一種基于圖像處理的火炬監測方法

王昶文，劉振興

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢，430081)

火炬系統是煉油廠和石油化工廠中重要的安全和節能環保設施，主要用于處理生產裝置在日常運行、開停工、非正常生產及緊急狀態下無法進行有效回收的可燃氣體，也用于燃燒生產過程中排放的有毒廢氣，以避免對環境造成污染[1-2]。火炬的正常點火和點火后的正常燃燒是火炬系統順行的重要保障。

火焰探測技術與信號處理、人工智能和自動控制技術有著廣泛的交叉和融合，同時智能探測、智能監控和抗干擾算法的應用又使火焰探測技術進入了一個全新的發展時期[3-4]。基于視頻的火焰監測系統是一種以計算機為核心、結合光電技術和計算機圖像處理技術而形成的火焰自動監測報警系統[5]。利用攝像設備獲取監控場景的視頻信息，通過計算機不斷地對視頻圖像進行處理和分析，以圖像特征為判據來識別其中是否存在火焰以及燃燒程度如何，進而調節火炬筒體內氮氣、蒸汽等流量，使火炬得到穩定、可靠的控制。

TAL9509系列產品是目前石油、化工、天然氣等企業廣泛使用的火炬自動點火系統，其將亞格布電梯發弧原理成功應用于終端產品，并輔以PC機和PLC控制系統，在關鍵技術上得以突破，實現了自動點火管理[6]。本文基于TAL9509系統，應用圖像處理技術，針對現有火炬監測系統存在的不足進行改進，以期實現對火焰的實時監控，保證火炬安全、環保地正常燃燒。

1 火炬系統介紹

1.1 火炬裝置

常見火炬裝置有封閉式地面火炬、開放式地面火炬、高架火炬等，與前兩者相比，高架火炬具有造價便宜、使用范圍廣、操作方便等優點，是目前使用最為廣泛的火炬裝置[7]。一個典型的高架火炬裝置由火炬頭、長明燈、點火器、氣體密封器、火炬筒、水封罐、分液罐等工藝設備組成。高架火炬支撐方式可分為塔架式、拉索式和自立式3種。高架火炬有蒸汽、鼓風、合成氣、音速、蓄熱、伴燒等多種助燃方式。

1.2 火炬自動點火系統

圖1所示為TAL9509火炬自動點火系統的配置。當燃氣排放且火炬總管內的流量信號升高到給定值時，由PLC和PC機等組成的控制系統控制高壓發生器和調理器輸出高壓電，使高空點火器內的電梯發生裝置產生面狀電弧火源，并打開高壓燃氣電磁閥向高空點火器內噴入燃氣，燃氣與空氣混合后被點燃，自高空點火器頂部噴出火焰，并引燃火炬頂部的排放氣體[8]。火炬點燃后，現有的監控系統主要采用基于感光原理的紫外線探測器獲取火焰信號，反饋給控制系統，停止向高空點火器供給高壓電和燃氣，點火過程完成，系統處于監控狀態[9]。上述系統實質上是一個開環系統，點燃火炬后就不再關注火焰大小及其他因素與火焰燃燒程度的關系。

圖1 TAL9509火炬自動點火系統配置

1.3 火焰監測系統

由于紫外線探測器只能探測火焰是否存在，而燃燒狀態的監測需要視頻或圖像信號，為此已有部分企業加裝攝像機拍攝火炬圖片，然后將圖片傳到操作室的上位機。由于沒有采用圖像自動識別技術，只能由值班人員靠人工經驗進行判斷，再由異地的操作人員手工調節閥門以改變氮氣、蒸汽的流量，實現火焰的人工控制。這種火焰控制方法容易受到操作工的精神狀態和異地操作等因素影響，實時性差，可能因判斷不準確或調整不及時而造成安全隱患和環境污染。

如果利用攝像設備獲取的監控場景視頻信息，對圖像進行分析處理，以圖像特征為判據來識別火焰的燃燒程度，從而構成閉環控制系統，就可以克服人工辨識帶來的缺陷，實現火炬系統穩定、可靠的控制。

2 火炬監測方法的改進

2.1 火焰圖像處理方法

由于工業火炬的特殊燃燒環境，其火焰有面積不穩定、重心不穩定、邊緣不穩定等特點。火炬在燃燒過程中，難免會有因燃燒不充分所產生的大量黑煙，既帶來安全隱患，也導致環境污染。考慮到火炬充分燃燒時產生的黑煙量很少，如果利用攝像頭不斷掃描火炬燃燒環境，每隔一段時間截取一幅圖像，那么圖像中黑煙面積的比例就在很大程度上反映了這個時間點的火炬燃燒狀況[10]。

