Методы и алгоритмы обработки изображений в системе телевизионного контроля тепловыделяющих сборок водо-водяного энергетического реактора
Скачать 306.18 Kb.
|
На правах рукописи  ХИСАМУТДИНОВ Максим Владимирович Методы и алгоритмы обработки изображений в системе телевизионного контроля тепловыделяющих сборок водо-водяного энергетического реактора Специальности: 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей, 05.02.05 - роботы, мехатроника и робототехнические системы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Таганрог – 2012 Работа выполнена в Южном федеральном университете на кафедре интеллектуальных и многопроцессорных систем Технологического института в г. Таганроге и в научно-исследовательском институте многопроцессорных вычислительных систем имени академика А.В. Каляева Южного федерального университета. Научный руководитель: доктор технических наук, член-корреспондент РАН, профессор, Каляев Игорь Анатольевич Официальные оппоненты: Каркищенко Александр Николаевич, доктор физ.-мат. наук, профессор, ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи», г. Москва, руководитель центра перспективных фундаментальных и прикладных исследований Бутенко Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге, профессор кафедры механики Ведущая организация: Научно-исследовательский институт специального машиностроения МГТУ имени Н.Э.Баумана, г. Москва Защита диссертации состоится "20" апреля 2012 г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д 212.208.24 при Южном федеральном университете по адресу: г. Таганрог, ул. Чехова, 2, корп. “И”, комн. 347. С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148. Автореферат разослан “16” марта 2012 г. Просим Вас прислать отзыв, заверенный печатью учреждения, по адресу: 347928, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.208.24 Кухаренко Анатолию Павловичу.
Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации. В настоящее время, несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному увеличению его стоимости. Поэтому в современных условиях развития цивилизации одним из приоритетных методов получения энергии является эксплуатация атомных электростанций. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива. Это открывает широкие перспективы использования атомных электростанций (АЭС) для удовлетворения быстро растущих потребностей в энергии. Наиболее распространенным типом реакторов, эксплуатируемым на АЭС в Российской Федерации, является водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР). Для выполнения требований по обеспечению безопасности эксплуатации АЭС с реакторами типа ВВЭР, повышения надежности и эффективности их работы служат плановые профилактические работы, проводимые ежегодно на каждом из работающих энергоблоков. Эти профилактические работы, называемые планово-предупредительным ремонтом (ППР), являются обязательным этапом производственной деятельности всех АЭС с реакторами типа ВВЭР. Во время проведения ППР производится остановка реактора АЭС, влекущая за собой значительные финансовые потери. По расчетам специалистов Ростовской АЭС (РоАЭС) во время остановки реактора на период ППР АЭС несет убытки в размере 1 млн. долларов США за одни сутки простоя, обусловленные потерями в объеме произведенной и реализованной электроэнергии. В связи с этим задача сокращения сроков проведения и, соответственно, стоимости затрат на ППР, ежегодно проводимые на АЭС, является актуальной. Одной из основных процедур ППР является процедура контроля тепловыделяющих сборок (ТВС), которая проводится после выполнения транспортно-технологических операций с ядерным топливом. Данная процедура состоит из двух этапов - контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС. Существующие в настоящее время методы контроля ТВС требуют установки дополнительного (нештатного) оборудования, а также участия человека-оператора в процессе их выполнения. Время процедуры контроля ТВС можно существенно сократить за счет ее автоматизации; последнее можно осуществить на основе видеоданных, получаемых от штатной телевизионной камеры (ТК), установленной на машине перегрузочной (МП). При движении МП с установленной ТК по заданному маршруту гарантировано получение изображения каждой ТВС с одного ракурса. Поэтому в настоящей диссертации ставится задача разработки новых методов и алгоритмов телевизионного контроля ТВС в активной зоне атомного реактора на основе данных от одной штатной ТК МП, движущейся по заданному маршруту, с гарантированной возможностью получения изображений только с одного ракурса для каждой ТВС. Целью диссертационной работы является сокращение времени процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора в период ППР за счет применения новых методов и алгоритмов обработки одноракурсных видеоизображений, полученных от ТК МП. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Актуальная научная задача, решению которой посвящена диссертация, - это разработка методов и алгоритмов обработки изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедуры контроля ТВС в процессе ППР реактора типа ВВЭР. Объект исследования – методы и алгоритмы телевизионного контроля ТВС в активной зоне атомного реактора. Методы исследований основаны на использовании теории фотограмметрии, цифровой обработки изображений, распознавания образов, интеллектуального анализа данных. Достоверность и обоснованность полученных научных результатов подтверждается корректностью применения методов фотограмметрии, непротиворечивостью математических выкладок, а также успешной экспериментальной проверкой программного обеспечения системы телевизионного контроля ТВС в активной зоне реактора типа ВВЭР на энергоблоке №1 РоАЭС. Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
