用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统和方法。

背景技术：

核电站换料过程中，为确保每个燃料组件都在准确的位置，需对堆芯燃料组件编号和间距进行核查，即将堆芯各个位置的燃料组件编号与预先制定的堆芯装载图中燃料组件编号进行核对，编号一致则认为燃料组件安放正确。在核对编号的同时也会对相邻燃料组件间距进行目测，如果发现间距过大或过小，则需提起燃料组件重新安放。换料结束后电厂还会专门组织进行堆芯组件编号复查，以确保组件都在准确的位置。如果堆芯燃料组件安放位置错误，会造成堆芯功率分布不平衡，影响电厂经济效益；长期不稳定堆芯功率会对组件造成冲击，增加核事故发生几率。燃料组件间距过大或过小均会使燃料组件上管座s孔位置偏移，位置偏移在吊装上部堆内构件时存在带起燃料组件或回装上部堆内构件时挤压燃料组件等安全风险。

目前国内核电站换料大修期间换料人员会通过长柄工具夹持水下电视目视观测燃料组件编号和间距，尚未发现有可用于自动识别燃料组件编号和间距的仪器。目视观测是一种定性的评价手段，只能观察燃料组件编号，且耗时较多，对燃料组件间距目视观测则更多的是凭个人经验判断是否符合标准。

本专利提出一种核电站堆芯燃料组件编号与间距自动识别方法可实现堆芯燃料组件编号自动识别，并与堆芯装载图组件编号自动对比匹配得出结果；可实现燃料组件间距自动测量，自动判断目前组件间距值是否在标准值允许范围内。该方法采用动态倾角测量与图像识别结合技术，能消除因运动产生的定位误差，可实现换料过程实时在线监视与测量，最终重复性测量精度优于0.5mm。动态倾角测量广泛应用于船舶、机动车辆、直升机、导弹火炮等倾角测量，图像识别分析技术在当今生活中更是得到广泛应用，如人脸识别、二维码支付、视频监控等。目前在核行业尚未发现采用动态倾角测量与图像识别结合技术辅助换料人员进行换料操作。通过文献和专利检索发现中广核在换料结束复查时通过轮廓识别与匹配的技术判断燃料组件位置，但该技术应用时存在一定缺陷：无法消除因装卸料机运动带来的运动误差；该技术采用装卸料机套筒爪具搭载硬件设施，在换料过程中装卸料机需抓取和释放组件，故该技术无法在换料过程中实时在线应用，只能用于换料结束后堆芯复查工作。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统和方法，能够自动地检测核电站燃料组件编号与位置，提高检测效率与精度。

为实现上述目的，本发明提供一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统，采用如下技术方案：一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统，核电站反应堆的堆芯具有多个竖立设置的燃料组件，每个燃料组件的上端设有一个上管座；包括可水平移动的装卸料机，装卸料机上连接有可上下移动的长柄工具，长柄工具的下端连接有工业相机，工业相机具有位姿测量及运动控制模块，所述位姿测量及运动控制模块与实时信号采集优化模块通信连接，所述实时信号采集优化模块与上位机图像分析测量系统通信连接；

所述工业相机用于俯拍并采集图像；

所述位姿测量及运动控制模块用于测量和控制工业相机的位姿状态；

所述实时信号采集优化模块用于剔除工业相机传来的图像数字信号中的噪声信号，并对工业相机所拍摄的图像进行预处理；

所述上位机图像分析测量系统用于识别燃料组件的编号和其上管座的坐标位置，并通过上管座的坐标位置计算相邻燃料组件间距。

优选地，所述上管座上设有特征孔，所述上位机图像分析测量系统通过检测特征孔的圆心位置而确定上管座的坐标位置。

优选地，所述上管座呈正多边形，所述上管座的其中一条对角线两端处各设有一个特征孔。

优选地，所述位姿测量及运动控制模块采用倾角测量、陀螺仪或激光矫正的方式测量和控制工业相机的位姿状态。

与本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统相应地，本发明还提供一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法，采用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统进行作业，包括如下作业步骤：

