石 義，郝星暉，范韶前，王 嬌，牛馨樂(lè)

1 作品簡(jiǎn)介

礦渣棉是礦物棉的一種，它是由熔融礦渣（高爐渣銅礦渣、鋁礦渣等）為主要原料制成的棉絲狀無(wú)機(jī)纖維，顏色呈白色或灰白色。其成品分為兩個(gè)階段，分別是鐵尾礦調(diào)制高爐渣成纖形成粗加工的礦渣棉（未做成型材）以及粗加工的礦渣棉經(jīng)過(guò)一定工藝處理形成精加工的礦渣棉。動(dòng)態(tài)化補(bǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)化補(bǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

礦渣棉具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、不燃燒、防蛀、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸聲性能好、價(jià)廉等特點(diǎn)，可做成板、氈、毯、墊、繩等用作吸聲、減震、絕熱、保溫的材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中，是國(guó)際公認(rèn)“第五常規(guī)能源”中的主要節(jié)能材料。

熾綸科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)運(yùn)用雙目識(shí)別和智能算法打造的基于熔解動(dòng)力學(xué)的高爐熔渣在線調(diào)制過(guò)程動(dòng)態(tài)化補(bǔ)熱系統(tǒng)生產(chǎn)粗加工的礦渣棉，再對(duì)其進(jìn)行精加工形成具有高附加值的型材，向政府、電力、建材市場(chǎng)等領(lǐng)域推銷渣棉型材產(chǎn)品。礦渣棉成品可用于農(nóng)業(yè)、造紙業(yè)和3D打印技術(shù)領(lǐng)域等。除此之外，熾綸科技采用在線調(diào)質(zhì)云端識(shí)別處理，并將動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)返回至終端，降低了終端設(shè)備的性能要求和成本，提高了高性能云端服務(wù)器的使用密度，發(fā)揮出移動(dòng)互聯(lián)云端計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，可提供線上調(diào)質(zhì)服務(wù)API接口，為企業(yè)和工廠的穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。云端服務(wù)器能夠通過(guò)大量數(shù)據(jù)反饋模型結(jié)果，提高識(shí)別準(zhǔn)確率，使得識(shí)別更加精確高效。

2 技術(shù)原理

熾綸科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的基于熔解動(dòng)力學(xué)的高爐熔渣在線調(diào)質(zhì)過(guò)程動(dòng)態(tài)化補(bǔ)熱設(shè)備采用非接觸式研究方式，主要由拍攝系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、三維重建系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互等部分組成。

2.1 拍攝系統(tǒng)部分

圖2為視頻圖像和溫度等數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)物，使用的硬件主要包括工業(yè)級(jí)雙目CCD攝像頭、PYNQ片上系統(tǒng)、上位機(jī)。

圖2 PYNQ片上系統(tǒng)和工業(yè)級(jí)雙目攝像頭實(shí)物

PYNQ是Xilinx的開(kāi)源項(xiàng)目，旨在使基于Xilinx ZYNQ的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易。

通過(guò)使用Python語(yǔ)言及其庫(kù)文件，設(shè)計(jì)者能夠充分發(fā)揮PYNQ PL部分和PS部分的各自優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)功能更加強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工業(yè)級(jí)雙目CCD攝像頭采用USB 3.0通信接口，輸出彩色、未壓縮的雙目720 P高清圖像，幀率高達(dá)60 FPS，傳輸速度大于200 MB/s。雙目相機(jī)圖像清晰，顏色純正，適合高精度識(shí)別、三維機(jī)器視覺(jué)等應(yīng)用。

2.2 識(shí)別系統(tǒng)部分

使用TensorFlow框架構(gòu)建具有全連接層的Fast-RCNN網(wǎng)絡(luò)。選取原始圖像和已經(jīng)標(biāo)注好的數(shù)據(jù)輸入到網(wǎng)絡(luò)層中，采用平滑檢測(cè)的方式對(duì)標(biāo)記目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中采用改進(jìn)后的全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較和學(xué)習(xí)，采用1×1的卷積層代替全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以有效減少圖像學(xué)習(xí)對(duì)比的計(jì)算量，采用IoU閾值判斷結(jié)果質(zhì)量，作為檢測(cè)指標(biāo)。Non-Maximum Suppression采用搜索局部最大值抑制極大值的方式，在相互重疊的候選框中取最優(yōu)結(jié)果。雖然在目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果中仍然存在目標(biāo)重疊的現(xiàn)象，但可以采用圖像融合的方式將多次識(shí)別的目標(biāo)重合區(qū)域進(jìn)行合并。使用Fast-RCNN網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)識(shí)別后的結(jié)果進(jìn)行模型訓(xùn)練，并在網(wǎng)絡(luò)中加入SPPnet網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，對(duì)模型原數(shù)據(jù)進(jìn)行十萬(wàn)次重復(fù)訓(xùn)練，以得到訓(xùn)練模型。IoU檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示，N-MS算法尋找邊框示意圖如圖4所示，采用SPPnet網(wǎng)絡(luò)處理高溫熔體原理示意圖如圖5所示，語(yǔ)義分割圖像實(shí)施過(guò)程如圖6所示。

