CN114199874A - 基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法 - Google Patents

基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法。所述系统包括：多个相机，其沿圆周方向架设在安全壳试验本体的外周，用于拍摄相机视角范围内的安全壳试验本体外周的水膜覆盖部分；多根网线，每根网线与相应的相机连接；光缆，所述多根网线与所述光缆相连；以及工控机，所述工控机与所述光缆相连，从而将相机拍摄的图像数据经由网线、光缆传输至所述工控机。本发明还涉及基于视频处理技术的覆盖率实时测量的方法。

Description

基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法
技术领域
本发明涉及覆盖率实时测量系统及方法，具体而言，涉及基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法。
背景技术
安全的核电是一种高能源密度的清洁能源，对保护生态环境、调整能源结构和保障能源安全有重要的作用。然而一旦核电站出现安全问题，则对工作人员、周边居民以及生态环境等会带来巨大的危害。为此核电站安全问题是人们应用核电时必须重点考虑的问题。具体而言，就是如何带走在发生事故时核反应堆产生的热量。在非能动核电站由于发生事故而完全断电的情况下，通过物质的重力、自然对流、蒸发、冷凝等自然规律，利用钢制安全壳内壁的冷凝效应和外壁面喷洒的冷却水膜对安全壳进行降温和降压，从而带走事故状态下反应堆的余热。在发生事故的情况下，安全壳顶部的水分配装置可以维持至少72小时在安全壳表面形成均匀的水膜，在不需要任何外部电源和运行人员干预的情况下确保核电站安全。
根据安全壳结构特点（穹顶和柱体）及水膜传热特性，水膜覆盖率高且均匀有利于带走事故状态下核反应堆的余热。但反应堆高位水箱容量有限，必须设定合理的水膜覆盖率，故水膜覆盖率是与安全壳整体安全性能相关的关键参数之一。现有技术的安全壳水膜覆盖率是采用人工测量的方式，测量工具为直尺。该方法的缺陷是精度低，不能在线实时测量。
发明内容
为了解决现有技术中的缺陷，本发明提出了基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法。
根据本发明的优选实施例，提供了一种基于视频处理技术的覆盖率实时测量的系统，其特征在于，所述系统包括：多个相机，其沿圆周方向架设在安全壳试验本体的外周，用于拍摄相机视角范围内的安全壳试验本体外周的水膜覆盖部分；多根网线，每根网线与相应的相机连接；光缆，所述多根网线与所述光缆相连；以及工控机，所述工控机与所述光缆相连，从而将相机拍摄的图像数据经由网线、光缆传输至所述工控机。
根据本发明的优选实施例，所述相机布置沿圆周方向架设在安全壳试验本体直筒段上部和下部外周的两个位置处。
根据本发明的优选实施例，通过外部同步信号控制所有相机同步拍摄安全壳试验本体的表面冷却水膜的形态照片。
根据本发明的优选实施例，在安全壳试验本体外一位置处设置一圈相机，并且在安全壳试验本体外另一位置处设置一圈台相机，并且其中相机是采用工业镜头的网口工业相机
根据本发明的优选实施例，基于视频处理技术的覆盖率实时测量的系统还包括遮光设施，从而屏蔽外界变化的环境光，使用LED光源建立稳定的光照环境。
根据本发明的优选实施例，基于视频处理技术的覆盖率实时测量的系统还包括交换机，所述多根网线通过交换机汇聚到一根光缆。
根据本发明的优选实施例，提供了一种基于视频处理技术的覆盖率实时测量的方法，所述方法使用本发明的基于视频处理技术的覆盖率实时测量的系统，并且所述方法包括以下步骤：使系统启动并进入初始化状态，并且为所述系统通电；检测所述系统的通信状态；接收开始测量的指令，在接收到开始测量的指令之后，根据预先设定的参数进行覆盖率实时测量；通过相机进行图像数据采集，将相机采集的图像数据进行分析得出覆盖率数值，在工控机的界面中显示拍摄的图像和数值；以及保存照片和覆盖率数据。
