英國國家物理實驗室(NPL)是英國的國家計量部門，是一家由商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部(BEIS)所有的公營公司，負責制定和維護國家主要計量標準，提供國家計量基礎設施，并代表BEIS提供英國的“計量戰(zhàn)略”，提供國家所需的測量能力。

位于英國泰丁頓的NPL總部

NPL首席研究科學家Nick McCormick博士表示：“NPL致力于開發(fā)技術，以減少測量的主觀性誤差，并最大限度地減少人為因素影響。自動化確保檢查員能夠專注于潛在關注的領域，并利用他們的技能有效地對情況進行準確評估。”

今年，NPL向塞拉菲爾德有限公司部署了“高精度檢查系統(tǒng)”(HAIS)，對核廢料倉庫進行定期檢查。 HAIS由NPL構思設計，使用數(shù)字圖像相關(DIC)技術分析圖像集，并量化隨時間的變化。

這種成像技術以前曾用于鐵路、航空航天和石油天然氣等行業(yè)，但是NPL表示，它特別適合于監(jiān)測不同材料的完整性和狀況，可以通過該技術檢查核材料的變化，比使用傳統(tǒng)方法靈敏度更高。

NPL解釋說，DIC通過創(chuàng)建小子集圖像集，在像素級別檢查兩個圖像。

應用x/y位移、應變、剪切和曝光差異后，比較這些圖像的累積差異。

使用優(yōu)化技術，為圖像的每個小子集找到這些參數(shù)的最佳擬合，從而生成位移、應變剪切和相關系數(shù)的完整測量。

NPL補充說，DIC測量的挑戰(zhàn)之一是控制攝像機的位置，以減少視差效應，并提供攝像機充分可再現(xiàn)的位置和方向，允許DIC中斷部署。

二、應用過程

DIC自20世紀80年代中期開始使用，經(jīng)過15年的發(fā)展，尤其是高分辨率成像和計算技術的進步，使其測量水平不斷提高。

DIC一直未廣泛推廣使用，在NPL推廣工作下，已確定該技術在各種土木工程結構(如隧道和核存儲)中的用途。HAIS系統(tǒng)是一個精密的機器人平臺，可以用高質量的圖像進行高精度、可重復的圖像采集，因此可以用來檢查儲存中的核廢料產品。

多年來，封裝的廢物產品一直儲存在塞拉菲爾德有限公司現(xiàn)場，在未來十年，從乏燃料池和筒倉回收，將產生更多的廢物。隨著塞拉菲爾德有限公司發(fā)展成為核電廢物管理和修復場所，預計核廢料產品的范圍也將隨之增加。 為了安全儲存，必須對廢物儲存庫及其關鍵屬性進行檢查。

然而，由于存儲庫中有數(shù)千個容器，提取和檢查這些容器單位非常耗時。因此，需要現(xiàn)場測量來證明存儲的安全性，一旦出現(xiàn)問題可以及時修復，同時保護現(xiàn)場工人輻射安全。 HAIS可以定期檢查低放射性廢物倉庫，深度可達16米。HAIS將攝像頭垂直部署到檢查口，并在廢物倉庫內預設點拍攝一系列圖像。

塞拉菲爾德使用的HAIS系統(tǒng)是為這種特殊環(huán)境而設計的，在這種環(huán)境中，不可能使用WIFI，因此它是電纜操作，在組件之間使用數(shù)字傳輸。

當環(huán)境無光照時，可以自己照明，并且能夠穿過16米深的環(huán)境，同時捕獲高質量的圖像。 檢查期間，HAIS使用DIC分析以前的圖像集，并量化隨時間的變化，包括腐蝕、移動、振動和進水，分析出腐蝕、開裂和部件損失情況。 然后可以突出顯示和監(jiān)控關注區(qū)域，或者進行更仔細的檢查，因為位置已準確記錄。

