探索取水口致災物電子監(jiān)測系統(tǒng)在三門核電的應用

周景　金昱輝　陳春華　崔曉雷　杜紅彪　張高明

【關鍵詞】核電廠；取水口；致災物；監(jiān)測；預警

引言

我國核電廠主要建設在水域附近，對冷源取水系統(tǒng)的安全性要求極高，但長期以來相關安全防范措施的建立和實施未被重視，導致安全事件屢有發(fā)生。2010年以來，國內(nèi)核電廠已發(fā)生多起海洋生物及異物入侵冷源取水系統(tǒng)導致核電機組停機、停堆的事件，造成重大的經(jīng)濟損失。三門核電冷源取水系統(tǒng)通過海底隧道取水，也存在此風險。本文通過在陸基平臺加裝水面探測、視頻復核裝置，實現(xiàn)對取水口前端開闊水域水面潛在的致災物進行探測與復核，提高核電廠安全性。

一、研究背景及目的

（一）研究背景

三門核電廠冷源取水口瀕臨浙江中部沿海中部的三門灣，北接象山灣，南接臺州灣，此水域是我國傳統(tǒng)的海水養(yǎng)殖區(qū)域。海洋垃圾，海洋生物群，以及海洋藻類植物的集群蔓延，成為核電廠冷源取水系統(tǒng)的潛在威脅，為核電廠帶來了極大的安全隱患[1]。

三門灣的海洋生物豐富，每天在循泵房清理的海洋生物少則上百斤，多則近五百斤，嚴重威脅到電站冷源取水系統(tǒng)的安全，如何應對、處理海洋垃圾及海洋生物的威脅成為三門核電面臨的一個嚴峻問題。

（二）研究目的

本文研究旨在通過雷達與攝像機光電聯(lián)動的方式實現(xiàn)核電廠取水口周邊電子監(jiān)測及預警功能，建立全天候、多方位、遠距離探測可疑目標并準確判定的電子監(jiān)測預警系統(tǒng)，通過設定多種應用場景更加靈活準確、高效地保障核電廠冷源取水系統(tǒng)的安全，提升核電廠安全性。

二、研究內(nèi)容

本文雷達與攝像機光電聯(lián)動的研究內(nèi)容如下。

1、WebGIS技術應用，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)操作、地理圖形展示、防區(qū)繪制等功能。

2、坐標系映射模型，通過WebGIS坐標系、攝像機坐標系與雷達坐標系的轉(zhuǎn)換關系，選定基準點，實現(xiàn)不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換。

3、雷達引導的攝像機單目標聯(lián)動模型，根據(jù)雷達返回的目標物坐標、速度，計算攝像機的平移角度、傾斜角度、變焦倍數(shù)，實現(xiàn)目標物的實時跟蹤、監(jiān)測[2]。

4、雷達引導的攝像機多目標聯(lián)動模型，根據(jù)最近模式策略解決了有限PTZ攝像機監(jiān)控跟蹤多個運動目標的問題。

5、攝像機引導光束的聯(lián)動模型，根據(jù)攝像機原始指向坐標和攝像機平移角度計算攝像機轉(zhuǎn)動后的指向坐標，進而計算光束坐標，為用戶提供良好的界面交互體驗。

6、防區(qū)邊界顯示模型，解決了根據(jù)多邊形點集排序算法有序顯示防區(qū)邊界的問題。

系統(tǒng)拓撲圖如下圖1所示。

圖1 核電廠光電聯(lián)動監(jiān)測預警系統(tǒng)拓撲圖

最后本文的算法及功能基于測試環(huán)境進行了多次實驗，并在生產(chǎn)環(huán)境進行了驗證測試，可實現(xiàn)核電廠取水口光電聯(lián)動的探測、預警功能。

三、監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)結構及功能實現(xiàn)

1、底層設計

核電廠光電聯(lián)動監(jiān)測預警系統(tǒng)是基于C/S模式的架構設計系統(tǒng)，采用了以QT技術為主、WebGIS技術為輔的技術框架，數(shù)據(jù)存儲及查詢使用關系數(shù)據(jù)庫MySQL進行數(shù)據(jù)管理，編程語言以C/C++/JAVA/JS為主。QT主程序?qū)ebGIS空間數(shù)據(jù)資源和服務功能進行集成整合 ，其中WebGIS采用OpenLayers技術實現(xiàn)地理圖形展示、防區(qū)繪制和屬性處理等功能，以GeoServer作為地圖服務器，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)操作[3]。

