基于熱紅外測溫技術(shù)的高溫熔融金屬罐動(dòng)態(tài)測溫系統(tǒng)

方勃 胡昕 羅濤 張夢輝 明平壽

摘要：為提升鋼鐵企業(yè)在鐵水、鋼水等高溫熔融金屬生產(chǎn)過程中金屬罐容器的安全性，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于熱紅外測溫技術(shù)的動(dòng)態(tài)測溫系統(tǒng)，系統(tǒng)在液態(tài)金屬生產(chǎn)區(qū)域的鐵路運(yùn)輸沿線、轉(zhuǎn)爐爐前、連鑄區(qū)進(jìn)行熱紅外監(jiān)控?cái)z像頭布點(diǎn)，對液態(tài)金屬生產(chǎn)過程中鐵水罐、鋼水罐、轉(zhuǎn)爐等各類高溫熔融金屬罐進(jìn)行全流程實(shí)時(shí)熱紅外視頻監(jiān)控，系統(tǒng)后臺應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，對紅外監(jiān)控視頻流中經(jīng)過的高溫金屬罐進(jìn)行動(dòng)態(tài)識別與捕捉，應(yīng)用文字識別技術(shù)獲取罐號，自動(dòng)分析物體輪廓并找到金屬罐表面溫度最高點(diǎn)，提前發(fā)現(xiàn)事故隱患并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了對液態(tài)金屬生產(chǎn)過程中的高溫金屬罐的全過程的自動(dòng)化、無人化監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：熱紅外測溫;機(jī)器視覺;液態(tài)金屬

中圖分類號：TP391.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）10-0000-00

0 引言

鐵水罐、鋼水罐、轉(zhuǎn)爐等各類高溫熔融金屬罐是鋼鐵企業(yè)在液態(tài)金屬生產(chǎn)過程使用到的重要設(shè)備，其安全性關(guān)乎整個(gè)生產(chǎn)秩序的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。鐵水、鋼水這些高溫金屬液體在冶煉、轉(zhuǎn)運(yùn)、制造和加工處理過程中，一旦金屬罐容器發(fā)生耐火材料破損、脫落等缺陷，則極易發(fā)生泄露、爆炸，造成燒傷、燒死、或者高溫窒息等事故。金屬罐容器安全始終貫穿液態(tài)金屬風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控主線，杜絕事故發(fā)生，發(fā)展智慧鋼鐵智能制造，是鋼鐵企業(yè)重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容[1]。

高溫熔融金屬罐的耐火材料缺陷用肉眼從其外觀并不容易直接觀察到，一種方法是罐體上安裝大量的溫度傳感器[2]，但這種方法只能用于轉(zhuǎn)爐這種固定容器，而不能用于鐵水罐、鋼水罐這種需要運(yùn)輸和起吊的容器，并且只能測固定的幾個(gè)點(diǎn)，對容器表面隨機(jī)出現(xiàn)的高溫點(diǎn)無法有效防范;還有一種方法是采用人工參與的紅外測溫[3-5]，安排工作人員在固定場合的工作現(xiàn)場停止金屬罐運(yùn)動(dòng)，然后用手持熱紅外成像測溫儀或者紅外攝像頭對金屬罐進(jìn)行表面測溫，通過觀察罐體表面溫度分布，檢查是否存在異常高溫點(diǎn)，從而提前發(fā)現(xiàn)缺陷的存在，檢查完后對金屬罐放行，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，而且也無法反映整個(gè)液態(tài)金屬生產(chǎn)過程中的金屬罐的動(dòng)態(tài)溫度情況，因此存在較大的安全漏洞。

本系統(tǒng)綜合應(yīng)用熱紅外測溫、機(jī)器視覺等先進(jìn)技術(shù)，在液態(tài)金屬生產(chǎn)區(qū)域的鐵路運(yùn)輸沿線、轉(zhuǎn)爐爐前、連鑄區(qū)等液態(tài)金屬生產(chǎn)過程中涉及到的各種金屬罐必經(jīng)之處進(jìn)行熱紅外監(jiān)控?cái)z像頭布點(diǎn)，通過智能化數(shù)據(jù)分析后臺對熱紅外視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)了對鐵水罐、鋼水罐、轉(zhuǎn)爐等各類高溫熔融金屬罐的動(dòng)態(tài)識別與捕捉、實(shí)時(shí)測溫、自動(dòng)報(bào)警，充分滿足了鋼鐵企業(yè)對金屬罐安全進(jìn)行全流程自動(dòng)化、無人化監(jiān)測的需求，同時(shí)也極大提升了液態(tài)金屬生產(chǎn)過程的安全性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)查詢接口、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析后臺、熱紅外成像裝置，其中熱紅外成像裝置用以采集鐵水運(yùn)輸機(jī)車視頻畫面并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析后臺，數(shù)據(jù)分析后臺接收熱紅外成像裝置的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并將結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲，查詢接口可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)從而將溫度信息和現(xiàn)場畫面呈現(xiàn)給查詢用戶，如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)接入鋼廠液態(tài)金屬總線相關(guān)熱紅外攝像頭視頻，根據(jù)捕捉對象的不同預(yù)先設(shè)定不同捕捉參數(shù)的對視頻中鐵水罐、鋼水罐、轉(zhuǎn)爐等動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行識別與抓取，同時(shí)對抓取的對象圖片進(jìn)行實(shí)時(shí)分析及報(bào)警。

