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、研究內容

本文雷達與攝像機光電聯(lián)動的研究內容如下。

1、WebGIS技術應用，實現地理數據操作、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換關系，選定基準點，實現不同坐標系之間的轉換。

3、雷達引導的攝像機單目標聯(lián)動模型，根據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，實現目標物的實時跟蹤、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，根據攝像機原始指向坐標和攝像機平移角度計算攝像機轉動后的指向坐標，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，并在生產環(huán)境進行了驗證測試，可實現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

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，數據存儲及查詢使用關系數據庫MySQL進行數據管理，編程語言以C/C++/JAVA/JS為主。QT主程序將WebGIS空間數據資源和服務功能進行集成整合 ，其中WebGIS采用OpenLayers技術實現地理圖形展示、防區(qū)繪制和屬性處理等功能，以GeoServer作為地圖服務器，實現地理數據操作[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、攝像機數據顯示及保存。

（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)動的實現需要解決以下關鍵技術時也是本文研究的主要內容。

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，用于實現標準格式發(fā)布的地圖數據訪問，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WGS84坐標系與平面坐標系之間的互相轉換，具體算法如下。

WGS84坐標系轉平面坐標系：

以參照點為坐標原點，當坐標原點與目標物坐標點經度相同且緯度不同時計算X值，當兩點緯度相同且經度不同時計算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 表示兩點經度的差值。

平面坐標系轉WGS84坐標系：定義坐標原點經緯度，將平面坐標系轉換成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表示經度跨度，公式分別表示起始緯度或者經度加上對應的跨度并最終實現角度的轉換，DLAT， DLON分別表示WGS84坐標系的緯度和經度。

（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，通過云臺實現鏡頭的調整，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?？低暰W絡SDK，其中參數P對應平移角度、傾斜角度、Z對應鏡頭變焦倍數，通過對參數的計算，使目標盡可能出現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。根據公式（1）計算攝像機與目標物經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Z實現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呈正相關關系，攝像機的取值范圍是1-23， 計算焦距倍數Z的函數關系如下。

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

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

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動速度V與其他參數的函數關系如下：

V = 1.2*θ/T

綜上所述，根據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、調焦倍數及云臺速度實現目標的精準跟蹤。

（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，根據原點坐標、目標初始位置、攝像機旋轉角度計算目標最終位置。假設旋轉角度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，基于大數據平臺，實現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場經驗，該方案具備實施的可行性和應用的有效性。