一種處理煤氣流中心動態跟蹤及煤氣利用率監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種處理煤氣流中心動態跟蹤及煤氣利用率監測方法。
【背景技術】
[0002] 高爐生產是在高溫、高壓條件下進行的一系列復雜的物理、化學和傳熱反應。由于 其內部冶煉是典型的"黑箱"操作，使得高爐爐喉煤氣流中心分布很難實現實時準確定位和 控制。而合理的煤氣流中心分布是保證高爐內爐料穩定下降、化學反應和熱交換正常進行 的重要條件，也是高爐穩定順行、節能降耗、增產提質的重要途徑。當前，鋼鐵企業高爐生產 都安裝了紅外攝像機，其目的是可以實時的觀察高爐煤氣流中心的位置及其變化，爐長根 據實時監控煤氣流中心紅外圖像和長期積累的經驗進行生產調控，但是，這種過分依賴于 爐長直觀經驗的生產很難實現高爐的在線控制。事實上，長期監控高爐煤氣流中心的紅外 視頻數據隱藏著大量的高爐爐況信息，只有對大量紅外視頻數據進行再處理，挖掘煤氣流 中心變化的統計規律，探索煤氣流中心變化與煤氣利用率之間的內在聯系，才能實現高爐 布料的在線控制和可視化操作、煤氣利用率的實時監測，達到提高煤氣利用率和降低焦比 的目的。現有技術一般只對異常爐況下的少量紅外圖像進行特征提取，并與十字測溫數據 進行融合，獲得不同爐況下的料面溫度場分布，其顯著缺點是：不具有統計規律，不能全面 代表復雜的高爐爐況，更沒有對煤氣流中心的具體分布特征以及中心分布對高爐產生的影 響做準確的測定。

【發明內容】

[0003] 有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種處理煤氣流中心動態跟蹤及煤氣利用 率監測方法，其能夠對大樣本紅外視頻數據進行處理，可測定煤氣流中心動態變化規律與 煤氣利用率之間的內在關系，實現煤氣利用率的實時監測。
[0004] 為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：一種處理煤氣流中心動態跟 蹤及煤氣利用率監測方法，其特征在于，包括：
[0005] 步驟一，數據采集與處理：在線采集一個月內，720小時的紅外視頻生產數據、十 字測溫數據及每小時的平均煤氣利用率，經過圖像提取獲得每秒24幀的紅外圖像數據；
[0006] 步驟二，紅外圖像處理：對步驟一獲得的紅外圖像數據進行批量疊加處理，得到每 小時3600幀煤氣流的紅外圖像，對疊加后的紅外圖像進行均值、中值濾波處理，濾除噪聲 和脈沖干擾，采用全閾值分割的方法對濾波后的圖像進行特征提取，得到煤氣流中心所在 的亮度帶區域；
[0007] 步驟三，溫度場定標：對拍攝的高爐內部料面進行旋轉計算，并結合十字測溫熱電 偶完成空間定標，得到高爐物理中心及十字測溫熱電偶在紅外圖像中的位置，統計熱電偶 附近的灰度值建立溫度與灰度的數學模型，確定溫度灰度的對應關系；
[0008] 步驟四，煤氣流中心動態跟蹤：具體過程通過以下步驟實現：
[0009] a.根據溫度與灰度的對應關系得到圖像高溫區域的閾值，通過圖像特征提取得到 煤氣流中心所在區域，根據圖像位圖流格式，對圖像中亮度帶區域的所有橫、縱坐標分別取 均值，提取每秒的煤氣流中心點坐標；
