孟亚辉;胡立生;李建文;张锦飞
中国广播电视报
【摘 要】核电站冷源可靠性是核电安全运行的有力保障,冷源取水区域生物侵扰严重影响核安全.在研究分析核电站冷源威胁典型海生物探测手段的基础上,提出了一种基于声呐、水下摄像、水质传感器、水流传感器的多源异构本体提取方法,建立了与核电站冷源威胁特征海生物相关联的多源异构型的声学监测模型、声光复合监测模型,以及包含时空域的海生物监测模型,为核电站冷源海生物监测预警提供了一种解决方案.【期刊名称】《电力安全技术》
【年(卷),期】2019(021)003
【总页数】7页(P33-39)
【关键词】海生物探测;冷源;多源异构;监测模型
【作 者】孟亚辉;胡立生;李建文;张锦飞
【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;苏州热工研究院有限公司,江苏苏州 215004;苏州热工研究院有限公司,江苏苏州 215004
【正文语种】中 文
【中图分类】TM623
ubuntu 7.040 概述
由于工艺及安全防护需求，目前我国核电站大都建设在滨海地区。滨海核电站采取的海水循环直接冷却方式有效保证了冷却水的供给安全。但随着近几年海洋生态环境的变化，藻类等浮游生物、水母、鱼虾暴发的现象时有发生，核电站冷却水固有防护措施的应对能力呈现下降趋势。
核电站的冷源安全越来越受到各国重视，日本、韩国、法国、美国等核电大国均开展了相应对策研究，包括加强水质监测、建设拦截网、加强鼓网反冲洗能力等，在一定程度上缓解了灾害的发生，但这些措施均建立在被动防御的基础上。至于如何对取水口周边海域生
物活动情况进行监测并评估其危害程度，至今尚未建立起有效的技术方法及对策。我国部分核电站为应对海生物威胁，安装了在线监测声呐、水下摄像机等设备，可直接观察海生物活动情况；但由于缺少可靠的预警模型，海生物的活动对核电站冷源威胁程度尚难以有效判断。因此，对核电站取水口海生物活动开展多种监测方式相结合的研究，建立多源异构型数据融合模型，同时结合核电站冷源应对能力建立预警系统，为核电站冷源可靠性提高提供一种理论与技术方法，是近一段时期研究的热点。 1 探测对象与探测手段分析
1.1 探测对象分析
文献1的研究成果表明，我国核电站周边的海生物主要为浮游植物、浮游动物、游泳动物、底栖生物4大类。以某滨海核电站为例，其海生物种情况如表1所示。
表1 某滨海核电站海生物种海生物分类 潜在影响冷源系统的海生物物种浮游植物 球形棕囊藻、夜光藻和束毛藻等微型藻类浒苔等大型藻类浮游动物 水母等游泳动物 毛虾、幼虾，其他潜在暴发物种，如哈氏仿对虾、中华管鞭虾、细巧仿对虾、脊尾白虾、皮氏叫姑鱼等底栖生物 环节动物多毛类中的奇异稚齿虫等关天经济区发展规划
根据对不同种年际统计分析，以及近几年核电站拦截打捞数据，业界认为对核电站取水口造成危害的海生物主要为浮游植物(藻类)、浮游动物(水母等)、游泳动物(毛虾等)，近几年核电站冷源受到的海生物威胁案例也印证了上述结论。其原因在于核电站取水口通常面向外海，突然出现的大量浮游生物及毛虾由于其游泳能力弱、单体个体小等特点，成涌入后不易驱赶、拦截捕捞难度大，且进入核电冷源系统后难以清理。
1.2 探测手段分析
声波是最佳的水下探测与通信能量存在形式。声呐利用水声技术对水下目标进行探测、定位、跟踪和分析，在各国军事及海洋测绘领域起着重要作用。随着声呐技术的发展和进步，具有超高分辨率或超远监测距离的特殊用途声呐技术越来越成熟。核电厂取水口分布纵深较宽，海生物在暴发的季节遍及整个浅海区域，且可能伴随潮汐作用使水质不良，其生物量评估可采用主动式高分辨率声呐作为最主要的探测设备。
主动声呐探测方式具有较强的环境适应性，不仅能探测到目标，还能通过回波分析辅助估计目标数量，对决策处置有着重要意义。由于声呐的工作原理所限，在要求声呐有较广探测区间的情况下，就会牺牲声呐探测的精细度，可能造成部分回波受扰、成像不够清晰的
结果。因此，如需要判断目标类型，就需要用水下摄像机作为辅助探测手段，来进行数量估计和核实目标类型。同时，取样作为一种传统方式，可在水声探测设备及水下摄像探测设备探测过程中进行比照分析，使相关探测结果更接近实际目标值。
