1.本发明涉及一种核辐射模拟训练技术领域，特别是一种适用于室内密闭空间场景下的数字化等效核辐射场模拟实训系统及方法。


背景技术：

2.核事故会释放不同种类的放射性物质，造成大范围的放射性污染，在救援行动中需通过特殊的核辐射测量仪器来对人员、环境等进行放射性测量，而要掌握放射性测量的原理和熟练操作的方法，必须经过系统的训练和演练。为了减少对人员的危害，在核应急演练或相关的科研及教学当中，开发相应的模拟装置及系统是一种重要手段。
3.目前多数采用电磁辐射法来模拟核辐射场,这种模拟辐射场与实际辐射场的分布相差甚远难以更贴切的模拟实际辐射情况；且在信号接收不稳定,如要模拟较大面积的辐射场,则需要发射较强功率的电波,这会导致严重干扰广播与通讯。另外，采用模拟信号探测器和模拟发射装置必然受到量程限制，不能满足更广泛的核辐射场模拟需求，且模拟信号容易对现场仪器设备造成干扰，影响模拟的精确性。因而建立包含核与辐射事故情景仿真、模拟检测、远程控制一体化的核与辐射监测演训系统，实现在没有辐射危害的环境下达到有效实训目的，满足核应急教学培训的实际需求仍是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种数字化等效核辐射场模拟实训系统及方法，采用了uwb精确的室内定位技术和lora物联网通信技术，设计等效辐射源设备和前端核辐射探测器嵌入uwb定位标签和lora通讯模块，通过后端服务器的运算和控制以及前端与后端的实时通讯能力来保障核事故模拟训练进行,训练人员通过前端辐射剂量器实时显示辐射级水平，提高了模拟实训的准确性。
5.本发明的技术方案是：数字化等效核辐射场模拟实训系统，包括布置于密闭空间内的等效辐射源设备、前端核辐射探测器、通讯模块、uwb服务器和现场监控主机，以及位于后端的后端服务器、运算分析模块和监控系统。
6.所述等效辐射源设备包括uwb定位标签a、状态显示灯、lora通讯模块a、控制器a和电源，uwb定位标签a、状态显示灯、lora通讯模块均与控制器a电连接；uwb定位标签a用于等效辐射源设备的自定位，状态显示灯用于对等效辐射源设备的工作状态进行显示，lora通讯模块a用于实现等效辐射源设备的数据收发；控制器a接收通过监控系统设置的状态指令和uwb定位标签a编号更改数据，控制状态显示灯状态和uwb定位标签a的编号，并通过lora通讯模块a发送等效辐射源设备的工作状态。
7.所述前端核辐射探测器包括uwb定位标签b、警示装置、lora通讯模块b、辐射剂量显示器、设备启动按钮、设备生效灯、控制器b和电源，uwb定位标签b、警示装置、lora通讯模块b、辐射剂量显示器、设备启动按钮、设备生效灯均与控制器b电连接；uwb定位标签b用于前端核辐射探测器的自定位，lora通讯模块b用于实现前端核辐射探测器的数据收发，辐射
剂量显示器用于实时显示前端核辐射探测器在当前位置的辐射剂量当量值，设备启动按钮用于启动该前端核辐射探测器，设备生效灯用于对前端核辐射探测器的工作状态进行显示，控制器b根据设备启动按钮的状态控制设备生效灯的状态；接收监控系统设置的uwb定位标签b编号更改数据，控制uwb定位标签b的编号；接收监控系统设置的辐射剂量当量值阈值和各生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，并将其显示在辐射剂量显示器上，若实时辐射剂量当量值大于辐射剂量当量值阈值，则控制器b控制报警装置发出警报提醒。
8.所述通讯模块包括三个以上的uwb基站、poe交换机和lora基站，三个以上的uwb基站和lora基站固定安装于封闭空间内的顶部。
9.所述uwb服务器用于根据poe交换机发送的数据计算各生效的等效辐射源设备、前端核辐射探测器的定位信息，并实现uwb定位标签a、uwb定位标签b和现场监控主机之间的数据传输。
10.所述现场监控主机用于实现密闭空间内的数据与后端的数据之间的转发，主要包括接收等效辐射源设备和前端核辐射探测器的状态数据，以及定位信息；发送等效辐射源设备的状态指令、辐射值数据、uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据的传输。
11.所述后端服务器用于实现现场监控主机与运算分析模块、监控系统之间的数据传输，主要包括接收现场监控主机发送的数据，将定位信息上传至运算分析模块，将状态数据上传至监控系统，并接收监控系统发送的等效辐射源设备的状态指令、辐射值数据、uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据发送至现场监控主机。
