本發(fā)明屬于電廠(chǎng)鍋爐燃燒穩(wěn)定性檢測(cè)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于火焰多圖像特征的鍋爐燃燒穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù):
在火力發(fā)電站鍋爐煤粉燃燒的穩(wěn)定關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及安全性。穩(wěn)定性判別方法主要依據(jù)與燃燒相關(guān)的參數(shù)建立模型,間接地判別燃燒穩(wěn)定性。但由于影響燃燒的因素眾多,燃燒狀況的復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用效果不理想。
近年來(lái),火焰圖像采集監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于電站鍋爐,但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,測(cè)量誤差較大。所以,目前火焰視頻圖像在現(xiàn)場(chǎng)還主要應(yīng)用在判斷著火滅火,還不能做到基于動(dòng)態(tài)的視頻圖像自動(dòng)監(jiān)測(cè)燃燒穩(wěn)定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種根據(jù)視頻圖像判斷鍋爐燃燒穩(wěn)定性的方法,用于自動(dòng)檢測(cè)爐膛內(nèi)火焰的燃燒狀況。
所述方法包括特征值提取和穩(wěn)定性判斷兩部分;具體為
步驟1、從爐膛火焰燃燒視頻中對(duì)每一幀圖像做圖像預(yù)處理,提取每一幀圖像的特征值,包括燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)、煤粉邊緣輪廓相似度和煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值;
步驟2、利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練火焰燃燒穩(wěn)定性判定模型,用以判斷爐膛火焰燃燒穩(wěn)定性,根據(jù)其輸出參數(shù)所在的范圍判定穩(wěn)定性。
所述圖像預(yù)處理,包括
步驟101、從爐膛火焰視頻中提取t時(shí)刻的單幀圖像,并將其灰度化,得到圖像fg(i,j,t);
步驟102、對(duì)圖像fg(i,j,t)進(jìn)行中值濾波,得到圖像fm(i,j,t);
步驟103、對(duì)圖像fm(i,j,t)做灰度拉伸處理,增強(qiáng)圖像對(duì)比度,得到圖像fen(i,j,t)。
所述燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)能反映燃燒區(qū)的波動(dòng)劇烈程度,其提取方法包括
步驟201、將步驟103處理得到的圖像fen(i,j,t)根據(jù)灰度閾值100,200從暗到亮依次分為三個(gè)灰度級(jí)分別代表未燃區(qū)、初燃區(qū)和燃盡區(qū),得到圖像fl(i,j,t);未燃區(qū)即煤粉進(jìn)入爐膛后并未立即燃燒,吸收爐內(nèi)輻射能,因而不發(fā)出可見(jiàn)光;初燃區(qū)即煤粉進(jìn)入爐膛后逐漸被加熱,開(kāi)始燃燒,并開(kāi)始釋放出光和熱,從圖中能看到水平方向上的灰度變化;燃盡區(qū)即煤粉在火焰和高溫?zé)煔獾募訜嵯?,完全燃燒,釋放出大量的光和熱,在圖像中呈現(xiàn)出高亮度;
步驟202、通過(guò)上述步驟1以及步驟201得到兩幅燃燒區(qū)分割圖像fl(i,j,t0)以及fl(i,j,t1);兩幅圖像間隔幀數(shù)的選擇結(jié)合了火焰閃爍頻率以及視頻幀率,兩幅圖像間隔5幀時(shí),差分效果最佳;
步驟203、計(jì)算fl(i,j,t0)與fl(i,j,t1)的差分取絕對(duì)值fdiff(i,j,Δt)=|fl(i,j,t0)-fl(i,j,t1)|;
步驟204、統(tǒng)計(jì)圖像fdiff(i,j,Δt)中三個(gè)灰度級(jí)各自的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),n0,n1,n2分別代表像素點(diǎn)所處的燃燒區(qū)前后不變,變化1級(jí)燃燒區(qū)即未燃區(qū)到初燃區(qū)、初燃區(qū)到未燃區(qū)、初燃區(qū)到燃盡區(qū)、燃盡區(qū)到初燃區(qū)以及變化2級(jí)燃燒區(qū)即未燃區(qū)到燃盡區(qū)、燃盡區(qū)到未燃區(qū)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),變化2級(jí)燃燒區(qū)的像素點(diǎn)處燃燒波動(dòng)大,變化1級(jí)燃燒區(qū)的像素點(diǎn)處的波動(dòng)程度次之,灰度級(jí)前后不變的像素點(diǎn)處的波動(dòng)程度最低,燃燒最穩(wěn)定;
