探索取水口致灾物电子监测系统在三门核电的应用

周景　金昱辉　陈春华　崔晓雷　杜红彪　张高明

【关键词】核电厂；取水口；致灾物；监测；预警

引言

我国核电厂主要建设在水域附近，对冷源取水系统的安全性要求极高，但长期以来相关安全防范措施的建立和实施未被重视，导致安全事件屡有发生。2010年以来，国内核电厂已发生多起海洋生物及异物入侵冷源取水系统导致核电机组停机、停堆的事件，造成重大的经济损失。三门核电冷源取水系统通过海底隧道取水，也存在此风险。本文通过在陆基平台加装水面探测、视频复核装置，实现对取水口前端开阔水域水面潜在的致灾物进行探测与复核，提高核电厂安全性。

一、研究背景及目的

（一）研究背景

三门核电厂冷源取水口濒临浙江中部沿海中部的三门湾，北接象山湾，南接台州湾，此水域是我国传统的海水养殖区域。海洋垃圾，海洋生物群，以及海洋藻类植物的集群蔓延，成为核电厂冷源取水系统的潜在威胁，为核电厂带来了极大的安全隐患[1]。

三门湾的海洋生物丰富，每天在循泵房清理的海洋生物少则上百斤，多则近五百斤，严重威胁到电站冷源取水系统的安全，如何应对、处理海洋垃圾及海洋生物的威胁成为三门核电面临的一个严峻问题。

（二）研究目的

本文研究旨在通过雷达与摄像机光电联动的方式实现核电厂取水口周边电子监测及预警功能，建立全天候、多方位、远距离探测可疑目标并准确判定的电子监测预警系统，通过设定多种应用场景更加灵活准确、高效地保障核电厂冷源取水系统的安全，提升核电厂安全性。

二、研究内容

本文雷达与摄像机光电联动的研究内容如下。

1、WebGIS技术应用，实现地理数据操作、地理图形展示、防区绘制等功能。

2、坐标系映射模型，通过WebGIS坐标系、摄像机坐标系与雷达坐标系的转换关系，选定基准点，实现不同坐标系之间的转换。

3、雷达引导的摄像机单目标联动模型，根据雷达返回的目标物坐标、速度，计算摄像机的平移角度、倾斜角度、变焦倍数，实现目标物的实时跟踪、监测[2]。

4、雷达引导的摄像机多目标联动模型，根据最近模式策略解决了有限PTZ摄像机监控跟踪多个运动目标的问题。

5、摄像机引导光束的联动模型，根据摄像机原始指向坐标和摄像机平移角度计算摄像机转动后的指向坐标，进而计算光束坐标，为用户提供良好的界面交互体验。

6、防区边界显示模型，解决了根据多边形点集排序算法有序显示防区边界的问题。

系统拓扑图如下图1所示。

图1 核电厂光电联动监测预警系统拓扑图

最后本文的算法及功能基于測试环境进行了多次实验，并在生产环境进行了验证测试，可实现核电厂取水口光电联动的探测、预警功能。

三、监测预警系统设计

（一）系统结构及功能实现

1、底层设计

核电厂光电联动监测预警系统是基于C/S模式的架构设计系统，采用了以QT技术为主、WebGIS技术为辅的技术框架，数据存储及查询使用关系数据库MySQL进行数据管理，编程语言以C/C++/JAVA/JS为主。QT主程序将WebGIS空间数据资源和服务功能进行集成整合 ，其中WebGIS采用OpenLayers技术实现地理图形展示、防区绘制和属性处理等功能，以GeoServer作为地图服务器，实现地理数据操作[3]。

2、功能设计

系统由显示控制、防区管理、光电联动、日志管理、资源管理、用户管理6个模块组成，系统详细功能如下所示。

（1）显示控制包括雷达显示及视频显示。

（2）防区管理包括防区创建和防区删除。

（3）光电联动包括自动跟踪和手动跟踪。

（4）日志管理功能主要包括雷达状态、报警、摄像机数据显示及保存。

（5）设备管理包括雷达管理和摄像机管理。

（6）用户管理包括本系统的安全机制及访问权限。

（三）系统关键技术

光电联动的实现需要解决以下关键技术时也是本文研究的主要内容。

1、WebGIS技术应用，OpenLayers是一个专为WebGIS 客户端开发提供的 JavaScript 类库包，用于实现标准格式发布的地图数据访问，本系统使用GeoServer 和OpenLayers 发布地图服务。通过OpenLayers的接口实现防区绘制、防区展示、属性处理等功能。

2、坐标系映射模型，结合实际情况，系统使用两种不同的坐标系。WebGIS坐标系采用WGS84坐标系统，摄像机坐标系与雷达坐标系均使用物理单位表示的平面坐标系，以雷达位置为参照点，实现WGS84坐标系与平面坐标系之间的互相转换，具体算法如下。

WGS84坐标系转平面坐标系：

以参照点为坐标原点，当坐标原点与目标物坐标点经度相同且纬度不同时计算X值，当两点纬度相同且经度不同时计算Y值，最终完成WGS84坐标系到平面坐标系的映射。

EARTH_RADIUS为地球半径，取值 6371.393km（与雷达系统一致）；

φ1， φ2 表示两点的纬度；

Δλ 表示两点经度的差值。

平面坐标系转WGS84坐标系：定义坐标原点经纬度，将平面坐标系转换成WGS84坐标，首先计算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 表示赤道半径，Eb表示极半径，GLAT为坐标原点纬度，Ec起到修正作用，因为纬度不断变化的球半径长度，Ed是GLAT所在纬度的纬度圈的半径。