12.所述运算分析模块用于根据定位信息计算出各生效前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，并将该实时辐射剂量当量值发送至监控系统。
13.所述监控系统用于设置并发送等效辐射源设备的源项参数，等效辐射源设备状态指令，uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据，辐射剂量当量值阈值，以及显示所有等效辐射源设备的状态、所有前端核辐射探测器的状态和辐射值数据。
14.本发明进一步的技术方案是：所述uwb定位标签a通过spi总线与控制器a连接，状态显示灯a与控制器a电连接，lora通讯模块a通过串口uart与控制器a进行数据通讯；uwb定位标签b和辐射剂量显示器均通过spi总线与控制器b连接，警示装置、设备启动按钮和设备生效灯与控制器b电连接，lora通讯模块b通过串口uart与控制器b进行数据通讯。
15.本发明再进一步的技术方案是：所述状态数据为等效辐射源设备和前端核辐射探测器的生效情况和警示情况，所述辐射值数据包括辐射剂量当量值阈值和各生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值。
16.本发明更进一步的技术方案是：所述等效辐射源设备、前端核辐射探测器的数量为多个；所述警示装置包括报警指示灯和蜂鸣器。
17.本发明提供的另一技术方案是：应用于前述数字化等效核辐射场模拟实训系统的方法，包括如下步骤，s01，启动系统，通过监控系统设置并显示等效辐射源设备的源项参数、状态指令和辐射剂量当量值阈值，将设置的发送源项参数、状态指令和辐射剂量当量值阈值发送至等效辐射源设备，使得等效辐射源设备生效并点亮状态显示灯。
18.s02，一个或多个实训人员手持前端核辐射探测器进入该密闭空间内，并按下前端核辐射探测器上的设备生效按钮。
19.s03，通讯模块中的uwb基站分别根据uwb定位标签a和uwb定位标签b获取密闭空间内的等效辐射源设备、前端核辐射探测器的定位信息，并依次通过poe交换机、uwb服务器、现场监控主机和后端服务器发送至运算分析模块。
20.s04，运算分析模块根据定位信息计算前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，将实时辐射剂量当量值发送至监控系统。
21.s05，监控系统显示实时辐射剂量当量值，并分别将实时辐射剂量当量值依次通过后端服务器、现场监控主机和lora基站传送至对应的前端核辐射探测器，前端核辐射探测器的控制器b控制辐射剂量显示器显示该实时辐射剂量当量值。
22.s06，前端核辐射探测器的控制器b判断实时辐射剂量当量值与辐射剂量当量值阈值的大小，若实时辐射剂量当量值大于辐射剂量当量值阈值，则控制警示装置发出警报，同时通过lora通讯模块b将前端核辐射探测器的警报状态依次通过现场监控主机和后端服务器发送至监控系统进行显示。
23.本发明进一步的技术方案是：所述根据定位信息计算各生效前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值的具体步骤如下：s041，根据等效辐射源设备的uwb定位标签a，获取等效辐射源设备的源项参数设定值(qi,di)和定位信息，其中qi为等效辐射源设备的放射类型所对应的品质因素，di为等效辐射源设备原点剂量值，单位为戈瑞gy，i为生效的等效辐射源设备的数量，j为1以上的自然数。
24.s042，根据前端核辐射探测器的uwb定位标签b，获取前端核辐射探测器的定位信息，前端核辐射探测器的数量为j个，j为1以上的自然数。
25.s043，计算各前端核辐射探测器与等效辐射源设备之间的直线距离r
ij
。
26.s044，计算各前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，计算公式为。
27.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，hj为第j个生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，单位为希沃特sv；qi为第i个等效辐射源设备的品质因素；di为第i个等效辐射源设备原点剂量值，单位为戈瑞gy；r
ij
为第j个生效的前端核辐射探测器与第i个等效辐射源设备之间的直线距离，单位为米。