步驟205、計(jì)算穩(wěn)定性指數(shù)f是各個(gè)燃燒區(qū)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占總像素點(diǎn)數(shù)的比值的加權(quán)和;ω0、ω1、ω2為其權(quán)值系數(shù),n為畫(huà)面中像素點(diǎn)的總個(gè)數(shù);由于通常變化2灰度級(jí)的像素點(diǎn)數(shù)量較少,但對(duì)燃燒穩(wěn)定性影響較大,所以為了放大灰度變化劇烈的像素點(diǎn)對(duì)燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)的影響,令ω2等于16。變化1灰度級(jí)的像素點(diǎn)對(duì)燃燒穩(wěn)定性也有影響,令ω1=4。而所處灰度級(jí)不變像素點(diǎn)處燃燒穩(wěn)定,令ω0=0。
所述煤粉邊緣輪廓相似度能反映煤粉鋒面的波動(dòng)程度,用來(lái)判斷燃燒穩(wěn)定性好壞,其提取方法包括
步驟301、將步驟103處理得到的,根據(jù)大津算法提取二值化閾值,將圖像二值化,得到圖像fbinary(i,j,t0)和fbinary(i,j,t1),其間隔與燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)計(jì)算間隔一致、間隔5幀;
步驟302、使用Canny算子檢測(cè)fbinary(i,j,t0)和fbinary(i,j,t1)煤粉輪廓序列L(i,t0)、L(i,t1);
步驟303、從L(i,t0)和L(i,t1)中選取最長(zhǎng)輪廓Lmax(t0)、Lmax(t1)代表t0時(shí)刻和間隔5幀圖像后的t1時(shí)刻的最長(zhǎng)的輪廓;
步驟304對(duì)Lmax(t0),Lmax(t1)求7個(gè)幾何不變矩I1~I(xiàn)7;
I1=y(tǒng)20+y02
I3=(y30+3y)2+(3y21-y03)2
I4=(y30+y12)2+(y21+y03)2
I5=(y30-y12)(y30+y12)[(y30+y12)2-3(y21+y03)2]+
(3y21-y03)(y21+y30)[3(y30+y12)2-(y21+y03)2]
I6=(y20-y02)[(y30+y12)2-(y21+y03)2]+4y11(y30+y12)(y21+y03)
I7=3(y21+y03)(y30+y12)[(y30+y12)2-(3y21-y03)2]+
(y30-3y12)(y21+y30)[3(y30+y12)2-(y21+y03)2]
其中:
式中,
式中,p,q=0,1,2,…;
其中矩心(x0,y0)為:
mpq=∫∫xpyqf(x,y)dxdy p,q=0,1,2,…;
步驟305、得到煤粉邊緣輪廓相似度M;
其中,k(t)=sign(log10|Ii(t0)|)。
煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值其提取方法包括
步驟401、求取通過(guò)步驟303得到的輪廓Lmax(t0)、Lmax(t1)的輪廓長(zhǎng)度
其中,n為輪廓序列L上的像素點(diǎn)的總數(shù),(xj,yj)和(xj+1,yj+1)分別代表輪廓中第j,第j+1個(gè)像素點(diǎn);
步驟402、計(jì)算間隔5幀的兩幅圖像的煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值
Δd=|d(t0)-d(t1)|。
所述火焰燃燒穩(wěn)定性判別模型,其模型輸入提取步驟為
步驟501、將步驟1中所述特征值做20幀滑動(dòng)平均;
步驟502、根據(jù)火焰閃爍頻率以及運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn),選取從2秒前至當(dāng)前時(shí)刻共2秒時(shí)間內(nèi)所有幀的圖像,對(duì)每幅圖像計(jì)算特征值;對(duì)每個(gè)特征值計(jì)算2秒內(nèi)的均值、最大-最小差值、方差。得到輸入向量
對(duì)于燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)fH-L,分別代表2秒鐘內(nèi)共50幀圖像的燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)的均值,最大-最小差值,方差;
對(duì)于煤粉邊緣輪廓相似度,MH-L,分別代表2秒鐘內(nèi)共50幀圖像煤粉邊緣輪廓相似度的均值、最大-最小差值、方差;
對(duì)于煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值,dH-L,分別代表2秒鐘內(nèi)共50幀圖像煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值的均值、最大-最小差值、方差;
步驟503,對(duì)上述輸入做歸一化處理得到最終的輸入。
