基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推焦車遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉懷煜，鄭愛云，劉偉民

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著德國工業(yè)4.0和《中國制造2025》的提出，第四次工業(yè)革命即智能化時代已經(jīng)開啟，各種新興技術(shù)推動著傳統(tǒng)制造業(yè)工廠開始向智能化工廠轉(zhuǎn)變[1,2]。

以鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中的焦化過程為例，在焦化生產(chǎn)過程中裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車合稱“四大車”[3]，裝煤車將準備好的煤炭投放入焦爐中，待焦炭燒結(jié)完成后推焦車將其推出焦爐，攔焦車在推焦過程中將導(dǎo)焦柵對準爐門使焦炭能推入熄焦車內(nèi)，熄焦車裝入焦炭后負責將其熄滅并運出，這四輛車的連鎖以及爐號的準確識別對焦化生產(chǎn)至關(guān)重要[4]。

傳統(tǒng)的工作方式是通過現(xiàn)場操作者人眼識別爐號并判斷車輛是否對齊，但是工作人員在焦化生產(chǎn)現(xiàn)場會受到高溫、煙塵大等因素的影響，觀察爐號時容易做出錯誤判斷，導(dǎo)致發(fā)生安全事故，所以傳統(tǒng)的識別方式逐漸被淘汰。近些年國內(nèi)外常采用的幾種爐號識別方法有編碼器技術(shù)、激光測距傳感器技術(shù)、編碼電纜技術(shù)和射頻(RFID)識別技術(shù)等[5-10]。隨著傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用，在監(jiān)測推焦車運行狀態(tài)時，常會結(jié)合GPS和北斗導(dǎo)航技術(shù)、圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)一起使用，使爐號識別和機車定位系統(tǒng)更加智能化，降低了維修成本和復(fù)雜程度，提高了企業(yè)生產(chǎn)管理的質(zhì)量。本文以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了推焦車遠程監(jiān)控系統(tǒng)，為解決推焦過程的遠程監(jiān)控問題提供一種解決方法。

1 推焦車遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)遵循工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，由數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、云服務(wù)器與客戶端四部分組成，推焦車遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 推焦車遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端以嵌入式開發(fā)板的ARM處理器作為核心控制模塊，選擇攝像頭模塊作為采集設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為WiFi技術(shù)。云服務(wù)器由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器組成，客戶端選用B/S架構(gòu)瀏覽器顯示方式。通過串口通信獲得推焦車PLC控制柜的信號，以推焦車的啟停信號控制攝像頭模塊采集煉焦現(xiàn)場的爐號圖像，通過WiFi通信將數(shù)據(jù)存儲至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，Web服務(wù)器請求調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在瀏覽器顯示端展示。

本系統(tǒng)選用迅為iTOP-4418開發(fā)板，以S5P4418處理器為核心，該開發(fā)板可支持Android和Linux操作系統(tǒng)并且運行穩(wěn)定，運行溫度為-25 ℃～80 ℃，滿足工業(yè)級開發(fā)需求。并且該開發(fā)板集成了WiFi、藍牙及4G通信模塊，外部接口提供可支持CMOS傳感器的DVP接口。

本系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式開發(fā)板作為核心控制單元，從功耗和集成度方面考慮，選擇OV5640攝像頭模塊作為圖像采集傳感器，OV5640攝像頭模塊是一種CMOS傳感器。OV5640傳感器可以支持500萬像素的圖像輸出，輸出圖像的數(shù)據(jù)格式包含RGB565、YUV(422/420)和JPEG等。OV5640攝像頭模塊還具有自動對焦等功能，采集的圖像清晰，可應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。一般實際應(yīng)用時，相機像素在500萬及以下時會選擇DVP接口，本系統(tǒng)選擇DVP接口作為圖像傳輸接口即可。

在Windows系統(tǒng)中對嵌入式Linux系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試需要使用虛擬機及相應(yīng)工具來實現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計選用VM Workstation虛擬機安裝Ubuntu操作系統(tǒng)，與Windows系統(tǒng)之間的文件傳輸借助于SSH軟件，編譯器采用arm-none-linux-gnueabi-gcc交叉編譯工具。

2 爐號識別算法設(shè)計

2.1 爐號識別算法流程

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字字符識別過程中可能會出現(xiàn)收斂難、識別結(jié)果達不到預(yù)期的問題，因此本文采用遺傳算法改進卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用遺傳算法強大的全局搜索能力，能夠很好地解決卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇問題。將優(yōu)化后的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于爐號識別中，解決焦化生產(chǎn)中的實際問題。

本文的爐號識別算法流程如圖2所示，具體步驟為：

(1) 導(dǎo)入爐號圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；對數(shù)據(jù)集圖像進行預(yù)處理；利用遺傳算法得到最優(yōu)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2) 導(dǎo)入現(xiàn)場爐號圖像數(shù)據(jù)集；對爐號圖像數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理；利用由步驟(1)得到的最優(yōu)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別爐號圖像。

