基于红外图像的温度场与料面分布检测方法及监测系统技术方案

基于红外图像的温度场与料面分布检测方法及监测系统，本发明专利技术针对高炉温度场与料面分布难检测的问题，以在线反映高炉煤气流变化趋势与料面分布变化为目标，利用红外图像处理和高炉状态信息建立高炉温度场模型与料面分布模型。在此基础上建立温度场与料面分布在线监测系统，用户根据温度场模型能判断煤气流分布及偏心程度，根据料面分布模型分析布料对煤气流发展的影响，从而优化布料制度。基于该方法的监测系统具有投资少、操作直观、可靠的特点，为高炉冶炼过程中判断煤气流与料面分布提供了客观、量化的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高炉冶金过程的炉喉温度场与料面分布的检测方法及其计算机监测系统。
技术介绍
高炉生产过程是高温冶金过程，高炉温度场与炉料分布直接影响高炉内块状区的热能分布、化学反应、煤气流分布以及炉内压力，实时了解温度场变化与炉料分布对于预测煤气流的发展情况、稳定高炉操作、保证高炉炉况顺行十分关键。传统温度场与料面分布检测方法是利用十字测温、间断的人工煤气取样分析和料线探尺来间接判断的。但是这些测量手段所得数据均是高炉某个方向或者某几个不连续点的数值，在反映高炉实际的布料和煤气利用上，有一定程度的偏差。因此，在生产过程中有必要根据高炉生产的复杂性和特殊性，研究新的方法和技术克服传统温度场与料面分布检测中遇到的实时性、准确性、不确定性和非完整性等困难。目前对温度场与料面分布检测方法中，有采用炉顶热图像仪测量温度场、采用激光或者微波扫描的等方法，但是这些设备的成本较高，难以推广普及。高炉生产采用了大量各式各样的传感器来监测生产过程，但是目前大多数检测使用单一的检测设备或者进行简单的数据处理，很少考虑信息之间的关联。
技术实现思路
为了有效地解决高炉生产过程中普遍存在的高炉温度场与料面分布检测方式复杂、检测成本高、对料面分布结构难以准确及时把握、对炉内运行状况难以精确判断的问题，本专利技术提供了一种基于图像处理和状态信息的温度场与料面分布在线检测方法，采用该方法建立了基于红外图像的温度场模型和基于信息融合的料面分布模型，并且设计了一个温度场与料面分布在线监测系统。本专利技术设计提供了一种基于红外图像和状态信息的温度场与料面分布在线检测方法。(1)在线检测的硬件实现由红外摄像仪和工控机组成，通过以太网连接高炉1生产过程控制系统。(2)主要软件处理模块都运行在工控机上，包括图像采集与处理模块、OPC通信模块、温度场模型、料面分布模型、数据库、温度场与料面分布显示模块、温度场与料面分布查询模块。(3)检测工作流程主要是利用红外摄像仪、图像采集卡、工控机获得数字化的高炉工况图像信息，通过图像处理应用软件对采集的黑白图像进行识别与数字化处理，并综合布料制度、布料器和炉体参数、探尺数据等建立温度场模型和料面分布模型来描绘炉内温度场与料面分布，完成温度场分布与料面分布显示、历史温度曲线和料面分布曲线的检索等功能，存储相关的参数信息和系统状态信息。本专利技术设计建立了一种基于红外图像的温度场模型。(1)设计了基于时间尺度和空间尺度的中值滤波和均值滤波的图像预处理方法，采用基于双峰法的阈值选择策略、轮廓跟踪技术来描述高炉温度场的等温度线、伪彩图和径向温度。(2)设计了一种动态分段定标的算法，通过统计定标和自学习的方式实现高炉动态的温度分段定标。(3)设计了一种温度场的中心定标方法，通过掌握中心煤气的分布，指导高炉操作及时调整布料，防止燃烧偏心、火焰贴墙等不正常的炉况。本专利技术设计建立了一种基于信息融合的料面分布模型。(1)分析了炉料分布特性，根据炉料特性确定了料面分布的描述形式。(2)基于信息融合的思想设计了料面分布模型的流程算法。(3)根据运动学原理、图像处理技术、冶炼工艺分析和专家经验确定料面特征参数的计算。(4)根据生产经验和开炉数据修正料面模型参数估计中的公式系数；依据专家经验调整模型的料降速度，确定综合特征曲线的规则，形成对料面的完整理解。本专利技术根据提出的在线检测方法、温度场模型、料面分布模型设计了温度场与料面分布在线监测系统，具体的
技术实现思路
