一种用于核电安全的进出场器物检查系统及方法
技术领域
本发明涉及一种器物检查系统及方法，具体涉及一种用于核电安全的进出场器物检查系统及检查方法。
背景技术
核电站通常会将其内部区域划分成不同等级，核岛、常规岛和BOP等通常为最高等级区域。为保障核电站的平稳运行，需定期对核岛、常规岛和BOP内的机组进行检修。检修所涉及的器物(包括扳手等常规工具，也包括辐射仪等专业工具)，绝对不允许遗落在检修的机组区域内，以避免对核电机组产生伤害，进而避免事故的产生。同时，器物如在检修时产生破损(例如辐射仪的小螺丝掉下来)，其掉落的小零件等也绝不允许遗落在检修的机组区域内。
为避免器物遗落在检修区域内，目前的常规做法是安排工作人员在检修区域出入口值班登记，对每一位进场检修人员所携带的器物进行检查，并登记器物种类与数量信息，然后对该人员出场时所携带的器物进行二次检查登记，仔细比对器物种类与数量是否与进场时一致，并同时仔细检查器物是否有破损或缺失。上述人工检查方式不仅效率低下易导致进场或出场经常排长队，而且存在着因人员疏漏而导致的潜在风险。
专利CN 205003698 U提出了一种防异物物项自动监测报警系统，该系统通过RFID的方式识别异物。但是，该系统不适于核电安全检修，因为仅读取到器物的RFID标签，不能保证器物是否有部分小零件等遗落在检修区域。专利CN 102975746 B提出了一种面向铁路防灾的隧道异物监测系统，通过异物侵限引起柔性光纤网形变的原理，实现对异物的监测。该专利适用于地铁、铁路等隧道内轨道检测，对核电安全检修的异物检测有一定的参考意义，但也无法直接用于核电安全检修。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种用于核电安全的进出场器物检查系统及方法，以替代传统的人工检查方式，实现高效率、自动化、无纰漏的核电安全检修器物检查。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种用于核电安全的进出场器物检查系统：
主要由回形轨道、载物小车、六个器物拍摄相机、两个器物类型识别相机与两个人脸识别相机组成；载物小车在回形轨道并沿回形轨道移动行驶，且载物小车数量根据实际需要确定；六个器物拍摄相机以及第一器物类型识别相机、第二器物类型识别相机安装在回形轨道侧方或者上下方，分别为正对器物顶部、底部、后侧、左侧、右侧、前侧进行拍摄的相机；第一人脸识别相机与第二人脸识别相机分别安装在回形轨道侧方，分别为针对入场人员和出场人员拍摄的相机。
所述的载物小车主要由置物板、顶板、称重传感器、旋转电机、旋转齿轮、底板和轨道支架组成，顶板与底板均为圆环状，顶板与底板之间通过四个称重传感器支撑连接，置物板为圆形且由透明材质制作，置物板置于在顶板中心的孔端面，置物板下表面周围外缘设有360度的环形齿条，旋转电机固定于顶板下表面，旋转电机的输出轴和旋转齿轮同轴连接，旋转齿轮与置物板下表面的环形齿条啮合；底板下表面固定设有突出的轨道支架，且轨道支架嵌装连接于回形轨道的运动皮带上，使得回形轨道的运动皮带回转运动经轨道支架带动底板运动。
所述的回形轨道四边其中一边的轨道作为进出主轨道，进出主轨道侧方设有用于核电工作人员进出的进出场通道，进出主轨道两端的回形轨道两个角落侧方分别设有朝向进出场通道拍摄的第一人脸识别相机和第二人脸识别相机，进出主轨道两端的回形轨道两个角落上方分别设有朝向正下方回形轨道拍摄的第一器物类型识别相机和第二器物类型识别相机；对称于进出主轨道另一侧的回形轨道一边轨道作为检测轨道，检测轨道一端的回形轨道角落安装有后侧器物拍摄相机和底部器物拍摄相机，底部器物拍摄相机位于回形轨道正下方并朝向正上方，后侧器物拍摄相机水平朝向回形轨道并平行于检测轨道；检测轨道另一端的回形轨道角落安装有前侧器物拍摄相机、顶部器物拍摄相机、右侧器物拍摄相机和左侧器物拍摄相机，前侧器物拍摄相机水平朝向回形轨道并平行于检测轨道，顶部器物拍摄相机位于回形轨道正上方并朝向正下方，右侧器物拍摄相机和左侧器物拍摄相机分别位于回形轨道的两侧并水平朝向而垂直于检测轨道。
