基于智能图像识别算法的三维膨胀指示器位移在线监测系统技术探究

基于智能图像识别算法的三维膨胀指示器位移在线监测系统技术探究

夏润章 1，田晓男 1，刘明禄 2

1. 神华国华九江发电有限责任公司，332500

2. 汉唐创承信息技术有限公司，150046

摘要：本项目针对火电厂锅炉汽机膨胀指示器多采用人工抄表记录的问题，提出了采用一台监控摄像机进行视频采集，利用智能图像识别算法分析视频数据获得锅炉膨胀三维位移数据的方案。通过光纤网络将视频数据传输至服务器软件系统处理，建立实时在线监控火电厂锅炉汽机等主要部件的膨胀位移的监测系统。

关键词：智能图像识别算法；三维膨胀指示器；位移在线；

电厂锅炉汽机由于温度压力的变化会发生胀缩变形，变形的具体数值可以反应出设备是否出现异常，因此需要对膨胀的具体数值进行监测。膨胀指示器是用来监视电厂水冷壁、汽包、联箱等厚壁压力容器在点火升压过程中的膨胀情况的，通过它可以及时发现因点火升压不当或安装、检修不良引起的蒸发设备变形，防止膨胀不均发生裂纹和泄漏等。目前火电厂电站使用的膨胀指示器，由带刻度的垂直指针与水平刻度板、固定附件组成，其中垂直指针通过一个可上下活动的松套固定在需要监测位移的设备上，水平刻度板固定在相对不动的固定平台上，垂直指针上的刻度指示出垂直方向的位移读数，垂直指针在水平刻度板的位置指示出两个水平方向的位移读数。电厂运行人员主要采用人工巡检观察并记录的方式监测，费时费力且无法做到及时监测，更不方便记录显示一段较长时间的膨胀变化趋势，不能及时发现膨胀异常，因此存在安全隐患。

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2. 研究意义

该项目直接针对燃煤锅炉运行经济性与安全性的实际问题，以解决电厂运行中自动化孤岛、实现智能化为目标，具有重要的现实意义，为传统生产设备的网络化集成和智慧电站的建设应用树立了良好的示范样板。该项目可以实现锅炉指示器状态综合监测，能够大大提高电力企业经济效益、市场竞争能力和综合管理水平，具有降低运行成本的重大意义。

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3. 研究内容

现代智能图像识别技术是人工智能的重要领域，它是指对图像进行对象识别，以识别各种不同模式的目标和对象的技术。图像识别测量技术发展的比较成熟，如利用两个摄像机识别物体三维数据的方法，利用一台摄像机采集识别二维距离等的应用都是比较成熟的。由于工业环境和行业限制，图像识别定位测量技术在运动控制系统中应用较多，电力行业相对发展较少。

本项目研究一种针对电厂膨胀指示器的智能视频图像识别装置，该装置采用一台监控摄像机采集一台膨胀指示器图像目标靶的方式，利用图像识别算法获得三维移动数据。并且根据电厂多个膨胀监测点的特点，搭建一套完整的锅炉汽机膨胀三维位移实时监测系统。包括硬件结构搭建、软件架构搭建、软件算法研究等。

三、研究思路

本课题将围绕锅炉膨胀指示器智能图像识别技术的关键科学和技术问题开展研究，通过理论和实验相结合的手段，获得锅炉各个测点膨胀的实时数据，建立锅炉启动过程对应膨胀的关系对；重点研制膨胀指示器智能识别装置，结合多个学科、多个专业进行相关的设备成套；开发基于智能识别装置的完整监测系统；为电厂智能化、自动化提供完整的解决方案。

系统研究方法和技术路线的基本思路是，以智能识别标靶为基础，采用计算机视觉技术，实时数据库技术、多线程技术、二维三维空间坐标计算及转换技术，结合C++、JAVA、Angular等开发语言、VisualStudio、Eclipse、NodeJS等编程技术，将每个锅炉膨胀指示器的实时数值、历史数值、变化趋势等信息，生动地展示在人机交互界面上。并通过Modebus等通信协议将实时数据、预警信号、报警信号实时发送给DCS。每个锅炉膨胀指示器监测点安装一个智能识别摄像机，摄像机通过千兆网络与智能识别服务器相连。服务器上运行的多线程数据采集程序，定时从摄像机抓取图片并转换为数字矩阵，发送给图像识别模块的线程池进行处理。图像识别模块的线程池接收到处理任务后，将数字矩阵进行拷贝，并通知多线程数据采集程序继续抓取图片。图像识别模块的线程池使用多线程的方式对拷贝来的数字矩阵进行处理，处理成功以后，将数据发送给实时库、关系数据库、DCS等模块或设备。采用这种“生产者”-“消费者”的运行方式可以有效降低系统对带宽的要求、节省服务器性能、提高处理速度。

四、研究概述

本项目研究软件框架如图4-1所示。通过对锅炉膨胀指示器生产使用进行分析，研究基于智能图像识别测量方法；从建立图像图像识别研究模型出发，进而建立基于图形运算采集服务为基础的整套识别系统。

系统架构包括前端页面服务器、Web组态服务器、JAVA业务服务器、实时数据库、关系数据库、图形运算服务。各个服务之间通过服务的方式协同配合，以达到低耦合的目的。整体的数据来源是图形运算服务，智能算法就是在这个模块里实现。为了追求最高的运行速度，采用C++11的多线程技术来实现。

图形运算服务的运算结果会写入到Modbus寄存器、实时数据库、关系数据库中。Web组态服务器通过读取和订阅实时数据库中数据的变化，来实时的给前台的组态页面提供数据。JAVA业务服务器根据前台的用户操作和请求从关系数据库中查询数据并展示。实时数据的数据服务由Web组态服务器提供，历史数据以及曲线图等趋势图由JAVA业务服务器提供。

图4-1 系统软件框架

五、技术路线

本系统通过实时检测目标标靶的靶心相对于相机三维坐标的变化来实现对锅炉三维膨胀指标的检测。是通过世界坐标系中的N个特征点与图像成像中的N个像点，计算出其投影关系，从而获得相机或物体位姿的问题，采用PNP算法来实现。

（1）将目标靶固定在被监测的锅炉部件上，或固定在原有的膨胀指示器的指针固定杆上；将监控摄像机固定在锅炉基座上，对目标靶进行监视拍照。

（2）将监控摄像机的数据通过监控网络传送到智能识别计算机上，智能识别计算机通过对数据进行分析，得到目标靶相对于监控摄像机的位置数据。

（3）本项目设计了环形8个图案的目标靶，采用图像识别算法识别各个图形的质心，以这些质心的世界坐标以及图像坐标作为PNP算法的参数，提高图像采集精度。

六、创新点

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2. 研制了智能监控摄像机图像识别电厂锅炉汽机部件膨胀三维位移系统，采用了对定制图案拍摄视频方式，利用PNP算法提取数据。

3. 研制了环形结构图案，采用多种图形组合的方式，提高了图像识别算法的精度。

4. 研制了伸缩式防护罩，提高了智能监控摄像机与目标靶之间环境质量，减少干扰源。

总结：达到实时在线监测锅炉膨胀三维位移数据的目标，提高系统的自动化、智能化水平。降低因巡检间隔时间长存在的安全隐患。减小人员消耗，提高工作效率。实现快捷、简单、低成本的实时监测方案。建立历史数据库，方便追溯历史数据、故障信息，为锅炉运行人员提供数据分析基础。膨胀指示器智能化识别系统的智能算法应用有很好示范作用，为传统生产设备的网络化集成和智慧电站的建设应用树立了良好的示范样板。

参考文献：

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