核电站国产化广播系统组网设计

摘要：针对现有核电广播系统普遍的设备老化、国产化程度低的问题，提出一套核电广播国产化组网替代的方案。该方案遵循适应性、先进性、融合性、可用性、可靠性、可扩充性、可维护性、规范性原则，对现有的使用CobraNet网络的非国产化广播系统进行替代。通过一个可行的核电站改造方案验证所提出的国产化策略的可行性。本方案在保证提高了核电广播的稳定性的同时提高了核电广播的数据安全性，为核电站安全运行提供了有力的安全保障。

关键词：核电广播；国产化组网替代；数据安全

Abstract:A solution for replacing the existing nuclear power broadcasting system with a localized network is proposed to address the problems of aging equipment and low localization that are common in the existing nuclear power broadcasting system. The scheme follows the principles of adaptability, advancement, integration, availability, reliability, scalability, maintainability, and standardization to replace the existing non-localized broadcasting system using CobraNet network. The feasibility of the proposed localization strategy is verified through a feasible nuclear power plant retrofit scenario. This scheme ensures the improved stability of nuclear power broadcasting while improving the safety of nuclear power broadcasting, which provides a strong security guarantee for the safe operation of nuclear power plants.

Keywords: Nuclear Power Broadcasting; Localized Network Replacement; Data Security

1. 引言

近年来，信息技术飞速发展，全球政治经济环境也发生了深刻变化，核电广播行业因此面临着诸多严峻挑战。习近平总书记强调 “把科技的命脉牢牢掌握在自己手中”[1]，凸显了国家对关键技术自主可控的高度重视。目前，国内许多核电站的广播系统存在国产化程度低、设备长期使用老化等问题，同时还面临系统扩容困难、扬声器音质欠佳、维护管理复杂等一系列难题。此外，要保证核电厂通信稳定，在遇到突发状况时确保全场通信正常进行[2]。针对以上问题，本文提出一种核电广播系统国产化组网替代方案。

2. 现有核电广播技术方案

当前，国内大多数核电站采用基于CobraNet协议传输的数字广播系统。CobraNet 起源于1996年，由Cirrus Logic（前身为Peak Audio）开发，其核心技术和实现细节受专利保护，仅对授权厂商开放。在过去近十年的时间里，其核心技术几乎处于停滞状态，没有取得实质性的突破。如今，信息技术正以前所未有的速度发展，网络带宽不断提升，数据处理能力也日益增强，随着随着Dante、AVB、AES67等新一代音频网络协议的兴起，CobraNet已跟不上应用技术发展需要。CobraNet技术依旧停留在百兆网时代的水平[3]，在带宽方面，难以满足如今大数据量音频传输的需求；相比于Dante的0.15毫秒、AVB 2毫秒的延迟，CobraNet 5.88毫秒的时延优势不再突出；接入通道数量更是有限，无法适应日益增长的广播业务拓展要求；其二层网络传输的设计，不满足大范围多区域组网及多网融合的发展需要。这使得它与快速发展的信息技术之间的差距越来越大，逐渐被时代所淘汰。

而且，由于CobraNet技术的封闭性和独特性，它与当前其他基于AoIP体系的系统在技术层面存在巨大差异，无法实现互联互通。这就导致各个广播系统只能各自为政，形成一个个孤立的个体。即使是不同厂商生产的CobraNet产品，在实际应用中也常常出现兼容性问题，不同设备之间难以协同工作，严重影响了系统的整体性能和应用范围。具体而言，现有核电广播技术方案存在以下多方面的问题：

（1）扩容性差、功能单一

现有核电广播系统多为进口整套方案[4-6]，未针对国内实际需求进行定制化开发，在跨区呼叫、远距离传输以及系统联动等方面存在诸多限制。在多区、跨区联动功能上，现有系统表现薄弱，往往需要搭建专线网络才能实现跨区联动。不同厂区的广播系统互联不仅需要增加专用设备，而且功能存在缺失，仅能实现一路广播呼叫。