本发明的检查系统由回形轨道、若干个载物小车、六个器物拍摄相机、两个器物类型识别相机与两个人脸识别相机组成。检查方法由人员入场过程、人员出场过程、异常报警过程三部分组成，其中前两个过程用以对入场和出场时器物进行比对，且在器物入场和出场有变化时才启动异常报警过程。
二、核电安全进出场器物检查方法：
主要由人员入场过程、人员出场过程、异常报警过程的三部分组成；人员入场过程用于检查入场时人员所携带的器物，人员出场过程用于检查出场时人员所携带的器物；异常报警过程平时不执行，触发条件为载物小车上的出入场器物重量差值超过阀值或载物小车上的出入场器物顶部图像不一致两类情况中的任一。
需要说明的是，异常报警过程平时不执行，就意味着器物三维模型构建平时可以不执行，因此可大幅提升检查效率。
如图5所示，各个过程如下：
所述的人员入场过程，回形轨道按照固定的指针方向回转运动，且进出主轨道的运动方向和进出场通道的人员入场方向相反：
A1)人脸识别与器物类型识别：进入核电场所的人员将所携带的器物放置在靠近进出场通道入口一侧的进出主轨道的载物小车上，并引起载物小车内称重传感器的数值出现上升沿，上升沿触发靠近进出场通道入口一侧的第一人脸识别相机对进入核电场所的人员进行拍摄人脸并识别，同时触发靠近进出场通道入口一侧的第一器物类型识别相机对载物小车上的二维码与器物进行拍摄，并通过器物的入场顶部图像识别器物类型，最终将载物小车编号、器物类型、放置人员三类信息形成关联。
A2)器物称重：在载物小车承载着器物在回形轨道回转运动过程中通过称重传感器实时测量器物的重量，作为入场前重量；
A3)后侧与底部两相机拍照并存储：当载物小车承载着器物沿回形轨道移动到后侧器物拍摄相机和底部器物拍摄相机附近处时，通过底部器物拍摄相机拍摄器物的底部图像，通过后侧器物拍摄相机拍摄器物的后侧部图像；
A4)置物板旋转90度：在载物小车从后侧器物拍摄相机附近处运动到前侧器物拍摄相机附近处过程中，通过运行载物小车上的旋转电机控制置物板旋转，进而带动置物板上的器物沿相反于回形轨道回转运动时针方向旋转90度，以消除载物小车在回形轨道回转运动带来的置物板绝对姿态角度偏差；
A5)左右前侧与顶部四相机拍照并存储：当载物小车承载着器物沿回形轨道移动到前侧器物拍摄相机、顶部器物拍摄相机、右侧器物拍摄相机和左侧器物拍摄相机附近处时，通过前侧器物拍摄相机拍摄器物的前部图像，通过顶部器物拍摄相机拍摄器物的顶部图像，通过右侧器物拍摄相机和左侧器物拍摄相机分别拍摄器物的左右两侧图像；
A6)载物小车移动到靠近进出场通道出口一侧的进出主轨道上，此时进入核电场所的人员从载物小车上取走器物，并引起载物小车内称重传感器的数值出现下降沿，下降沿触发靠近进出场通道出口一侧的第二人脸识别相机对进入核电场所的人员进行人脸拍摄并识别，同时触发靠近进出场通道出口一侧的第二器物类型识别相机对载物小车上的二维码与器物进行拍摄，并通过器物的入场顶部图像识别器物类型，最终将载物小车编号、器物类型、取物人员三类信息形成关联。
所述的人员出场过程，回形轨道按照与人员出场过程相反方向的指针方向回转运动，进出主轨道的运动方向和进出场通道的人员出场方向均与各自人员入场过程时的方向相反，且进出主轨道的运动方向和进出场通道的人员入场方向相反：
B1)人脸识别与器物类型识别：离开核电场所的人员将所携带的器物放置在靠近进出场通道出口一侧的进出主轨道的载物小车上，并引起载物小车内称重传感器的数值出现上升沿，上升沿触发靠近进出场通道出口一侧的第一人脸识别相机对离开核电场所的人员进行拍摄人脸并识别，同时触发靠近进出场通道出口一侧的第一器物类型识别相机对载物小车上的二维码与器物进行拍摄，并通过器物的出场顶部图像识别器物类型，最终将载物小车编号、器物类型、放置人员三类信息形成关联。