最终计算目标物经纬度的公式如下：

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表示雷达XY坐标系Y值，dx表示雷达坐标系X值，dy / Ec表示纬度跨度，dx / Ed表示经度跨度，公式分别表示起始纬度或者经度加上对应的跨度并最终实现角度的转换，DLAT， DLON分别表示WGS84坐标系的纬度和经度。

（1）雷达引导的摄像机单目标联动模型，针对监测区内单目标物情况，雷达将监测到的目标物位置及速度等信息反馈到系统，通过模型计算后将指令下发到摄像机，通过云台实现镜头的调整，实时目标跟踪。雷达引导的PTZ摄像机联动模型如下图所示。

图2 雷达引导的PTZ摄像机联动模型示意图

摄像机的控制基于海康威视网络SDK，其中参数P对应平移角度、倾斜角度、Z对应镜头变焦倍数，通过对参数的计算，使目标尽可能出现在摄像机画面核心区域。

首先进行摄像机平移方向校准，以X轴正方向为0度，逆时针转动角度增加，角度P大于0度小于360度，摄像机俯仰方向校准，以Z轴垂直面为0度，Z轴负方向为90度，角度T大于0度小于90度。根据公式（1）计算摄像机与目标物经度方向和纬度方向上的物理距离，分别为DisLon和DisLat，设定摄像机安装高度为H，则摄像机平移角度P和俯仰角度T计算具体公式如下。

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

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

通过设置镜头变焦倍数Z实现不同距离目标物的放大显示，摄像机与目标物的距离与镜头变焦倍数呈正相关关系，摄像机的取值范围是1-23， 计算焦距倍数Z的函数关系如下。

通过多次实验获取距离及合适的焦距倍数，代入函数关系计算可得参数a、b、c最终获得焦距Z的计算公式。

针对摄像机转动滞后或者画面丢失的问题，通过调整云台转动速度进行解决，但是云台转动速度过快会影响用户对于图像信息显示的体验，因此云台转动速度根据目标物移动速度进行动态调整。

设定目标物从A点移动到B点所用时间为T，则摄像头从OC方位转动到OD方位所需时间为T，∠COD通过公式（4）计算可得θ，通过多次实验确定云台转动速度V与其他参数的函数关系如下：

V = 1.2*θ/T

綜上所述，根据雷达获取的目标物位置及速度，PTZ向云台发送计算后的平移角度、俯仰角度、调焦倍数及云台速度实现目标的精准跟踪。

（2）雷达引导的摄像机多目标联动模型，当面对有限摄像机监测多个目标物的场景时，以雷达引导的摄像机单目标联动模型为基础，根据最近模式解决摄像机资源不足的问题[4]。

最近模式以目标物与原始位置的距离表示该目标的危险程度，距离值越小，表示危险程度越高。假定存在摄像机A1、A2，雷达监测到的目标物为B1、B2、B3、B4，最近模式多目标跟踪步骤如下。

步骤一：通过公式（1）计算监测区内目标物B1、B2、B3、B4分别对应的距离Distance1、Distance2、Distance3、Distance4。

步骤二：按照危险程度由高到低锁定待跟踪目标物，本系统有两台PTZ摄像机，因此选定距离最近的两个目标物。

步骤三：建立PTZ摄像机与目标物映射关系，当待跟踪目标物更新时，优先保留原映射关系[5]。

步骤四：计算PTZ指令，向云台下发PTZ指令，监控画面显示待跟踪目标的信息。

（3）摄像机引导光束的联动模型，手动跟踪目标时需要光束跟踪摄像机移动的方位，根据原点坐标、目标初始位置、摄像机旋转角度计算目标最终位置。假设旋转角度α，原点位置为（Longitude0， Latitude0），目标初始位置（Longitude1， Latitude1），目标最终位置（Longitude2， Latitude2）。根据公式（1）计算目标初始位置和目标最终位置的距离记为Distance，则目标最终位置的计算方法如下：

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

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

EARTH_RADIUS为地球半径，取值 6371.393km

（4）防区边界显示模型，光电联动时需要将防区边界加载到交互界面上，由于防区保存为一系列未经排序的边界点，所以会显示紊乱无序图形，防区的边界点先进行算法排序再进行显示。

防区边界显示问题同多边形点集排序算法一致，已知多边形点集C={P1，P2，...，PN}，其排列顺序是杂乱状态，依次连接这N个点，无法形成确定的多边形，需要对点集C进行排序后，再绘制多边形。点集排序过程中，计算点集的重心O，以重心作为逆时针旋转的中心点。以重心O作一条平行于X轴的单位向量OX，然后依次计算OPi和OX的夹角，根据夹角的大小，确定点之间的大小关系。OPi和OX夹角越大，说明点Pi越小。计算完成点集的大小关系，按由小到大的顺序绘制多边形最终形成防区边界。

结论

随着海洋生态环境日趋恶化，近海海域环境污染的不断加重，在核安全越来越受到国家重视的背景下，如何有效进一步对核电厂取水口进行全方位监控及早期预警以便进行及时的防控处置，是目前各个核电厂管理层、研究机构和政府部门密切关注的问题。针对藻类植物、海洋垃圾等海洋漂浮物等入侵导致核安全的行为，本系统充分调研了雷达及摄像机的特性，结合核电厂实物保护系统的要求，基于大数据平台，实现了对三门核电取水口致灾物的监测、预警功能。通过该系统可以实现核电厂周边区域全天候、多方位、远距离的监测、预警功能，形成一套高效、完备的取水口致灾物监测预警机制，为核电厂的安全管理和稳定运行提供保障。通过对核电厂光电联动预警功能的系统架构及开发技术的描述，结合已有技术成果和部分功能模块应用的现场经验，该方案具备实施的可行性和应用的有效性。