基于图像识别的二次仿真及在氧化铝回转窑上的应用.pdf

3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．e n 2 0 1 1 年1 1 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．儿．0 0 8 基于图像识别的二次仿真及在氧化铝 回转窑上的应用 罗宗山 长沙有色冶金设计研究院，长沙4 1 0 0 1 1 摘要提出一种基于图像识别的二次仿真的方法。首先，介绍图像一运行工况一数值仿真结果之间的关 系。其次，提出一种二次仿真系统的框架，并详细介绍二次仿真的数学模型、图像识剐、聚类等模块。最 后，以回转窑火焰图像及回转窑内温度场为对象，实现了系统原型机。通过实际数据进行验证试验，结 果表明，该方法能够较准确地给出仿真结果，极大缩短计算时间。从而为回转窑内温度监测提供一种新 思路。 关键词二次仿真；图像识别；F l u e n t 数值模拟；回转窑；火焰图像 中图分类号T F 8 2 1 ；T P 3 1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 1 1 - 0 0 3 0 - 0 4 I m a g eR e c o g n i t i o nB a s e do nS e c o n d a r yS i m u l a t i o na n di t s A p p l i c a t i o no nA l u m i n aR o t a r yK i l n L U 0 Z o n g - s h a n C h a n g s h aE n g i n e e r i n ga n dR e s e a r c hI n s t i t u t eo fN o n f e r r o u sM e t a l l u r g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 1 ，C h i n a A b s t r a c t As e c o n d a r ys i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ep a t t e r nr e c o g n i t i o nw a sp r o p o s e d ．F i r s t ，t h er e l a - t i o n s h i pb e t w e e ni m a g e s ，r u n n i n gs t a t e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei n t r o d u c e d ．T h e n ，as e c o n d a r ys i m u l a t i o nf r a m e w o r kw a sp r o p o s e d ，a n dt h em a t h e m a t i cm o d e l ，p a t t e r nr e c o g n i t i o na n dr u n n i n gs t a t e sc l u s t e r i n gw e r ee x p l a i n e di nd e t a i l ．F i n a l l y ．as y s t e mp r o t o t y p em a c h i n ew a sa c h i e v e db yV C 十 6 ．0b a s e do n t h ei m a g e sa n dp r o d u c t i o nd a t as a m p l e df r o mt h er o t a r yk i l no fa na l u m i n ap l a n t ．S i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tb e t w e e nt h ep r o p o s e dm e t h o da n dt h eF l u e n ts o f t w a r eu n d e rt h ec o r r e s p o n d i n gc o n d i t i o n s ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a no b t a i ns a t i s f a c t o r ys i m u l a t i o nr e s u l ti nv e r ys h o r t t i m e ，w h i c hp r o v i d e san o v e lv i e wf o rt h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gi nr o t a r yk i l n s ． K e yw o r d s S e c o n d a r ys i m u l a t i o n ；P a t t e r nr e c o g n i t i o n ；F l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；R o t a r yk i l n ；F l a m ei m a g e 数字图像包含丰富的信息，现已越来越为人们 所重视。氧化铝回转窑火焰图像反映了回转窑内各 方面的信息，识别了火焰图像则可以得知窑内的状 况。计算机数值仿真开始越来越广泛地应用于产品 的设计与优化、工业诊断和分析。