基于熱紅外測溫技術的高溫熔融金屬罐動態(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，設計開發(fā)了一套基于熱紅外測溫技術的動態(tài)測溫系統(tǒng)，系統(tǒng)在液態(tài)金屬生產(chǎn)區(qū)域的鐵路運輸沿線、轉爐爐前、連鑄區(qū)進行熱紅外監(jiān)控攝像頭布點，對液態(tài)金屬生產(chǎn)過程中鐵水罐、鋼水罐、轉爐等各類高溫熔融金屬罐進行全流程實時熱紅外視頻監(jiān)控，系統(tǒng)后臺應用機器視覺技術，對紅外監(jiān)控視頻流中經(jīng)過的高溫金屬罐進行動態(tài)識別與捕捉，應用文字識別技術獲取罐號，自動分析物體輪廓并找到金屬罐表面溫度最高點，提前發(fā)現(xiàn)事故隱患并報警，實現(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化、無人化監(jiān)測。

關鍵詞：熱紅外測溫;機器視覺;液態(tài)金屬

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

0 引言

鐵水罐、鋼水罐、轉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備，其安全性關乎整個生產(chǎn)秩序的安全、穩(wěn)定運行。鐵水、鋼水這些高溫金屬液體在冶煉、轉運、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)金屬風險監(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)重點建設內容[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爐這種固定容器，而不能用于鐵水罐、鋼水罐這種需要運輸和起吊的容器，并且只能測固定的幾個點，對容器表面隨機出現(xiàn)的高溫點無法有效防范;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)場停止金屬罐運動，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，從而提前發(fā)現(xiàn)缺陷的存在，檢查完后對金屬罐放行，這種方法不僅費時費力、效率低下，而且也無法反映整個液態(tài)金屬生產(chǎn)過程中的金屬罐的動態(tài)溫度情況，因此存在較大的安全漏洞。

本系統(tǒng)綜合應用熱紅外測溫、機器視覺等先進技術，在液態(tài)金屬生產(chǎn)區(qū)域的鐵路運輸沿線、轉爐爐前、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)之處進行熱紅外監(jiān)控攝像頭布點，通過智能化數(shù)據(jù)分析后臺對熱紅外視頻數(shù)據(jù)進行實時分析，實現(xiàn)了對鐵水罐、鋼水罐、轉爐等各類高溫熔融金屬罐的動態(tài)識別與捕捉、實時測溫、自動報警，充分滿足了鋼鐵企業(yè)對金屬罐安全進行全流程自動化、無人化監(jiān)測的需求，同時也極大提升了液態(tài)金屬生產(chǎn)過程的安全性。

1 系統(tǒng)架構

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輸機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)進行實時分析并將結果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中進行存儲，查詢接口可以調用數(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)金屬總線相關熱紅外攝像頭視頻，根據(jù)捕捉對象的不同預先設定不同捕捉參數(shù)的對視頻中鐵水罐、鋼水罐、轉爐等動態(tài)運動物體進行識別與抓取，同時對抓取的對象圖片進行實時分析及報警。

2.1 參數(shù)設定

針對高溫熔融金屬罐的各項抓圖相關參數(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)間內的大塊物體進入畫面之后就會觸發(fā)識別程序，并和模板進行匹配，根據(jù)經(jīng)驗可設置為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”通常采用一個外形比較標準的金屬罐畫面的二值圖，用來作為匹配模板，匹配的時候先采用Canny算法提取其邊緣輪廓[6-8]，然后與實際畫面中對象的邊緣輪廓進行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)的機車、汽車等其它高溫物體進行排除。

“判決閾值”用于確定抓拍時機，根據(jù)物體進入、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、面積三個閾值，表示實時識別的物體的輪廓和模板輪廓的偏差比值。進入的情況表示實時識別的物體的輪廓和模板輪廓的偏差比值三個閾值都小于進入閾值的時候，表示物體的到來，等待抓拍;當偏差比值都小于抓拍閾值，則進行抓拍;當偏差比值有一個值大于離開閾值，則表示物體已經(jīng)離開，等待檢測下一個物體的到來。

2.2 動態(tài)實時捕捉

當目標對象進入畫面，根據(jù)對象溫度區(qū)間取出畫面中最大的連通區(qū)域對象，后臺實時演算對象的輪廓形狀、位置、面積、運動方向等，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，從而實現(xiàn)連續(xù)不斷的自動監(jiān)測。

2.3 對象分析與報警

對抓拍到的對象圖片應用文字識別技術獲取罐號[13]，同時分析對象輪廓并找到其溫度最高點溫度，根據(jù)預設的溫度越限報警閾值，判斷對象溫度是否越限，越限則進行報警，報警信息具體到罐號、時間、地點、溫度值。

3 應用案例

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

（1）設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畫面為例，兩個熱紅外攝像頭布置于鐵水罐罐車運輸必經(jīng)鐵路線同一地點的兩側，“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)自動將鐵水罐的實時輪廓和最高溫點標識出來，后臺實時演算輪廓形狀、位置、大小等，結合設定的閾值判斷是否是鐵水罐以及是否就位，發(fā)現(xiàn)目標是鐵水罐并且就位后進行抓拍，同時記錄最高溫點溫度并保存圖片。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完成罐號識別，如圖4所示。

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

4 結論

本系統(tǒng)綜合利用熱紅外測溫技術、機器視覺技術、計算機圖形分析技術、文字識別技術，對覆蓋液態(tài)金屬全流程的紅外攝像視頻流進行實時分析，動態(tài)捕捉經(jīng)過畫面的金屬罐對象，分析物體輪廓及測溫，結合測溫結果、罐號識別結果以及各類金屬容器的溫度安全指標，當溫度越限的時候進行自動報警，實現(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

[1]蔡國強.煉鋼轉爐區(qū)域的安全策略研究[J].科技經(jīng)濟導刊，2002（19）：234.

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

[3]周越.紅外測溫系統(tǒng)在煉鋼中的應用[J].電子技術設計與應用，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，趙紀民.鐵水罐安全監(jiān)控與預警系統(tǒng)[P].中國專利：CN203178744U，2013-09-04.

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

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

[8]張彬，司璇，金飛.一種改進型Canny圖像邊緣檢測方法[J].中國傳媒大學學報（自然科學版），2011（2）：39-42.

[9]陳澤寧，張學習，彭澤榮，等.基于機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，董志芳.改進的統(tǒng)一Hu矩在圖像目標識別中的應用[J].電子電路設計分析及應用，2012，35（6）：679-682.

[11]徐學強，汪渤，賀鵬.統(tǒng)一Hu矩及在電視圖像目標識別中的應用[J].計算機工程與應用，2006（29）：213-215.

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

[13]肖堅.基于學習的OCR字符識別[J].計算機時代，2018（7）：48-51.

收稿日期：2020-08-28

作者簡介：方勃（1977—），男，湖北武漢人，碩士學位，工程師，研究方向：機器視覺在智慧制造中的應用。

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