所述火焰燃燒穩(wěn)定性判別模型是一個(gè)徑向基函數(shù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);其輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為9,和輸入向量元素個(gè)數(shù)一致;其隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)目為9×2+1=19個(gè);其輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1。
所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的核函數(shù)中心為人工劃分的5種燃燒穩(wěn)定狀態(tài)下的共計(jì)19組輸入。
所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其輸出參數(shù)代表穩(wěn)定性,輸出的參數(shù)在0~1.5內(nèi)代表非常穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在1.5~2.5代表穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在2.5~3.5代表一般穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在3.5~4.5代表不穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在4.5~+∞代表很不穩(wěn)定。
所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本大小為5×100=500;由非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、一般、不穩(wěn)定、很不穩(wěn)定五類(lèi)工況各100個(gè)樣本組成;上述非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、一般、不穩(wěn)定、很不穩(wěn)定五類(lèi)工況的輸出分別被標(biāo)記為1,2,3,4,5。
有益效果
本發(fā)明根據(jù)爐膛內(nèi)部火焰燃燒的特點(diǎn),提出了一種基于特征值的鍋爐燃燒穩(wěn)定性判別方法,能夠根據(jù)視頻圖像的前后幀圖像的特征變化實(shí)時(shí)自動(dòng)判定鍋爐燃燒穩(wěn)定性狀況,有利于火電站監(jiān)測(cè)鍋爐燃燒狀況,指導(dǎo)運(yùn)行人員調(diào)節(jié)給煤量,為機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)保障。
附圖說(shuō)明
圖1發(fā)明主要流程圖
圖2 t時(shí)刻未燃區(qū)、初燃區(qū)、燃盡區(qū)分割圖像
圖3間隔5幀的差分圖像
圖4Otsu二值化結(jié)果
圖5提取得到最長(zhǎng)輪廓
圖6RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
圖7穩(wěn)定燃燒工況下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出
圖8不穩(wěn)定燃燒工況下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出
圖9模型輸出與穩(wěn)定性劃分
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出了一種基于火焰多圖像特征的鍋爐燃燒穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法,所述方法包括特征值提取和穩(wěn)定性判斷兩部分;
步驟1、從爐膛火焰燃燒視頻中提取每一幀圖像,對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理操作,其處理步驟包括;
步驟101、從爐膛火焰視頻中提取t時(shí)刻的單幀圖像,并將其灰度化,得到圖像fg(i,j,t);
步驟102、對(duì)圖像fg(i,j,t)進(jìn)行中值濾波,得到圖像fm(i,j,t);
步驟103、對(duì)圖像fm(i,j,t)做灰度拉伸處理,增強(qiáng)圖像對(duì)比度,得到圖像fen(i,j,t);
步驟2、對(duì)預(yù)處理后圖像求取燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù);