1)工业相机俯拍并采集一个燃料组件上管座的上表面图像；

2)实时信号采集优化模块剔除工业相机传来的图像数字信号中的噪声信号，并对工业相机所拍摄的图像进行预处理之后传送给上位机图像分析测量系统；

3)上位机图像分析测量系统根据从实时信号采集优化模块传送来的图像信号识别出所述燃料组件的编号；

4)上位机图像分析测量系统根据从实时信号采集优化模块传送来的图像信号分析计算得出所述燃料组件上管座的坐标位置；

5)重复步骤1)至步骤4)依次得出剩余的燃料组件的编号和其上管座的坐标位置，并得出相邻的两个燃料组件之间的间距。

优选地，在所述步骤1)之前，还包括步骤：

a)长柄工具向下移动至一个燃料组件的上方，位姿测量及运动控制模块测量并调整工业相机至工作位姿，工业相机拍摄设定的堆芯参考原点，建立广义坐标系；

在所述步骤5)中，上位机图像分析测量系统根据相邻两个燃料组件上管座在广义坐标系下的坐标位置计算得出该相邻的两个燃料组件之间的间距。

优选地，在所述步骤1)至步骤5)中，位姿测量及运动控制模块测量并调整工业相机保持工作位姿。

优选地，在所述步骤4)中，上位机图像分析测量系统根据从实时信号采集优化模块传送来的图像信号先分析计算得出所述燃料组件上管座的中心位置，然后再根据所述燃料组件上管座的中心位置分析计算得出该燃料组件上管座在广义坐标系下的坐标位置。

优选地，所述上管座呈正多边形，所述上管座的其中一条对角线两端处各设有一个特征孔，在所述步骤4)中，上位机图像分析测量系统根据从实时信号采集优化模块传送来的图像信号通过霍夫梯度法计算得出特征孔的圆心，两个特征孔的圆心，并根据两个特征孔的圆心坐标得出所述燃料组件上管座的中心位置。

优选地，在步骤5)之后，通过显示屏显示出所有燃料组件上管座在广义坐标系下的坐标位置。

如上所述，本发明涉及的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统及方法，具有以下有益效果：在利用本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统检测核电站反应堆堆芯中燃料组件的编号及间距时，通过可水平移动的装卸料机和能够上下移动的长柄工具可以将工业相机移动至燃料组件的上方并对燃料组件进行俯拍，位姿测量及运动控制模块能够测量和控制工业相机的位姿状态以便于获得各燃料组件在同一广义坐标系下的图像数据，工业相机获得的图像经过实时信号采集优化模块处理之后传送至上位机图像分析测量系统，上位机图像分析测量系统根据实时信号采集优化模块传送来的图像数据识别燃料组件的编号和其上管座的坐标位置，并通过相邻燃料组件上管座的坐标位置计算相邻燃料组件间距。由此可见，本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统及方法能够自动地检测核电站燃料组件编号与位置，相比于现有技术中的人工检测，检测效率与精度更高。

附图说明

图1显示为本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统的结构示意图；

图2显示为本发明的用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法的流程图。

元件标号说明

1装卸料机

2长柄工具

3位姿测量及运动控制模块

4工业相机

5上管座

6数据传输电缆

7实时信号采集优化模块

8上位机图像分析测量系统

9燃料组件

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，核电站反应堆的堆芯中包括多个竖直设置的燃料组件9，燃料组件9上设有上管座5，上管座5与燃料组件9沿竖直方向的中心线相同。

如图1所示，本发明提供一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统，采用如下技术方案：一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统，核电站反应堆的堆芯具有多个竖立设置的燃料组件9，每个燃料组件9的上端设有一个上管座5；包括可水平移动的装卸料机1，装卸料机1上连接有可上下移动的长柄工具2，长柄工具2的下端连接有工业相机4，工业相机4具有位姿测量及运动控制模块3，所述位姿测量及运动控制模块3与实时信号采集优化模块7通信连接，所述实时信号采集优化模块7与上位机图像分析测量系统8通信连接；

所述工业相机4用于俯拍并采集图像；

所述位姿测量及运动控制模块3用于测量和控制工业相机4的位姿状态；

所述实时信号采集优化模块7用于剔除工业相机4传来的图像数字信号中的噪声信号，并对工业相机4所拍摄的图像进行预处理；

所述上位机图像分析测量系统8用于识别燃料组件9的编号和其上管座5的坐标位置，并通过上管座5的坐标位置计算相邻燃料组件9间距。

在利用本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统检测核电站反应堆堆芯中燃料组件9的编号及间距时，通过可水平移动的装卸料机1和能够上下移动的长柄工具2可以将工业相机4移动至燃料组件9的上方并对燃料组件9进行俯拍，位姿测量及运动控制模块3能够测量和控制工业相机4的位姿状态以便于获得各燃料组件9在同一广义坐标系下的图像数据，工业相机4获得的图像经过实时信号采集优化模块7处理之后传送至上位机图像分析测量系统8，上位机图像分析测量系统8根据实时信号采集优化模块7传送来的图像数据识别燃料组件9的编号和其上管座5的坐标位置，并通过相邻燃料组件9上管座5的坐标位置计算相邻燃料组件9间距。由此可见，本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统及方法能够自动地检测核电站燃料组件9编号与位置，相比于现有技术中的人工检测，检测效率与精度更高。