但是，由于仿真建 模及求解时间周期长，在实际工业监测中应用较少， 而仿真结果却能够较详细地描述目标的内部信息。 周乃君等提出了一种二次仿真的技术r 卜2 | ，仿真计 算四角粉煤炉在一个标准工况下的温度场，再建立 温度场和工况的数学模型，二次计算温度场，该方法 为二次仿真提供一个思路，但在实际应用中无法归 纳出仅有一个标准工况，故据此来仿真可能存在较 大误差。 本文在提出一种改进的二次仿真方法基于火 基金项目国家自然科学基金重点项目 6 0 6 3 4 0 2 0 l 国家自然科学基金面上项目 5 0 8 7 4 0 2 0 作者简介罗宗山 1 9 7 8 一 ，男，湖南衡东人，工程师． 万方数据 2 0 1 1 年1 1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r n ．c n 3 l 焰图像识别的二次仿真系统。通过建立火焰图像与 仿真结果之间的非线性关系，利用B P N N 识别和基 于各标准设定工况的F l u e n t 仿真的结果库，建立数 学模型，并求解，最后得到当前火焰图像下的温度 场，最后利用伪彩色技术输出二次仿真结果。 1 二次仿真原理 1 ．1 二次仿真原理及系统结构 本文提出的二次仿真的基本原理如图1 所示。 图1 图像、工况与仿真结果间的映射关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m a g e 。 o p e r a t i o nc o n d i t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t s 由于目标仿真结果通常由几个可变参数决定， 而这些可变参数往往难以获得，因此建立图像与可 变参数的非线性关联，再根据可变参数和温度场的 关系，确定图像和温度场的映射。 假设影响目标仿真结果的参数共有P 个，每个 参数可分为s 个阶段，则共有 c s p 种参数的组 合，我们称每一组合为一种设定工况．将这些设定的 工况进行数值仿真计算，得到的结果构造成一个仿 真结果数据库。这样便建立了参数和仿真结果间的 映射关系。鉴于图像和工况参数间的关系为一个非 线性的复杂关系．本文借助神经网络来确定。 当建立图像一工况一仿真结果的关系后，对于 任意图像便可以得到其对应的实际工况，而该工况 则会属于某一类设定工况。由于已经对设定工况进 行了仿真计算，则可以根据仿真结果和设定工况建 立数学模型，而实际的仿真结果则可以应用此模型 由新的工况参数来计算得到。 本文提出的二次仿真的框架如图2 所示。从运 行的回转窑采集到其火焰图像，通过图像识g Ⅱ，得到 其实际所述的工况，再应用模式识别得到它所属的 设定工况类别，调取仿真数据库中相应的数据，建立 仿真结果与工况间的数学模型，并利用求解的模型 计算出实际工况下的温度分布，最后，可以利用图像 处理方法以图形化方式直观显示仿真结果，实现二 次仿真。可以看出，该框架主要包括以下几个核心 部分图像识别、模式聚类、标准工况数据库和仿真 结果再现。以下我们将分别进行介绍。 火焰图像识别 I 拯掣 I l 拯蝴2 fI 堡丝王毽2 l 回转窑 匝i i j 目虱叵i 豇l 野⋯匝面I 耍妇 l 当前火焰图傲l 冈覆菇粟可阿覆菇粟习厂两翼菇耵习l 特自E 提取I I I ‘ l崮僳识别 l 当前工揽l 致锻中 二次仿真结果的伪彩色重构 图2 基于图像识别的二次仿真的系统框架 F i g ．2S y s t e ms t r u c t u r eo ft h es e c o n d a r y s i m u l a t i o nb a s e do np a t t e r nr e c o g n i t i o n 1 ．2 圈像识别 对当前火焰图像进行识别，得到相对应的工况。 神经网络结构为三层前向型神经网络输入层、隐含 层和输出层 图3 。神经网络的输人层包含1 4 个 输人值，分别对应火焰图像的1 4 个特征4 个纹理 特征 熵、能量、不变矩、对比度 ；5 个分形特征和5 火焰图像特征 火焰灰度均值、火焰长度、火焰偏移 度、物料高度、物料灰度均值 。神经网络的隐含层 根据试验结果及经验公式选择为2 1 。神经网络的 输出对应为工况参数的输出，本文选择为3 ，即一 次风速度、二次风速度和二次风温度。神经网络的 训练集从生产现场采集．即在各典型工况下采集图 像和对应输出参数。神经网络的训练方法为L M B P 算法口] ，训练步长0 ．0 0 1 ，网络经过5 0 0 步误差小于 1 0 ，我们认为其收敛。应用训练好的神经网络，对 于任何火焰图像，便可以得到其对应的工况参数。 1 ．3 工况聚类 设有e 类已知类别的模式，从每一类中找出一 个标准样本或者样本均值m ，，m 。，⋯m 。，对于待聚 类样本x ．则可定义聚类的判别函数为待聚类样本 和已知类别样本的欧式距离”] d ， z 一0z 一卅，| l2 ，i 一1 ，2 ．⋯f 按最小距离模式聚类原理，决策规则为如果 d z d ， z ，j 1 ．2 ，⋯C ；j ≠是，即样本x 与已知 的h 类距离最近，则判别z 属于第 类。 葛 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．e n 2 0 1 1 年1 1 期 图3图像识别的神经网络结构 F i g ．3 N e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e o fp a t t e r nr e c o g n i t i o n 2 原型机实现及在回转窑上的应用 在本文中，以回转窑为对象进行试验。