動(dòng)態(tài)多物料模糊識(shí)

1、2 摘摘 要要:本文介紹韶鋼開發(fā)應(yīng)用的一種基于圖像識(shí)別控制的動(dòng)態(tài)多物料皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在線自動(dòng)識(shí)別和分別計(jì)量同一皮帶輸送線上3-4類不同類物料，解決長(zhǎng)期以來韶鋼原料直供高爐的球團(tuán)、塊礦、焦碳等物料無法分別計(jì)量的難題，實(shí)現(xiàn)入爐物料精細(xì)化計(jì)量管理，為原料平衡和成本核算提供計(jì)量依據(jù)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：計(jì)量物料在線自動(dòng)識(shí)別電子皮帶秤CAN總線3長(zhǎng)期以來，韶鋼從原料直供煉鐵系統(tǒng)的球團(tuán)、塊礦、焦碳等物料依靠皮帶輸送線運(yùn)輸，這些物料的計(jì)量依賴于安裝在皮帶輸送線的常規(guī)電子皮帶秤進(jìn)行混合總量計(jì)量或理論結(jié)算，無法實(shí)現(xiàn)球團(tuán)、塊礦等入爐物料的分別計(jì)量。經(jīng)過多年的論證探索，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的技術(shù)，我們認(rèn)為利

2、用圖像識(shí)別信息和一秤多物料計(jì)量技術(shù)可以解決這一難題。 4 基于這一思路，在韶鋼煉鐵系統(tǒng)皮帶運(yùn)輸計(jì)量改造工程中，我們與中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、長(zhǎng)沙湘計(jì)自控系統(tǒng)有限公司合作開發(fā)了基于圖像識(shí)別控制的動(dòng)態(tài)多物料皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過半年的試運(yùn)行后，性能穩(wěn)定，現(xiàn)已正式投入使用，為原料平衡和煉鐵系統(tǒng)成本核算提供可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)。5 本文首先詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成；然后具體說明系統(tǒng)所應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)物料識(shí)別方法的基本原理；最后對(duì)本文作一小結(jié)。6皮帶輸送機(jī)輸送球團(tuán)、塊礦、焦碳全懸浮秤架皮帶秤多物料識(shí)別控制器皮帶秤儀表WPC2000皮帶輸送機(jī)智能多物料智能識(shí)別相機(jī)焦碳球團(tuán)塊礦數(shù)據(jù)采集操作子站韶鋼數(shù)據(jù)采

3、集管理系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控操作站圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖7 如圖1所示，基于圖像識(shí)別的動(dòng)態(tài)多物料皮帶秤計(jì)量系統(tǒng)主要由三部份組成：（1）物料識(shí)別控制系統(tǒng)，包括工業(yè)彩色智能相機(jī)和同步光源構(gòu)成的圖像識(shí)別模塊、多物料識(shí)別控制器及微機(jī)監(jiān)控操作站；（2）一秤多物料計(jì)量電子皮帶秤，包括全懸浮六托輥秤架、下壓式平托輥軸裝式脈沖信號(hào)速度傳感器和多物料計(jì)量?jī)x表（WPC2000CAN）；（3）CAN通訊模式構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集操作子站。8 動(dòng)態(tài)多物料圖像識(shí)別控制系統(tǒng)的功能是對(duì)同一皮帶輸送線的不同物料如焦碳、球團(tuán)礦、塊礦能夠穩(wěn)定識(shí)別并輸出相對(duì)應(yīng)的無源開關(guān)量控制信號(hào)，其硬件系統(tǒng)主要由德國(guó)Vision Components公司工業(yè)智能相機(jī)VC

4、2065/E/C 、圖像處理工業(yè)鏡頭、圖像處理工業(yè)專用光源、多物料識(shí)別控制器和現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)設(shè)備等構(gòu)成。軟件系統(tǒng)由運(yùn)行于智能相機(jī)的圖像識(shí)別軟件和運(yùn)行于微機(jī)監(jiān)控站的數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)成。 9圖像識(shí)別模塊主要由工業(yè)智能相機(jī)(VC2065/E/C)、鏡頭和專用光源等組成，主要完成圖像的采集和處理。VC2065/E/C是一款工業(yè)智能彩色相機(jī)，其內(nèi)部集成一塊TMS320C6211 DSP處理器，它不僅能夠在專用光源的同步照明下獲取穩(wěn)定、可靠、一致的物料彩色圖像，而且運(yùn)行著圖像識(shí)別軟件，能夠直接完成圖像的處理和識(shí)別，然后將識(shí)別結(jié)果通過PLC接口輸出。該相機(jī)實(shí)際上是一套完整的小型計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)。10 多物料識(shí)別控制器