包括以下5个方面(1)采用伪彩色、等温线、温度场中心偏移实现温度场的在线监控。(2)采用剖面图、立体图料面分布的在线监控。(3)采用OpenGL的实现动态的料面三维显示。(4)采用OPC通讯协议，建立精确、稳定的实时通讯机制，并利用ATL技术对通讯协议进行封装。(5)监测系统的信息管理和数据查询。本专利技术温度场与料面分布在线检测方案和监测系统具有投资少、操作直观、可靠的特点，为高炉冶炼过程中判断煤气流与料面分布提供了客观、量化的依据。附图说明图1本专利技术在线检测总体结构框图；图2本专利技术温度场模型结构示意图；图3本专利技术料面描述形式示意图；图4本专利技术料面分布模型结构示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细的说明。如图1所示，安装在炉顶上的红外摄像仪把高炉内的工况转换为黑白视频图像，通过视频电缆传输到高炉控制室的工控机；工控机内的图像采集卡完成视频图像到数字图像的转换，获得数字化的高炉工况图像信息；通过图像处理应用软件对采集的黑白图像进行识别与数字化处理，并与高炉生产过程控制系统进行联网和通信，同时综合从OPC通信接口获取的其它检测信息，分别建立温度场模型和料面分布模型来描绘炉内温度场与料面分布；建立基于红外图像的温度场与料面分布在线监测系统，完成温度场分布与料面分布显示、历史温度曲线和料面分布曲线的检索功能，存储相关的参数信息和系统状态信息。温度场模型的具体内容包括红外图像的数据分析与处理技术、动态的温度分段定标技术、温度场的中心定标技术3个部分，如图2所示。(1)基于时间尺度和空间尺度的中值滤波和均值滤波的图像预处理方法来滤除图像中存在的脉冲干扰及椒盐噪声，图像滤波的流程如下Step 1采集一组图像Original，其中，k为帧号，k＝0，1，...，10，i为一帧图像的行号，j为一帧图像的列号； Step 2对一组图像采用基于时间尺度的中值滤波，即midPic＝{Original，...，Original，...，Original}的中间值，m为采样组数；Step 3对n组中值滤波图像采用基于时间尺度的均值滤波，即AvgPic=midPic+···+midPic+···+midPicn;]]>Step 4对一帧图像采用基于空间尺度的均值滤波Final=19×{AvgPic+AvgPic+AvgPic]>1]+AvgPic+AvgPic+AvgPic+AvgPic]>1]+AvgPic+AvgPic},]]>图像中边界上的点则用其附近有效的点做均值运算；Step 5输出滤波后的图像。图像的特征提取采用双峰法自动获取默认的特征分割阈值，采用二值化图像的方法获得不同特征的温度区域，通过选择相应的阈值范围进行二值化，提取不同温度的区域。考虑到项目已经有了区域的分割结果，可以直接在该二值图像上进行图像的轮廓提取，同样可以得到相应的结果。而且该结果是二值图像，二值图像的轮廓提取算法相对简单，就是掏空内部点。其方法为如果原图中有一点为黑，且它的8个相邻点都是黑色时(此时该点是内部点)，则将该点删除。实际上相当于用一个9个点的结构元素对图像进行腐蚀，再用原图像减去腐蚀图像。(2)本专利技术提出一种个基于统计概率的动态分段定标算法。其方法如下Step 1根据图像中测温点附近灰度出现的频率，将灰度分成若干等级；Step 2根据灰度的等级，在图像上提取各灰度范围对应的图像区域；Step 3统计图像中各个灰度范围对应区域包含的测温点数，其规则如下R1在确定测温点所在位置灰度时，将测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温度场与料面分布的检测方法，其特征在于：利用红外摄像仪、图像采集卡、工控机获得数字化的高炉工况图像信息，通过图像处理应用软件对采集的黑白图像进行识别与数字化处理，并综合布料制度、布料器和炉体参数、探尺数据建立温度场模型和料面分布模型，来描绘炉内温度场与料面分布，并完成温度场分布与料面分布显示、历史温度曲线和料面分布曲线的检索，实现温度场与料面分布的在线检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴敏，曹卫华，黄兆军，邬捷鹏，许永华，向婕，熊永华，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]