因此，本文提出一種基于圖像處理的火炬火焰是否充分燃燒的判定方法。通過將圖像灰度化而有效提取黑煙面積和火焰面積，將二者之比作為監測量。經過大量實驗獲取判斷閾值，一旦監測量超過有效閾值，則啟動氮氣、蒸汽控制閥門，調整火焰燃燒狀態。

對單幅火焰圖像的處理步驟如下：

(1)對火炬火焰圖像G進行預處理并計算黑煙面積S1。先對G進行灰度化處理，然后設定閾值Thg1進行二值化處理得到圖像G1，對G1中的黑色像素點進行數量統計得到值M。

(2)計算G中火焰和黑煙的總面積S2。將G1轉化為R、G、B三通道顯示。設定分割閾值Thg2，按式(1)對B分量圖像Gb進行處理得到Gb1，統計Gb1中黑色像素點的數量得到值N[11]。

(1)

(3)計算黑煙比重P=S1/S2=M/N。

(4)設定燃燒狀態閾值D，判定該時間點火炬是否充分燃燒。如果P≤D，則火焰處于充分燃燒狀態，否則火焰處于未充分燃燒狀態。

步驟(1)中圖像G1的黑色像素即為黑煙部分，步驟(2)中選取B通道分量進行處理是因為火炬圖像的背景為藍色，在B通道分量圖像中背景區域和其他區域(火焰和黑煙)會有更明顯的區分，根據經驗合理設定Thg2后，圖像Gb1中的黑色像素即為火焰和黑煙部分。

2.2 火焰圖像處理實例

圖像處理程序的編譯運行環境為Matlab7.8.0，處理對象為白天采自某化工廠高架火炬的分辨率為415×513的彩色數字圖像，按前述步驟對圖像進行處理。通過大量圖片處理發現，Thg1=0.9時二值化效果較好。原圖G經預處理后得到二值圖像G1，如圖2所示，對比原圖可看出，G1中黑色像素部分即為黑煙部分。

(a)原圖G(b)二值圖像G1

圖2二值化處理前后的火焰圖像

Fig.2Flameimagesbeforeandafterbinarizationprocessing

為了準確計算火焰和黑煙總面積，對圖像G1分別進行R、G、B三通道處理，如圖3所示。與R通道和G通道分量圖像相比，B通道分量圖像Gb中火焰和黑煙區域與背景區域(天空)的灰度差別更為明顯，這是由于背景區域多為藍色調，因此在B通道分量中對應的背景區域灰度值更高。將Gb按設定閾值Thg2(經多次試驗確定為150)進行分割處理得到圖像Gb1，對比原圖G可以看到其中黑色像素點即為火焰和黑煙區域。

(a)R通道 (b)G通道

(c)B通道(Gb) (d)Gb1

圖3火焰的三通道分量圖像

Fig.3Three-channelseparationimagesofflame

2.3 火炬燃燒自動控制策略

由于火炬火焰的特殊性，需要根據多幀圖像的處理結果進行燃燒狀態判斷。不同的火炬氣燃燒會有不同的狀態，在此設定火炬正常燃燒時黑煙面積占總面積的比例閾值D=0.34。連續拍下多幀火焰圖像，計算每幀圖像中黑煙面積占總面積的比例P，并與閾值D進行對比。設定好定時器、計數器并進行循環檢測。以時間段Tset內的超標圖像幀數給定值N1作為輸入，以火炬燃燒監測結果N2作為反饋變量，將二者的比較值ΔN經D/A轉換后用于對氮氣、蒸汽調節閥進行控制，構成閉環自動控制系統，如圖4所示。

圖4基于圖像處理的火炬閉環控制

Fig.4Closed-loopcontrolofflarebasedonimageprocessing

3 結語

本文針對TAL9509火炬自動點火系統，提出一種基于圖像處理的火炬監測改進方案。通過對攝像頭攝取的火焰圖像進行分析處理，判斷火炬是否正常燃燒，將判斷結果用于調節火炬筒體內的氮氣和蒸汽流量，以實現對火炬穩定、可靠的閉環自動控制。

本文對火炬監測系統的改進處于初步研究階段，還有許多方面需要完善和深化。例如，如何在夜晚或惡劣天氣條件下對火炬燃燒狀態進行判定，如何獲取圖像處理算法中更為精確的分割閾值等，這些都有待于進一步研究。

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