[0010] b.根據十字熱電偶及高爐物理中心在圖像上的具體位置，以圖像縱向上的兩個十 字測溫熱電偶之間的像素數為短半軸，橫向上的兩個十字測溫熱電偶之間的像素數為長半 軸，以高爐物理中心在圖像上的位置為中心，做出反映實際爐喉料面的橢圓圖形。將提取的 每秒煤氣流中心點標記在橢圓上，進行煤氣流中心偏移操作：橢圓從里到外分為第一、二、 三圈，把落在第一圈內的點設為"煤氣流中心無偏移"，落在第二圈內的點設為"煤氣流中心 偏移較小"，而落在第三圈內的點設為"煤氣流中心偏移較大"；
[0011] C.進行煤氣流中心占有率計算，計算煤氣流中心分別落在不同橢圓區域的占有 率，對煤氣流中心的動態變化進行統計量化：
[0013] 其中Nt為第t個小時提取煤氣流中心點總個數，Nlt為第t個小時落在第i圈內 的中心點個數，rlt為第t個小時落在第i圈煤氣流中心的占有率，用向量g 征第t個小時高爐煤氣流中心的分布狀態；
[0014] 步驟五，煤氣利用率監測：利用模糊C均值聚類對每小時的煤氣 流中心偏移度C= 與對應的煤氣利用率nt組成的720個向量
[0019] 其中，c為預定的類別數目，…，C)為聚類中心，\(及）€(0,1)是第i個樣 本對于第j類的隸屬度函數。
[0020] 本發明相對于現有技術具有以下突出的實質性特點和顯著的進步：
[0021] 實現簡單，該方法通過對采集的紅外圖像處理、結合十字測溫數據及高爐設計數 據進行溫度場定標，實現對料面煤氣流中心落點分布的動態跟蹤，并對煤氣流中心分布特 征及對應煤氣利用率進行分類，確定煤氣流中心變化與高爐煤氣利用率之間的關系，實現 對煤氣利用率的實時監測，能夠實時準確的識別煤氣流中心的動態變化情況以及與對應煤 氣利用率之間的關系，使高爐布料操作實現在線監測及可視化控制，具有準確率高、實時性 強、在線控制和可視化程度高的特點，為高爐進行合理的布料操作提供了可靠的數據依據， 從而降低焦比，提高生產效率，最終使高爐實現節能降耗。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明的處理煤氣流中心動態跟蹤及煤氣利用率監測方法的高爐紅外圖 像不意圖；
[0023] 圖2為本發明的圖像處理流程圖；
[0024] 圖3為本發明溫度灰度對應關系圖；
[0025] 圖4為本發明的爐喉十字測溫熱電偶分布圖；
[0026]圖5為本發明的料面旋轉圖；
[0027] 圖6為本發明的圖像上十字測溫熱電偶分布圖；
[0028] 圖7為本發明的圖像位圖；
[0029]圖8(a)為本發明的煤氣流中心偏移較小分布圖；
[0030] 圖8(b)為本發明的煤氣流中心偏移稍大分布圖；
[0031]圖8(c)為本發明的煤氣流中心偏移較大分布圖；
[0032] 圖8(d)為本發明的煤氣流中心分布均勻圖；
[0033] 圖9為本發明的分類流程圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，以使本領域的技術人員可以 更好地理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
[0035] 本發明的處理煤氣流中心動態跟蹤及煤氣利用率監測方法包括：
[0036] 步驟一，數據采集與處理：在線采集一個月內（720小時）的紅外視頻生產數據、十 字測溫數據及每小時的平均煤氣利用率，經過圖像提取獲得每秒24幀的紅外圖像數據。
[0037] 步驟二，紅外圖像處理：對步驟一獲得的紅外圖像數據進行批量疊加處理，得到每 小時3600幀（1幀/秒）煤氣流的紅外圖像，對疊加后的紅外圖像進行均值、中值濾波處 理，濾除噪聲和脈沖干擾，采用全閾值分割的方法對濾波后的圖像進行特征提取，得到煤氣 流中心所在的亮度帶區域，請參照圖2,具體過程為：