2、功能設計

系統(tǒng)由顯示控制、防區(qū)管理、光電聯(lián)動、日志管理、資源管理、用戶管理6個模塊組成，系統(tǒng)詳細功能如下所示。

（1）顯示控制包括雷達顯示及視頻顯示。

（2）防區(qū)管理包括防區(qū)創(chuàng)建和防區(qū)刪除。

（3）光電聯(lián)動包括自動跟蹤和手動跟蹤。

（4）日志管理功能主要包括雷達狀態(tài)、報警、攝像機數(shù)據(jù)顯示及保存。

（5）設備管理包括雷達管理和攝像機管理。

（6）用戶管理包括本系統(tǒng)的安全機制及訪問權限。

（三）系統(tǒng)關鍵技術

光電聯(lián)動的實現(xiàn)需要解決以下關鍵技術時也是本文研究的主要內(nèi)容。

1、WebGIS技術應用，OpenLayers是一個專為WebGIS 客戶端開發(fā)提供的 JavaScript 類庫包，用于實現(xiàn)標準格式發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)訪問，本系統(tǒng)使用GeoServer 和OpenLayers 發(fā)布地圖服務。通過OpenLayers的接口實現(xiàn)防區(qū)繪制、防區(qū)展示、屬性處理等功能。

2、坐標系映射模型，結合實際情況，系統(tǒng)使用兩種不同的坐標系。WebGIS坐標系采用WGS84坐標系統(tǒng)，攝像機坐標系與雷達坐標系均使用物理單位表示的平面坐標系，以雷達位置為參照點，實現(xiàn)WGS84坐標系與平面坐標系之間的互相轉(zhuǎn)換，具體算法如下。

WGS84坐標系轉(zhuǎn)平面坐標系：

以參照點為坐標原點，當坐標原點與目標物坐標點經(jīng)度相同且緯度不同時計算X值，當兩點緯度相同且經(jīng)度不同時計算Y值，最終完成WGS84坐標系到平面坐標系的映射。

EARTH_RADIUS為地球半徑，取值 6371.393km（與雷達系統(tǒng)一致）；

φ1， φ2 表示兩點的緯度；

Δλ 表示兩點經(jīng)度的差值。

平面坐標系轉(zhuǎn)WGS84坐標系：定義坐標原點經(jīng)緯度，將平面坐標系轉(zhuǎn)換成WGS84坐標，首先計算Ec和Ed，公式如下：

double Ec = Eb + （Ea-Eb） * （90.0 - GLAT） / 90.0；

double Ed = Ec * Math.Cos（GLAT * Math.PI / 180）；

其中Ea 表示赤道半徑，Eb表示極半徑，GLAT為坐標原點緯度，Ec起到修正作用，因為緯度不斷變化的球半徑長度，Ed是GLAT所在緯度的緯度圈的半徑。

最終計算目標物經(jīng)緯度的公式如下：

DLAT= （dy / Ec + GLAT * Math.PI / 180.0） * 180.0 /Math.PI； （2）

DLON = （dx / Ed + GLON * Math.PI / 180.0） * 180.0 /Math.PI； （3）

其中dy表示雷達XY坐標系Y值，dx表示雷達坐標系X值，dy / Ec表示緯度跨度，dx / Ed表示經(jīng)度跨度，公式分別表示起始緯度或者經(jīng)度加上對應的跨度并最終實現(xiàn)角度的轉(zhuǎn)換，DLAT， DLON分別表示W(wǎng)GS84坐標系的緯度和經(jīng)度。

（1）雷達引導的攝像機單目標聯(lián)動模型，針對監(jiān)測區(qū)內(nèi)單目標物情況，雷達將監(jiān)測到的目標物位置及速度等信息反饋到系統(tǒng)，通過模型計算后將指令下發(fā)到攝像機，通過云臺實現(xiàn)鏡頭的調(diào)整，實時目標跟蹤。雷達引導的PTZ攝像機聯(lián)動模型如下圖所示。

圖2 雷達引導的PTZ攝像機聯(lián)動模型示意圖

攝像機的控制基于海康威視網(wǎng)絡SDK，其中參數(shù)P對應平移角度、傾斜角度、Z對應鏡頭變焦倍數(shù)，通過對參數(shù)的計算，使目標盡可能出現(xiàn)在攝像機畫面核心區(qū)域。

首先進行攝像機平移方向校準，以X軸正方向為0度，逆時針轉(zhuǎn)動角度增加，角度P大于0度小于360度，攝像機俯仰方向校準，以Z軸垂直面為0度，Z軸負方向為90度，角度T大于0度小于90度。根據(jù)公式（1）計算攝像機與目標物經(jīng)度方向和緯度方向上的物理距離，分別為DisLon和DisLat，設定攝像機安裝高度為H，則攝像機平移角度P和俯仰角度T計算具體公式如下。

P = atan2（DisLon， DisLat） / PI * 180 （4）

T = atan2（H， sqrt（DisLon^2+ DisLat^2）） / PI * 180（5）

通過設置鏡頭變焦倍數(shù)Z實現(xiàn)不同距離目標物的放大顯示，攝像機與目標物的距離與鏡頭變焦倍數(shù)呈正相關關系，攝像機的取值范圍是1-23， 計算焦距倍數(shù)Z的函數(shù)關系如下。