5、的功能是為相機(jī)和同步光源提供穩(wěn)定的相應(yīng)電源，接受工業(yè)智能相機(jī)輸出的物料控制信號(hào)并進(jìn)行光電隔離后輸出控制信號(hào)給電子皮帶秤儀表；同時(shí)，因皮帶輸送機(jī)為間斷送料設(shè)備，送料時(shí)存在空轉(zhuǎn)情況，為延長(zhǎng)相機(jī)及光源設(shè)備的使用壽命，系統(tǒng)由皮帶秤儀表的皮帶啟動(dòng)停止信號(hào)（開關(guān)信號(hào)，無源）觸發(fā)信號(hào)控制運(yùn)行。 11主要性能指標(biāo)如下： 能使用現(xiàn)場(chǎng)具備的22030伏50H交流電源； 輸入量：接受皮帶啟動(dòng)停止信號(hào)（開關(guān)信號(hào)，無源）的觸發(fā)信號(hào)控制運(yùn)行； 輸出量：輸出識(shí)別的 3種物料（焦碳、球團(tuán)礦、塊礦、備用物料）以上的對(duì)應(yīng)光電隔離且具有保持功能的無源開關(guān)量信號(hào)。12 微機(jī)監(jiān)控操作站安裝于送料操作室內(nèi)，其功能為監(jiān)控和自動(dòng)（無需人工干

6、預(yù)）存貯識(shí)別系統(tǒng)的采集圖像（按采集時(shí)間、物料類別、送料始止時(shí)間分組存貯），以供查詢監(jiān)控之用，不參與識(shí)別系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制采集。容量（存貯識(shí)別系統(tǒng)的采集圖像）為15天（每天送料約為810小時(shí)）以上。13 一秤多物料計(jì)量電子皮帶秤是在傳統(tǒng)的計(jì)量電子皮帶秤改進(jìn)的，它的檢測(cè)一次元件仍為全懸浮秤架，速度傳感器為國(guó)內(nèi)首次采用的平托輥軸裝式脈沖信號(hào)傳感器，二次儀表（稱重顯示控制器）為WPC2000CAN通訊的多物料計(jì)量?jī)x表。14 （1）全懸浮秤架是目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的計(jì)量皮帶秤秤架，該種形式的秤架采用四個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)，利用皮帶輸送機(jī)的機(jī)架支撐秤架懸架，將稱量框架用四個(gè)S型傳感器連接于秤架懸架下面，整個(gè)秤體類似于靜態(tài)平

7、臺(tái)秤一樣全懸浮于皮帶輸送機(jī)的機(jī)架上，整個(gè)秤體沒有簧片或絞鏈支點(diǎn)，能夠全面有效地傳遞垂直重力（物料重力和皮帶重力），為盡量克服皮帶張力及皮帶跑偏引起的側(cè)向力，秤體應(yīng)保證有足夠的自重和6托輥以上的長(zhǎng)度，秤體的托輥的槽形傾斜角與輸送機(jī)的托輥應(yīng)保持一致，采用原輸送機(jī)的托輥是最佳選擇。因此，我們?cè)诳紤]現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)要求后對(duì)秤體選型如下：采用原輸送機(jī)型號(hào)的6組托輥全懸浮式秤架，采用TEDEA616S型高精度傳感器，為增加秤體自重和減少。 15這樣的秤架結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)： 全懸浮式秤架因?yàn)闊o支點(diǎn)及傳力杠桿，重量傳送至稱重傳感器更直接，更有效，減少了由于支點(diǎn)、簧片連接帶來的力傳送誤差，計(jì)量性能更穩(wěn)定可靠； 由于稱重

8、有效長(zhǎng)度增長(zhǎng)，皮帶在運(yùn)行過程中零點(diǎn)和示值的穩(wěn)點(diǎn)性增強(qiáng)，有效地克服簧片變型、皮帶跑偏和托輥摩擦造成的誤差。 抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，由于長(zhǎng)度大，托輥組增多，秤架自身比較重，對(duì)外界的振動(dòng)和物料塊度大小不均的干擾等能力較強(qiáng)。 S型稱重傳感器與稱重框架采用關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接，能有效地消除側(cè)向力的影響。16 （2）平托輥軸裝式脈沖信號(hào)速度傳感器。計(jì)量皮帶秤速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式也是決定電子皮帶秤精度的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)各類計(jì)量秤的速度傳感器大都采用小車式結(jié)構(gòu)，只是不同廠家小車式結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，大部采用雙輪結(jié)構(gòu)和加重小車重量以圖克服單輪測(cè)速側(cè)向偏轉(zhuǎn)的測(cè)量誤差，但對(duì)皮帶跳動(dòng)引起的空跳和測(cè)速輪磨損引起的使用誤差沒有改善，為此，

