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、能源和工業戰略部(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”(HAIS)，對核廢料倉庫進行定期檢查。 HAIS由NPL構思設計，使用數字圖像相關(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，但是NPL表示，它特別適合于監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，比使用傳統方法靈敏度更高。

NPL解釋說，DIC通過創建小子集圖像集，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。

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

NPL補充說，DIC測量的挑戰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，經過15年的發展，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，由于存儲庫中有數千個容器，提取和檢查這些容器單位非常耗時。因此，需要現場測量來證明存儲的安全性，一旦出現問題可以及時修復，同時保護現場工人輻射安全。 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系統是為這種特殊環境而設計的，在這種環境中，不可能使用WIFI，因此它是電纜操作，在組件之間使用數字傳輸。

當環境無光照時，可以自己照明，并且能夠穿過16米深的環境，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控關注區域，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系統的重要組成部分。開發該系統是為了確定重大變化。通過只突出顯示那些發生重大變化的區域，而最重要的是，不向操作員顯示變化很少或沒有變化的區域，從而提高了檢查效率。

NPL表示，這意味著該系統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據，以允許可靠的檢測和對黑箱決策的信心。

部署HAI監測和檢查核廢物儲存有許多優勢，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需要承受的熱量。這些度量最終將支持存儲策略。

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

該系統還提供了監測環境的工具，以提供與預測環境偏差的早期指示，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，使系統能夠提供對影響存儲設計和改善現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的歷史和經驗有助于指導NPL開發和測試HAIS系統，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，例如持續監控或定期檢查，這取決于被監控對象的性質。 NPL已經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，監控屬于英國環境署的資產。 NPL還在開發DIC應用程序，在沿著軌道移動時捕獲鐵路隧道壁上的數據，最新研發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控的大量重復對象，最好使用可以移動的單一設備。

HAIS系統的優勢是什么?

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

通過HAIS啟用的檢查和測量技術，在黑暗環境中使用現場自動化技術，在那里沒有傳統的通信信道或電源，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，以及遠程記錄數據的能力，數據可以存檔。對數據進行分析后，不同的檢查員有助于提高測量質量，消除主觀和系統偏差。節約檢查員的時間。

塞拉菲爾德有限公司高級技術經理羅伯特·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。”