通過多次實驗獲取距離及合適的焦距倍數(shù)，代入函數(shù)關系計算可得參數(shù)a、b、c最終獲得焦距Z的計算公式。

針對攝像機轉(zhuǎn)動滯后或者畫面丟失的問題，通過調(diào)整云臺轉(zhuǎn)動速度進行解決，但是云臺轉(zhuǎn)動速度過快會影響用戶對于圖像信息顯示的體驗，因此云臺轉(zhuǎn)動速度根據(jù)目標物移動速度進行動態(tài)調(diào)整。

設定目標物從A點移動到B點所用時間為T，則攝像頭從OC方位轉(zhuǎn)動到OD方位所需時間為T，∠COD通過公式（4）計算可得θ，通過多次實驗確定云臺轉(zhuǎn)動速度V與其他參數(shù)的函數(shù)關系如下：

V = 1.2*θ/T

綜上所述，根據(jù)雷達獲取的目標物位置及速度，PTZ向云臺發(fā)送計算后的平移角度、俯仰角度、調(diào)焦倍數(shù)及云臺速度實現(xiàn)目標的精準跟蹤。

（2）雷達引導的攝像機多目標聯(lián)動模型，當面對有限攝像機監(jiān)測多個目標物的場景時，以雷達引導的攝像機單目標聯(lián)動模型為基礎，根據(jù)最近模式解決攝像機資源不足的問題[4]。

最近模式以目標物與原始位置的距離表示該目標的危險程度，距離值越小，表示危險程度越高。假定存在攝像機A1、A2，雷達監(jiān)測到的目標物為B1、B2、B3、B4，最近模式多目標跟蹤步驟如下。

步驟一：通過公式（1）計算監(jiān)測區(qū)內(nèi)目標物B1、B2、B3、B4分別對應的距離Distance1、Distance2、Distance3、Distance4。

步驟二：按照危險程度由高到低鎖定待跟蹤目標物，本系統(tǒng)有兩臺PTZ攝像機，因此選定距離最近的兩個目標物。

步驟三：建立PTZ攝像機與目標物映射關系，當待跟蹤目標物更新時，優(yōu)先保留原映射關系[5]。

步驟四：計算PTZ指令，向云臺下發(fā)PTZ指令，監(jiān)控畫面顯示待跟蹤目標的信息。

（3）攝像機引導光束的聯(lián)動模型，手動跟蹤目標時需要光束跟蹤攝像機移動的方位，根據(jù)原點坐標、目標初始位置、攝像機旋轉(zhuǎn)角度計算目標最終位置。假設旋轉(zhuǎn)角度α，原點位置為（Longitude0， Latitude0），目標初始位置（Longitude1， Latitude1），目標最終位置（Longitude2， Latitude2）。根據(jù)公式（1）計算目標初始位置和目標最終位置的距離記為Distance，則目標最終位置的計算方法如下：

Longitude2=Longitude0+Distance*cos/[EARTH_RADIUS*cos（Latitude0）2π/360]

Latitude2= Latitude0+ Distance*sinα/ （EARTH_RADIUS *2π/360）

EARTH_RADIUS為地球半徑，取值 6371.393km

（4）防區(qū)邊界顯示模型，光電聯(lián)動時需要將防區(qū)邊界加載到交互界面上，由于防區(qū)保存為一系列未經(jīng)排序的邊界點，所以會顯示紊亂無序圖形，防區(qū)的邊界點先進行算法排序再進行顯示。

防區(qū)邊界顯示問題同多邊形點集排序算法一致，已知多邊形點集C={P1，P2，...，PN}，其排列順序是雜亂狀態(tài)，依次連接這N個點，無法形成確定的多邊形，需要對點集C進行排序后，再繪制多邊形。點集排序過程中，計算點集的重心O，以重心作為逆時針旋轉(zhuǎn)的中心點。以重心O作一條平行于X軸的單位向量OX，然后依次計算OPi和OX的夾角，根據(jù)夾角的大小，確定點之間的大小關系。OPi和OX夾角越大，說明點Pi越小。計算完成點集的大小關系，按由小到大的順序繪制多邊形最終形成防區(qū)邊界。

結論

隨著海洋生態(tài)環(huán)境日趨惡化，近海海域環(huán)境污染的不斷加重，在核安全越來越受到國家重視的背景下，如何有效進一步對核電廠取水口進行全方位監(jiān)控及早期預警以便進行及時的防控處置，是目前各個核電廠管理層、研究機構和政府部門密切關注的問題。針對藻類植物、海洋垃圾等海洋漂浮物等入侵導致核安全的行為，本系統(tǒng)充分調(diào)研了雷達及攝像機的特性，結合核電廠實物保護系統(tǒng)的要求，基于大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了對三門核電取水口致災物的監(jiān)測、預警功能。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)核電廠周邊區(qū)域全天候、多方位、遠距離的監(jiān)測、預警功能，形成一套高效、完備的取水口致災物監(jiān)測預警機制，為核電廠的安全管理和穩(wěn)定運行提供保障。通過對核電廠光電聯(lián)動預警功能的系統(tǒng)架構及開發(fā)技術的描述，結合已有技術成果和部分功能模塊應用的現(xiàn)場經(jīng)驗，該方案具備實施的可行性和應用的有效性。