9、我們從下行皮帶支承托輥得到啟發(fā)，自行設(shè)計(jì)一種新的軸裝式速度傳感器，即專門要求廠家制作一根下行皮帶支承托輥（與皮帶輸送機(jī)支架等寬）后鑄膠處理，兩端裝軸承座，將裝軸承座固定于輸送機(jī)的機(jī)架下方，整條托輥壓緊下行皮帶，在方便檢修的一側(cè)軸承座軸心開孔安裝軸裝式光電速度傳感器，這種結(jié)構(gòu)的速度傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到皮帶運(yùn)行速度，克服測(cè)速側(cè)向偏轉(zhuǎn)的測(cè)量誤差，托輥鑄膠處理能增加摩擦力，保證速度傳感器線速度與皮帶運(yùn)行速度一致，同時(shí)，鑄膠經(jīng)久耐用，減少測(cè)量誤差。17 （3）多物料計(jì)量?jī)x表由計(jì)量控制主板、通訊接口板、輸入輸出控制接口板、顯示控制卡組成，主要特色功能是： 在儀表輸入輸出控制板中設(shè)置物料4個(gè)識(shí)別開關(guān)，按14

10、號(hào)開關(guān)優(yōu)先級(jí)設(shè)置，當(dāng)1號(hào)開關(guān)常閉時(shí)，24號(hào)開關(guān)無效，同理依次類推，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)14種物料的瞬時(shí)、累積流量顯示、存儲(chǔ)，這樣，只要選擇閉合任一種物料開關(guān)，就能實(shí)現(xiàn)在能該種物料的在線計(jì)量。 儀表（WPC2000CAN通訊）熱備RS-485、RS-422接口，選擇CAN(Controller Area Network)通訊方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集操作子站。 18 CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之我們?cè)瓉淼幕赗線構(gòu)建的RS-485通訊采集系統(tǒng)而言， CAN總線的通訊采集系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性： 首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決

11、于報(bào)文標(biāo)識(shí)符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差； 19 其次，CAN總線的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)

12、送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，保證不會(huì)出現(xiàn)因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。 而且， CAN總線是具有通信速率高、通信距離長(zhǎng)（韶鋼環(huán)境可達(dá)2千米以上）、對(duì)通訊線（國(guó)產(chǎn)的雙絞線即可無誤碼傳輸）要求較低等諸多特點(diǎn)，降低系統(tǒng)的投資。 20 韶鋼在煉鐵系統(tǒng)皮帶運(yùn)輸計(jì)量改造工程中，共改造8臺(tái)計(jì)量秤（其中4臺(tái)為多物料計(jì)量），由于各檢測(cè)點(diǎn)較為分散，盡管CAN通訊可同時(shí)掛接8臺(tái)（理論更多）WPC2000儀表，但考慮到系統(tǒng)的可靠性和線路維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，我們采用就地、就近的原則改造3個(gè)皮帶秤數(shù)據(jù)

13、采集子站，組網(wǎng)方式如圖221WPC20001WPC20002WPC20003WPC20004WPC20005WPC20006WPC20007WPC20004WPC20004WPC20008圖2CAN總線電子皮帶秤數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)方式22通過處理和分析相機(jī)實(shí)時(shí)獲取的物料圖像，以確定當(dāng)前輸送帶上輸送的物料類別，即基于圖像的物料分類識(shí)別方法，是本系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵方法。 該方法主要分為兩步：(1) 圖像特征提?。?2) 圖像識(shí)別。 23 圖3-6為現(xiàn)場(chǎng)獲取的物料圖像，分別為塊礦、球礦、焦炭和皮帶空載。由圖像分析可知，不同的物料圖像具有不同的顏色特征和紋理特征，因此選擇這兩類特征作為圖像分類識(shí)別的主要依據(jù)。2

14、4 圖3 塊礦圖4 球團(tuán)礦25 圖5 焦碳圖6空載26RGB彩色模型是數(shù)字圖像處理中最通用的面向硬件的彩色模型，在該模型中，所表示的圖像由R、G、B3個(gè)圖像分量組成，每一個(gè)分量圖像都是其原色圖像。RGB模型基于笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)，所考慮的彩色子空間是圖7所示的立方體。為方便起見，假定所有的顏色值都?xì)w一化，即所有的R、G、B值都在0，1范圍內(nèi)取值。圖中，R、G、B位于3個(gè)坐標(biāo)軸所在頂點(diǎn)上，青、深紅和黃位于另外3個(gè)頂點(diǎn)上，黑色在原點(diǎn)處，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)。不同的顏色處于立方體上或其內(nèi)部，并可用從原點(diǎn)出發(fā)的向量來定義，黑白兩點(diǎn)連線上的顏色點(diǎn)為黑白灰度顏色。 27圖7 RGB彩色模型 28 經(jīng)過大量

