基于圖像識別技術的人工智能板坯信息識別管理系統的設計與實現

唐山鋼鐵集團股份有限公司 林巧稚

隨著科學技術的不斷進步和發展，圖像識別技術的在各行各業的應用日漸廣泛，在鋼鐵企業中也逐漸應用到各個專業中，尤其是在人臉識別及指紋識別、產品質量檢測、廠區內環境檢測等多個專業中發揮著重要作用。圖像識別技術通常是指采用硬件設備按照既定的目標對前端設備采集的圖片進行提取處理，圖像識別技術與日常生活結合也十分緊密，比如車牌捕捉、商品條碼識別及手寫識別等。隨著圖像識別技術的逐漸發展并不斷完善，未來將具有更加廣泛的應用領域。

熱軋板坯庫做為生產線的重要組成部分之一，位于連鑄至熱軋加熱爐中間環節，它承前啟后，承上啟下，是整個公司物流的一個重要樞紐，它的運行舒暢與否直接決定熱軋的整個生產節奏。因此對于板坯數據信息的管理相當重要，只有保證了信息的完整、數據的流通，才能保證熱軋的整個節奏。近年來鋼鐵企業中加熱爐自動裝鋼控制流程是板坯庫出庫人工錄入板坯信息，經過三級系統把板坯信息下發至加熱爐二級系統，經過加熱爐主控的人工篩選把當前需要入爐的板坯信息下發至加熱爐一級系統，加熱爐一級系統收到板坯信息后啟動自動裝鋼控制程序，此過程中板坯信息錄入及計劃篩選為關鍵環節，但是此關鍵環節完全依賴0 操作人員手工進行，并且未進行現場板坯的信息校驗，導致出現入爐板坯信息與計劃板坯不一致，耽誤生產正常進行。

為了解決上述問題，急需在入爐前增加現場板坯信息與計劃板坯信息進行校驗，基于圖像識別技術的板坯信息校驗PLC 控制系統應運而生。基于圖像識別技術的板坯信息校驗PLC 控制系統實現現場板坯信息與計劃信息進行校驗，提高加熱爐鋼坯入爐的控制系統的智能化、可視化、規范化，提高生產效率。

1 系統原理與設計

1.1 系統原理

圖像識別原理主要是處理具有一定復雜性的信息，該技術的計算機實現與人類對圖像識別的基本原理類似。人類對圖像的識別能力是很強的，人眼產生的視覺效果是特別奇特的現象。人的感官會隨著圖像的距離、位置、角度變化而隨之發生改變，圖像在視網膜上的成像也會產生相應大小和形狀的改變，但這種改變不會影響人們對圖像有用信息的判斷和分析。

在人工智能領域中，圖像識別技術是其中最關鍵的技術，圖像識別的原理其實與人眼的識別原理是相似的，圖像具有的突出的特征是圖像識別的基礎和前提。因此尋找圖像的特征是圖像識別的重點工作，比如英文大寫字母中，V 的尖角是個突出特點，O 的圈是個突出特點、而Y 的銳角、鈍角和線條等突出特點，這些突出的特點成為捕捉和識別特殊信息的突出特征，成為了識別出這個圖像的有效信息，判斷這個圖像的輪廓和顏色等并客觀判斷圖像的內容和性質，從而分析它所表達的意義。

通過模仿人眼識別圖像的原理，達到人眼識別的境界，人們編寫了模擬人類圖像識別活動的計算方法，從中形成了許多關于各個場景中圖像識別的計算模型，當攝像機捕獲到某個圖像后，如果圖像特征與存儲中的圖像識別的計算模型相吻合，則認定該圖像已經被識別。原理圖如圖1 所示。

圖1 設計原理圖Fig.1 Design schematic diagram

1.2 系統設計

（1）信息數據的采集，進行圖像識別根本就是信息數據的采集，通過合理應用光學信號，將各類傳感器的特定信號模擬為電信號，從而獲得準確的數據和信息。在圖像識別技術中，根據獲得的特殊數據以及圖像的基本特征，這些信息和數據要求能夠成為圖形差異的特點，將其存儲于計算機的數據庫內，為后續進程的使用奠定基礎。

（2）信息數據預處理，經常需要采用變換、平滑以及去噪等方式對圖像進行處理，將圖像中具有的特征和重要信息凸顯出來。

（3）特征選擇和抽取，在處理圖像過程中圖像識別技術的關鍵內容是對圖像進行特征的抽取與選擇。合理選擇圖形所具備的特殊特征在圖像能否被辨識成功起著決定性作用，將不同的圖形特征進行提取、分類、整理后存儲到計算機中，并用于計算，通過計算為識別圖像提供準確的依據。