28.本发明再进一步的技术方案是：若需要等效辐射源设备的uwb定位标签a或前端核辐射探测器的uwb定位标签b的编号进行重置时，在s01步骤中，通过监控系统设置uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据并依次通过后端服务器、现场监控主机和lora基站，分别发送至等效辐射源设备和前端核辐射探测器，同时在监控系统上显示uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据。
29.本发明与现有技术相比具有如下特点：（1）本发明采用数字化的模拟，核辐射采用数字信号代替模拟信号，模拟核辐射场
的数据由数学理论算法经计算机生成，更接近真实的辐射场；数字信号不会对现场的仪器设备造成干扰，保证辐射场模拟的顺利进行的同时不会威胁到现场相关人员的健康安全。
30.（2）本发明的系统能够根据需要实时设置辐射种类、辐射强度和辐射源的数量等，且不受模拟实训的量程限制，采用uwb定位技术和lora技术，支持后端系统对现场模拟情况进行实时精准监控并可随时更改模拟方案，使得密闭空间内的模拟实训更加高效，灵活，提高了系统的应用场所。
31.以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
32.图1为本发明系统的架构示意图；图2为本发明系统中等效辐射源设备的架构示意图；图3为本发明系统中前端辐射探测器的架构示意图；图4为本发明模拟实训方法的流程图；图5为本发明系统中运算分析系统计算过程流程图；图6为本发明实施例四中前端核辐射探测器与等效辐射源设备在密闭空间内的分布示意图。
具体实施方式
33.实施例一，如图1-3所示，数字化等效核辐射场模拟实训系统，包括布置于密闭空间内的等效辐射源设备、前端核辐射探测器、通讯模块、uwb服务器和现场监控主机，以及位于后端的后端服务器、运算分析模块和监控系统。
34.所述等效辐射源设备包括uwb定位标签a、状态显示灯、lora通讯模块a、控制器a和电源。uwb定位标签a通过spi总线与控制器a连接，状态显示灯a与控制器a电连接，lora通讯模块a通过串口uart与控制器a进行数据通讯；uwb定位标签a用于等效辐射源设备的自定位，状态显示灯用于对等效辐射源设备的工作状态进行显示，lora通讯模块a用于实现等效辐射源设备的数据收发。控制器a接收通过监控系统设置的状态指令和uwb定位标签a编号更改数据，控制状态显示灯状态和uwb定位标签a的编号，并通过lora通讯模块a发送等效辐射源设备的工作状态。等效辐射源设备数量为一个，设置于密闭空间内。
35.所述前端核辐射探测器包括uwb定位标签b、警示装置、lora通讯模块b、辐射剂量显示器、设备启动按钮、设备生效灯、控制器b和电源，警示装置包括报警指示灯和蜂鸣器。uwb定位标签b和辐射剂量显示器均通过spi总线与控制器b连接，警示装置、设备启动按钮和设备生效灯与控制器b电连接，lora通讯模块b通过串口uart与控制器b进行数据通讯。uwb定位标签b用于前端核辐射探测器的自定位。lora通讯模块b用于实现前端核辐射探测器的数据收发。辐射剂量显示器用于实时显示前端核辐射探测器在当前位置的辐射剂量当量值。设备启动按钮用于启动该前端核辐射探测器。设备生效灯用于对前端核辐射探测器的工作状态进行显示。控制器b根据设备启动按钮的状态控制设备生效灯的状态；接收监控系统设置的uwb定位标签b编号更改数据，控制uwb定位标签b的编号；接收监控系统设置的辐射剂量当量值阈值和各生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，并将其显示在辐射剂量显示器上，若实时辐射剂量当量值大于辐射剂量当量值阈值，则控制器b控制报警
装置发出警报提醒。前端核辐射探测器是手持设备，实训人员通过手持该前端核辐射探测器进入密闭空间内。前端核辐射探测器的数量可以设置为一个或多个，即能够容许一个或多个实训人员同时进行模拟训练。
36.所述通讯模块包括三个以上的uwb基站、poe交换机和lora基站。三个以上的uwb基站和lora基站固定安装于封闭空间内的顶部，以对空间内的等效辐射源设备、前端核辐射探测器进行准确定位和数据传输。
37.所述uwb服务器用于根据poe交换机发送的数据计算各生效的等效辐射源设备、前端核辐射探测器的定位信息，并实现uwb定位标签a、uwb定位标签b和现场监控主机之间的数据传输。其中基于uwb定位标签、uwb基站、poe交换机和uwb服务器进行定位是现有技术，在此不做赘述。