在本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统中，所述装卸料机1能够通过携带长柄工具2和工业相机4一起水平移动至任一燃料组件9的上方，所述长柄工具2能够上下移动，长柄工具2连接在能够上下移动的直线运动机构上，比如可以连接在竖直设置的伸缩气缸或者液压缸上，也可直接固定在装卸料机1栏杆上。

在本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统中，为了便于上位机图像分析测量系统8能够识别分析燃料组件9的坐标位置，作为一种优选的实施方式，所述上管座5上设有特征孔(图中未显示，燃料组件9上管座s孔可以作为所述特征孔)，所述上位机图像分析测量系统8通过检测特征孔的圆心位置而确定上管座5的坐标位置，从而得出燃料组件9的坐标位置。更为优选地，所述上管座呈正多边形，所述上管座5的其中一条对角线两端处各设有一个特征孔。比如，上管座5可以是正方形或者正六边形。

在本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统中，所述位姿测量及运动控制模块3能够测量和控制工业相机4的位姿状态，位姿测量及运动控制模块3测量工业相机4的位姿状态，工业相机4通过调整执行机构连接在长柄工具2上，调整执行机构能够同时在水平面内旋转和在竖直平面内旋转，调整执行机构可以是六自由度机械手臂。调整执行机构与位姿测量及运动控制模块3相连，位姿测量及运动控制模块3可以控制调整执行机构调整工业相机4的位姿状态。作为一种优选的实施方式，所述位姿测量及运动控制模块3采用倾角测量、陀螺仪或激光矫正的方式测量和控制工业相机4的位姿状态。

与本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统相应地，本发明还提供一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法，采用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统进行作业，请参考图2，本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法包括如下作业步骤：

1)工业相机4俯拍并采集一个燃料组件9上管座5的上表面图像；

2)实时信号采集优化模块7剔除工业相机4传来的图像数字信号中的噪声信号，并对工业相机4所拍摄的图像进行预处理之后传送给上位机图像分析测量系统8；

3)上位机图像分析测量系统8根据从实时信号采集优化模块7传送来的图像信号识别出所述燃料组件9的编号；

4)上位机图像分析测量系统8根据从实时信号采集优化模块7传送来的图像信号分析计算得出所述燃料组件9上管座5的坐标位置；

5)重复步骤1)至步骤4)依次得出剩余的燃料组件9的编号和其上管座5的坐标位置，并得出相邻的两个燃料组件9之间的间距。

本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法采用本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统进行作业，当然也具有本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的系统的有益效果，此处不再赘述。

作为一种优选的实施方式，请参考图2，在所述步骤1)之前，还包括步骤：

a)长柄工具2向下移动至一个燃料组件9的上方，位姿测量及运动控制模块3测量并调整工业相机4至工作位姿，工业相机4拍摄设定的堆芯参考原点(堆芯参考原点根据实际情况而定，可以人为指定)，建立广义坐标系；

在所述步骤5)中，上位机图像分析测量系统8根据相邻两个燃料组件9上管座5在广义坐标系下的坐标位置计算得出该相邻的两个燃料组件9之间的间距。

更为优选地，在所述步骤1)至步骤5)中，位姿测量及运动控制模块3测量并调整工业相机4保持工作位姿。这样，在工业相机4拍摄设定的堆芯参考原点并建立广义坐标系之后，位姿测量及运动控制模块3测量并调整工业相机4保持工作位姿直至完成对所有燃料组件9上管座5的俯拍，能够保证工业相机4所拍摄的图像是在相对水平面的同一角度完成的，提高每次测量重复精度，这样就减少了检测误差。

更为优选地，在所述步骤4)中，上位机图像分析测量系统8根据从实时信号采集优化模块7传送来的图像信号先分析计算得出所述燃料组件9上管座5的中心位置，然后再根据所述燃料组件9上管座5的特征孔分析计算得出该燃料组件9上管座5在广义坐标系下的坐标位置。由于上管座5和燃料组件9沿竖直方向的中心线相同，所以，上管座5的中心位置就是燃料组件9的中心位置，工业相机4可以方便地俯拍上管座5，并由上位机图像分析测量系统8得出上管座5的在广义坐标系下的坐标位置，从而得出燃料组件9在广义坐标系下的坐标位置。