（2）系统监测功能落后

对于扬声器等终端设备的监测是保障广播系统正常运行的重要环节。然而，现有核电广播系统中所使用的扬声器检测卡监测能力十分有限，其监测距离较短，无法覆盖整个厂区的所有扬声器设备。这就使得在实际维护工作中，工作人员难以全面、及时地掌握终端设备的运行状态。一旦某个偏远区域的扬声器出现故障，可能无法及时发现，导致该区域在广播时出现声音异常甚至无声的情况，影响信息的正常传递。而且，由于无法对终端设备进行有效的远程监测和管理，维护人员在排查故障时往往需要耗费大量的时间和精力进行现场巡检，大大增加了维护成本和难度，降低了系统的整体可靠性。

（3）智能化、信息化薄弱

随着5G技术的快速发展和在各个领域的广泛应用，未来核电站的通信环境也将迎来巨大变革。然而，现有的核电广播系统在智能化和信息化方面却较为滞后，难以适应这一发展趋势。在智能化方面，系统缺乏智能语音识别、智能广播调度等功能，无法根据不同的场景和需求自动进行广播内容的选择和播放。在信息化方面，无法与其他信息系统进行深度融合，无法实现数据的共享和交互。

同时，现有广播系统无法配置IP终端和无线终端设备，这使得在一些特殊场景下，如移动作业区域或临时作业点，无法便捷地接入广播系统，限制了通信的灵活性和便捷性。用户在使用过程中，无法获得高效、便捷的广播体验，难以满足现代化核电生产运营对通信系统的要求。

（4）高噪音区环境使用体验差

核电站内存在许多高噪音区域，如汽轮机厂房、柴油发电机房等。在这些区域，环境噪音较大，对广播系统的性能提出了更高的要求。然而，由于现有广播系统智能化、信息化程度低，在高噪音区域的使用效果不佳。一方面，传统的广播方式在高噪音环境下，声音容易被掩盖，导致工作人员难以清晰地听到广播内容；另一方面，系统无法根据噪音环境的变化自动调整广播音量或优化音频质量。而且，在未来5G时代，高噪音区域对通信功能的扩展和提升有着迫切需求，如支持高清语音广播、多语言广播等，但现有系统却无法满足这些需求，严重影响了核电站复杂环境下的通信效果和工作效率。

3. 广播国产化组网替代方案

鉴于上述现状，本次项目改造选用数字IP广播系统。该系统是一套基于纯数字技术传输的双向音频扩声系统，基于标准的TCP/IP协议，将音频信号以数据包的形式在局域网和广域网上进行传输，有效解决了传统广播系统存在的音质不佳、传输距离受限、缺乏互动性以及维护管理复杂等问题。

3.1广播国产化组网替代原则

核电广播国产化组网替代方案遵循以下原则。

适应性

在系统设备选型和配置过程中，充分考虑核电站的特殊环境条件，确保所有相关设备能够在非理想环境下稳定运行并发挥有效作用。

先进性

该系统以标准的TCP/IP协议为基础，代表了下一代以太网数字音频传输技术的核心方向。它不仅解决了传统广播系统多线路复杂布线的难题，还攻克了远距离传输、数据备份、自动冗余等一系列模拟时代难以解决的问题，能够长期适应社会技术发展，最大化用户的投资回报。

融合性

系统支持 SIP 协议，具备强大的对讲调度功能。同时提供丰富的SDK/API、适配器等标准通信接口服务，方便用户及其应用系统接入，实现无缝协同工作。

可用性原则

系统设计充分考虑不同业务部门工作人员的操作流程和习惯，以及他们对计算机操作的熟练程度。通过优化操作界面设计，使其最大程度贴合实际工作场景，确保操作简单易懂，易于掌握。

可靠性

系统可靠性是保障整个系统高可用性的关键。这不仅要求硬件设备具备高可靠性，如合理选型通用设备、采用容错技术、对关键部件进行冗余或热备份配置、精心挑选元器件、优化配套子系统接口、确保供电线路良好接地以及为室外前端设备配备多级防雷措施等；还要求软件平台具备高可靠性，包括构建合理的软件框架、制定高效的信息通信规程以及确保对外接口协议的有效合理性等。

