基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)模擬系統(tǒng)初步研究

游國強(qiáng)　張文宇　趙懷璞　鄭建國　金　潮　路　晶　（中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006）

高 新 技 術(shù)

基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)模擬系統(tǒng)初步研究

游國強(qiáng)張文宇趙懷璞鄭建國金潮路晶
（中國輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006）

UF6意外泄漏事故是國外鈾轉(zhuǎn)化廠、鈾濃縮廠發(fā)生頻率最高的事故。基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)采用圖像處理技術(shù)以及探測(cè)、識(shí)別錯(cuò)誤報(bào)警的規(guī)則系統(tǒng)，準(zhǔn)確探測(cè)UF6煙羽圖譜，及時(shí)發(fā)出準(zhǔn)確的UF6泄漏警報(bào)。

UF6；煙羽；事故；探測(cè)系統(tǒng)

1 引言

UF6作為核燃料濃縮過程中主要的中間產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于鈾純化廠、鈾轉(zhuǎn)化廠、鈾濃縮廠和核燃料元件廠。自20世紀(jì)40年代以來，UF6意外泄漏事故是國外鈾轉(zhuǎn)化廠、鈾濃縮廠發(fā)生頻率最高的事故。在常見的各種鈾化合物中，UF6的毒性最高。其導(dǎo)致的人體健康效應(yīng)主要在于吸入鈾和氟化氫所致的化學(xué)危害，而不是電離輻射危害。如果3m3（B）容器內(nèi)全部液化的UF6發(fā)生泄漏事故時(shí)，最大泄漏速率為6.83kg/s，如果不采取干預(yù)措施，容器內(nèi)的UF6將全部泄漏至工作場(chǎng)所。目前使用的UF6探測(cè)系統(tǒng)，不能及時(shí)、準(zhǔn)確的對(duì)UF6泄漏事故進(jìn)行警報(bào)。研究一種及時(shí)、有效、準(zhǔn)確的UF6探測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 研究背景

2.1 UF6的化學(xué)性質(zhì)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，UF6升華點(diǎn)為56.56℃，固體UF6能直接升華成氣體。UF6的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，容易與水或水蒸氣發(fā)生放熱反應(yīng)，生成氟化鈾酰和氟化氫。在濕空氣中釋放1mg的UF6立即呈現(xiàn)可見的一團(tuán)“白煙”。

UF6（g）+2H2O（g）→UO2F2（s）+4HF（g） （1）

nHF（g）→（HF）n（g） （2）

HF（g）+ H2O（g）→（HF·H2O）（g） （3）

圖1 UF6煙羽擴(kuò)散軌跡圖

2.2 UF6的釋放途徑與擴(kuò)散過程

從國外UF6泄漏事故的歷史記錄獲知，多數(shù)泄漏事故發(fā)生在UF6從一個(gè)設(shè)備到另一臺(tái)設(shè)備的輸送過程中。由于設(shè)備事故或人因失誤造成閥門破壞和貯存容器破裂，UF6以氣態(tài)、液態(tài)或二者混合的形態(tài)釋放。

3m3（B）容器內(nèi)，當(dāng)高壓液態(tài)UF6向大氣釋放時(shí)，將閃蒸成固體顆粒和氣態(tài)的混合物，UF6泄漏不是一個(gè)簡(jiǎn)單的被動(dòng)釋放過程，根據(jù)主導(dǎo)煙羽熱焓量變化的不同，UF6擴(kuò)散過程被分成如下5個(gè)階段，UF6煙羽擴(kuò)散軌跡如圖1所示。

第Ⅰ階段：UF6液體閃蒸。UF6液體釋放后，立即閃蒸成UO2F2固體和HF氣體，擴(kuò)散煙羽包含了UF6、空氣、UO2F2固體和HF氣體。

第Ⅱ階段：UF6的升華。周圍水蒸氣進(jìn)入上階段UF6擴(kuò)散煙羽，并迅速與煙羽中氣態(tài)UF6反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)HF和UO2F2固體顆粒，并釋放熱量。氣態(tài)HF發(fā)生聚合反應(yīng)時(shí)，吸收周圍熱量直到混合物達(dá)到熱平衡狀態(tài)。此時(shí)固態(tài)UF6顆粒升華成氣體，進(jìn)而煙羽中氣態(tài)UF6份額增加，煙羽密度增加，煙羽發(fā)生沉降。

第Ⅲ階段：UF6化學(xué)反應(yīng)。煙羽中氣態(tài)UF6和水蒸氣的化學(xué)反應(yīng)不斷釋放熱量繼而提高煙羽的溫度，煙羽溫度達(dá)到最高點(diǎn)。盤旋在地面的煙羽沿著下風(fēng)向輸送，周圍的空氣以遞減的速率被夾帶進(jìn)入煙羽。

第Ⅳ階段：煙羽與空氣混合。周圍的空氣被逐漸卷入煙羽，煙羽溫度、密度逐步與周圍空氣一致。除HF、水蒸氣混合產(chǎn)生一小部分熱量外，在此過程中沒有熱量產(chǎn)生或喪失，煙羽逐漸從地面抬升。