选择三 个工况变量一次风速度 8 0m ／5 、9 0m ／s 、1 0 0m ／s 、 1 1 0m ／s 、二次风速度 6m ／s 、9m ／s 、1 2 m ／s 、1 5 m ／s 、二次风温度 9 0 0K 、9 5 0K 、10 0 0K 、10 5 0 K ，每个变量都具有4 段取值范围，则共进行6 4 3 1 9 2 组仿真计算。计算过程中，本文创建了回转 窑的网格数学模型，设定了各类参数的入口即边界 条件，再采用混合分数一概率密度函数 m i x t u r e - f r a e t i o n ／P D F 口“1 模型模拟气相湍流燃烧，进行迭 代计算直至收敛，并选择x 0 平面作为参考面。 将上述工况的仿真计算结果 为便于读取，导出为 t x t 格式的文件 与其对应的参数值构造成一个后台 数据库 在我们的系统中称为标准工况仿真结果数 据库 。利用V C 6 ．0 编程语言实现了系统的原 型机，如图4 所示。 图4 基于图像识别的二次仿真系统原型机 F i g ．4S e c o n d a r ys i m u l a t i o np r o t o t y p eb a s e du np a t t e r nr e c o g n i t i o n 为评价性能，任意选取两幅图像，进行二次仿 真，并应用图像对应的实际工况参数进行F l u e n t 仿 真计算，得到二次仿真结果和F l u e n t 仿真结果。同 时，给出二者之间的误差以及运算的时间对比。 3 结果与讨论 图5 为两幅任意选择的回转窑火焰图像和与该 火焰图像对应的二次仿真结果。表1 则为仿真的精 度和效率情况。 从表l 可以看出，二次仿真的结果和F l u e n t 结 果相比，相对误差在4 ％以内，绝对误差小于4 0 ℃， 因此从精度上看，两者是存在一定差距的；但就处 理速度而言，本系统计算时间不到3s ，而F l u e n t 需要至少2h 。此外，本文提出的方法直接根据火 焰图像得到仿真结果，从而充分利用了火焰图像中 的丰富信息，并避免了复杂的仿真计算过程。故总 体来说，系统尽管存在一定的误差，但是它能较好地 反应温度的分趋势，且计算速度快。具有较大的应用 万方数据 2 0 1 1 年1 1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 3 3 前景。 勇■露碉，鼍叮 ⋯‘t t ⋯⋯‘I ’ 章■■譬吧■’■焉翊■■舅_ 图5 试验火焰图像和基于图像识别的二次仿真结果 F i g ．5E x p e r i m e n t a lf l a m ei m a g ea n dr e s u l t so fs e c o n d a r ys i m u l a t i o n b a s e do np a t t e r nr e c o g n i t i o n 表l 二次仿真系统的精度和效率 T a b l elP r e c i s i o na n de f f i c i e n c yo fs e c o n d a r ys i m u l a t i o ns y s t e m 4 结论 实现了图像一运行工况一数值仿真结果之间的 映射关系，并以回转窑火焰图像及回转窑内温度场 为对象，实现了系统原型机。基于火焰图像识别的 二次仿真系统能够较准确地给出仿真结果，相对误 差在4 ％以内，并且能够极大缩短计算时间。 参考文献 [ 1 ] 周乃君．基于风粉监测的煤粉锅炉燃烧工况动态仿真 与操作优化专家系统研究[ D ] ．长沙中南太学，2 0 0 3 ． [ 2 ] 王强，周乃君．1 3 0t ／h 煤粉锅炉风一粉在线监测系统 的应用和研究[ J ] ．热能动力工程，2 0 0 1 ．1 6 6 6 2 5 6 2 7 ． [ 3 ] B a h r a mGK e r m a n i ，S u s a nSS c h i f f m a n ，HT r o yN a g l e ． P e r f o r m a n c eo ft h eL e v e n b e r g M a r q u a r d tn e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gm e t h o di ne l e c t r o n i cn o s ea p p l i c a t i o n s [ J ] ． S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB C h e m i c a l ，2 0 0 5 ，1 1 0 1 1 3 2 2 ． [ 4 ] 李宏东，姚天翔．模式分类[ M ] ．北京机械工业出版 社，2 0 0 3 1 5 3 ． E s ] 郭永红，孙保民，康志忠．超细煤粉再燃低N O 。燃烧技 术的数值模拟[ J ] ．动力工程，2 0 0 5 ，2 3 3 4 2 2 4 2 6 ． [ 6 ] S i v a t h a n uYR ，F a e t hGM ．G e n e r a l i z e dS t a t eR e l a t i o n s h i p sf o rS c a l a rP r o p e r t i e si nN o n - P r e m i x e dH y d r o e a r b o n ／A i rF l a m e s [ J ] ．C o m b u s t ．F l a m e ，1 9 9 0 ，8 2 2 2 1 1 2 3 0 ． 万方数据