更为优选地，所述上管座5呈正多边形，所述上管座5的其中一条对角线两端处各设有一个特征孔，在所述步骤4)中，上位机图像分析测量系统8根据从实时信号采集优化模块7传送来的图像信号通过霍夫梯度法计算得出两个特征孔的圆心，并根据两个特征孔的圆心坐标得出所述燃料组件9上管座5的中心位置。

优选地，请参考图2，在步骤5)之后，通过显示屏显示出所有燃料组件9上管座5在广义坐标系下的坐标位置。

本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法中，工业相机4实时俯拍堆芯中某一区域的燃料组件9上管座5及其环境图像，图像数据通过数据传输电缆6传输至上位机图像分析测量系统8进行组件编号识别和上管座5的坐标位置定位，通过相邻的两个燃料组件9上管座5的坐标位置计算出相连两个燃料组件9上管座5之间的间距；该区域图像处理完毕后装卸料机1移动工业相机4至下一相邻待测区域，待位姿测量及运动控制模块3调整好工业相机4至工作位姿后开始图像拍摄和分析，重复上述过程直至完成堆芯所有区域燃料组件9上管座5图像拍摄和分析，上位机图像分析测量系统8分析处理并生成堆芯燃料组件9位置分布图。

利用本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法进行作业时，首先安装长柄工具2于装卸料机1栏杆处，移动装卸料机1以便长柄工具2携带工业相机4至堆芯上方，待位姿测量及运动控制模块3调整工业相机4至工作位姿后，工业相机4开始拍摄堆芯参考原点并完成堆芯广义坐标系建立；同时，工业相机4开始拍摄堆芯初始区域的燃料组件9上管座5表面的视频图像，获取的视频图像信号经数据传输电缆6传输至实时信号采集优化模块7进行图像降噪和图像预处理。由于水下放射性环境对视频图像信号产生干扰，现场采集的视频图像信号转化为灰度后存在较多白噪点。白噪点属于散粒噪声，具有随机性，实时信号采集优化模块7采用非线性中值滤波过滤白噪点，中值滤波的原理是把数字图像序列中一点的值用该点邻域中各点值的均值代替。中值滤波后，实时信号采集优化模块7再进行图像预处理之后把图像信号传输给上位机图像分析测量系统8，上位机图像分析测量系统8提取图像灰度特征并确定上管座5的坐标位置，上管座5的坐标位置可以根据s孔圆心特征来识别，s孔圆心识别采用霍夫梯度法。霍夫梯度法计算s孔圆心的步骤如下：

1)对图像采用canny边缘检测；

2)对边缘图像中的每一个非零点，计算其局部梯度；

3)遍历边缘二值图中非零点，沿着梯度方向或反方向画线段，将线段的交点在累加器中计数；

4)找出累加器点计数最大值，这个值对应点即为s孔圆心坐标位置。

经优化处理后的图像数据传输至上位机图像分析测量系统8，通过ocr(opticalcharacterrecognition、光学字符识别)算法识别燃料组件9上管座5编号；ocr算法识别字符计算步骤如下：

1)依据组件编号规则建立字符分类器；

2)提取图像字符区域；

3)提取单个字符；

4)进行单字符特征识别；

5)输出燃料组件9编号。

经字符识别后，依据s孔位置计算局部坐标系下燃料组件9的间距并确定出燃料组件9的坐标位置，通过坐标系旋转和平移将局部坐标系燃料组件9间距数值转换成广义坐标系下相邻燃料组件9之间的间距。移动装卸料机1至下一区域，重复上述过程，直至完成堆芯所有区域图像采集和分析工作。上位机图像分析测量系统8计算后显示堆芯组件位置分布图、间距超差的组件编号和数值。

本发明的一种用于检测核电站燃料组件编号与位置的方法具有以下有益效果：

1)采用长柄工具2携带工业相机4完成图像采集工作，不占用装卸料机1套筒内爪具，在检测到燃料组件9间距异常后，可马上操作装卸料机1套筒内爪具抓取燃料组件9重新安放，高效快捷；

2)采用霍夫梯度法直接识别燃料组件9上管座s孔圆心位置，与通过上管座5边缘轮廓特征匹配方法相比，识别精度更高；

3)堆芯的燃料组件9复查期间，可实时自动识别燃料组件9编号和间距，节省核电站大修换料时间；

4)堆芯燃料组件9换料期间，可实时测量并显示燃料组件9间距，帮助换料操作人员评估燃料组件9安放是否正确，为下一步换料操作提供良好实施条件；

5)生成的堆芯燃料组件9位置分布图可存档，测量数据可以为燃料组件9周期内或周期间运行状态提供定量分析参考。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。