摘要：檢測(cè)儀應(yīng)用圖像處理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，依照燒結(jié)看火工對(duì)燒結(jié)礦FeO含量的判斷方法，用CCD攝像機(jī)采集燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像，對(duì)所采集的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并提取特征，再由根據(jù)燒結(jié)看火工的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像樣本分類識(shí)別，最后給出相應(yīng)的FeO含量等級(jí)。
燒結(jié)礦是煉鐵的主要原料，燒結(jié)礦質(zhì)量的好壞，對(duì)高爐冶煉性能影響很大。在燒結(jié)礦的質(zhì)量指標(biāo)中，氧化亞鐵(FeO)含量是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，它代表了燒結(jié)礦的還原性。在生產(chǎn)中適當(dāng)降低燒結(jié)礦中的FeO含量，并提高其穩(wěn)定性，既可以保證燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度和低溫還原粉化性能，又改善了燒結(jié)礦的還原性，使燒結(jié)礦的冶金性能得到改善。這樣，既有利于高爐降低焦比，又使燒結(jié)生產(chǎn)固體燃料消耗降低。因此，燒結(jié)礦中FeO含量的檢測(cè)和控制對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)有著十分重要的意義。目前，燒結(jié)礦FeO含量的檢測(cè)方法主要有4種：化學(xué)分析法、磁導(dǎo)率法、廢氣分析法和燒結(jié)機(jī)尾直觀觀察法。
在我國(guó)大多數(shù)燒結(jié)廠，燒結(jié)礦FeO含量的在線檢測(cè)主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)，也就是由燒結(jié)看火工在燒結(jié)機(jī)尾對(duì)燒結(jié)餅斷面直觀觀察，然后憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)燒結(jié)礦FeO含量做出判斷，給出FeO含量的范圍。雖然國(guó)內(nèi)一些大型燒結(jié)廠已在燒結(jié)機(jī)尾安裝了工業(yè)電視系統(tǒng)，看火工可以通過工業(yè)電視觀察機(jī)尾斷面，但仍需看火工進(jìn)行判斷。
我們利用圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了燒結(jié)礦FeO含量在線檢測(cè)儀，可以代替看火工來完成這項(xiàng)工作，在線判斷燒結(jié)礦FeO含量。判斷結(jié)果分為4等：(1)含量低；(2)含量正常；(3)含量偏高；(4)含量高。
1 檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)及工作原理
燒結(jié)礦FeO含量智能檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，圖像采集系統(tǒng)由1臺(tái)黑白CCD攝像機(jī)、濾光片、圖像采集卡和PC機(jī)組成。圖像采集系統(tǒng)的附屬設(shè)備包括風(fēng)反吹水冷套，空氣過濾器，控制攝像時(shí)刻的采樣開關(guān)，照明光源等。
檢測(cè)儀的工作分為自動(dòng)采樣、圖像處理和圖像識(shí)別3個(gè)階段。當(dāng)臺(tái)車每次到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，采樣開關(guān)發(fā)出信號(hào)給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制圖像采集系統(tǒng)捕捉燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像；在圖像處理階段，對(duì)燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像進(jìn)行平滑、分割和標(biāo)注處理，提取特征；在圖像識(shí)別階段，由上一步提取的圖像特征，采用根據(jù)燒結(jié)看火工(專家)的經(jīng)驗(yàn)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像樣本分類，最后給出相應(yīng)的FeO含量等級(jí)。工作原理如圖2所示。
2 燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像處理與特征提取
總結(jié)燒結(jié)看火工觀察燒結(jié)機(jī)尾斷面特征判斷FeO含量的方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)比較，我們?yōu)樽R(shí)別燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像設(shè)計(jì)了2個(gè)特征：燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像中紅火層區(qū)域內(nèi)燒結(jié)氣孔面積平均值
和氣孔內(nèi)部火焰亮度平均值
，即圖像的特征向量為
設(shè)一幅燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像上燒結(jié)氣孔的個(gè)數(shù)為n，各個(gè)燒結(jié)氣孔的面積(以象素個(gè)數(shù)表示)為Si(i=1，2，…，n)，燒結(jié)氣孔內(nèi)部火焰的亮度為fij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，ni)，ni是第i個(gè)燒結(jié)氣孔的象素個(gè)數(shù)(ni=Si)，則燒結(jié)氣孔面積平均值
定義為
燒結(jié)氣孔內(nèi)部火焰亮度平均值定義為