2.1 參數(shù)設(shè)定

針對高溫熔融金屬罐的各項(xiàng)抓圖相關(guān)參數(shù)包括對象溫度區(qū)間、對象特征圖、判決閾值等。

“對象溫度區(qū)間”用于物體與背景的分離，在此溫度區(qū)間內(nèi)的大塊物體進(jìn)入畫面之后就會觸發(fā)識別程序，并和模板進(jìn)行匹配，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可設(shè)置為60°～250°，就可以很好的將金屬罐和背景區(qū)分開來，環(huán)境溫度即便是夏季一般也不會高于60°。

“對象特征圖”通常采用一個(gè)外形比較標(biāo)準(zhǔn)的金屬罐畫面的二值圖，用來作為匹配模板，匹配的時(shí)候先采用Canny算法提取其邊緣輪廓[6-8]，然后與實(shí)際畫面中對象的邊緣輪廓進(jìn)行Hu矩相似度匹配[9-11]，相似度高低用于輔助判決畫面中的物體是否是金屬罐，通過這種方式將畫面中可能出現(xiàn)的機(jī)車、汽車等其它高溫物體進(jìn)行排除。

“判決閾值”用于確定抓拍時(shí)機(jī)，根據(jù)物體進(jìn)入、抓拍、離開的不同情形分為三組閾值，每種情況包括形狀、位置、面積三個(gè)閾值，表示實(shí)時(shí)識別的物體的輪廓和模板輪廓的偏差比值。進(jìn)入的情況表示實(shí)時(shí)識別的物體的輪廓和模板輪廓的偏差比值三個(gè)閾值都小于進(jìn)入閾值的時(shí)候，表示物體的到來，等待抓拍;當(dāng)偏差比值都小于抓拍閾值，則進(jìn)行抓拍;當(dāng)偏差比值有一個(gè)值大于離開閾值，則表示物體已經(jīng)離開，等待檢測下一個(gè)物體的到來。

2.2 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)捕捉

當(dāng)目標(biāo)對象進(jìn)入畫面，根據(jù)對象溫度區(qū)間取出畫面中最大的連通區(qū)域?qū)ο?，后臺實(shí)時(shí)演算對象的輪廓形狀、位置、面積、運(yùn)動(dòng)方向等，然后根據(jù)判決閾值判斷是否是金屬罐以及是否就位[12]，如果判決是金屬罐并且就位，則對畫面進(jìn)行抓拍，抓拍完成后監(jiān)視對象是否離開，判斷對象離開后接著監(jiān)測后面的對象，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的自動(dòng)監(jiān)測。

2.3 對象分析與報(bào)警

對抓拍到的對象圖片應(yīng)用文字識別技術(shù)獲取罐號[13]，同時(shí)分析對象輪廓并找到其溫度最高點(diǎn)溫度，根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度越限報(bào)警閾值，判斷對象溫度是否越限，越限則進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警信息具體到罐號、時(shí)間、地點(diǎn)、溫度值。

3 應(yīng)用案例

本系統(tǒng)已在多個(gè)鋼廠上線運(yùn)營，本節(jié)以在寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司的應(yīng)用為例，展示系統(tǒng)在鐵水罐車運(yùn)輸過程的對鐵水罐溫度進(jìn)行監(jiān)測的整個(gè)過程。

（1）設(shè)定好抓拍模板和判決閾值，如圖2所示。

（2）等待罐車經(jīng)過。以下圖界面中最上面兩個(gè)畫面為例，兩個(gè)熱紅外攝像頭布置于鐵水罐罐車運(yùn)輸必經(jīng)鐵路線同一地點(diǎn)的兩側(cè)，“棒三對面”為主抓攝像頭，畫面中間白色輪廓為鐵水罐模板，“棒三”為協(xié)同抓拍攝像頭。

（3）罐車到來，系統(tǒng)自動(dòng)將鐵水罐的實(shí)時(shí)輪廓和最高溫點(diǎn)標(biāo)識出來，后臺實(shí)時(shí)演算輪廓形狀、位置、大小等，結(jié)合設(shè)定的閾值判斷是否是鐵水罐以及是否就位，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是鐵水罐并且就位后進(jìn)行抓拍，同時(shí)記錄最高溫點(diǎn)溫度并保存圖片。如圖3所示。