第Ⅴ階段：UF6水解產(chǎn)物被動(dòng)擴(kuò)散。煙羽密度達(dá)到周圍空氣密度，煙羽的稀釋過程由大氣湍流主導(dǎo)。UF6水解產(chǎn)物由固定高度向下風(fēng)向擴(kuò)散，在該階段擴(kuò)散過程符合高斯擴(kuò)散模型。

2.3 UF6探測(cè)器的使用現(xiàn)狀

目前美國鈾濃縮公司采用吸氣式探測(cè)器和人工觀測(cè)UF6煙羽的方法進(jìn)行UF6泄漏報(bào)警。國內(nèi)鈾轉(zhuǎn)化廠或鈾濃縮廠使用HF探測(cè)器和濾膜式探測(cè)器進(jìn)行UF6泄漏報(bào)警。

2.3.1 HF探測(cè)器

HF探測(cè)器基于電化學(xué)技術(shù)間接探測(cè)。當(dāng)UF6泄漏后，UF6與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成HF，傳感器產(chǎn)生電信號(hào)間接探測(cè)。

由于鈾轉(zhuǎn)化廠或鈾濃縮廠廠房高大，地面障礙物（設(shè)備）存在不穩(wěn)定氣流，以及UF6煙羽擴(kuò)散軌跡的多變性，在使用過程中無法及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地到達(dá)探測(cè)器，導(dǎo)致上述HF探測(cè)器無法有效工作，無法判斷UF6泄漏。

圖2 基于視頻技術(shù)的UF6煙羽探測(cè)系統(tǒng)原理示意圖

2.3.2 過濾膜式UF6探測(cè)器

國內(nèi)使用過濾膜式UF6探測(cè)器，一定時(shí)間觀測(cè)濾膜的顏色，稱量濾膜增加重量的方法。

國外使用吸氣泵式UF6探測(cè)器，當(dāng)濾膜上UF6的達(dá)到一定重量，進(jìn)行報(bào)警。

上述兩種UF6探測(cè)器均能有效的探測(cè)UF6泄漏事故，均存在一定的滯后性。

2.3.3 人工觀察UF6煙羽

由于釋放UF6立即會(huì)呈現(xiàn)一團(tuán)可見的“白煙”的現(xiàn)象。

在美國鈾濃縮公司，使用人工觀測(cè)煙羽方法，與吸氣泵式UF6探測(cè)器配合使用。但該方法受人工失誤影響比較大。

3 研究目的及意義

3.1 研究目的

基于視頻技術(shù)的UF6煙羽探測(cè)系統(tǒng)，是以攝像機(jī)采集到的視頻圖形為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，采用圖像處理系統(tǒng)，以及探測(cè)并識(shí)別錯(cuò)誤報(bào)警的技術(shù)，鑒別UF6煙羽的特殊移動(dòng)圖譜。通過搜尋視頻圖像中變化的微弱圖譜，篩選UF6煙羽狀況特性與其他移動(dòng)圖譜之間的差異，準(zhǔn)確探測(cè)UF6煙羽圖譜，及早發(fā)出準(zhǔn)確的UF6泄漏警報(bào)。

通過建立基于視頻技術(shù)的UF6煙羽探測(cè)系統(tǒng)，能夠盡量減少人因失誤對(duì)人工觀測(cè)UF6泄漏事故的影響，及時(shí)、準(zhǔn)確的發(fā)出泄漏警報(bào)。通過對(duì)UF6煙羽圖像分析，進(jìn)一步對(duì)UF6泄漏事故造成的后果或影響作出進(jìn)一步分析和評(píng)估。

3.2 研究意義

基于視頻技術(shù)的UF6煙羽探測(cè)系統(tǒng)與常規(guī)檢測(cè)器相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）直觀的監(jiān)測(cè)能力；

（2）場(chǎng)所的廣泛適用性；

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控與離線人工分析相結(jié)合；

（4）通用性和隨意擴(kuò)展能力；

（5）支持與多種傳感器的兼容。

（6）基于視頻技術(shù)的UF6煙羽探測(cè)系統(tǒng)受環(huán)境因素的影響較小，特別適應(yīng)于一些高大空間、存在不穩(wěn)定氣流的場(chǎng)所以及戶外空間。

隨著圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及光電成像技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻探測(cè)技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)早期UF6煙羽探測(cè)，且能有效避免探測(cè)距離、環(huán)境干擾、人員誤判等因素的影響，具有響應(yīng)時(shí)間短、智能化、可視化、抗干擾、遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì)。