步驟201、如圖1所示,將圖像fen(i,j,t)根據(jù)灰度閾值100,200從暗到亮依次分為三個(gè)灰度級(jí)分別代表未燃區(qū)(圖中網(wǎng)格線(xiàn)區(qū)域)、初燃區(qū)(圖中斜線(xiàn)區(qū)域)和燃盡區(qū)(圖中白色區(qū)域),得到圖像fl(i,j,t);未燃區(qū)即煤粉進(jìn)入爐膛后并未立即燃燒,吸收爐內(nèi)輻射能,因而不發(fā)出可見(jiàn)光;初燃區(qū)即煤粉進(jìn)入爐膛后逐漸被加熱,開(kāi)始燃燒,并開(kāi)始釋放出光和熱,從圖中能看到水平方向上的灰度變化;燃盡區(qū)即煤粉在火焰和高溫?zé)煔獾募訜嵯拢耆紵?,釋放出大量的光和熱,在圖像中呈現(xiàn)出高亮度;
步驟202、通過(guò)上述步驟1以及步驟201得到兩幅燃燒區(qū)分割圖像fl(i,j,t0)以及fl(i,j,t1)。兩幅圖像間隔幀數(shù)的選擇結(jié)合了火焰閃爍頻率以及視頻幀率,兩幅圖像間隔5幀時(shí),差分效果最佳,如圖3所示。
步驟203、計(jì)算fl(i,j,t0)與fl(i,j,t1)的差分取絕對(duì)值fdiff(i,j,Δt)=|fl(i,j,t0)-fl(i,j,t1)|;
步驟204、如圖2所示統(tǒng)計(jì)圖像fdiff(i,j,Δt)中三個(gè)灰度級(jí)各自的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),n0,n1,n2分別代表像素點(diǎn)所處的燃燒區(qū)前后不變(圖中網(wǎng)格線(xiàn)區(qū)域),變化1級(jí)燃燒區(qū)(未燃區(qū)到初燃區(qū)、初燃區(qū)到未燃區(qū)、初燃區(qū)到燃盡區(qū)、燃盡區(qū)到初燃區(qū)。圖中斜線(xiàn)區(qū)域)以及變化2級(jí)燃燒區(qū)(未燃區(qū)到燃盡區(qū)、燃盡區(qū)到未燃區(qū)。圖中白色區(qū)域)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),變化2級(jí)燃燒區(qū)的像素點(diǎn)處燃燒波動(dòng)大,變化1級(jí)燃燒區(qū)的像素點(diǎn)處的波動(dòng)程度次之,灰度級(jí)前后不變的像素點(diǎn)處的波動(dòng)程度最低,燃燒最穩(wěn)定。
步驟205、計(jì)算穩(wěn)定性指數(shù)f是各個(gè)燃燒區(qū)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占總像素點(diǎn)數(shù)的比值的加權(quán)和。ω0、ω1、ω2為其權(quán)值系數(shù),n為畫(huà)面中像素點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。由于通常變化2灰度級(jí)的像素點(diǎn)數(shù)量較少,但對(duì)燃燒穩(wěn)定性影響較大,所以為了放大灰度變化劇烈的像素點(diǎn)對(duì)燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)的影響,令ω2等于16。變化1灰度級(jí)的像素點(diǎn)對(duì)燃燒穩(wěn)定性也有影響,令ω1=4。而所處灰度級(jí)不變像素點(diǎn)處燃燒穩(wěn)定,令ω0=0。
步驟3、對(duì)預(yù)處理后圖像求取煤粉邊緣輪廓相似度,其提取方法包括:
步驟301、將步驟103處理得到的,根據(jù)大津算法提取二值化閾值,將圖像二值化,得到圖像fbinary(i,j,t0)和fbinary(i,j,t1),其間隔與燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)計(jì)算間隔一致、間隔5幀;
步驟302、使用Canny算子檢測(cè)fbinary(i,j,t0)和fbinary(i,j,t1)煤粉輪廓序列L(i,t0)、L(i,t1);
步驟303、從L(i,t0)和L(i,t1)中選取最長(zhǎng)輪廓Lmax(t0)、Lmax(t1)代表t0時(shí)刻和間隔5幀圖像后的t1時(shí)刻的最長(zhǎng)的輪廓;
步驟304、對(duì)Lmax(t0),Lmax(t1)求7個(gè)幾何不變矩I1~I(xiàn)7;
I1=y(tǒng)20+y02
I3=(y30+3y)2+(3y21-y03)2
I4=(y30+y12)2+(y21+y03)2
I5=(y30-y12)(y30+y12)[(y30+y12)2-3(y21+y03)2]+
(3y21-y03)(y21+y30)[3(y30+y12)2-(y21+y03)2]
I6=(y20-y02)[(y30+y12)2-(y21+y03)2]+4y11(y30+y12)(y21+y03)
I7=3(y21+y03)(y30+y12)[(y30+y12)2-(3y21-y03)2]+
(y30-3y12)(y21+y30)[3(y30+y12)2-(y21+y03)2]
其中:
式中,
式中,p,q=0,1,2,…。
其中矩心(x0,y0)為:
mpq=∫∫xpyqf(x,y)dxdy p,q=0,1,2,…;
步驟305、得到煤粉邊緣輪廓相似度M,如圖4所示。
其中,k(t)=sign(log10|Ii(t0)|)。
步驟4、對(duì)預(yù)處理后圖像求取煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值,如圖5所示其提取方法包括:
