基于物聯網的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測方法

摘 要：由于現行的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測方法在實際應用中存在監測效果不佳、監測精密度較低等問題，無法達到預期的監測效果。因此，提出一種基于物聯網的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測方法。首先，根據缺陷補焊質量監測需求設計缺陷補焊質量監測架構；然后，結合監測架構采用物聯網技術實現對補焊圖像的采集與數據傳輸，采用直方圖均衡化的方法對補焊圖像進行增強及歸一化處理；最后，通過對補焊圖像進行邊緣計算，確定葉片缺陷補焊質量系數，實現水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測。經實驗證明，設計方法的監測精密度在95%以上，能夠實現對水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量的精準監測。

關鍵詞：物聯網；水輪機轉輪葉片；缺陷補焊；質量監測；直方圖均衡化；邊緣計算

中圖分類號：TP39；TG115.28 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-03

0 引 言

水輪機作為水電站的核心設備，其運行狀態直接關系到水電站的發電效率和安全性。在設備維護過程中存在操作不當或維護不及時，可能會導致水輪機轉輪葉片出現缺陷，往往需要進行補焊修復[1-4]。補焊質量的好壞直接關系到水輪機的安全運行和壽命，因此，對水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量的監測顯得尤為重要。傳統的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測主要依靠人工巡檢和定期試驗，不僅效率低下，而且準確度不高，難以滿足現代水電站高效、安全、可靠運行的需求。在該背景下，本文提出基于物聯網的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測方法。

1 水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測方案設計

本文將物聯網技術應用到水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測中，先利用無線網絡將水輪機轉輪葉片與無線傳感器連接，搭建物聯網平臺，該方法實現框架如圖1所示。

整體架構由感知層、網絡層、信息處理層和應用層組成。感知層負責感知水輪機轉輪葉片的缺陷補焊信息，由多種無線傳感器組成[5]。網絡層由無線網絡、局域網等組成，以移動通信網為基礎，主要用于上傳無線傳感器對缺陷補焊進行監測獲得的數據[6]。信息處理層由數據庫、服務器和物聯網服務統一接口組成，主要對上下層數據進行高效、穩定傳輸，并對數據進行高效集成和使用，解決數據的存儲、檢索和使用等問題[7]。應用層由缺陷補焊質量評估、質量預警以及質量監測等功能模塊組成[8]。依據水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測需求設定應用模塊，通過對缺陷補焊數據的分析，實現對水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量的評估、預警和監測等功能。

2 基于物聯網的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測

2.1 基于物聯網的缺陷補焊圖像采集與歸一化

結合以上設計的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測架構，采用物聯網技術實現缺陷補焊圖像采集與傳輸，選用以ARM Cortex M8為內核處理器的IYFGA554f55系列單片機[9]。通過USART接口將單片機與無線傳感器連接。轉輪葉片缺陷補焊的質量可以通過觀測外觀得到，因此以IKASHFGH-7G7SA相機為圖像傳感器[10]。采用串并聯的方式將圖像傳感器接入水輪機轉輪葉片缺陷補焊系統的電源總線上，將鏡頭對準葉片缺陷補焊處，根據葉片缺陷大小確定傳感器掃描范圍。

由于傳感器采集的信號為模擬量信號，無法直接被計算機識別，因此需要利用無線傳感器中的ADC（模擬數字轉換模塊）對信號進行轉換。模擬數字轉換模塊具備“看門狗”功能，可以檢測到輸入電壓是否超出設定的閾值上下限；ADC內嵌有優化的圖像采樣機制，使得在低頻操作時能實現極低的功耗。將轉換后的圖像存儲到寄存器中，并利用DMA（直接存儲器訪問功能）實現圖像傳感器與存儲器之間的數據傳輸。每當通道完成數據轉換后會生成直接存儲器訪問請求，將轉換后的缺陷補焊圖像信息從寄存器傳輸到目標IP地址。為了保證圖像傳感器采集的補焊圖像在傳輸過程中的安全性，在ADC前置電路使用AF161放大器對信號進行放大處理后將其輸入PC3引腳，即ADC通道的信號輸入端，以實現對信號的增益處理，用公式表示為：