Новизна полученных результатов подтверждается отсутствием аналогичных результатов в открытых доступных источниках. Положение, выдвигаемое для защиты. На основе анализа последовательности одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП, с учетом данных о расположении ТВС на плоскости, возможно сократить время выполнения процедуры контроля разновысотности ТВС при допустимом уровне инструментальной погрешности. Результаты, выдвигаемые для защиты: а) метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК МП; б) метод автоматизированной идентификации номеров ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК МП; в) алгоритмически реализуемый метод улучшения качества изображения на основе анализа серии изображений ТВС, полученных с одного ракурса ТК; г) алгоритмически реализуемый метод детектирования верхней эллиптической поверхности головок ТВС. Практическая ценность работы. Состоит в том, что на основе разработанных в диссертации методов и алгоритмов создано программное обеспечение (ПО) системы телевизионного контроля ТВС в активной зоне ВВЭР с использованием, в качестве входных данных, одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП. Разработанное ПО позволяет сократить время проведения процедуры контроля ТВС, избежать необходимости установки дополнительного (нештатного) оборудования МП и исключить механический контакт с ТВС в активной зоне реактора типа ВВЭР. Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной научной мультиконференции "Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2007)" (с. Дивноморское, Россия, 2007 г.); Научно-технической конференции "Высокопроизводительные вычислительные системы (ВПВС-2008)" (г. Таганрог, Россия, 2008); III, IV, V, VI, и VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра (ЮНЦ) Российской академии наук (РАН) (2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг., г. Ростов-на-Дону); IX Международной научно-технической конференции "Распознавание-2010" (г. Курск, Россия, 2010 г.); Всероссийской научной мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2011) (с. Дивноморское, Россия, 2011 г.). Несколько докладов были выделены как лучшие и были отмечены призовыми местами. Реализация и внедрение результатов работы. Работоспособность системы была испытана на энергоблоке №1 РоАЭС в ходе ППР 2011 года. Проведенные испытания показали, что разработанное ПО системы телевизионного контроля ТВС обеспечивает решение задачи контроля разновысотности ТВС в активной зоне реактора за 1 час, идентификации номеров ТВС – за 2-3 часа, что в целом уменьшает общее время выполнения процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора типа ВВЭР с 8 до 3-4 часов за счет применения новых методов и алгоритмов обработки одноракурсных изображений. Теоретические и практические результаты, полученные в рамках данной работы, были использованы при выполнении НИР "Разработка и исследование методов и средств повышения безопасности и эффективности функционирования распределенных информационно-управляющих систем сложных технических объектов" (№ г/р 01200852701) в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", НИР "Разработка и исследование методов и алгоритмов создания интеллектуальных функциональных компонентов отказоустойчивых распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) (№г/р 01200953310) в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала научной школы (2009-2010)". Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты, получены автором лично. Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, тезисы 7 докладов в материалах международных и всероссийских конференций, 1 патент на полезную модель, 2 отчета о выполнении НИР. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 152 страницы печатного текста, 73 рисунка, 3 таблицы, список используемой литературы из 88 источников. Краткое содержание диссертации Во введении обоснована актуальность темы, определен объект исследований, сформулированы цель, основные научные результаты и положение, выдвигаемое для защиты, показаны практическая значимость, апробация и результаты внедрения диссертации. Первая глава диссертации посвящена разработке методов телевизионного контроля ТВС в активной зоне атомного реактора. Рассмотрен процесс ППР на отечественных АЭС типа ВВЭР. Показано, что одной из основных процедур, выполняемых в процессе ППР, является процедура контроля ТВС, которая, в свою очередь, состоит из двух этапов:
