3.2.2 Программное обеспечение для а,Р и у-измерений.......................39

3.2.3 Программы расчета и корректировки............................................46

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................55

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................56

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................65

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АПК ИС Аппаратно-программный комплекс информационной системы

АС Автоматизированная система

БД База данных

вхв Вредные химические вещества

вниихт Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии

ИС Информационная система

ИТ Информационная технология

ЛВС Локальная вычислительная сеть

ЛРК Лаборатория радиационного контроля

мви Методика выполнения измерений

опэ Опытно-промышленная эксплуатация

ОС Операционная система

ПК Персональный компьютер

по Программное обеспечение

РАО Радиоактивные отходы

РВ Радиоактивные вещества

спо Специальное программное обеспечение

СУБД Система управления базой данных

тз Техническое задание

тсои Технические средства обработки информации

ЭГМК Эльконский горно-металлургический комбинат

эп Электронная почта

ВВЕДЕНИЕ

Среди приоритетов в области экологической политики химической промышленности России поставлена и постоянно решается проблема нормирования антропогенного воздействия на окружающую среду всех перерабатывающих предприятий, включая предприятия химического профиля государственного концерна Росатом [16]. Комплекс химических предприятий Росатома на основе тонких химических технологий обеспечивает переработку огромных объемов урановых руд и получение готовой продукции для атомной энергетики и оборонной промышленности на сотни миллиардов рублей [2].

Особое внимание при этом уделяется вновь создаваемым предприятиям, для которых требуется обеспечение высокоэффективных природоохранных мероприятий ещё на стадии исследования и разработки новых технологических решений. Самым перспективным из вновь создаваемых предприятий государственного концерна Росатом является Эльконский горнометаллургический комбинат (ЭГМК). Эльконское рудное поле, расположенное в Алданском горнопромышленном районе южной части республики Саха (Якутия), объединяет ряд урановых месторождений и является самым крупным в мире по запасам урана. Общие разведанные запасы Эльконского урановорудного района оцениваются в 346 тысяч тонн, что составляет 7% мировых запасов урана [3].

Для освоения месторождений Эльконского урановорудного района необходима разработка нового подхода к переработке бедных урановых руд на базе самых современных химических технологий, включающего в себя технико-экономические аспекты, обеспечивающие рентабельность и конкурентоспособность готовой продукции, а также экологические аспекты, учитывающие современные жесткие требования по защите окружающей среды. Новое производство, кроме готовой продукции (5 тысяч тонн урана в год), будет сопровождаться появлением больших объемов радиоактивных отходов (РАО) и вредных химических веществ (ВХВ), создающих значительную нагрузку на окружающую среду [4]. Только на ЭГМК будет ежегодно

сбрасываться на хвостохранилище более З.Г1014 Бк (8.4*103 Ки) долгоживущих

, 230гр1 226т> 222т>„ 210™

альфа-излучающих радионуклидов, в том числе 1п, Ка, Кп, го и 210Ро.[5]

В мире к настоящему времени накоплено значительное количество РАО, которые образовались в результате технологических процессов добычи и обогащения урановых руд, эксплуатации атомных электростанций, переработки облучённого ядерного топлива, использования источников радиоактивного излучения в науке, технике и медицине. РАО представляют большую опасность для человека и других объектов биосферы из-за их радиационного и токсического воздействия [6]. В исходном виде РАО непригодны для хранения из-за малой механической прочности и значительной химической активности, поэтому они подлежат переработке и кондиционированию, которые обеспечивают уменьшение объема отходов и их перевод в твердую стабильную монолитную форму. И только в кондиционированном виде РАО переводят в стадию длительного технологического хранения. [7]

В процессе работ по созданию ядерного щита СССР на ряде предприятий Министерства среднего машиностроения проводилась радиохимическая переработка облучённого природного урана, регенерированного топлива и других технологических продуктов, содержащих как естественные радионуклиды, так и продукты деления урана (техногенные радионуклиды) [8]. К настоящему времени, когда произошла производственная переориентация таких предприятий, их территория, и прежде всего хвостохранилища, требуют реабилитации с целью сокращения загрязненных территорий [9]. В процессе инженерно-изыскательских работ, предшествующих разработке проектов реабилитации, в процессах освоения новых урановорудных районов, создания новых технологий обогащения руд и обращения с РАО большую роль играют исследования радионуклидного состава проб разнообразных образцов окружающей среды реабилитируемых территорий.