步驟401、求取通過(guò)步驟303得到的輪廓Lmax(t0)、Lmax(t1)的輪廓長(zhǎng)度
其中,n為輪廓序列L上的像素點(diǎn)的總數(shù),(xj,yj)和(xj+1,yj+1)分別代表輪廓中第j,第j+1個(gè)像素點(diǎn)。
步驟402、計(jì)算間隔5幀的兩幅圖像的煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值
Δd=|d0)-d(t1)|。
步驟5、利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練火焰燃燒穩(wěn)定性模型,用以判斷爐膛火焰燃燒穩(wěn)定性,根據(jù)其輸出參數(shù)所在的范圍判定穩(wěn)定性,圖6為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
所述火焰燃燒穩(wěn)定性模型,其輸入提取步驟為
步驟501、將步驟1中所述特征值做20幀滑動(dòng)平均;
步驟502、根據(jù)火焰閃爍頻率以及運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn),選取從2秒前至當(dāng)前時(shí)刻共2秒時(shí)間內(nèi)所有幀的圖像,對(duì)每幅圖像計(jì)算特征值。對(duì)每個(gè)特征值計(jì)算2秒內(nèi)的均值、最大-最小差值、方差。得到輸入向量
對(duì)于燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)fH-L,分別代表2秒鐘內(nèi)共50幀圖像的燃燒區(qū)波動(dòng)指數(shù)的均值,最大-最小差值,方差;
對(duì)于煤粉邊緣輪廓相似度,MH-L,分別代表2秒鐘內(nèi)共50幀圖像煤粉邊緣輪廓相似度的均值、最大-最小差值、方差;
對(duì)于煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值,dH-L,分別代表2秒鐘內(nèi)共50幀圖像煤粉邊緣輪廓長(zhǎng)度差值的均值、最大-最小差值、方差。
步驟503、對(duì)上述輸入做歸一化處理得到最終的輸入。
步驟504、以人工劃分的5種燃燒穩(wěn)定狀態(tài)下的共計(jì)19組輸入作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的核函數(shù)中心
步驟505、對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練樣本大小為5×100=500。由非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、一般、不穩(wěn)定、很不穩(wěn)定五類(lèi)工況各100個(gè)樣本組成。上述非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、一般、不穩(wěn)定、很不穩(wěn)定五類(lèi)工況的輸出分別被標(biāo)記為1,2,3,4,5。
步驟406、向RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù),其輸出參數(shù)代表穩(wěn)定性,輸出的參數(shù)在0~1.5內(nèi)代表非常穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在1.5~2.5代表穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在2.5~3.5代表一般穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在3.5~4.5代表不穩(wěn)定,輸出的參數(shù)在4.5~+∞代表很不穩(wěn)定。圖9為模型輸出與穩(wěn)定性劃分。
兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖中圖7,圖8。圖7為燃燒穩(wěn)定的視頻片段進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定性判別后,模型輸出值。圖8為燃燒不穩(wěn)定的視頻片段進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定性判別后,模型輸出值。
可以觀(guān)察到燃燒穩(wěn)定時(shí)模型輸出值小,曲線(xiàn)波動(dòng)小,穩(wěn)定性判斷基本維持在“穩(wěn)定”以及“一般”。燃燒不穩(wěn)定時(shí)模型輸出值較大,曲線(xiàn)波動(dòng)頻繁,“非常不穩(wěn)定”、“不穩(wěn)定”出現(xiàn)頻繁。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模型對(duì)鍋爐燃燒穩(wěn)定性的判別有效。