15、實(shí)驗(yàn)分析得到，盡管各類物料圖像之間顏色存在差別，但是同類物料圖像之間也存在較大差別，即一致性不好，單純利用物料的顏色很難區(qū)分各類待識(shí)別物料。但是，我們發(fā)現(xiàn)，各類物料圖像接近黑白灰度圖像的程度不同，特別是焦炭的彩色圖像更接近黑白灰度圖像，因此定義一個(gè)物理量圖像上所有采樣點(diǎn)到RGB模型中黑白連線上的平均距離來表征這一特性。29各類物料具有不同的幾何形態(tài)，如球礦是較規(guī)則的球形；塊礦是不太規(guī)則的塊狀；焦炭雖然同為塊狀，但是較塊礦的體積大；而皮帶空載時(shí)為一平滑的表面或者是由于物料在皮帶上運(yùn)輸形成的規(guī)則條紋。這些特征反映在圖像上就是各類物料圖像具有不同的紋理。紋理是表征圖像的一個(gè)重要特征，它廣泛存在于各類

16、圖像中，一幅圖像可以看作是由許多不同紋理區(qū)域拼湊而成，其紋理反映了圖像基元的灰度分布規(guī)律，包含著圖像的重要信息，常被看作圖像的某種區(qū)域性質(zhì)或是對(duì)局部區(qū)域中像素間關(guān)系的一種度量，可用來對(duì)圖像中的空間信息進(jìn)行一定程度的定量描述，通過對(duì)紋理圖像進(jìn)行分析可獲得許多有用的宏觀和微觀信息。紋理特征提取得主要目的是將隨機(jī)紋理或幾何紋理的空間差異轉(zhuǎn)化為特征灰度值的差異，用一些數(shù)學(xué)模型來描述圖像的紋理信息，包括圖像區(qū)域的平滑、稀疏和規(guī)則性等。提取方法主要分為統(tǒng)計(jì)法、結(jié)構(gòu)法和頻譜法。30 頻譜法基于傅里葉頻譜特性，主要用于通過識(shí)別頻譜中高能量的窄波峰尋找圖像中的整體周期性。在直觀上，圖像的紋理和其傅里葉變換幅度譜

17、存在顯見的關(guān)系：圖像中的線條紋理在幅度譜平面上產(chǎn)生通過直流中心的的譜線，而譜線的方向垂直于原圖像中線條的方向；同時(shí)，盡管紋理中的條紋有各種方向，并且位置分布是隨機(jī)的，但是在變換域的幅度譜中，空間域同一方向的條紋不論其位置如何，它們的貢獻(xiàn)會(huì)被疊加在一起，共同形成通過頻譜中心，與原方向垂直的譜線。這意味著空間域里全部的紋理信息在頻域里進(jìn)行了重新分布，這種重新分布只基于紋理單元的走向和疏密程度等因素，而與其位置信息無關(guān)。31圖8 塊礦圖像頻譜圖 圖9球礦圖像頻譜圖32圖 10焦炭圖像頻譜圖 圖11 空載圖像頻譜圖33 圖8-11分別給出圖36的傅里葉變換幅度譜，在這里主要考慮對(duì)紋理描述有用的傅里葉頻

18、譜的3個(gè)特征：（1）頻譜中凸起的尖峰給出了紋理模式的主要方向；（2）在頻率平面中尖峰的位置給出了模式的基本空間周期；（3）通過過濾除去所有周期性的部分，而留下非周期性的圖像元素，然后，利用統(tǒng)計(jì)方法描述這些剩下的元素。34 頻譜特征的檢測(cè)和解釋通常使用函數(shù)的極坐標(biāo)表達(dá)，其中，是頻譜函數(shù)，和是坐標(biāo)系中的變量。對(duì)于每個(gè)方向，可以看作一維函數(shù)；對(duì)每個(gè)頻率，也是一個(gè)一維函數(shù)。對(duì)固定的值分析，可得到沿著自原點(diǎn)的輻射方向上的頻譜所表現(xiàn)的特性；反之，分析固定值的，可得到沿著以原點(diǎn)為圓心的圓形的特性。更具有整體性的描述通過對(duì)下列函數(shù)進(jìn)行積分得到：35 （1） （2） 其中，公式（2）中的R0是以原點(diǎn)為圓心的圓半徑。公式（1）和（2）的結(jié)果為每對(duì)坐標(biāo)(r,)組成一對(duì)值s(r),s()。通過變換坐標(biāo)，可以生成兩個(gè)一維函數(shù)s(r)和s() ，從而對(duì)研究的整幅圖像紋理構(gòu)成一種頻譜-能量描述。圖11-14分別給出各類物料圖像頻譜對(duì)應(yīng)的s(r)和s()曲線。)()(0rSrS)()(01RrrSS36)(rS)(S圖12 塊礦圖像頻譜的s(r)和s() 曲線37圖13 球礦圖像頻譜的s(r)和s() 曲線38圖14