38.所述现场监控主机用于实现密闭空间内的数据与后端的数据之间的转发，主要包括接收等效辐射源设备和前端核辐射探测器的状态数据，以及定位信息；发送等效辐射源设备的状态指令、辐射值数据、uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据的传输。所述状态数据为等效辐射源设备和前端核辐射探测器的生效情况和警示情况，所述辐射值数据包括辐射剂量当量值阈值和各生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值。
39.所述后端服务器用于实现现场监控主机与运算分析模块、监控系统之间的数据传输，主要包括接收现场监控主机发送的数据，将定位信息上传至运算分析模块，将状态数据上传至监控系统，并接收监控系统发送的等效辐射源设备的状态指令、辐射值数据、uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据发送至现场监控主机。
40.所述运算分析模块用于根据定位信息计算出各生效前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，并将该实时辐射剂量当量值发送至监控系统。
41.所述监控系统用于设置并发送等效辐射源设备的源项参数，等效辐射源设备状态指令，uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据，辐射剂量当量值阈值，以及显示所有等效辐射源设备的状态、所有前端核辐射探测器的状态和辐射值数据。
42.实施例二，实施例二与实施例一的系统基本类似，其不同之处在于：所述等效辐射源设备数量为两个以上，均设置于密闭空间内。
43.具体地，设密闭空间中存在三个等效辐射源设备，编号分别为a、b、c，某实训人员手持编号1的前端核辐射探测器，进入该密闭空间。由于在实际核辐射探测时，等效辐射源设备的辐照是全方位的，存在需要对不同高度的被辐射对象所受剂量的测量，且不同实训人员的身高也是不同的，从而前端核辐射探测器的高度不相同。也就是说在对前端核辐射探测器进行坐标设定时包括xyz三个方向。
44.实施例三，如图4所示，应用于前述实施例一的所述数字化等效核辐射场模拟实训系统的方法，包括如下步骤：s01，启动系统，通过监控系统设置并显示等效辐射源设备的源项参数、状态指令和辐射剂量当量值阈值，将设置的发送源项参数、状态指令和辐射剂量当量值阈值发送至等效辐射源设备，使得等效辐射源设备生效并点亮状态显示灯。
45.s02，一个或多个实训人员手持前端核辐射探测器进入该密闭空间内，并按下前端核辐射探测器上的设备生效按钮。
46.s03，通讯模块中的uwb基站分别根据uwb定位标签a和uwb定位标签b获取密闭空间内的等效辐射源设备、前端核辐射探测器的定位信息，并依次通过poe交换机、uwb服务器、现场监控主机和后端服务器发送至运算分析模块。
47.s04，运算分析模块根据定位信息计算前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，将实时辐射剂量当量值发送至监控系统。
48.其中，如图5所示，根据定位信息计算各生效前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值的具体步骤如下：s041，根据等效辐射源设备的uwb定位标签a，获取等效辐射源设备的源项参数设定值(qi,di)和定位信息，其中qi为等效辐射源设备的放射类型所对应的品质因素，di为等效辐射源设备原点剂量值，单位为戈瑞gy，i为生效的等效辐射源设备的数量，本实施例中设置生效的等效辐射源设备的数量i=1。
49.s042，根据前端核辐射探测器的uwb定位标签b，获取前端核辐射探测器的定位信息，本实施例中设置的前端核辐射探测器的数量为j个，j为1以上的自然数；s043，计算各前端核辐射探测器与等效辐射源设备之间的直线距离rj；s044，计算各前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，计算公式为：
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（1）其中，hj为第j个前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，单位为希沃特sv；q1为等效辐射源设备的品质因素；d1为等效辐射源设备原点剂量值，单位为戈瑞gy；rj为第j个前端核辐射探测器与等效辐射源设备之间的直线距离，单位为米。