根據(jù)以上確定要提取的燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像特征及圖像特點(diǎn)，對(duì)圖像采取如下處理：①自適應(yīng)平滑算法平滑燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像；②基于尋谷法和矩保持法的自適應(yīng)(局域)閾值法分割燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像；③兩次掃描法對(duì)分割后的燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像(二值圖像)進(jìn)行標(biāo)注。在以上3個(gè)步驟處理圖像后，即可由式(1)、(2)計(jì)算圖像的特征向量：
機(jī)尾斷面圖像處理結(jié)果如圖3所示。
(a)燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像，256象素×256象素，256級(jí)灰度；(b)用自適應(yīng)平滑算法平滑后的圖像；(c)用基于尋谷法和矩保持法的自適應(yīng)閾值分割后的圖像；(d)圖3(a)的灰度直方圖；(e)圖3(b)的灰度直方圖
圖3示例檢測(cè)儀的圖像處理工作過程：圖3(a)為CCD攝像機(jī)攝取的燒結(jié)機(jī)尾斷面細(xì)節(jié)圖像，CCD攝像機(jī)鏡頭焦距50mm，攝像距離3m，圖像對(duì)應(yīng)的實(shí)際斷面面積為265mm×200mm。由于現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾，在檢測(cè)儀中采用自適應(yīng)平滑算法對(duì)原始圖像圖3(a)進(jìn)行平滑濾波，結(jié)果如圖3(b)。為了提取式(1)、(2)設(shè)計(jì)的圖像特征，下一步采用基于尋谷法和矩保持法的自適應(yīng)(局域)閾值法分割圖3(b)，結(jié)果如圖3(c)。最后用兩次掃描法對(duì)分割后的燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像圖3(c)進(jìn)行標(biāo)注，根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算圖像特征。
3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像的識(shí)別
檢測(cè)儀對(duì)燒結(jié)礦FeO含量的判別基于燒結(jié)看火工的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，考慮到生產(chǎn)工藝要求以及看火工的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)儀給出的結(jié)果是定性的分類。根據(jù)本鋼第二煉鐵廠燒結(jié)生產(chǎn)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，燒結(jié)礦FeO含量范圍在7％～18％之間，將判別結(jié)果分成4等，對(duì)應(yīng)的FeO含量范圍為：FeO含量低(等級(jí)1，7％≤w(FeO)〈9％；含量正常（等級(jí)2.9%≤w(FeO)<11%）；含量高（等級(jí)3,11%≤w(FeO)<13%）；含量很高（等級(jí)4,w(FeO)13%）。與此對(duì)應(yīng)，檢測(cè)儀采集到的燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像也分成4類，檢測(cè)儀對(duì)燒結(jié)礦含量的判別也就是對(duì)燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像的分類識(shí)別。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于模仿生物大腦的結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)成的一種信息處理系統(tǒng)，具有很好的聯(lián)想記憶功能、自學(xué)習(xí)性、自適應(yīng)性和容錯(cuò)性，很適合解決分類識(shí)別問題。目前在實(shí)際問題中應(yīng)用最廣泛、最成熟的是BP網(wǎng)。我們采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為識(shí)別分類器對(duì)燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像進(jìn)行分類識(shí)別。
3.1 燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像識(shí)別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
式(1)、(2)中，由燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像提取的特征構(gòu)成了對(duì)圖像進(jìn)行分類識(shí)別的基礎(chǔ)，將其作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入(2個(gè)神經(jīng)元)，燒結(jié)礦FeO含量等級(jí)為網(wǎng)絡(luò)的輸出(1個(gè)神經(jīng)元)，一層隱含層(4個(gè)神經(jīng)元，變換函數(shù)為S型函數(shù))，則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.2 燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像識(shí)別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練
為了成功地開發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生訓(xùn)練樣本集是第1步，也是十分重要和關(guān)鍵的一步。這包括原始數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)分析、變量選擇以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理，只有經(jīng)過這些步驟后，才能對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。
網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)必須滿足兩個(gè)條件：數(shù)據(jù)組中必須包含全部模式；在每一個(gè)類型中還應(yīng)該考慮隨機(jī)噪聲的影響。