B2)器物位姿调整调正：载物小车承载着器物在回形轨道上回转运动，移动过程中根据器物的顶部图像识别判断器物位姿，使得器物位姿与入场时相同；
B3)器物称重：在载物小车承载着器物在回形轨道回转运动过程中通过称重传感器实时测量器物的重量，作为出场后重量；
B4)重量值比较分析：将入场前重量和出场后重量进行比较，重量值差值超过预设重量阈值时，则进行异常报警过程；
B5)出入场器物顶部图像比较分析：将器物的入场顶部图像和器物的出场顶部图像进行特征点检测与图片对齐操作后，进行图像相减操作，且当其图像相减结果不为零时，进行异常报警过程；
B6)载物小车移动到靠近进出场通道出口一侧的进出主轨道上，此时离开核电场所的人员从载物小车上取走器物，并引起载物小车内称重传感器的数值出现下降沿，下降沿触发靠近进出场通道出口一侧的第二人脸识别相机对离开核电场所的人员进行人脸拍摄并识别，同时触发靠近进出场通道出口一侧的第二器物类型识别相机对载物小车上的二维码与器物进行拍摄，并通过器物的出场顶部图像识别器物类型，最终将载物小车编号、器物类型、取物人员三类信息形成关联。
所述的异常报警过程：
C1)利用人员入场过程中后侧器物拍摄相机、底部器物拍摄相机、前侧器物拍摄相机、顶部器物拍摄相机、右侧器物拍摄相机和左侧器物拍摄相机拍摄的各幅图像实时构建入场时器物三维模型；
C2)利用人员出场过程中后侧器物拍摄相机、底部器物拍摄相机、前侧器物拍摄相机、顶部器物拍摄相机、右侧器物拍摄相机和左侧器物拍摄相机拍摄的各幅图像实时构建出场时器物三维模型；
C2)将入场时器物三维模型和出场时器物三维模型进行三维对比获取确定缺失零件并标记。
由此，本发明通过重量值比较与进出场图像相减两类可快速执行的算法，将个别异常器物从大量正常器物中筛选出来，进而通过三维模型重建对异常器物做详细检查，从而本发明可实现快速而不遗漏的核电进出场器物检查。
本发明具有自动化程度高、检测速度快、漏检率低、检测目标具体到器物零部件、成本低廉易推广等优点，因此本发明适合布置在核电厂内机组检修区域的出入口，用以确保检修器物及其零部件没有遗落在检修区域，进而确保核电机组的安全运行。
本发明的有益效果是：
1.本发明可实现全自动检测，无需人工介入，不仅可识别器物类型与数量，还可具体检测到器物内是否有零部件缺失或遗落，高度保障核电机组安全。
2.本发明的检测效率高，无需对所有器物均进行三维模型构建，只需对出入场时重量值有异常变化的器物进行三维模型构建，其他器物均只多角度拍照存档，因此检测速度极快。
3.本发明同时实现了有效检测检查和低成本，一套装置即可覆盖入场检测与出场检测两项任务，且本发明无需激光三维扫描仪等昂贵仪器，只需常规的工业相机、称重传感器等即可完成检测任务，因此性价比极高，具有很好的推广性。
附图说明
图1是本发明装置的整体装配图。
图2是本发明内部装置的装配图。
图3是本发明的载物小车装配图。
图4是本发明装置在入场和出场时的工作示意图。
图5是本发明的检测方法过程图。
图6是本发明载物小车调整器物位姿的方法过程图。
图7是本发明对器物出入场时顶部图片的比对方法过程图。
图8是本发明基于多相机视角的器物三维模型重建方法过程图。
图中：1、回形轨道，2、载物小车，2A、置物板，2B、顶板，2C、称重传感器，2D、旋转电机，2E、旋转齿轮，2F、底板，2G、轨道支架，3A、后侧器物拍摄相机，3B、底部器物拍摄相机，3C、前侧器物拍摄相机，3D、顶部器物拍摄相机，3E、右侧器物拍摄相机，3F、左侧器物拍摄相机，4A、第一器物类型识别相机，4B、第二器物类型识别相机，5A、第一人脸识别相机，5B、第二人脸识别相机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1和图2所示，具体实施主要由回形轨道1、载物小车2、六个器物拍摄相机3、两个器物类型识别相机4与两个人脸识别相机5组成；载物小车2在回形轨道1并沿回形轨道1移动行驶，且载物小车2数量根据实际需要确定；六个器物拍摄相机3以及第一器物类型识别相机4A、第二器物类型识别相机4B安装在回形轨道1侧方或者上下方，分别为正对器物顶部、底部、后侧、左侧、右侧、前侧进行拍摄的相机，第一人脸识别相机5A与第二人脸识别相机5B分别安装在回形轨道1侧方，分别为针对入场人员和出场人员拍摄的相机。本发明的回形轨道1、载物小车2、六个器物拍摄相机3与两个器物类型识别相机4均由外壳包裹，且外壳只在置物点和取物点各开有一个口子，以此避免检修人员在检测中途取走器物。