根据本发明的优选实施例，将相机采集的图像数据进行分析得出覆盖率数值还包括通过预先建好的数学模型进行计算，从而得出安全壳试验本体表面的水膜覆盖率数值。
根据本发明的优选实施例，通过预先建好的数学模型进行计算还包括根据图像中每个像素点的相对位置，通过数学方法将平面面积折算成曲面面积。
通过所提供的描述将更明显看到本发明更多的适用领域。应当理解，本部分的描述和特定例子仅用于说明，并不限制本发明的范围。
附图说明
下面将结合附图来详细地论述本发明的实施例和其他方面，附图中：
图1示出了根据本发明实施例的监测安全壳试验本体外的水膜覆盖率的实时测量系统。
图2示出了根据本发明另一实施例的相机围绕安全壳试验本体布置的俯视图。
图3示出了根据本发明另一实施例的监测安全壳试验本体外的水膜覆盖率的实时测量系统。
图4示出了根据本发明实施例的监测安全壳试验本体外的水膜覆盖率的实时测量方法。
图5示出了根据本发明实施例的相机拍照的俯视示意图。
图6示出了根据本发明实施例的相机拍照的俯视示意图。
附图标记列表
1. 安全壳试验本体，
2. 相机，
3. 网线，
4. 光纤，
4. 工控机。
具体实施方式
附图和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域普通技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域普通技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域普通技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
液膜覆盖率测量的目的主要在于获得安全壳试验体外表面冷却水的覆盖比例，即被冷却水覆盖的区域与壳体总表面积之比，根据该数据设定恰当的冷却水流量，使得原型电站安全壳顶部的冷却水箱在没有外界水源补充的情况下，可以维持事故后72小时的无人干预运行时间。
图1示出了监测安全壳试验本体外的水膜覆盖率的基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统。如图1所示，大致以附图标记1指代安全壳试验本体。基于视频处理技术的覆盖率测量系统包括多个相机2、多根网线3、光缆4以及工控机5。
相机2可以是网口工业相机，其沿圆周方向架设在安全壳试验本体1的外周，用于拍摄相机视角范围内安全壳试验本体1外周的相应水膜覆盖部分。具体如图2所示，其示出了相机围绕安全壳试验本体1布置的相机，图2以俯视图的形式显示了相机的布置方式，其中多个相机2足以拍摄到安全壳试验本体1的整个外周的各个部分的水膜覆盖状况。每个相机2通过相应网线3和光缆4与工控机5通信，从而将拍摄的相机视角范围内安全壳试验本体外周的相应水膜覆盖部分传送给工控机5，工控机5对每个相机2采集到的图像进行分析得出安全壳试验本体外的水膜覆盖率。
在本发明的一个优选实施例中，图像数据的传输方式可以采用多根网线连接一根光缆，例如图1所示，每个相机2具有相应的网线3，即网线数量与相机数量相同。多根网线3汇聚到一根光缆4，光缆4与工控机5连接并通信，例如图3所示，多根网线3可以通过机柜室的交换机汇聚到一根光缆4。也可以采用多根网线同时连接多根光缆的方式。在本发明的一个优选实施例中，工控机5为计算机。
在本发明的优选实施例中，工业相机拍摄的水膜图像传输到工控机后，通过软件按照计算频率读取图像，经过图像增强、卡尔曼滤波、二值化后得到所拍摄水膜照片的黑白图像，其中黑色部分即为水膜覆盖的部分，白色为无水部分，通过计数器，计算黑色部分像素的个数即可获得被水膜覆盖部分的面积。