(3) 得到爐號圖像識別結(jié)果。

圖2 爐號識別算法流程

2.2 算法優(yōu)化流程

利用遺傳算法優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用實數(shù)編碼，每個基因?qū)?yīng)一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，引入精英遺傳策略，保留適應(yīng)度值較高的個體，提高全局收斂性，并經(jīng)過交叉、變異操作得到最優(yōu)結(jié)果，將該結(jié)果導(dǎo)入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，能有效提高識別率。遺傳算法優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程，如圖3所示。

圖3 遺傳算法優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程

2.3 圖像識別驗證

將焦爐爐號圖像制作為數(shù)據(jù)集，通過一系列圖像處理技術(shù)導(dǎo)入優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中來檢測識別效果，優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對焦爐爐號識別的結(jié)果如圖4所示。導(dǎo)入圖像數(shù)據(jù)集后圖像識別的主要步驟如下：

(1) 調(diào)整RGB值將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，再將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。

(2) 對二值圖像進行膨脹處理后再填充圖像中的空洞區(qū)域。

(3) 用LOG算子進行邊緣檢測，篩選出數(shù)字區(qū)域。

(4) 提取出圖像中的數(shù)字區(qū)域，進行灰度化和二值化處理，然后進行數(shù)字字符分割，并用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字進行識別。

圖4 爐號識別結(jié)果

經(jīng)過實際生產(chǎn)現(xiàn)場圖像的測試，該算法可滿足焦爐爐號識別的需求，在光照良好的情況下對推焦現(xiàn)場的爐號圖像識別會獲得更好的結(jié)果。

3 顯示端設(shè)計

顯示端系統(tǒng)云服務(wù)器選用阿里云輕量應(yīng)用服務(wù)器，該服務(wù)器可應(yīng)用于各種場景，能提供多種系統(tǒng)鏡像和應(yīng)用鏡像，價格便宜，對于學生、個人開發(fā)者和中小型企業(yè)來說是最優(yōu)選擇。數(shù)據(jù)庫選用目前較為流行的開源小型關(guān)系數(shù)據(jù)庫Mysql數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有查詢數(shù)據(jù)速度快、編程環(huán)境靈活、使用免費且開源、安裝使用簡易等優(yōu)點。

本系統(tǒng)顯示端開發(fā)采用B/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，主要組成有數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器和瀏覽器顯示端。數(shù)據(jù)庫進行各種數(shù)據(jù)的儲存，Web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫獲取并儲存數(shù)據(jù)。這種架構(gòu)基于網(wǎng)頁語言無關(guān)乎操作系統(tǒng)，可跨平臺，并且開發(fā)較為簡單，維護方便。因此。本文選擇B/S模式實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的用戶注冊、登錄頁面與功能操作頁面的設(shè)計開發(fā)。

顯示端系統(tǒng)采用前、后端分離的方式進行搭建，整體系統(tǒng)由Spring boot+Spring MVC+Mybatis-plus后臺開發(fā)框架與Vue前端框架開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)需求，整個顯示端系統(tǒng)分為用戶管理、查詢管理、拍照管理和生產(chǎn)日志管理四個功能模塊，如圖5所示。

圖5 顯示端系統(tǒng)功能模塊圖

顯示端系統(tǒng)的用戶管理功能可分為三個部分：用戶注冊、用戶登錄和用戶信息修改，方便工作人員對系統(tǒng)進行操作和管理。

查詢管理功能可以查看已錄入并存檔的生產(chǎn)日志，可從數(shù)據(jù)庫中按選定日期讀取當天生產(chǎn)日志，查詢結(jié)果包括爐次、爐號、計劃推焦時間、實際推焦時間、班組和記錄人員。

拍照管理功能可實現(xiàn)對采集端拍照后上傳圖像的顯示。

生產(chǎn)日志管理功能可實現(xiàn)員工對生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)的記錄、存儲、查詢和刪除，生產(chǎn)日志以表格形式展示，包括爐次、爐號、計劃推焦時間、實際推焦時間、班組和記錄人員，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)日志功能界面

4 結(jié)語

針對推焦生產(chǎn)中爐號識別和“四車連鎖”問題，本文基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一種遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)了爐號識別功能。本文通過推焦車控制柜的PLC信號控制攝像頭傳感器模塊采集煉焦現(xiàn)場圖片，通過WiFi通信技術(shù)實現(xiàn)焦化現(xiàn)場與云服務(wù)器之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，最后在瀏覽器顯示端展示，從而實現(xiàn)對推焦過程的有效監(jiān)控。經(jīng)過分析和實驗，證明該系統(tǒng)能夠滿足對推焦過程的監(jiān)控，為焦化生產(chǎn)過程中的爐號識別和“四車連鎖”問題提供了一種有效的解決方案。