4 基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)研究思路

4.1 基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)的基本原理

基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)采用攝影系統(tǒng)作為圖像傳感器，利用光電轉(zhuǎn)換，將攝像機(jī)感光面上由圖像采集卡捕捉到的圖像轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的一維時(shí)序數(shù)字“圖像”，再將數(shù)字信號(hào)傳送到信息處理主機(jī)系統(tǒng)，信息處理主機(jī)系統(tǒng)再結(jié)合各種UF6煙羽判據(jù)對(duì)電信號(hào)“圖像”進(jìn)行圖像甄別處理，最后判斷是否存在UF6煙羽的結(jié)果。系統(tǒng)原理如圖2所示。

4.2 基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)的主要算法研究

基于視頻技術(shù)的UF6煙羽識(shí)別算法，以處理連續(xù)視頻圖像為基礎(chǔ)，進(jìn)而提取圖像中的有用特征信息，提取的特征信息主要包括UF6煙羽的靜態(tài)特征和UF6動(dòng)態(tài)特征。UF6煙羽的靜態(tài)特征包括RGB空間中的R分量以及HSI空間中的I分量。UF6煙羽的動(dòng)態(tài)特征包括煙羽擴(kuò)散性的動(dòng)態(tài)特征。

基于視頻技術(shù)的UF6煙羽像素的算法分為兩部分：基于UF6煙羽顏色的靜態(tài)特征和UF6煙羽擴(kuò)散性的動(dòng)態(tài)特征，即首先建立一個(gè)混合高斯模型來檢測(cè)UF6煙羽顏色像素，隨后再用UF6煙羽的動(dòng)態(tài)特征來甄別真正的煙羽像素，該算法是一種基于累積量、主運(yùn)動(dòng)方向的UF6視頻煙羽檢測(cè)方法。提出的累積量表示運(yùn)動(dòng)持續(xù)程度，主運(yùn)動(dòng)方向表示每個(gè)視頻圖像分割塊可能的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而根據(jù)UF6累積量和主運(yùn)動(dòng)方向提取出三維的特征矢量，并采用貝葉斯分類器完成UF6煙羽的檢測(cè)。該方法具有明顯的抗干擾性，可顯著提高UF6煙羽檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

4.2.1 UF6煙羽靜態(tài)特征的算法研究

煙羽顏色是煙羽圖像信息的表征之一，通過顏色檢測(cè)能夠有效的將圖像中具有UF6煙羽顏色的區(qū)域提取出來。在RGB顏色空間中，創(chuàng)立混合高斯模型來檢測(cè)UF6煙羽顏色的有效像素，進(jìn)而適應(yīng)環(huán)境的變化，更加有效的檢測(cè)出煙羽。

創(chuàng)立混合高斯模型采用一組煙羽樣本圖像集Uc={c1，c2，…，cn}來預(yù)先建立。在運(yùn)行過程中，可甄別待檢測(cè)圖像中的像素是否屬于先前建立的混合高斯模型，進(jìn)而提取出有效的UF6煙羽顏色特征的圖像區(qū)域。

4.2.2 UF6煙羽動(dòng)態(tài)特征的算法研究

UF6煙羽的動(dòng)態(tài)性是由于UF6煙羽無規(guī)則性擴(kuò)散形成。首先需要對(duì)UF6煙羽的不規(guī)則特性和擴(kuò)散特性結(jié)合起來進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)提取出來的UF6煙羽顏色區(qū)域進(jìn)行判斷，判斷其是否具有不規(guī)則性和擴(kuò)散性，去除虛假的煙羽（具有UF6煙羽顏色，但非UF6煙羽）的區(qū)域，從而提高動(dòng)態(tài)特征檢測(cè)的準(zhǔn)確報(bào)警率。

4.3 基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)對(duì)攝像機(jī)采集到的視頻圖像為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，首先對(duì)收集到的原始圖像采用RGB分量運(yùn)算和位屏蔽顏色壓縮等技術(shù)處理，根據(jù)UF6煙羽顏色特征來提取煙羽相似區(qū)域，通過減背景技術(shù)來濾除靜態(tài)的類煙羽區(qū)域。再采用小波變換，根據(jù)視頻序列中分塊圖像的小波能量變化，來主動(dòng)濾除動(dòng)態(tài)的UF6煙羽類似區(qū)域干擾。最后對(duì)UF6泄漏事故報(bào)警。最終通過長序列視頻的累積證據(jù)來標(biāo)記出真正的核心UF6煙羽區(qū)域。

結(jié)語

本文提出了一個(gè)基于視頻技術(shù)實(shí)時(shí)分析的UF6探測(cè)新方法，提供了基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)的原理，分析了UF6煙羽的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征，提供了UF6煙羽的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征算法研究，簡(jiǎn)要介紹了基于視頻技術(shù)的UF6探測(cè)系統(tǒng)。今后，將重點(diǎn)研究多線程UF6煙羽來自動(dòng)選擇相應(yīng)的RGB分量運(yùn)算系數(shù)組合，縮短準(zhǔn)確判別UF6泄漏事故的時(shí)間，并研究UF6煙羽與水蒸氣、其他化學(xué)品霧氣的細(xì)微差異，以減少類似煙羽的動(dòng)態(tài)干擾。

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