（1）

式中：G表示增益后的圖像傳感器傳輸信號；Rg表示調節電阻。將增益后的信號由ADC通道傳輸到計算機上，用于后續圖像處理與分析。

2.2 補焊圖像增強與擴增

考慮到圖像傳感器在圖像采集與傳輸過程中易受到干擾，使采集的缺陷補焊圖像存在噪聲，影響圖像清晰度。因此對補焊圖像進行增強處理。假設原始補焊圖像上任一點的像素值為h，利用變換函數使圖像上的像素值分布均勻，用公式表示為：

（2）

式中： s表示直方圖均衡化后的補焊圖像；t表示圖像灰度級的像素均勻分布概率；d表示補焊圖像的灰度級；a表示補焊圖像的像素總和。由于補焊圖像采集方式的復雜性，所得到的補焊圖像尺度各異，需要對不同尺度的補焊圖像進行標準化，以保證監測精度。補焊圖像歸一化就是對大小不一的補焊圖像進行一系列的變換，把大小不一的圖像轉化成統一的格式，而且圖像的平移、旋轉、比例等都不會受到影響。此外，對圖像進行歸一化處理后，其大小也有一定的限制，如果尺度過大，將導致所抽取的質量特征矢量維數過高，導致監測效率下降，計算量及運算時間增加。雖然縮小尺度可以減少計算量，但是尺寸過小的圖像將會損失一些質量特征，從而降低監測精度。經過對不同尺寸大小圖像進行訓練后發現，尺寸為（125，125）時比較合適，按照該尺寸對歸一化后的圖像進行裁剪。

2.3 葉片缺陷補焊邊緣計算及質量合格性的監測

轉輪葉片缺陷補焊對焊縫大小要求較高，如果補焊后葉片仍然存在縫隙，會嚴重影響到缺陷補焊質量。因此在上述基礎上通過對補焊圖像進行邊緣計算，分析缺陷補焊焊縫大小和焊點與葉片的共面性，評價葉片缺陷補焊質量。在圖像上焊縫的大小可以用未連通域表征，根據圖像輪廓確定圖像的連通域，再用整體減去連通域即可確定圖像的未連通域，其計算公式為：

（3）

式中：K表示缺陷補焊圖像的未連通域；S表示補焊圖像的邊緣密度值；c表示補焊圖像的平均像素值；z表示補焊圖像的缺陷寬度值。利用上述公式計算出補焊圖像的未連通域，再根據未連通域計算出葉片缺陷補焊質量系數，用公式表示為：

（4）

式中：ρ表示葉片缺陷補焊質量系數；γ表示葉片缺陷面積。根據相關補焊質檢規范設定一個閾值，如果缺陷補焊質量系數小于閾值，則說明補焊質量不合格；如果缺陷補焊質量系數大于閾值，則說明補焊質量合格，以此完成基于物聯網的水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測。

3 實驗論證

3.1 實驗準備與設計

以某水電廠為研究對象，該電廠共有水輪機10臺，水輪機型號為FASTS-AG4A88F，功率為1.25 kW，設計水頭為10～25 m，發電方式為水輪式，電壓為220 V，進水方式為混流臥式，轉輪直徑為25 mm，水管直徑為200 mm，流量為0.09 m3/s，轉速為1 500 r/min。該水電廠水輪機轉輪葉片缺陷共100處，利用本文設計方法對轉輪葉片缺陷補焊質量進行監測。根據實際情況在補焊現場安裝了3臺圖像傳感器，共采集到10 000張補焊圖像。按照上述流程對補焊圖像進行增強、擴增、邊緣計算，并識別監測轉輪葉片缺陷補焊質量不合格樣品。