對(duì)于我們的應(yīng)用，采用如下方法建立網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集：
(1)采集燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像樣本，計(jì)算圖像樣本的特征值(
和
)，再由燒結(jié)看火工(燒結(jié)專家)觀察采樣時(shí)刻燒結(jié)機(jī)尾斷面，判斷燒結(jié)礦FeO含量等級(jí)，此FeO含量等級(jí)即為該圖像樣本對(duì)應(yīng)的燒結(jié)礦FeO含量等級(jí)。
(2)重復(fù)第(1)步N次，得到N組數(shù)據(jù)(圖像樣本的特征數(shù)據(jù)和相應(yīng)的燒結(jié)礦FeO含量等級(jí))作為網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集，要使其中包含4個(gè)等級(jí)樣本。
(3)對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為了避免特征量綱對(duì)分類造成的影響，利用極差將樣本原始特征數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。在一批樣本中每個(gè)特征的最大值與最小值之差為這個(gè)特征的極差，例如對(duì)特征，
,其N個(gè)數(shù)據(jù)的極差R為
利用極差對(duì)特征進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：
網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練采用有教師的訓(xùn)練方法。采用這種方法，每一組用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)中，輸入值都有相應(yīng)的輸出值。將輸入值輸入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過計(jì)算得到輸出值，與訓(xùn)練數(shù)據(jù)中相應(yīng)的輸出值進(jìn)行比較。在一批訓(xùn)練數(shù)據(jù)依次輸入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)得到一組輸出值與訓(xùn)練數(shù)據(jù)中相應(yīng)的輸出值之間的誤差，然后網(wǎng)絡(luò)根據(jù)平均誤差修正各處理單元連接的權(quán)重。網(wǎng)絡(luò)再輸入下一批訓(xùn)練數(shù)據(jù)，新的權(quán)重應(yīng)使訓(xùn)練所得誤差值減小。如此反復(fù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差小于一定值時(shí)，完成訓(xùn)練。
由于我們應(yīng)用的樣本共有4種模式，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)每組數(shù)據(jù)包含4個(gè)樣本(每一FeO含量等級(jí)各1個(gè))，作為一批訓(xùn)練數(shù)據(jù)，按上述方法進(jìn)行訓(xùn)練。
4 檢測(cè)儀的運(yùn)行及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果
檢測(cè)儀在線工作時(shí)，對(duì)采集的燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像進(jìn)行平滑、分割和標(biāo)注，然后計(jì)算特征，再由經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像識(shí)別。這樣根據(jù)圖像所屬類別就給出本次FeO含量等級(jí)。同時(shí)考慮到生產(chǎn)的連續(xù)性，為避免隨機(jī)因素造成判斷誤差，還要進(jìn)行多次判斷的綜合，即連續(xù)采集N幅燒結(jié)機(jī)尾斷面圖像(對(duì)應(yīng)連續(xù)的N節(jié)臺(tái)車)，每幅圖像給出一次判斷，N次判斷中出現(xiàn)次數(shù)最多的FeO含量等級(jí)作為當(dāng)前時(shí)刻的判斷結(jié)果(實(shí)際運(yùn)行中取N=10)。
為了檢驗(yàn)本檢測(cè)儀器的性能，我們?cè)诒句摰诙掕F廠3＃燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)歷時(shí)15d，每天上午7點(diǎn)30分至下午3點(diǎn)30分(白班)試驗(yàn)8h。每隔20min由燒結(jié)工觀察一次機(jī)尾斷面，判斷FeO含量，并和檢測(cè)儀顯示結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，共進(jìn)行了320次試驗(yàn)，檢測(cè)儀結(jié)果和燒結(jié)看火工判斷結(jié)果對(duì)比，符合率為825％。當(dāng)化驗(yàn)室給出FeO含量的化學(xué)分析結(jié)果時(shí)，和當(dāng)前時(shí)刻前2h檢測(cè)儀顯示結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，共進(jìn)行了43次試驗(yàn)，符合率為721％，
從上述試驗(yàn)結(jié)果可看出，檢測(cè)儀給出的質(zhì)量信息與燒結(jié)工判斷的符合率較好。
5 結(jié)束語
在燒結(jié)機(jī)尾對(duì)燒結(jié)礦中FeO含量實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。我們研制的燒結(jié)礦FeO含量檢測(cè)儀采用圖像處理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)證明我們采用的方法可行，檢測(cè)儀設(shè)計(jì)合理。今后進(jìn)一步總結(jié)看火工經(jīng)驗(yàn)，增加圖像的模式特征，如考慮圖像氣孔區(qū)的紋理特性等，同時(shí)采集生產(chǎn)參數(shù)，如燒結(jié)原料的配料比、焦炭含量、配水量等，進(jìn)行綜合判斷，檢測(cè)儀的檢測(cè)效果將會(huì)進(jìn)一步提高。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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