機(jī)器視覺(jué)在核電站蒸發(fā)器渦流檢測(cè)中的應(yīng)用

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(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 蘇州 215000)

1 背景

1.1 設(shè)計(jì)目的

核電站系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器傳熱管承擔(dān)著熱量交換的關(guān)鍵作用，運(yùn)行中由于機(jī)械或者化學(xué)機(jī)理會(huì)導(dǎo)致傳熱管降質(zhì)，因此需要對(duì)其進(jìn)行渦流檢測(cè)。在蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測(cè)過(guò)程中，渦流探頭定位器在管板上進(jìn)行移動(dòng)、定位，將其上安裝的探頭定位至待檢測(cè)的傳熱管管孔，然后通過(guò)相應(yīng)的推送設(shè)備將渦流探頭輸送到傳熱管內(nèi)部實(shí)施檢測(cè)。因此，在整個(gè)檢查過(guò)程中，渦流探頭定位器的定位準(zhǔn)確度非常重要，其可靠性必須得到保證。

為保證渦流探頭定位器定位的準(zhǔn)確度，必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行探頭定位器的位置核對(duì)。采用的傳統(tǒng)手段是在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)放置高清廣角云臺(tái)攝像頭，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)將圖像實(shí)時(shí)傳送到島外的視頻處理設(shè)備上，采集人員用人眼觀察顯示器上的圖像，核對(duì)探頭定位器的當(dāng)前位置與控制軟件中顯示的位置是否一致。該方法不僅耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，需要采集人員有一定的經(jīng)驗(yàn)，并且一旦出現(xiàn)位置不一致的情況，從上次位置確認(rèn)開(kāi)始采集的數(shù)據(jù)均要作廢，耽誤檢查時(shí)間窗口，極大地影響了檢測(cè)效率和檢測(cè)結(jié)果的可靠性?；谝陨显?，筆者采用基于機(jī)器視覺(jué)的識(shí)別定位技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套獨(dú)立于當(dāng)前渦流檢測(cè)設(shè)備的輔助定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控探頭定位器的位置，確保傳熱管渦流檢測(cè)過(guò)程更加穩(wěn)定、可靠、高效。

1.2 機(jī)器視覺(jué)簡(jiǎn)介

機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息的技術(shù)。其原理是采用CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)相機(jī)或者其他圖像拍攝裝置將目標(biāo)圖像轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)后傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)；再根據(jù)亮度信息、像素位置信息等進(jìn)行各種處理和運(yùn)算，從而識(shí)別目標(biāo)的特征；最后根據(jù)設(shè)定的閾值和其他條件得到判斷結(jié)果，再控制執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖像處理主要基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)輸入的圖像進(jìn)行幾何變換、灰度變換、圖像增強(qiáng)、邊緣提取以及圖像的分割、測(cè)量和識(shí)別等。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體思路

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)蒸汽發(fā)生器管板孔位圖像進(jìn)行處理、識(shí)別。視覺(jué)相機(jī)安裝在探頭定位器上，采集到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到外環(huán)廊位置的電控箱內(nèi)，然后通過(guò)光纖將圖像數(shù)據(jù)傳送到視覺(jué)圖像處理電腦上；通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別、處理，得到當(dāng)前的管板號(hào)與位置信息，隨后與采集電腦上的位置進(jìn)行對(duì)比，以識(shí)別當(dāng)前定位器是否處在正確的位置。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.2.1 圖像捕捉及光照

正如人眼對(duì)物體的觀察一樣，要想看清楚物體，一雙好的眼睛和一個(gè)好的光照環(huán)境缺一不可。機(jī)器視覺(jué)識(shí)別同樣如此，如何確保定位器在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)部作高速運(yùn)動(dòng)的情況下能對(duì)圖像進(jìn)行完整捕捉是視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。因此，研發(fā)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中選取了一種既體積小巧又具有非常高幀率的工業(yè)級(jí)相機(jī)(其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)幀率能達(dá)到100幀以上)，能很好地在設(shè)備運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的高速捕捉。