基于声呐与视频图像的探测能够对探测区域海生物的数量进行评估，但探测到的海生物发展趋势是否足以对核电站冷源造成威胁，则需要根据取水口洋流、潮汐活动及虹吸作用综合判断。因此，针对水母及鱼虾威胁的核电站冷源取水口海生物监测研究，应以声呐、水下摄像机、水流传感器为核心探测器，再加上水质监测数据的预测预判，来开展基于监测数据的入侵趋势预测研究工作。多源异构型核电站海生物监测技术研究路线如图1所示。
图1 核电站海生物监测技术研究路线
2 多源异构数据分类
2.1 多源异构及本体概念
随着传感器技术的发展及监测对象的复杂化，运用多种传感器针对特定任务进行监测成为测量与信息学界研究的新方向。但是多种传感器测量会导致数据的来源不同、格式迥异，
且海洋探测中还存在着空间位置不同、时域不同、难以复现等特点，因此需要准确地对异构数据在物理上和逻辑上进行集成，在统一平台上进行数据管理与调用，同时保持原始数据在原有应用中的整体性，使不同传感器采集的格式不同的数据在物理上和逻辑上融合，从而达到资源整合、信息共享的目标。
数据融合按操作级别可分为决策级融合、特征级融合和数据级融合，核电站海生物监测多源异构数据融合在决策级进行，并以本体的确定作为数据融合前提。本体是一种具有共享概念化模型的形式化规范说明，是上个世纪末信息科学领域从哲学概念中发展来的一种知识表示方法。在多源异构数据结构中，本体利用特定的语言将不同数据类型、不同表达方法的多源异构数据进行关键词提取，并建立概念化的模型，利用数学模型描述各种数据源之间的逻辑关系；规范化的数学模型语言能够被计算机识别，有助于对多源异构数据进行分析运算。
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本报内部消息2.2 核电站海生物探测器分析
核电站取水口海生物监测的主要探测器包括声呐、水下摄像机、水文类传感器等，其数据存储类型主要有：*.XTF等声呐存储格式数据，*.JPGE等图片格式数据，*.AVI等视频格式
数据，*.CSV等水文类传感器探测数据。这些数据大小不一、时空不同、包含要素信息量差异大，其中以*.XTF格式数据包含的内容最为丰富。*.XTF格式数据文件是由Triton Imaging Inc.公司定义且被地球物理声学探测广泛采用的组织格式文件，具有复杂的、多层次数据组织结构，可保存声呐通道信息和测深信息等相关信息，我国海洋调查研究中将此格式作为侧扫声呐数据文件的标准格式。
由于声呐特性所限，即使是高分辨率图像，声呐成像的质量也不高。由于核电站海生物探测过程中时常需要直观确认与判断，因此有必要设置水下摄像系统对声呐探测信息做进一步研判。水下摄像系统数据可归结为图像数据的处理。图像处理的本质是通过对图像特征点的提取、修改及完善，使图像转化为具有直接信息量及有价值信息的另一幅图像的过程。图像处理的过程包括二值化、图像增强和边缘检测。由于图像数据不具有时域特点，在核电站海生物监测系统中，图像数据的融合势必要采取与时钟叠加的实时观测方式。
水质传感器能够对盐度、水温、富营养化指标进行监测，对海生物的生长环境进行趋势判断，为核电站取水口海生物预警提供更广泛的时域性数据；基于水流传感器的取水口动力模型则能够为海生物落的活动方向提供空间域发展趋势判别方向，对海生物暴发后是否
国电物资商务网对核电站产生影响及影响程度提供预测。二者参与核电站海生物监测数据融合中，对声呐及水下摄像机探测的数据进行时域及空间域的衍变，对核电站海生物监测预警有着非常重要的作用。
3 多源异构海生物监测模型的建立
3.1 本体及其数据重构模型
3.1.1 本体模型的构建
基于特定需求的核电站取水口海生物监测，设备主要包括声呐、水下摄像机、水质传感器、水流传感器等，监测设备及监测信息如表2所示。4种传感器包含4个不同应用领域特征，开展多源异构数据融合过程中首先需进行领域本体模型的构建。
表2 海生物监测设备及监测信息监测设备 监测信息声呐 时间、位置、测量斜距、量程、采样点摄像机 灰度、形态水质传感器 水温、盐度、富营养指标水流传感器 流速、流向
领域本体是一种可跨平台使用的、面向对象的知识进行表述的词和术语定义，包括对象的
特征、推理规则、限制条件等。实现方法中最著名的七步法是由美国斯坦福大学首先提出的。核电站取水口海生物监测不同于一般的数据挖掘，它是基于目标的数据筛选与重新构建，因此领域本体的提取流程具有特定方式，其逻辑关系如图2所示。
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