（4）抓拍完成后監(jiān)視物體是否離開，判斷離開后接著監(jiān)測后面的鐵水罐。

（5）連續(xù)抓取鐵水罐和罐號圖片。

（6）罐車等其它高溫物體經(jīng)過不會誤觸發(fā)抓拍。

（7）鐵水罐號識別程序通過保存的圖片自動(dòng)完成罐號識別，如圖4所示。

（8）根據(jù)記錄下來的每個(gè)鐵水罐的最高溫點(diǎn)溫度和罐號，判斷溫度是否越限，如果越限則觸發(fā)報(bào)警。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)綜合利用熱紅外測溫技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形分析技術(shù)、文字識別技術(shù)，對覆蓋液態(tài)金屬全流程的紅外攝像視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，動(dòng)態(tài)捕捉經(jīng)過畫面的金屬罐對象，分析物體輪廓及測溫，結(jié)合測溫結(jié)果、罐號識別結(jié)果以及各類金屬容器的溫度安全指標(biāo)，當(dāng)溫度越限的時(shí)候進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了全過程無人化監(jiān)測，不僅極大提升了液態(tài)金屬生產(chǎn)的安全性，也很好滿足了鋼鐵企業(yè)對減員增效的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡國強(qiáng).煉鋼轉(zhuǎn)爐區(qū)域的安全策略研究[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2002（19）：234.

[2]胡濱，郝樹虹，任科社.一種轉(zhuǎn)爐本體多點(diǎn)測溫方法[P].中國專利利：CN110669896A，2020-01-10.

[3]周越.紅外測溫系統(tǒng)在煉鋼中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2018，47（11）：102-104.

[4]翟丹.一種鐵水罐罐體溫度檢測系統(tǒng)[P].中國專利：CN210523809U，2020-05-15.

[5]許毅，趙紀(jì)民.鐵水罐安全監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)[P].中國專利：CN203178744U，2013-09-04.

[6]郭志彪，段為.基于OpenCV的邊緣檢測技術(shù)研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2017（15）：29-32.

[7]許宏科，秦嚴(yán)嚴(yán)，陳會茹.一種基于改進(jìn)Canny的邊緣檢測算法[J].紅外技術(shù)，2014（3）：210-214.

[8]張彬，司璇，金飛.一種改進(jìn)型Canny圖像邊緣檢測方法[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（2）：39-42.

[9]陳澤寧，張學(xué)習(xí)，彭澤榮，等.基于機(jī)器視覺的工件定位和識別[J].電子科技，2016，29（4）：99-103.

[10]張琪，屈嚴(yán)，董志芳.改進(jìn)的統(tǒng)一Hu矩在圖像目標(biāo)識別中的應(yīng)用[J].電子電路設(shè)計(jì)分析及應(yīng)用，2012，35（6）：679-682.

[11]徐學(xué)強(qiáng)，汪渤，賀鵬.統(tǒng)一Hu矩及在電視圖像目標(biāo)識別中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2006（29）：213-215.

[12]王智軍，王建華.多特征融合的圖像目標(biāo)跟蹤方法[J].電光與控制，2017，24（11）：49-52，57.

[13]肖堅(jiān).基于學(xué)習(xí)的OCR字符識別[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2018（7）：48-51.

收稿日期：2020-08-28

作者簡介：方勃（1977—），男，湖北武漢人，碩士學(xué)位，工程師，研究方向：機(jī)器視覺在智慧制造中的應(yīng)用。

Dynamic Temperature Measurement System of High Temperature Molten Metal Tank based on Thermal Infrared Temperature Measurement Technology

FANG Bo2，HU Xin1，LUO Tao1，ZHANG Meng-hui2，MING Ping-shou2

（1.Echeng Iron and Steel Co.， Ltd of Baowu， Ezhou Hubei? 436001;2.Wuhan Surveying-Geotechnical Research Institute Co.， Ltd of MCC， Wuhan Hubei? 430080）

Abstract： In order to improve the safety of metal tanks and containers in the production process of molten metal such as molten iron and molten steel， a set of dynamic temperature measurement system based on thermal infrared temperature measurement technology was designed and developed. The system distributed thermal infrared monitoring cameras along the railway transportation line in the liquid metal production area， in front of the converter furnace and the continuous casting area All kinds of high-temperature molten metal tanks， such as converter， converter， etc.， are monitored by real-time thermal infrared video. Machine vision technology is applied in the background of the system to dynamically identify and capture the high-temperature metal tanks passing through the infrared monitoring video stream. The character recognition technology is used to obtain the tank number， automatically analyze the object contour and find the highest temperature point on the surface of the metal tank， so as to discover the potential accident and alarm in advance The automatic and unmanned monitoring of the whole process of high temperature metal tank in the production process of liquid metal has been realized.

Keywords： Thermal infrared temperature measurement; machine vision;liquid metal