具体实施可以按照俯视顺时针方向，回形轨道1的四个角落分别为第一角落、第二角落、第三角落和第四角落：底部、后侧相机布置于回形轨道1第二角落，顶部、左侧、右侧、前侧相机布置于回形轨道1第三角落，第一人脸识别相机5A与第一器物类型识别相机4A布置于回形轨道1第一角落，第二人脸识别相机5B与第二器物类型识别相机4B布置于回形轨道1第四角落。
如图3所示，载物小车2主要由置物板2A、顶板2B、称重传感器2C、旋转电机2D、旋转齿轮2E、底板2F和轨道支架2G组成，顶板2B与底板2F均为圆环状，顶板2B与底板2F之间通过四个称重传感器2C支撑连接，四个称重传感器2C在顶板2B和底板2F之间沿圆周分布安装；置物板2A为圆形，置物板2A置于在顶板2B中心的孔端面，置物板2A下表面周围外缘设有360度的环形齿条，旋转电机2D固定于顶板2B下表面，旋转电机2D的输出轴和旋转齿轮2E同轴连接，旋转齿轮2E与置物板2A下表面的环形齿条啮合；底板2F下表面固定设有突出的轨道支架2G，且轨道支架2G嵌装连接于回形轨道1的运动皮带上，使得回形轨道1的运动皮带回转运动经轨道支架2G带动底板2F运动。旋转电机转动可以驱动置物板转动。四个轨道支架固定于底板下表面，且轨道支架嵌入安装在回形轨道的运动皮带上，从而运动皮带的运动可驱动载物小车前进。
如图2和图4所示，回形轨道1四边其中一边的轨道作为进出主轨道，进出主轨道侧方设有用于核电工作人员进出的进出场通道，进出主轨道两端的回形轨道1两个角落侧方分别设有朝向进出场通道拍摄的第一人脸识别相机5A和第二人脸识别相机5B，进出主轨道两端的回形轨道1两个角落上方分别设有朝向正下方回形轨道1拍摄的第一器物类型识别相机4A和第二器物类型识别相机4B；对称于进出主轨道另一侧的回形轨道1一边轨道作为检测轨道，检测轨道一端的回形轨道1角落安装有后侧器物拍摄相机3A和底部器物拍摄相机3B，底部器物拍摄相机3B位于回形轨道1正下方并朝向正上方，后侧器物拍摄相机3A位于回形轨道1侧方并朝向回形轨道1，后侧器物拍摄相机3A水平朝向回形轨道1并平行于检测轨道；检测轨道另一端的回形轨道1角落安装有前侧器物拍摄相机3C、顶部器物拍摄相机3D、右侧器物拍摄相机3E和左侧器物拍摄相机3F，前侧器物拍摄相机3C水平朝向回形轨道1并平行于检测轨道，顶部器物拍摄相机3D位于回形轨道1正上方并朝向正下方，右侧器物拍摄相机3E和左侧器物拍摄相机3F分别位于回形轨道1的两侧并水平朝向而垂直于检测轨道。回形轨道1在底部器物拍摄相机3B处开设镂空孔，用于底部器物拍摄相机3B拍摄。
本发明的具体实施例及其实施过程如下：
图6是本发明载物小车调整器物位姿的方法过程图，按照该过程调整器物位姿，是为保证出场时器物位姿角度与入场时相同，否则便无法开展后续的顶部图片比对与三维模型重建比对。
如图6所示，读取入场时的图像和出场时的图像，采用ORB特征提取算法对目标进行特征提取。利用ORB特征提取算法中的FAST定位器提取图像上具有旋转不变性、缩放不变性及仿射不变性的点作为特征点，再用BRISF描述子对特征点进行区分。
ORB算法处理中使用矩计算FAST特征点的方向，通过矩来计算特征点以r为半径范围内的质心，特征点坐标到质心形成一个向量作为该特征点的方向。图像中某特征点点邻域的(p+q)阶矩mpq的定义如下：