Разработка новых технологий по переработке уран и торий содержащих руд на предприятиях государственной корпорации по атомной энергии (ГК

«Росатом») связана с ещё большим объемом работ по исследованию радионуклидного состава технологических проб сырья, полупродуктов, радиоактивных отходов и готовой продукции [10]. Реализация крупномасштабных исследований по радиоэкологическому мониторингу промплощадок, санитарно-защитных зон и прилегающих территорий таких предприятий во исполнение законов РФ «Об охране окружающей среды» и «Об атомной энергии» также требует определения радионуклидного состава проб образцов окружающей среды.

Исследованием радионуклидного состава разнообразных проб в нашей стране и за рубежом занимаются специализированные лаборатории радиационного контроля (ЛРК), аккредитованные на компетентность и независимость органами Госстандарта. Лаборатория радиационного контроля ОАО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии» (ЛРК ВНИИХТ) имеет такую аккредитацию с 2001 г. [ 11 ]

Область аккредитации ЛРК ВНИИХТ - определение активности элементов атмосферы, гидросферы, литосферы, сточных вод, строительных материалов, минерального сырья, твердых и жидких технологических материалов и отходов производства спектрометрическими и радиохимическими методами. При проведении исследований радионуклидного состава проб используется как инструментальный гамма-спектрометрический метод, так и радиохимический с последующей альфа-спектрометрией или альфа и бета-радиометрией специально приготовленных счетных образцов. Существенной особенностью выполняемых исследований является большой поток проб образцов исследуемых сред разнообразных по составу и происхождению (а по существу, большой поток информации).

До недавнего времени в информационной системе (ИС) ЛРК ВНИИХТ основная часть информации хранилась в рабочих журналах, результаты обрабатывались вручную, из-за чего эффективность работы ИС ЛРК была невысокая и присутствовал фактор человеческой ошибки [ 12]. Существенным шагом по улучшению ситуации явилась модернизация существующей ИС ЛРК на

основе системного подхода и информационных технологий. Этим определяется актуальность и важность выбранной темы исследований.

В диссертации излагаются научно-обоснованные технические решения по созданию информационной системы ЛРК.

Цель работы

Целью диссертации является повышение эффективности системы радиационного контроля предприятия химического профиля на примере ОАО «Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии» (ВНИИХТ).

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Системный анализ информационных потоков на примере системы радиационного контроля «ВНИИХТ»;

• Разработка комплекса информационных моделей ИС ЛРК;

• Разработка структуры базы данных ИС ЛРК;

• Реализация алгоритмов обработки информации в ИС ЛРК на основе радиохимических методик;

• Разработка аппаратно-программного комплекса ИС ЛРК «ВНИИХТ».

Объект исследования

Объектом исследования является информационная система лаборатории радиационного контроля (ЛРК) предприятия химического профиля ОАО «ВНИИХТ».

Предмет исследования

Предметом исследования является применение информационных технологий в системе радиационного контроля для обеспечения высокой эффективности ЛРК «ВНИИХТ» при анализе большого потока данных.

Научная новизна

1. На основе системного анализа информационных потоков определено «узкое место» процессов обработки информации в JIPK «ВНИИХТ» - отсутствие системы управления данными.

2. Разработан комплекс информационных моделей процессов обработки данных в ИС JIPK.

3.На основе информационных моделей разработана структура базы данных ИС JIPK.

Практическая значимость работы

1. Разработан аппаратно-программный комплекс информационной системы J1PK «ВНИИХТ».

2. Разработано специальное программное обеспечение (СПО), реализующее предложенные алгоритмы обработки результатов измерений на основе радиохимических методик JIPK «ВНИИХТ».

3. Все разработки приняты в опытно-промышленную эксплуатацию в ОАО «ВНИИХТ».

Методы исследования

В основу решения поставленных задач положены методы системного анализа (декомпозиция, классификация, иерархическое упорядочение, абстрагирование, формализация, композиция, моделирование), методология функционального моделирования систем IDEF0, методология моделирования потоков данных DFD, методология проектирования баз данных IDEF1X, теория реляционных баз данных, структурированный язык запросов SQL [13-15].

Апробация работы

Результаты работы были представлены на международной научно-практической конференции «Стратегические аспекты управления экономикой в регионе» (Владимир, октябрь 2011); научно-технической конференции

«Наукоемкие химические технологии - 2009», МИТХТ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2009; конференции Североуральского региона «Эффективные информационные технологии», Березники, ноябрь 2011; научно-технической конференции «Конференция молодых ученых и специалистов ОАО «ВНИИХТ», посвященная Дню химика 2009», ВНИИХТ, Москва, 2009; XII международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии», Санкт Петербург, октябрь 2011; научно-технической конференции «5-ая юбилейная конференция молодых ученых и специалистов ОАО «ВНИИХТ», посвященная 60- летию основания института», ВНИИХТ, Москва, 2011.