3.2 實驗結果與討論

實驗選擇當前2種主流方法與本文方法進行對比，隨機選取8個轉輪葉片缺陷補焊樣本，表1給出了3種方法下的缺陷補焊質量監測值與真實值的對比數據。

由表1可知，本文方法下的轉輪葉片缺陷補焊質量監測值與實際質量系數基本一致。為進一步驗證本文方法的性能，對2種方法的監測精密度進行比較，精密度是指監測結果與實際情況的一致程度，通常使用標準差或變異系數來衡量精密度，即監測結果標準偏差與真實值的比值。表2給出了3種方法的精密度對比數據。

由表2可知，在精密度方面，本文方法具有絕對的優勢，最高精密度可以達到99.86%，是主流方法A的1.31倍，是主流方法B的1.23倍，精密度遠遠高于主流方法，由此證明了本文設計方法更適用于水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測，可以有效保證監測精度。

4 結 語

針對水輪機轉輪葉片缺陷補焊質量監測方法存在的不足和缺陷，本文將物聯網技術應用到其中，提出了一種新的監測思路。通過物聯網技術實現了遠程、實時的轉輪葉片缺陷補焊質量監測。這不僅降低了人工巡檢的成本，而且提高了監測的效率和準確性。然而，該方法在實際應用中仍面臨一些挑戰和問題。首先，數據的安全性和隱私保護是一個重要的問題。在監測過程中，涉及到大量的敏感數據，如水電站的運行數據、傳感器數據等，需要采取有效的加密和安全措施來保護數據的安全和隱私。其次，系統的穩定性和可靠性也非常重要。在監測過程中，如果系統出現故障或異常，可能會導致數據丟失或誤報，影響監測的準確性和可靠性。針對上述問題，未來的研究可以從以下幾個方面展開：首先，進一步研究和探索數據的安全性和隱私保護技術，提高監測系統的安全性和可靠性；其次，研究和開發更加穩定、可靠的監測系統，提高系統的可用性和可靠性；最后，研究和探索更加靈活、可擴展的監測系統架構和技術，以滿足不斷變化的監測需求，提高系統的可擴展性和靈活性。

參考文獻

[1]陳鳴.水輪機轉輪葉片裂紋的產生原因及解決措施[J].中國高新區，2018（5）：168.

[2]唐冬來，李玉，楊梅，等.基于卷積神經網絡的電纜接頭缺陷識別方法[J].電子設計工程，2023，31（12）：33-37.

[3]翟瑞聰，林俊省，鄭樺.基于圖像識別的輸電線路設備缺陷識別應用系統設計[J].電子設計工程，2022，30（6）：161-164.

[4]封雨鑫，鄧宏貴，程鈺.基于卷積神經網絡的焊縫表面缺陷檢測方法[J].計算機測量與控制，2021，29（7）：56-60.

[5]李崇仕，胡邊，王衛玉，等.基于空化烈度的水輪機轉輪葉片空化診斷研究[J].人民長江，2024，55（5）：213-218.

[6]王美麗，李元濤. Z6CNDU20-08M循環泵葉輪鑄造缺陷補焊工藝[J]. 機械制造文摘（焊接分冊），2022（6）：44-48.

[7]李濤，劉成，田塘，等. 基于PSPNetM+網絡的水輪機轉輪葉片缺陷檢測[J]. 重慶科技學院學報（自然科學版），2022，24（6）：93-96.

[8]高洪軍，韓伶俐. 一種水泵水輪機轉輪葉片嚴重破損故障的檢驗方法[J]. 大電機技術，2022（6）：48-54.

[9]郭斌，李娉，蔡立鵬，等. 6061-T6鋁合金與高分子材料PC的攪拌摩擦補焊焊修復工藝[J]. 焊接技術，2022，51（10）：45-49.

[10]王鑒，王春雷. 軸流轉槳式水輪機轉輪葉片轉動機構的發展演變過程[J]. 大電機技術，2021（4）：55-60.