50.s05，监控系统显示实时辐射剂量当量值，并分别将实时辐射剂量当量值依次通过后端服务器、现场监控主机和lora基站传送至对应的前端核辐射探测器，前端核辐射探测器的控制器b控制辐射剂量显示器显示该实时辐射剂量当量值。
51.s06，前端核辐射探测器的控制器b判断实时辐射剂量当量值与辐射剂量当量值阈值的大小，若实时辐射剂量当量值大于辐射剂量当量值阈值，则控制警示装置发出警报，同时通过lora通讯模块b将前端核辐射探测器的警报状态依次通过现场监控主机和后端服务器发送至监控系统进行显示。
52.实施例四，实施例四与实施例三的方法基本类似，其不同之处在于：其应用于前述实施例二的所述数字化等效核辐射场模拟实训系统，其具体步骤中s01步骤中等效辐射源设备数量为两个以上，均设置于密闭空间内；步骤s044中，各生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值的计算公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，hj为第j个生效的前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值，单位为希沃特sv；qi为第i个等效辐射源设备的品质因素；di为第i个等效辐射源设备原点剂量值，单位为戈瑞gy；r
ij
为第j个生效的前端核辐射探测器与第i个等效辐射源设备之间的直线距离，单位为米。
53.以i=3、j=1为例，根据定位信息计算各生效前端核辐射探测器的实时辐射剂量当量值的具体如下：设编号分别为a、b、c的三个等效辐射源均为cs
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辐射；a、b、c等效辐射源原点剂量值分别为10gy、15gy、20gy；a、b、c三个等效辐射源点位置坐标分别为（1800，2800,0），（5000，2000,0），（2000，1500,0），某实训人员手持编号1的前端核辐射探测器的现位置坐标为d（3500，3500,0），如图6所示，本实施例中由于z方向的坐标值均为0，因而图6仅展示xy方向上位于位置d的实训人员收到a、b、c等效辐射源辐射的分布。
54.密闭空间内的uwb基站基于uwb定位技术通过a、b、c等效辐射源设备的uwb定位标签a获取a、b、c等效辐射源设备的位置坐标分别为（1800，2800,0），（5000，2000,0），（2000，1500,0），通过编号1前端核辐射探测器的uwb定位标签b获取该实训人员的位置坐标为（3500，3500,0），并将a、b、c等效辐射源设备的位置坐标和实训人员的位置坐标由uwb服务器、现场监控主机和后端服务器发送到运算分析系统。
55.运算分析系统分别计算出该实训人员距离a、b、c等效辐射源设备的直线距离r
a1
、r
b1
、r
c1
，然后通过公式（2）计算生成该实训人员在该位置点所受到的实时辐射剂量当量值。
56.计算过程为：q=25；r
a1
=1838cm=18.38m；r
b1
=2121cm=21.21m；r
c1
=2500cm=25m；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）即该实训人员在该位置点所受到的实时辐射剂量当量值为0.189sv，将生成的实时辐射剂量当量值发送至监控系统进行显示，并由监控系统、后端服务器、现场监控主机和lora基站实时发送给编号1前端核辐射探测器进行显示，前端核辐射探测器判断实时辐射剂量当量值与辐射剂量当量值阈值的大小，若实时辐射剂量当量值大于辐射剂量当量值阈值，则控制警示装置发出警报，同时通过lora通讯模块b将前端核辐射探测器的警报状态依次通过现场监控主机和后端服务器发送至监控系统进行显示。
57.实施例五，实施例五与实施例三的方法基本类似，其不同之处在于：若需要等效辐射源设备的uwb定位标签a或前端核辐射探测器的uwb定位标签b的编号进行重置时，在s01步骤中，通过监控系统设置uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据并依次通过后端服务器、现场监控主机和lora基站，分别发送至等效辐射源设备和前端核辐射探测器，同时在监控系统上显示uwb定位标签a编号更改数据和uwb定位标签b编号更改数据。