Minimization of personnel dose costs using route optimization
https://doi.org/10.26583/gns-2025-03-02
EDN: GAORPS
Abstract
The principle of optimization is of great practical importance for ensuring the radiation safety of personnel at all stages of the NPP life cycle, especially, newly designed nuclear power plants. In 2007, the International Commission on Radiological Protection (ICRP) issued recommendations (Publication 103). The recommendations further reinforce the importance of optimizing radiation protection by disseminating successful experiences in implementing this requirement in practice, now including situations of planned exposure. The consistent policy pursued by the operating organization of Russia's nuclear power plants (Rosenergoatom Concern) has been pursuing a consistent policy to introduce and implement a methodology for optimizing radiation protection at all nuclear power plants since 1996 (transition to new dose limits), which has led to a reduction in collective radiation doses for personnel by approximately four times. Areas for further optimization of radiation protection for personnel are determined by individual dose management (improving work organization, improving the radiation environment, reducing time spent in dose fields). The objective of the work is to develop a software system that allows the creation of personnel movement routes with minimal total dose exposure in rooms with heterogeneous radiation fields. The following tasks are accomplished to achieve the goal: analysis of the safety movement problem in radiation-hazardous areas; construction of a mathematical model of the radiation field using the radial basis function (RBF) method; development of pathfinding algorithms taking into account dose load (A*, A-star, dynamic programming). The article presents problem solutions using mathematical route optimization methods that minimize personnel dose costs in relation to a real radiation-hazardous room at a nuclear power plant. The main stages of developing an algorithm that automatically generates optimal routes, taking into account the heterogeneous radiation environment in the space, the size of the room, and the location of equipment and other elements within it, are described. The scientific novelty of the research lies in the application of the radial basis function (RBF) method in combination with graph routing algorithms adapted to the radiation dose minimization criterion, as well as in the use of a modified Bellman equation for the optimal selection of the order of passing control points.
About the Authors
O. L. Tashlykov
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
Russian Federation
Russian Federation
Dr. Sci. (Engin), Professor
A. N. Sesekin
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
Russian Federation
Russian Federation
Dr. Sci. (Phys. Math.), Professor
D. A. Tatarskikh
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
Russian Federation
Russian Federation
Master
D. I. Zavadskii
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
Russian Federation
Russian Federation
post-graduate student
References
1. Mikhailova A.F., Tashlykov O.L. T The ways of implementation of the optimization principle in the personnel radiological protection. Physics of atomic nuclei. 2024;83:1718–1726. https://doi.org/10.1134/S1063778820100154
2. Ташлыков О.Л. Дозовые затраты персонала в атомной энергетике. Анализ. Пути снижения. Оптимизация. Saarbrüсken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. RG, 2011. 232 c. ISBN: 978-3-8443-5472-0
3. Коробкин В. В., Сесекин А. Н., Ташлыков О. Л., Ченцов А. Г. Методы маршрутизации и их приложения в задачах повышения безопасности и эффективности эксплуатации атомных станций. Москва: Новые техноло-гии, 2012. 234 с. ISBN: 978-5-94694-027-6