三、對于操作員的意義

操作員是HAIS系統(tǒng)的重要組成部分。開發(fā)該系統(tǒng)是為了確定重大變化。通過只突出顯示那些發(fā)生重大變化的區(qū)域，而最重要的是，不向操作員顯示變化很少或沒有變化的區(qū)域，從而提高了檢查效率。

NPL表示，這意味著該系統(tǒng)能做計算機最擅長的事情：識別變化。 然后，它讓人類操作員就變化的性質和意義做出決定。這允許與當前的安全案例進行比較核對，需要熟練的檢查員確定，不需要無聊地調查沒有變化的區(qū)域。 使用機器學習的替代技術代替人工操作是可能的，但在實踐中，它們需要太多關于不同類型缺陷的數(shù)據(jù)，以允許可靠的檢測和對黑箱決策的信心。

部署HAI監(jiān)測和檢查核廢物儲存有許多優(yōu)勢，包括更好地了解儲存核材料的演變及其如何影響長期安全儲存。

例如，通過現(xiàn)場測量材料的特性，可以更好地了解材料產生的熱量以及存儲系統(tǒng)需要承受的熱量。這些度量最終將支持存儲策略。

對于現(xiàn)有存儲，HAIS能夠更好地了解存儲環(huán)境如何在不同廢物包裝的一系列場景下發(fā)生變化。準確的現(xiàn)場測量增加了環(huán)境的可預測性，因此有助于推斷核廢料變化。

該系統(tǒng)還提供了監(jiān)測環(huán)境的工具，以提供與預測環(huán)境偏差的早期指示，包括溫度、濕度和氯化物。了解一系列產品的長期最佳儲存條件，使系統(tǒng)能夠提供對影響存儲設計和改善現(xiàn)有存儲條件至關重要的信息。

四、廣泛的應用

塞拉菲爾德核電現(xiàn)場的燃料儲存池

在其他土木工程結構中使用DIC的歷史和經(jīng)驗有助于指導NPL開發(fā)和測試HAIS系統(tǒng)，包括公路和鐵路結構、石油和天然氣工廠，但一些測量方法更加多樣化——NPL表示，它甚至使用DIC技術來測量工廠生產線的巧克力凝固情況。

顯然，部署HAI也有不同的選擇，例如持續(xù)監(jiān)控或定期檢查，這取決于被監(jiān)控對象的性質。 NPL已經(jīng)展示了一種可供選擇的固定攝像機，該攝像機可以間歇進行測量，監(jiān)控屬于英國環(huán)境署的資產。 NPL還在開發(fā)DIC應用程序，在沿著軌道移動時捕獲鐵路隧道壁上的數(shù)據(jù)，最新研發(fā)結果是使用移動電話內的攝像頭進行可重復測量，可用于監(jiān)控船舶防水壁等。

NPL表示，這兩種策略都是可行的，但一般來說，對于像塞拉菲爾德那樣需要間歇性監(jiān)控的大量重復對象，最好使用可以移動的單一設備。

HAIS系統(tǒng)的優(yōu)勢是什么?

使用DIC有望提高整個塞拉菲爾德公司現(xiàn)場效率，因為它能夠檢測到非常小的變化，并且比使用傳統(tǒng)的手動檢查技術要快得多。

通過HAIS啟用的檢查和測量技術，在黑暗環(huán)境中使用現(xiàn)場自動化技術，在那里沒有傳統(tǒng)的通信信道或電源，并允許檢測意外退化的跡象。 此外，NPL指出了測量的客觀性質，以及遠程記錄數(shù)據(jù)的能力，數(shù)據(jù)可以存檔。對數(shù)據(jù)進行分析后，不同的檢查員有助于提高測量質量，消除主觀和系統(tǒng)偏差。節(jié)約檢查員的時間。

塞拉菲爾德有限公司高級技術經(jīng)理羅伯特·伯納德博士說：“塞拉菲爾德有限公司很高興致力于引進新技術，以支持我們降低國家委托的特殊核材料儲存風險的使命。NPL等科學組織與我們合作，確保我們在部署核存儲技術安全方面處于領先地位。”