相机布置沿圆周方向架设在安全壳试验本体1的外周的两处不同的位置上，从而实时测量这两个位置的冷却水覆盖率。具体如图3所示，在安全壳试验本体的位置1和位置2安装两圈相机，每台相机拍摄相同面积大小的壳体，其中相机可以采用网口工业相机。
可以通过外部同步信号控制所有相机同步拍摄，保证获取同一时刻的水膜数据。在如上所述的实施例中，系统工作时可以有两圈共20-40台相机同时拍摄，数据传输呈脉冲状态（拍摄结束瞬间数据量大），数据传输通道负荷可能不均衡，而且试验现场距离工控机距离超过100米，因此为了保证数据传输过程不会发生丢帧现象，采用千兆网局网配合光纤传输相机数据（因为单根网线传输会产生信号衰减现象）。
根据台架结构的设计，为保证拍摄面积和降低畸变，以及试验壳圆弧形表面对拍摄景深的要求，对相机镜头的选择有一定的限制，例如本系统可以采用工业镜头。同时为了拍摄面积能够覆盖整个壳体，相邻相机的拍摄对象要有重叠部分，系统通过现场调试过程中的标定记录每台相机的重叠面积，在处理照片数据时做相应的处理。
由于壳体表面是圆弧形，其表面积投影在照片平面上会有一定畸变，所以在在本发明的优选实施例中，在制算法时需考虑到照片中每个像素点的相对位置，通过数学方法将平面面积折算成曲面面积，由此可以得到更准确的覆盖率数据。另外，由于涉及面积折算，在本发明的优选实施例中，相机安装需要精确定位，保证每台相机与壳体的相对位置完全相同，否则会造成基准面积的偏差导致测量不准确。
照片数据通过光纤传送给位于控制室内的工控机；利用软件对相机传回的拍摄图像进行处理分析，通过预先建好的数学模型进行计算，得出当前时刻壳体表面水膜覆盖率数值，并实时保存照片和测量数据。
图4示出了本发明的基于视频处理技术的覆盖率实时测量方法的流程图。在开始后，系统启动并进入初始化状态，需要初始化的参数主要有相机镜头与壳体之间的直线距离d，相机镜头与所拍摄范围左右边缘的距离d1、d2，这些参数用于确定相机与拍摄范围的相对位置，进而确定相机拍摄范围的面积，最终得到每像素代表的实际面积，如图4所示。具体地，由于壳体是弧面，而照片是平面，并且由于拍摄范围的高度是固定的，故拍摄面积只与弧长有关，可以用直线的长度代表该直线对应的面积。如图5-6所示，相机在O点，拍摄的照片代表直线AB对应的面积，例如需要的可以是弧线AB对应的面积，所以通过数学公式以每个像素点的坐标来求直线AB对应的弧长。并且相机等设备上电，在工控机的计算软件中输入各种参数，同时系统检测相机、触发模块等设备通信状态，其中检测相机是否全部打开，如果结果为是则进行到下一步骤，如果结果为否则返回重新检测。确认正常后等待操作指令。接收是否开始测量的指令，如果结果为是则进行到下一步骤，如果结果为否则继续等待指令。在开始测量时，系统按照之前步骤输入的参数，开始进行覆盖率实时测量，通过相机等设备进行图像数据采集，将相机采集的照片数据进行分析得出覆盖率数值，在工控机的界面中显示拍摄的图像和数值。保存照片和覆盖率数据，过程结束。
本发明会根据覆盖率调节冷却水的流量。相同的冷却水流量在壳体处于不同温度的时候在壳体表面的覆盖率是不一样的（例如壳体在接近80度时冷却水的蒸发量很大，在20度时蒸发量很小）。本发明实现了在冷却水总量固定的情况下，确定冷却水的某一流量，无论在何种壳体温度下都能使冷却水保证72小时的非能动冷却效果。
通过本发明的基于视频处理技术的覆盖率实时测量系统及方法，实现了以下优点：
实时测量。采用光纤传输数据，保证了拍摄瞬间大量传输数据时网络的稳定性和快速性，从而达到实时测量的目的，拍照、存储、计算全部完成的频率达到10次/秒。
测量的精度大幅提高，经过采用该处理计算方法，针对安全壳液膜覆盖率的误差率可以控制在2%以内，精度远超过通过拍照加手工测量的方式。
具有良好的可重复性，试验的全过程都由图像采集系统进行记录，可以保存试验中各个时间段的试验情况。
计算过程程序化，与人工测量方式相比，减少了人为因素造成的测量结果的偏差，保证了试验数据的客观性。