另外，由于蒸汽發(fā)生器內(nèi)部為密閉空間，光照條件較差。為了獲得足夠的光照調(diào)節(jié)，研發(fā)人員在相機(jī)的前端添加了一組光照系統(tǒng)，以對(duì)待測(cè)區(qū)與背景區(qū)作明顯的區(qū)分，達(dá)到增強(qiáng)待測(cè)目標(biāo)邊緣清晰度以及消除陰影和抵消噪光等要求。通過(guò)多次的試驗(yàn)及測(cè)試，最終選取了一種環(huán)形LED光源作為照明系統(tǒng)，該光源能很好地突出顯示被測(cè)物體邊緣和高度的變化，是邊緣檢測(cè)的理想選擇。

2.2.2 控制系統(tǒng)

在整個(gè)系統(tǒng)中，控制單元主要需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:一是要能對(duì)前端光源進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，以滿足不同環(huán)境下對(duì)光照條件的不同要求；二是要能將前端相機(jī)捕捉到的視頻圖像傳輸?shù)綄Ｓ糜?jì)算機(jī)上，以作進(jìn)一步的圖像處理。

2.2.3 圖像處理系統(tǒng)

針對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求和使用需求，在圖像處理軟件算法的設(shè)計(jì)上，主要從以下思路入手。

(1) 通過(guò)軟件對(duì)畫(huà)面明暗的識(shí)別，結(jié)合輪廓識(shí)別來(lái)區(qū)分傳熱管和管板的邊界。

(2) 軟件快速捕捉畫(huà)面，并快速比較前后兩幀畫(huà)面的變化，如果前后兩幀畫(huà)面沒(méi)有變化，管號(hào)也不會(huì)發(fā)生變化；如果前后兩幀的畫(huà)面發(fā)生變化，則軟件會(huì)識(shí)別出發(fā)生變化的傳熱管，并且認(rèn)為兩幀畫(huà)面上離得最近的傳熱管為同一根傳熱管，具有同樣的行列號(hào)。通過(guò)管子的行列號(hào)、其圓心在圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)、管板坐標(biāo)系以及圖像坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前圖像中的管板坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角度和平移的距離，進(jìn)而推導(dǎo)出當(dāng)前管板坐標(biāo)系相對(duì)圖像坐標(biāo)系的關(guān)系。

(3) 結(jié)合對(duì)應(yīng)的管板，設(shè)定好傳熱管固有的行列號(hào)的排布規(guī)則，并疊加到圖像中。

(4) 在視覺(jué)相機(jī)獲取圖像以及圖像遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^(guò)程中，圖像信號(hào)常被噪聲污染。噪聲是引起圖像質(zhì)量、測(cè)量精度和對(duì)象識(shí)別準(zhǔn)確度降低的一個(gè)重要原因。因此需要采用一定的圖像濾波手段，用于提高圖像數(shù)據(jù)中的信噪比，進(jìn)行噪聲抑制，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。此系統(tǒng)采用圖像中值濾波算法，能夠在去除脈沖噪聲、椒鹽噪聲的同時(shí)保留圖像邊緣細(xì)節(jié)。

(5) 邊緣檢測(cè)技術(shù)是圖像處理中的一項(xiàng)重要技術(shù)，邊緣檢測(cè)的主要目的是實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣識(shí)別,從而對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行精確定位。系統(tǒng)的邊緣檢測(cè)采用Canny算子[1]，Canny算子具有較好的信噪比、高邊緣定位性能和在噪聲環(huán)境下較好的檢測(cè)效果，適用于不同工況環(huán)境下的邊緣檢測(cè)。傳統(tǒng)的Canny邊緣檢測(cè)方法用高斯濾波可能會(huì)存在使圖像過(guò)度平滑以及對(duì)椒鹽噪聲和脈沖噪聲敏感等問(wèn)題，改用中值濾波后上述缺點(diǎn)有所改善，提高了圖像質(zhì)量。

(6) 蒸汽發(fā)生器管板的管孔輪廓為圓形，故系統(tǒng)采用對(duì)圓形目標(biāo)識(shí)別非常有效的圖像識(shí)別算法——Hough梯度法[2]。Hough梯度法首先需要對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè),對(duì)邊緣圖像中的每一個(gè)邊緣點(diǎn)，計(jì)算其局部梯度，利用得到的梯度，由斜率指定直線上的點(diǎn)作為圓心在累加器中累加;然后，將累加器中大于給定閾值并且大于其所有近鄰的點(diǎn)選出來(lái)，作為候選圓心。最后依據(jù)圓心距、最大最小半徑等限定條件篩選出所有的圓心。某原始圖像及其經(jīng)過(guò)各方法處理后得到的圖像如圖1所示。