可扩充性

在系统架构设计上，从软件模块化设计、硬件接口设计、整体结构设计到网络接口设计等各个方面，都充分考虑了可扩展性要求，为系统未来的功能升级和规模扩展预留充足空间。

可维护性原则

系统具备故障告警、诊断和排除等基本功能和友好的管理界面，以利于维护人员对系统进行维护。当系统出现故障时，可通过维护管理功能在最短的时间内找出故障部位，并通过此平台在最短时间内容对故障进行排除，使系统正常运行。

规范性

在系统的设计与施工过程中参考各方面的标准与规范，严格遵从各项技术规定，做好系统的标准化设计与施工。

3.2广播国产化组网替代优势

系统将模拟音频信号数字编码后在网络平台上传输，在实现了传统广播系统功能的同时，又克服了传统广播受线路阻抗、功率、电压等干扰因素，传输距离短，系统拓展性差等缺点，使声音更加清晰稳定。该方案具有以下优势：

（1）广播分区多

IP网络广播系统中每个网络广播点都是独立IP网络节点，拥有各自独立的IP地址，可以自成一个独立的广播分区。这种独立分区的设计为广播管理带来了极大的灵活性。例如，在核电站中，可以根据不同的厂房、楼层、工作区域等进行精细分区。每个网络广播点能够同时属于多个分区，这意味着一个广播点可以根据不同的广播需求，灵活地参与到多个分区的广播任务中。比如，某个位于公共区域的广播点，既可以属于日常通知分区，用于发布一般性的工作通知；又可以属于应急疏散分区，在紧急情况下播放疏散指令。而且，分区的改变不涉及任何物理上的改变，只需在系统管理软件中进行简单设置即可完成，大大降低了管理成本和操作难度。

（2）节目路数多

在IP网络广播系统中，每路广播节目都是一组IP数据报文，不同的广播节目能够在一根网线中同时传播，互相没有影响。这得益于先进的网络传输技术和数据分组机制。以CD音质的音频文件为例，其所占带宽仅128KBPS，即使同时广播100路不同的CD级节目时，其所占用的带宽也仅12.8M，不到100M局域网的15%。这使得系统能够同时传输丰富多样的广播内容，满足不同场景下的广播需求。在核电站中，可以同时播放安全知识讲解、设备操作提示、应急演练音频等多种节目，并且不会出现音频干扰或卡顿的情况，有效提高了广播系统的信息承载能力和应用范围。

（3）分控站点多

IP 局域网上的所有计算机都可以作为分控站点来管理或使用 IP 网络广播系统，局域网上有多少台电脑就可以建立多少个广播分控站。这一优势极大地提高了广播系统的管理便捷性和灵活性。不同部门的工作人员可以在自己的办公电脑上，经过授权后，方便地进行广播操作。例如，生产部门可以在车间办公室的电脑上发布生产调度通知；安全管理部门可以在自己的办公电脑上进行安全知识广播；应急指挥中心可以在指挥电脑上进行应急广播调度等。无需专门配置昂贵的广播控制台，降低了系统建设成本，同时也提高了广播信息发布的及时性和准确性。

（4）系统施工快

在有 IP 网络的地方，接上 IP 网络广播终端设备即可完成系统部署，这大大简化了施工流程。相比传统广播系统复杂的布线工作，IP 网络广播系统利用现有的网络基础设施，只需将终端设备接入网络接口，进行简单的配置即可使用。在没有 IP 网络的地方，建设一个简易的 IP 网络也相对快捷。可以采用无线 AP、交换机等设备快速搭建局域网络，然后接入广播终端设备。整个施工过程简单高效，能够大大缩短项目建设周期，减少因施工带来的生产影响，降低建设成本。