本方案图分为图像采集与数据计算两个步骤，利用机器视觉计算得到液膜覆盖率，可以通过人工智能、机器学习等技术不断提高液膜计算的准确度，满足不同试验或工程项目的测量需求。
上面已经参照具体实施例详细描述了本发明，显然，在不脱离所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下，可以进行更改和变化。更具体地，尽管本发明的一些方面在本文中被确定为优选的或者有利的，但是本发明不必限制于本发明的这些优选实施例。

Claims (5)

1.一种基于视频处理技术的覆盖率实时测量的方法，其特征在于，所述方法使用一种基于视频处理技术的覆盖率实时测量的系统，所述系统包括：
多个相机，其沿圆周方向架设在安全壳试验本体的外周，用于拍摄相机视角范围内的安全壳试验本体外周的水膜覆盖部分，其中在安全壳试验本体外一位置处设置一圈相机，并且在安全壳试验本体外不同的另一位置处设置另一圈台相机，两圈共20-40台相机同时拍摄，数据传输呈脉冲状态，采用千兆网局网配合光纤传输相机数据，其中为了拍摄面积能够覆盖整个壳体，相邻相机的拍摄对象要有重叠部分，系统通过现场调试过程中的标定记录每台相机的重叠面积，在处理照片数据时做相应的处理；
多根网线，每根网线与相应的相机连接；
光缆，所述多根网线与所述光缆相连；以及
工控机，所述工控机与所述光缆相连，从而将相机拍摄的图像数据经由网线、光缆传输至所述工控机，
所述方法包括以下步骤：
使系统启动并进入初始化状态，并且为所述系统通电，其中初始化以下参数：相机镜头与壳体之间的直线距离，相机镜头与所拍摄范围左右边缘的距离，所述参数用于确定相机与拍摄范围的相对位置，进而确定相机拍摄范围的面积，最终得到每像素代表的实际面积；
在工控机的计算软件中输入参数，同时系统检测相机、触发模块等设备通信状态，其中检测相机是否全部打开；
接收开始测量的指令，在接收到开始测量的指令之后，根据预先设定的参数进行覆盖率实时测量；
通过相机进行图像数据采集，将相机采集的图像数据进行分析得出覆盖率数值，在工控机的界面中显示拍摄的图像和数值；以及
保存照片和覆盖率数据，
其中，工业相机拍摄的水膜图像传输到工控机后，通过软件按照计算频率读取图像，经过图像增强、卡尔曼滤波、二值化后得到所拍摄水膜照片的黑白图像，其中黑色部分为水膜覆盖的部分，白色为无水部分，通过计数器，计算黑色部分像素的个数即可获得被水膜覆盖部分的面积；
其中相机拍摄的照片得到直线对应的面积，通过数学公式以每个像素点的坐标来求直线对应的弧长，从而确定是弧长对应的面积；
将相机采集的图像数据进行分析得出覆盖率数值还包括通过预先建好的数学模型进行计算，从而得出安全壳试验本体表面的水膜覆盖率数值，其中通过预先建好的数学模型进行计算还包括根据图像中每个像素点的相对位置，通过数学方法将平面面积折算成曲面面积；
根据覆盖率调节冷却水的流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过外部同步信号控制所有相机同步拍摄，所述相机同步地拍摄安全壳试验本体的表面冷却水膜的形态照片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相机的安装位置固定在距离安全壳试验本体0.5-1.5米处，其中相机是采用工业镜头的网口工业相机。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括遮光设施，从而屏蔽外界变化的环境光，使用LED光源建立稳定的光照环境。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括交换机，所述多根网线通过交换机汇聚到一根光缆。
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