其中，I(x,y)为图像中像素点(x,y)处的灰度值；x、y表示像素坐标，x,y分别表示像素坐标，r表示半径。xp、yq分别表示x、y的p、q幂次方，p、q为取值范围在0～1之间的常量。
该矩的质心C为：
其中，m10表示x方向上的一阶矩，m01表示y方向上的一阶矩，m00表示0阶矩。m10、m01、m00的值可由上述公式计算得到。
假设角点坐标为O，则计算以下角度θ即为该特征点的方向:
利用FAST中求出的特征点的主方向θ，对特征点邻域进行旋转，由此解决能BRIEF算法的旋转不变性。在每一个特征点处，对产生的256对随机点，将其进行旋转、判别、二进制编码。
Sθ＝RθS
其中，S表示随机点位置，Sθ表示旋转后的随机点的位置，xn、yn表示坐标向量，n＝256，Rθ表示旋转矩阵。
得到新的随机点位置后，再利用积分图像进行二进制编码。控制检测特征点的数量，检测特征点并计算描述子，完成两幅图像ORB特征点的检测。使用汉明距离来度量两个特征点描述子的相似度，将图像中匹配的特征点按照匹配度排列，保留匹配度最高的特征点组成匹配点。
假设(x1,y1)是入场时的图像上的点，(x2,y2)是出场时的图像上的点，单应性矩阵H定义为：
那么使用单应性矩阵H映射两者关系：
再采用Random Sample Consensus算法对得到的匹配点进行运算，并消除误匹配，得到单应性矩阵，再根据得到的精确单应性矩阵，将出场图片所有像素映射到另一幅图片，完成入场图像与出场图像的校正。
图7是本发明对器物出入场时顶部图片的比对方法过程图，该比对产生的结果，是触发异常报警过程的条件之一。要实现两张图片比对，可采用图片相减的方式。要实现两张图片相减，则需要保证两张图片大小一致，因此本专利首先通过图6所示过程保证出入场时器物的位姿角度一致，然后通过图7所示的特征点检测与特征点匹配两步骤，保证出入场时器物在图片的同一个位置。需要说明的是，图7内的图像相减步骤，可使用matlab软件、opencv库等现成命令实现。
图8是本发明基于多相机视角的器物三维模型重建方法过程图。如图所示，设前视、后视、左视、右视、正视、下视6幅图片，分别为I1,I2,…,I6，每幅图像都有目标对象对应的可见面Si，其中Si对应Ii(i＝1,2,…,6)，则Si∩Sj为Ii与Ij的共同可见面。在每幅图片的特征点提取出来之后，将具有相同可见面的图片进行两两特征点匹配。F(i)为图片Ii的特征点，对于每一组图像对Ii,Ij，通过每个特征f∈F(i)找到最近邻的特征向量fnn进行特征点匹配：
fnn＝arg min||fi-fj'||2(i≠j)
其中，fi,fj表示目标对象空间对应点在相机Ii,Ij上的特征点。
根据特征点匹配关系得到相机Ii,Ij坐标系之间的空间转换矩阵为Mij，相机Ii,Ij的相机参数矩阵为K。之后根据Mij，K将不同坐标系下的点云整合到同一坐标系下，并进行相应的拼接。
经图8过程后，入场时器物三维模型以及出场时器物三维模型已构建完毕，接下来就是对两个三维模型进行比对，以分析是否有部分零部件遗落在核电检修区域内。两个三维模型的比对分析，由特征比对、坐标系比对、几何比对、参数比对、装配比对、比对报告输出等六个步骤组成。
相比于传统的人工检查方式，本发明不仅具有自动化程度高的优点，而且由于异常报警过程无需每次都执行，因此本发明还具有检测速度快的优点。同时，出场器物检测过程内有“出入场器物重量差值比较”和“出入场器物顶部图像分析比较”两项触发条件，因此本系统还具有漏检率低(实测为零漏检率)的优点。另外，相比于类似的系统(例如基于RFID的资产盘点系统)，本发明不仅可识别器物的数量和类型，还可详细检测到器物内的某个零部件是否有遗落。
综上所述，本发明适合布置在核电厂内机组检修区域的出入口，用以确保检修器物及其零部件没有遗落在检修区域，进而确保核电机组的安全运行。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