В настоящее время при проведении процедуры контроля разновысотности ТВС применяются контактные автоматизированные методы, основными недостатками которых являются:
Указанные недостатки можно устранить за счет разработки бесконтактных методов контроля разновысотности ТВС. В работах [1, 2] был предложен бесконтактный метод контроля уровня установки ТВС с использованием штатной ТК мехатронного комплекса МП. Суть метода заключалась в использовании подходов фотограмметрии, позволяющих определять формы, размеры и пространственное положение различных объектов посредством измерения их фотографических изображений с различных ракурсов. Для получения информации о пространственном положении группы ТВС было предложено использовать изображения активной зоны реактора, полученные с помощью штатной ТК МП с двух ракурсов. Однако применение предложенного метода в жестких производственных условиях эксплуатации реактора типа ВВЭР столкнулось с определенными сложностями. Это объясняется тем, что предложенный метод предполагает априорное условие наличия двух камер, с которых поступает изображение исследуемого объекта, либо наличие одной камеры и съемки множества изображений исследуемого объекта с двух ракурсов. Реальные промышленные условия функционирования атомного реактора типа ВВЭР исключают наличие двух камер (имеется лишь одна ТК, установленная на МП, с которой поступает изображение). Съемка одной камерой множества изображений с разных ракурсов также не представляется возможной, т.к. камера движется по заданному маршруту, при этом большинство периферийных ТВС попадают в кадр ТК только с одного ракурса, в связи с этим применение предложенного ранее метода затруднено. Для устранения недостатков существующего метода предложен новый метод, позволяющий производить контроль разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, полученных одной штатной ТК в процессе движения МП по заданному маршруту, с использованием дополнительной информации о расположении ТВС на плоскости. На рис. 1 схематически представлена ТК, закрепленная на МП, а также видимый участок активной зоны реактора. Рассмотрим процесс определения высоты (повысотной отметки) на примере одной центральной ТВС. Обозначим найденный центр верхней поверхности ТВС в проекции ТК как I (см. рис. 1). Рассмотрим уравнение перехода от трехмерного представления точки G, соответствующей центру верхней поверхности ТВС, в глобальной системе координат (ГСК) (системе координат МП, которая не совпадает со стандартной системой координат (ССК) ТК), к ее двухмерной проекции I на изображении ТК:  (1)где  - вектор, записанный в однородных координатах, где w и h координаты центра верхней поверхности ТВС на изображении, полученном ТК; - вектор, где x и y координаты центра верхней поверхности ТВС в ГСК, а z искомая повысотная отметка ТВС; - матрица параметров внешней калибровки, описывающая вращение ССК ТК относительно ГСК; - углы поворота ТК; - угол поворота ТШ; ; ; - вектор параметров внешней калибровки, описывающий перенос ССК ТК относительно ГСК; - матрица параметров внутренней калибровки, где  - отношение фокусного расстояния ТК к масштабному коэффициенту по оси абсцисс в проекции изображения ТК; - отношение фокусного расстояния ТК к масштабному коэффициенту по оси ординат в проекции изображения ТК; - координаты главной точки, относительно начала координат фотоприемника.Поскольку в уравнении (1) известны параметры внешней калибровки R, T, координаты x, y центров верхних поверхностей ТВС в ГСК и координаты w, h проекций центров верхних поверхностей ТВС на изображении ТК, то, используя эти данные, можно определить элементы  матрицы параметров внутренней калибровки С. Координаты главной точки и коэффициенты дисторсии определяются на этапе калибровки ТК. Рис. 1 – Определение высоты (повысотной отметки) ТВС с помощью ТК Уравнение (1) соответствует модели камеры-обскуры, которая не учитывает искажения, вызванные аберрацией оптической системы, при которой линейное увеличение изменяется по полю зрения. При этом нарушается подобие между объектом и его изображением. Такой тип аберрации называется дисторсией. Для компенсации оптических искажений используются коэффициенты дисторсии, полученные на этапе калибровки ТК. Решая уравнение (1) относительно G, возможно определить повысотные отметки z видимых ТВС на одноракурсном изображении как соответствующий элемент данного вектора, используя при этом параметры внешней калибровки ТК, внутренней калибровки ТК, координаты центра верхней поверхности ТВС на одноракурсном изображении w, h и координаты центра верхней поверхности ТВС x, y в ГСК, согласно формуле (2).  (2)С учетом вышесказанного в диссертации предложен метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от ТК МП. Машина перегрузочная при выполнении процедуры контроля ТВС движется по заданному маршруту. При останове МП ТК производит запись последовательности изображений с текущего ракурса. В виду того, что одиночные кадры последовательности сильно зашумлены, производится обработка всех изображений последовательности с целью получения незашумленного одноракурсного изображения. Далее производится устранение искажений, вызванных дисторсией, на основании параметров, полученных в результате калибровки ТК. После этого одноракурсное изображение подвергается обработке с целью поиска координат w, h точек, соответствующих центрам верхних поверхностей ТВС, с помощью аппроксимации эллипсами верхних поверхностей ТВС. Найденные координаты центров верхних поверхностей ТВС используются в (2) для определения повысотных отметок видимых ТВС. Предложенный метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений состоит из 6-ти этапов:
В отличие от существующих методов предлагаемый метод предполагает обработку одноракурсных изображений, не требует инсталляции дополнительного (нештатного) оборудования МП, а также съемки ТВС с различных ракурсов. Вторым этапом контроля ТВС является процедура идентификации номеров ТВС. Так как для проведения контроля ТВС используется один функциональный элемент – штатная ТК, в диссертации предлагается метод идентификации номеров ТВС в активной зоне реактора типа ВВЭР по изображениям, получаемым штатной ТК МП. В виду того, что исходные изображения сильно зашумлены, для обеспечения высокого качества идентификации номеров ТВС необходимо провести дополнительное улучшение качества полученного с ТК изображения. Кроме этого, поскольку номера ТВС расположены под некоторым углом, необходимо провести сегментацию текстовых областей, расположенных под произвольным углом. После этого необходимо осуществить непосредственное распознавание текстовой информации на сегментированных областях. Таким образом, основными этапами метода идентификации номеров ТВС являются:
Предложенные выше методы контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС базируются на обработке видеоизображений, получаемых одной штатной ТК в процессе ее движения по заданному маршруту. При этом, поскольку ряд этапов, таких как калибровка ТК, улучшение качества изображения, устранение оптических искажений для обоих методов идентичен, то эти этапы могут быть совмещены, что позволит сократить время контроля ТВС в целом. В диссертации предложена общая процедура контроля ТВС, которая объединяет ряд этапов контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Реализация метода правдоподобных рассуждений на основе прецедентов... Ки прецедентов для исппр. Рассматривается возможность решения задач диагностики состояний сложного объекта и обнаружения управляющих... | | Урока по информатике и геометрии по теме "Алгоритмы создания изображений.... ... |
 | Рабочая программа дисциплины «Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов» ... | | Методы и алгоритмы выделения контуров изображений в радиотехнических... Рабочая программа составлена на основании рабочего учебного плана по фгос утвержденного ученым советом юргту(нпи) протоколом №4 от... |
| Комплексное задание "Энергетический расчет спутниковой линии связи... Требуется рассчитать линию связи "Исскуственный спутник Земли (исз) Земля" и определить мощность бортового передатчика, необходимую... | | Использование информационных технологий для исследования многокомпонентных... Руководство пользователя пакета программного обеспечения для управления сканирующим зондовым микроскопом и обработки изображений... |
| Разработка методов получения и цифровой обработки рентгеновских изображений. | | Примерная программа наименование дисциплины Структуры и алгоритмы... Курс предназначен для овладения компьютерными методами обработки информации путем развития профессиональных навыков разработки, выбора... |
| Различные формы и методы контроля знаний учащихся Различные формы... Краткая характеристика тестовых заданий, методики их составления и применения для проведения различных видов и способов контроля... | | Али система обработки изображений при диагностике наследственных... Цель урока: Выработать навыки установления связи между строением и функциями кожи |
| Урока : Повторить и закрепить знания по теме «Технология обработки графической информации» Тема урока: Создание и редактирование изображений в векторном графическом редакторе | | Дом (6 класс) Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, методы контроля и самоконтроля |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Компьютерная графика – раздел информатики, занимающийся проблемами создания и обработки на компьютере графических изображений | | Алексеев Игорь Вадимович, Захарова Марина Николаевна В системе реализованы не только общеизвестные алгоритмы, но и их нестандартные модификации |
| Формы и методы контроля и оценки результатов обучения (для разработки... Формы и методы контроля и оценки результатов обучения (по профессиональному модулю) | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... При проведении персонального контроля администрацией лицея использовались следующие методы контроля |