（5）广播音质好

IP 网络广播系统的节目传输采用全数字方式，不受传输距离的影响，也不受环境的影响。传统广播系统在传输过程中，信号容易受到线路长度、电磁干扰等因素的影响，导致音质下降。而数字 IP 广播系统通过将音频信号数字化，以数据包的形式在网络中传输，在接收端再进行解码还原。这种传输方式能够保证音频信号的完整性和准确性，无论传输距离多远，或者在何种复杂的环境下，听众都能够享受高保真的音质效果。在核电站的各个区域，工作人员都能清晰地听到广播内容，避免了因音质问题导致的信息误听或漏听情况，提高了信息传递的准确性。

（6）系统管理和维护简单

IP网络广播系统设备简洁，网络广播终端设备采用嵌入式系统固化在处理器芯片上，不受病毒侵害，能够提供远程维护，省却大量的维护工作。系统管理员能够预先为不同的用户、不同的分区设置定时广播任务，系统到时自动执行，真正做到无人值守。

（7）使用简单方便

广播系统的使用者只要获得系统管理员的授权，即可执行在自用的电脑分控站上向指定区域进行节目广播，也可以自己设置定时任务自动播放，无需奔波求助。

4. 系统架构

评估一个系统的性能优劣，稳定性和安全性是重要考量指标，这就需要考虑系统的冗余和备份设计。鉴于核电项目的特殊性，本套核电广播系统采用两套独立的全数字核电广播产品，基于 TCP/IP 的组网结构，有效解决了传统广播系统传输距离短、音质不佳、维护管理复杂、互动性能差等问题。设备之间采用菊花链式连接方式，构建全冗余布线结构。这种结构使得环网中任何一处设备的增加、移除或损坏，都不会影响系统整体运行，也不会对其他设备造成影响。若仅采用简单的环网结构，一旦主机出现故障，所有下游设备都将失去作用，进而影响整个系统的正常运行。因此，为避免此类大范围系统故障，本系统还对主机进行热备设置。一旦主机发生故障，系统将自动切换至备用主机，确保系统持续正常运行。

根据某项目要求，核电广播系统在正常运行时，可通过操作台的麦克风进行语音信息广播；在应急或消防情况下，该系统作为声响警报系统的备份，可通过麦克风或预录的警报信息，手动选择分区向应急消防区域人员发出警报。系统采用干接点触发方式，将控制信号与语音信号分开传输，这种连接方式简单且有效。

在设备备份方面，主机采用冗余备份方式，功率放大器采用 N + 1 备份方式（N≤4）。系统通过备用功率放大器对工作中的功率放大器进行实时监测，一旦发现故障，立即自动切换。所有设备均基于网络互联，无需任何第三方接口设备。在控制中心所在楼增设一台网络音频接口机及一台网络控制接口机，这两台设备用于采集和输出相应的音频和控制信号，连接控制中心所在楼的现有设备。设备基于现有网络进行传输，无需额外布线。

图 1 系统框图

核电广播系统不仅要确保所有人员活动区域都能接收到广播声音，还具备另一重要功能。在紧急情况下，作为声响警报系统的备份，用于应急通信，与声响警报系统共用一套扬声器。核电广播可从操作台发出寻人呼叫和应急通知，具备灵活组合的分区呼叫功能和优先呼叫功能。核电广播系统与声响警报系统通过干接点连接，一旦声响警报系统触发报警，核电广播系统会立即对当前区域广播事先录制的录音信息，并可对出事区域实现手动选区紧急广播。至此，核电广播系统已不再仅仅具备单一的广播功能，还必须满足应急消防的严格要求，尤其在优先级上要确保紧急情况下的强切功能。

5. 结论

在当前国家高度重视关键技术自主创新的大背景下，核电行业相关产品的国产化替代工作显得尤为重要。核电广播系统作为核电安全保障体系中不可或缺的辅助系统，其国产化需求日益迫切。本文首先对现有核电广播方案进行了简要分析，指出其存在的不足；然后针对这些问题，提出了一种核电广播国产化组网替代方案。该方案通过将音频信号以数据包形式在局域网和广域网上传输，有效解决了传统广播系统存在的诸多问题，同时保障了数据安全，为核电站的安全稳定运行提供了有力支持。

参考文献

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