4. Кропачев Ю.А., Ташлыков О.Л., Щеклеин С.Е. Оптимизация радиационной защиты на этапе вывода энер-гоблоков АЭС из эксплуатации. Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2019;(1):119–130. https://doi.org/10.26583/npe.2019.1.11
5. Кропачев Ю.А., Ташлыков О.Л., Сесекин А.Н., Щеклеин С.Е., Хомяков А.П. Подсистема автоматизирован-ной обработки данных нерегламентных измерений радиационной обстановки. Ядерная и радиационная без-опасность. 2019;3(93):26–35. https://doi.org/10.26277/SECNRS.2019.93.3.003
6. Tashlykov O.L., Grigoryev A.M., Kropachev Y.A. Reducing the exposure dose by optimizing the route of person-nel movement when visiting specified points and taking into account the avoidance of obstacles. Energies. 2022;15(21):11. https://doi.org/10.3390/en15218222
7. Grigoryev A.M., Tashlykov O.L. Solving a routing optimization of works in radiation fields with using a super-computer. AIP Conference Proceedings. 2019:020028; https://doi.org/10.1063/1.5055101
8. Завадский Д.И., Ташлыков О.Л. Возможности использования ТИМ в атомной энергетике (на примере АЭС с энергоблоком БН-600). Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2023;6-2(67):65–70. Ре-жим доступа: https://ptrbs.ru/2023_6-1.php?ysclid=mfdh3o3583375769388 (дата обращения: 09.06.2025)
9. Ташлыков О.Л., Щеклеин С.Е. Опыт подготовки специалистов для атомной отрасли в Уральском феде-ральном университете «через науку». Известия вузов. Ядерная энергетика. 2024;4:202–218. https://doi.org/10.26583/npe.2024.4.17
10. Grigoryev A.M., Tashlykov O.L. Solving a routing optimization of works in radiation fields with using a super-computer. AIP Conference Proceedings 2015. 2018. 020028. https://doi.org/10.1063/1.5055101
11. Татарских Д. А., Завадский Д.И., Сесекин А. Н., Ташлыков О. Л. Универсальная программа построения маршрута перемещения дозиметриста в помещениях АЭС с целью минимизации суммарной дозы облучения. Физика. Технологии. Инновации. ФТИ–2025: Тезисы докладов XII Международной молодежной научной кон-ференции. Екатеринбург: УрФУ. 2025. C. 71–72. Режим доступа: https://fizteh.urfu.ru/fileadmin/user_upload/site_19855/Conference/2025/Sbornik_tezisov_konferencii_FTI-2025.pdf (дата обращения: 09.06.2025).
12. Tashlykov O.L., Sesekin A.N., Chentsov A.G., Chentsov A.A. Development of methods for route optimization of work in inhomogeneous radiation fields to minimize the dose load of personnel. Energies. 2022;15(13):4788. 11 p. https://doi.org/10.3390/en15134788
13. Сесекин А.Н., Ченцов А.А., Ченцов А.Г. Задачи маршрутизации перемещений. Санкт-Петербург. Лань. 2022. 240 с. ISBN: 978-5-8114-9999-1
14. Bishop C.M. Pattern recognition and machine learning. New York: Springer, 2006. 738 p. Available at: https://link.springer.com/book/9780387310732 (accessed: 08.08.2025).
15. Grigoryev A.M., Tashlykov O.L., Popel A.A., Kropachev Yu.A. Determination of radiation field parameters for the problems of routing optimization based on interpolation with radial basis functions. AIP Conference Proceedings 2020;2313. https://doi.org/10.1063/5.0032248
16. Wilson R.J. Introduction to Graph Theory. Edinburgh: Oliver and Boyd, 1972. Available at: https://webhomes.maths.ed.ac.uk/~v1ranick/papers/wilsongraph.pdf (accessed: 08.08.2025).
17. Ларичев О.И. Вербальный анализ решений. Москва: Наука, 2006. 181 с. Режим доступа: https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_002862845/ (дата обращения: 08.08.2025).
18. Hart P.E., Nilsson N.J., Raphael B. A Formal Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths. IEEE Transactions on Systems Science and Cybernetics, 1968; 4(2):100–107. https://doi.org/10.1109/TSSC.1968.300136
19. Большакова Е. И., Мальковский М. Г., Пильщиков В. Н. Искусственный интеллект. Алгоритмы эвристиче-ского поиска: учебное пособие. М.: Изд-во факультета ВМК МГУ, 2002. 83 с. ISBN 5-89407-150-X. Режим до-ступа: https://rusist.info/book/386838 (дата обращения: 14.09.2025).