По результатам работы были получены два диплома на конференциях «Молодых ученых и специалистов ОАО «ВНИИХТ» в 2009 и 2011 годах.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, и 5 публикаций в сборниках трудов научно-технических конференций.

ГЛАВА 1 «СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ В ЛАБОРАТОРИИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ВНИИХТ»

Исследованы информационные потоки процесса обработки проб различного происхождения и радионуклидного состава, основные факторы, определяющие эффективность и качество обработки информации, а также определено узкое место процесса переработки информации в системе.

Лаборатория радиационного контроля ВНИИХТ проводит анализ состава радионуклидов, содержащихся в рудах, образцах окружающей среды и технологических пробах. Область аккредитации ЛРК - проведение измерений методами спектрометрии и радиохимии для радиационного контроля элементов атмосферы (атмосферные осадки), гидросферы (поверхностные, подземные и ливневые воды, донные отложения), литосферы (почвы, грунты), сточных вод, строительных материалов, удобрений и мелиорантов, минерального сырья, твердых и жидких технологических материалов, готовой продукции и отходов производства. [1-7]

С момента аккредитации лаборатории радиационного контроля (2001 год), ЛРК «ВНИИХТ» исследовано более трёх тысяч проб различной активности и сложности. Более половины всех определений пришлось на последние 4 года. Высокая неравномерность поступления проб и сжатые сроки выполнения заказов определили сильное возрастание аналитической нагрузки на лабораторию.

1.1 Источники проб сложного химического состава

За последнее десятилетие, основным источником радиоактивных проб, поступающих в лабораторию радиационного контроля, являются технологические и инженерно-изыскательские подразделения ведущих предприятий химического профиля ГК «Росатом»:

• Кирово-Чепецкий химический комбинат (КЧХК);

• Машиностроительный завод (АО МСЗ, г. Электросталь);

• ОАО «Государственный специальный проектный институт»;

• ОАО «Ведущий НИПИ Промтехнологии»;

• ЗАО «Эльконский горнометаллургический комбинат»;

• Предприятия скважинного подземного выщелачивания урана ЗАО «Далур» и ЗАО «Хиагда»;

• ОАО «ВНИИ химической технологии»;

• Предприятия, осуществляющие выделение тория при переработке рудных материалов (ЗАО «Ковдорский ГОК», Киргизский комбинат «Кутесай 2»).

На рис. 1 показаны источники радиоактивных проб в контексте ядерного

топливного цикла (ЯТЦ).

радиоактивные элементы

Рис. 1 Схема поступления источников проб сложного состава.

На протяжении нескольких лет в ЛРК проводились совместные работы с ОАО Государственный специализированный проектный институт «ГСПИ» (крупнейший в России институт по проектированию предприятий атомной промышленности и объектов промышленного и гражданского назначения) Росатома, а в последнее время с ООО «Геосервис»(г. Киров), по мониторингу состояния окружающей среды (КЧХК). Мониторинг заключается в проведении в ЛРК анализа поступающих проб грунтов и почв, подземных и поверхностных вод, отобранных с территории КЧХК и прилегающих районов, на содержание основных радионуклидов и продуктов их распада. На основании результатов проведенных анализов оценивается динамика распространения радиоактивного загрязнения по территории комбината и прилегающим районам.[16]

Кирово-Чепецкий химический комбинат был основан в 1946г, и на сегодня является одним из крупнейших европейских предприятий по производству фторопластов, продуктов неорганической химии и минеральных удобрений. В 1951-1953гг предприятию было поручен выпуск тетрафторида (ТФУ) и гексафторида урана (ГФУ) для нужд оборонной промышленности страны. На КЧХК перерабатывался уран только природного (без радия-226 и его дочерних) или обедненного по урану-235 и-234 состава изотопов, а также некоторое количество урана, регенерированного из облученных твэлов. Таким образом радиационная обстановка может быть обусловлена ураном, трансурановыми элементами и продуктами деления. В 1990г производство ТФУ полностью остановлено. С 1973г возобновлен выпуск минеральных удобрений. В настоящее время КЧХК относится к ОАО «УРАЛХИМ», специализирующемуся на производстве минеральных удобрений и химического сырья для промышленных предприятий. [22-23]

Длительная эксплуатация территории Кирово-Чепецкого района для нужд комбината негативно сказалась на состоянии окружающей среды. Пусковой перио