[0038] (2. 1)圖像疊加處理，由于十字測溫的采樣周期為每5秒采集一次，因此，需要把 每秒的紅外圖像進行疊加得到每秒一張紅外圖像（3600張/小時），通過大量的紅外圖像數 據的批處理，得到紅外圖像和十字測溫在同一個時間單位上的數據，并且為之后進行的溫 度與灰度定標以及識別每秒煤氣流中心的動態變化情況提供了基礎和條件。
[0039] (2. 2)圖像濾波處理，由于高爐煉鐵過程是一個高度復雜的過程，紅外圖像容易產 生噪聲和脈沖干擾，不利于圖像特征的提取，必須進行濾波處理。圖像濾波的方法有高斯濾 波、中值濾波、均值濾波等，由于高斯濾波主要用于濾除高斯噪聲，而單獨采用中值或均值 濾波效果不明顯，因此，本發明主要采用均值濾波和中值濾波共同對圖像進行處理。
[0040]Stepl:選取采集的一幀紅外圖像g(x,y)，x為一幀圖像的行號，y為一幀圖像的列 號。
[0041]Step2:對紅外圖像g(x,y)采用均值濾波，存儲到圖像gi(X，y)中，即：
[0043] Step3 :對均值濾波后的圖像gi (x, y)進行中值濾波，存儲到圖像f (x, y)中；
[0044] (2. 3)圖像閾值分割
[0045] 本發明采用全閾值分割法對濾波后的圖像進行閾值分割。設定一個圖像分割閾值T，所得到的圖像為F(x，y):
[0047] 式中f(X，y)為像素點（X，y)的灰度值，F(x,y)為分割后的圖像。通過閾值分割 將灰度圖像轉換為二值圖像。圖像閾值分割得到了煤氣流中心所在亮度帶區域。
[0048] 步驟三，溫度場定標：紅外攝像儀在拍攝內部料面圖像時，拍攝鏡頭和料面之間存 在一定的拍攝距離和傾斜角度，導致獲得的紅外圖像存在一定的傾斜變形，因此，需要對拍 攝的高爐內部料面進行旋轉計算，并結合十字測溫熱電偶完成空間定標，得到高爐物理中 心及十字測溫熱電偶在紅外圖像中的位置，統計熱電偶附近的灰度值建立溫度與灰度的數 學模型，確定溫度灰度的對應關系，請參照圖3,圖4為爐喉料面十字測溫熱電偶的分布圖， 由4根互相垂直的測溫樑組成，其中一根測溫樑較長伸至爐喉中心含有6個熱電偶，測量高 爐中心煤氣流溫度，其余三根測溫樑長度一致，每根測溫樑上均勻分布5個相同的熱電偶， 共均勻分布有21個熱電偶。為了確定高爐物理中心及十字測溫熱電偶在紅外圖像中的位 置，需要進行空間定標。
[0049] 由于紅外攝像儀在安裝時和料面存在一定的拍攝距離和拍攝角度，所獲得的圖像 存在一定的傾斜變形，為了準確得到十字測溫熱電偶在紅外圖像上的位置，需對料面進行 旋轉，如圖5所示0為紅外攝像儀，ABCD為旋轉前拍攝料面，abed為經旋轉后進入攝像儀的 料面。經過旋轉計算，得到實際料面與紅外圖像之間的對應關系，從而確定高爐十字測溫熱 電偶和高爐物理中心在紅外圖像上的具體位置，如圖6所示。
[0050] 把十字測溫檢測到的溫度值作為基準溫度，根據十字測溫熱電偶在紅外圖像中的 位置關系，統計熱電偶附近的灰度值建立溫度與灰度的數學模型，確定溫度灰度的對應關 系。
[0051] 步驟四，煤氣流中心動態跟蹤：具體過程通過以下步驟實現：
[0052] (4. 1)根據溫度與灰度的對應關系得到圖像高溫區域的閾值，通過圖像特征提取 得到煤氣流中心所在區域，根據圖像位圖流格式，對圖像中亮度帶區域的所有橫、縱坐標分 別取均值，提取每秒的煤氣流中心點坐標。
[0053] 煤氣流中心特征提取，根據高爐實際生產狀況可知，不同的煤氣流中心分布能夠 反映出高爐運行狀態及煤氣利用率。高爐爐喉料面