20. Junhao Zhang, Weiwei Chen, Bingyu Ni, Jing Zheng, Kaixin Zhao, Wanyi Tian, Chao Jiang. Optimization of Personnel Work Paths During Decommissioning of Nuclear Facilities. Nuclear Science and Engineering 2024;198(8):1668-1681. https://doi.org/10.1080/00295639.2023.2257508
21. Nour AbuJaba,Mohammed Baziyad,Raouf Fareh,Brahim Brahmi,Tamer Rabie, Maamar Bettayeb. A Com-prehensive Study of Recent Path-Planning Techniques in Dynamic Environments for Autonomous Robots. Sensors. 2024;24(24):8089. https://doi.org/10.3390/s24248089
Review
Рассмотрена статья «Минимизация дозовых затрат персонала с использованием маршрутной оптимизации».
Статья посвящена актуальной и практически значимой проблеме снижения радиационной нагрузки на персонал атомных станций путём оптимизации маршрутов перемещения в условиях неоднородных радиационных полей. Разработка и внедрение подобных инструментов напрямую соответствуют принципу оптимизации радиационной защиты (ALARA) и являются приоритетным направлением для повышения безопасности и эффективности эксплуатации АЭС.
Актуальность темы не вызывает сомнений, что подтверждается представленными авторами данными о последовательной политике АО «Концерн Росэнергоатом», позволившей в несколько раз снизить коллективные дозы облучения. Дальнейший прогресс в этой области закономерно связывается с применением современных математических методов и вычислительных алгоритмов для управления индивидуальными дозами.
Название статьи полностью отражает её содержание. Аннотация структурирована и содержит исчерпывающую информацию о цели, задачах, методах и научной новизне работы.
Методология исследования представляется комплексной и современной. В качестве ключевых научных результатов следует отметить:
- применение метода интерполяции радиальными базисными функциями (RBF) для построения непрерывной карты радиационного поля по ограниченному числу точечных измерений;
- адаптацию классических алгоритмов поиска пути (A*, динамическое программирование на основе уравнения Беллмана) для критерия минимизации накопленной дозы, а не пройденного расстояния;
- разработку программной системы, позволяющей наглядно визуализировать оптимальные маршруты с учётом геометрии помещений и расположения оборудования.
Полученные результаты, демонстрирующие снижение дозовых затрат на 14.5% по сравнению с произвольным маршрутом, имеют высокую практическую ценность и подтверждают эффективность предложенного подхода.
Статья написана ясным научным языком, имеет строгую логическую структуру и опирается на широкий пласт литературы, включая фундаментальные работы и последние исследования авторов.
Вместе с тем, имеются замечания, которые целесообразно учесть авторам для повышения практической значимости работы.
1) Обоснованность интерполяции поля. Требует более детального обоснования выбор метода RBF-интерполяции для моделирования радиационного поля. На практике, в помещениях АЭС часто встречаются резко неоднородные поля («прострелы», локальные источники), которые плохо аппроксимируются гладкими функциями. Необходимо обсудить в тексте ограничения метода и возможные пути верификации построенной карты для исключения недооценки дозы на маршруте.
2) Практическая реализация. Отмечено, что сам по себе расчёт оптимального маршрута недостаточен для его практического применения и соблюдения маршрута оперативным персоналом. Авторам рекомендуется рассмотреть возможные способы практической имплементации полученных результатов в эксплуатационную практику АЭС.
Учитывая высокую научную и практическую значимость представленного исследования, а также его соответствие тематике журнала, считаю, что статья «Минимизация дозовых затрат персонала с использованием маршрутной оптимизации» может быть рекомендована к публикации в журнале «Глобальная ядерная безопасность» после доработки с учётом изложенных замечаний.
Рецензент
к.т.н., доцент кафедры атомной энергетики
ВИТИ НИЯУ МИФИ А.А. Лапкис
For citations:
Tashlykov O.L., Sesekin A.N., Tatarskikh D.A., Zavadskii D.I. Minimization of personnel dose costs using route optimization. Nuclear Safety. 2025;15(3):14-25. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2025-03-02. EDN: GAORPS
Views:
30
Email this article 