圖3 IoU檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)圖

圖4 N-MS算法尋找邊框示意圖

圖5 采用SPPnet網(wǎng)絡(luò)處理高溫熔體原理示意圖

圖6 語(yǔ)義分割圖像實(shí)施過(guò)程

將拍攝到的圖片代入模型運(yùn)行，并分割得到高溫熔體區(qū)域，獲得高溫熔體的平面圖像及像素點(diǎn)數(shù)據(jù)，之后采用灰度值還原的方法還原顆粒體積，識(shí)別結(jié)果通過(guò)標(biāo)注目標(biāo)框和掩膜的方式在原圖的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)。模型運(yùn)行示例如圖7所示。

圖7 模型運(yùn)行示例

2.3 三維重建系統(tǒng)部分

基于2D圖形對(duì)灰度圖像進(jìn)行高度處理，則圖像中的灰度圖像越高，Z軸越高。使用3D建模軟件3D Builder提取顆粒輪廓，由于高度特性不完整，因此經(jīng)過(guò)半粒子模型的重塑后作為原始顆粒的背面，從而完成三維重建顆粒，并生成STL格式的3D文件。平面灰度圖像及其重建如圖8所示。

圖8 平面灰度圖像及其重建

STL用于轉(zhuǎn)換3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)。3D文件是表面點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此內(nèi)部點(diǎn)可用種子填充算法填充，并且3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)和內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)在3D坐標(biāo)中的分布可利用編程計(jì)算其中的3D圖像量，用于還原體積數(shù)據(jù)，對(duì)其乘以高爐渣的密度，可得質(zhì)量變化的離散預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，再對(duì)其擬合后，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，求得熔解速率，最終得到基于物化性質(zhì)的熔解動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱方案。3D重建渲染結(jié)果如圖9所示。

圖9 3D重建渲染結(jié)果

2.4 數(shù)據(jù)交互部分

熾綸科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)為加強(qiáng)使用動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱系統(tǒng)的操作體驗(yàn)，設(shè)計(jì)了個(gè)性化Qt軟件界面。除此之外，為了將煉鋼過(guò)程的高溫熔體熔融狀態(tài)存儲(chǔ)于平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線信息的充分利用，用戶可以通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)站選擇合適的模型進(jìn)行補(bǔ)熱方案的在線下載。Qt界面構(gòu)造如圖10所示，智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱系統(tǒng)云服務(wù)器搭建框架如圖11所示。

圖10 Qt界面構(gòu)造

圖11 智能動(dòng)態(tài)補(bǔ)熱系統(tǒng)云服務(wù)器搭建框架

3 應(yīng)用前景

目前，我國(guó)能有效利用高爐熔渣顯熱的大型礦渣棉公司較少，大型骨干企業(yè)或外資企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中受到技術(shù)的限制，而規(guī)模小、能耗高、勞動(dòng)條件差、污染大的小型礦物棉生產(chǎn)廠生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差，擾亂了礦物棉產(chǎn)品的市場(chǎng)和口碑。形成這種現(xiàn)象的根本原因是高爐渣成纖工藝的顯熱未得到充分利用。研究高爐渣的調(diào)質(zhì)和熔渣均質(zhì)化的過(guò)程中，需要首先得到熔解隨時(shí)間變化的高溫熔體顆粒運(yùn)動(dòng)行為規(guī)律。傳統(tǒng)方法是在坩堝中放入冶金渣，待渣熔化后放入高溫熔體，每間隔一定時(shí)間，將熔渣與高溫熔體一起快速冷卻，冷卻后的試樣經(jīng)磨平、拋光后，在顯微鏡下分析顆粒尺寸變化。此外傳統(tǒng)方法存在間斷性，且高溫熔體與熔渣一起冷卻后很難區(qū)分，影響了實(shí)驗(yàn)精度。除此之外，鋼鐵工廠的主營(yíng)業(yè)務(wù)主要是冶煉精品鋼材，并未將重心放在高爐渣的固廢利用上。