（4）分類器設計與分類決策，此步驟是圖像識別的最后一項工作內容，根據所制定的程序和步驟，按照這種識別規則能夠遵循某種規律對圖像進行辨別，而不是無規則的進行識別，從而識別規律能夠將相似的特征種類突顯，提高圖像在識別過程中的識別率，通過辨識特殊特征，達到對圖像的確認和評價。

2 系統架構及方案

人工智能板坯信息識別管理系統包含板坯信息識別子系統及PLC 控制單元子系統。

基于AI 開放平臺構建圖像文字識別模型，經過數據集管理、模型訓練、模型管理、模型校驗后實現對板坯信息的識別。

此模塊構成包括行業應用平臺、AI 開放平臺專用網絡攝像機和超腦NVR。

在提供物聯設備接入、視頻聯網服務等核心能力的基礎上，集成AI 模型管理組件，打通AI 訓練平臺，提供AI 模型的部署與應用集成工具。其核心功能包括：模型庫管理、模型下發、智能分析任務配置、智能分析規則配置、AI 事件推送。

行業應用平臺根據加熱爐板坯識別校驗需求，定制智能分析結果的業務判斷邏輯，并根據業務邏輯判斷結果聯動發送識別后的板坯信息。系統架構圖如圖2 所示。

圖2 系統架構圖Fig.2 System architecture

3 系統功能實現

3.1 板坯信息識別功能實現

板坯信息識別子系統要經過最初的明確功能需求、到設計算法方案、在進行對應場景的數據采集、數據標定、再到訓練算法模型、將訓好的模型加載應用、根據效果再次迭代優化等七大環節才能實現準確、高效的識別板坯信息，并將識別的板坯信息進行存儲。

3.1.1 數據采集

圖片數據主要來源于現場攝像機的錄像視頻，攝像機安裝是否正確，直接影響成像效果以及后續的算法識別。攝像機安裝太遠導致目標像素點過小、攝像機安裝太偏傾斜角過大導致目標不清晰完整，都會直接降低算法準確度。經過現場測試考察，從不同的場景、地點、時間段、目標形態、尺寸、姿態、顏色、遮擋、角度等方面來收集與現場實際應用數據盡可能相近的素材，監控場景的圖片數據如圖3 所示。一般來說，場景越豐富，素材越多，訓練出來的算法模型越精確。

圖3 監控場景圖片數據Fig.3 Picture data of monitoring scene

3.1.2 數據標定

以畫目標框的形式將圖像中需要檢測的目標進行標注，并打上檢測標簽，標注的越準確、標準的數量越大，訓練出的算法模型準確率越高。標注框圖如圖4 所示。

圖4 標注框圖Fig.4 Marking block diagram

3.1.3 模型訓練

經過大量的數據標注，生成初步的算法模型。將算法模型導入超腦中，通過客戶端設備點位添加、設備端界面導入算法模型、IED 規則配置、報警查看等步驟對算法進行檢測、優化，最終達到功能要求。

3.2 PLC 控制系統功能實現

PLC 控制系統硬件配置由PM+CPU1511 系列組成，采用Ethernet 通訊方式與板坯信息識別系統的存儲服務器對接，傳輸板坯信息到生產控制系統中，與生產控制系統中的計劃信息進行校驗，從而實現加熱爐自動裝鋼的管理和控制。此系統具有以下性能特點：

（1）可用性高：此系統為使用者提供了完善的、可用性高的設計方案，保證了廠區內的設備具有高可用性，范圍廣泛。例如：對控制器進行現場測試，通過帶自動事件同步的可靠切換，確保了高可用性。

（2）可靠性高：系統中的產品在各種工業環境中都具有極佳的穩定性和較好的耐用性。產品通過長時間的系統測試，能達到設計的目標水平，并且具有相關的認證。

（3）安全性：在企業的生產現場中，應用以太網形成網絡通信，網絡安全問題成為了首要問題。為了保護工廠的各項數據，系統采取多種保護措施，進而確保PC和控制系統保護各個網絡的自動化單元設備。控制系統采用單元保護的方案，使用交換機系統模塊等，提供各種組件以組成良好的保護單元。

4 總結

基于圖像識別技術的板坯信息校驗PLC 控制系統就是為了對加熱爐自動裝鋼的管理和控制，以使裝鋼順利，降低人工記錄失誤造成的數據不準確性，從而確保板坯數據信息的正確性和及時性，實時統計和反映了裝爐板坯情況，提升了板坯自動裝鋼的運作效率。數據管理和信息共享實現了數據統一管理，串聯起各子系統，消除了信息孤島，數據信息丟失率、錯誤率均低于0.1%。

引用

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