圖1 某原始圖像及其經(jīng)各方法處理后的圖像

(7) 為了實(shí)現(xiàn)定位器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置識(shí)別，要求算法必須執(zhí)行速度快，保證抓取相鄰兩幀圖像的間隔時(shí)間足夠短，而爬行器在此期間只進(jìn)行了微小運(yùn)動(dòng)。

(8) 系統(tǒng)可能會(huì)用于不同機(jī)組類型(CPR或EPR)的蒸汽發(fā)生器的不同端(冷端或者熱端)的渦流檢測(cè)中。故針對(duì)冷、熱端行列號(hào)定義不同的問(wèn)題，在軟件上進(jìn)行了整合，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。同樣也對(duì)不同的機(jī)組類型進(jìn)行了整合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CPR堆型管板正方形排布和EPR堆型管板三角形排布的兼容使用和算法優(yōu)化。

2.3 系統(tǒng)組成

結(jié)合以上的設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)主要由以下幾大功能模塊組成：相機(jī)單元，附帶照明系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，控制箱單元(見(jiàn)圖3)，軟件單元(見(jiàn)圖4)。

圖2 相機(jī)單元

圖3 控制箱單元

圖4 軟件單元

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

3.1 性能測(cè)試

該系統(tǒng)在實(shí)際使用前，在實(shí)驗(yàn)室模擬體上進(jìn)行了一系列的嚴(yán)格測(cè)試，以保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。測(cè)試項(xiàng)目包括：光源測(cè)試、識(shí)別能力測(cè)試、整體穩(wěn)定性測(cè)試。其具體測(cè)試內(nèi)容如下：

(1) 光源測(cè)試：在手動(dòng)控制及軟件控制兩種模式下，隨機(jī)調(diào)節(jié)光源的亮度，測(cè)試并記錄光源的穩(wěn)定性;

(2) 識(shí)別能力測(cè)試：將定位器安裝在蒸汽發(fā)生器管板模擬體上，使用采集電腦隨機(jī)控制探頭定位器運(yùn)動(dòng)，測(cè)試過(guò)程中觀察蒸汽發(fā)生器管板模擬體上探頭定位器的實(shí)際位置，與機(jī)器視覺(jué)識(shí)別定位軟件上顯示的行列號(hào)是否一致；

(3) 整體穩(wěn)定性測(cè)試：將定位器安裝在蒸汽發(fā)生器管板模擬體上，連接系統(tǒng)各部件(光源、相機(jī)、電控箱以及電腦)，進(jìn)行整體穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)硬件以及軟件的穩(wěn)定性和可靠性。

經(jīng)過(guò)對(duì)各系統(tǒng)模塊以及整體穩(wěn)定性的測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性均滿足相關(guān)技術(shù)要求，其性能能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求。

3.2 實(shí)際應(yīng)用效果

在寧德核電站3號(hào)機(jī)組N302大修蒸汽發(fā)生器傳熱管的渦流檢測(cè)中，該系統(tǒng)首次應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)。從實(shí)際使用情況來(lái)看，該設(shè)備性能良好，準(zhǔn)確性、可靠性以及穩(wěn)定性均滿足技術(shù)規(guī)范要求，在連續(xù)5 d的工作中，圓滿完成了管板爬行器的機(jī)器視覺(jué)定位工作。

4 結(jié)語(yǔ)

視覺(jué)定位系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)識(shí)別算法，獨(dú)立于渦流檢測(cè)的控制系統(tǒng)，視覺(jué)定位系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)的位置信息可以互相驗(yàn)證。其遠(yuǎn)程可調(diào)光源和高性能工業(yè)相機(jī)為該系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)；軟件算法穩(wěn)定高效，滿足大于100幀·s-1的實(shí)時(shí)處理要求。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、使用，視覺(jué)定位系統(tǒng)全程運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，可靠性高。在使用過(guò)程中，能輔助采集人員進(jìn)行定位，增加了額外的位置信息，使得蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測(cè)工作更加便捷、可靠。一系列的測(cè)試證明，該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，可勝任渦流探頭定位器的輔助定位工作。