автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Математическое обеспечение оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерата на конвейерных агломерационных машинах

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Общая характеристика проблемы контроля качества агломерата

1.1. Анализ существующих методов контроля 11 качества агломерата

1.2. Характеристика агломерата как объекта 20 оптического контроля и анализа

1.3. Постановка задачи синтеза оптико-электронной 24 системы анализа макроструктуры агломерата

ГЛАВА 2. Математическое обеспечение оптикоэлектронной системы анализа макроструктуры агломерата

2.1. Теоретические предпосылки контроля качества 32 агломерата с использованием оптико-электронного метода

2.2. Методы анализа макроструктуры агломерата

2.2.1. Параметрический анализ

2.2.2. Текстурный анализ

2.2.3. Пространственно-спектральный анализ

2.3. Моделирование изображения излома 50 агломерационного спека для тестирования алгоритмов обработки видеоинформации

ГЛАВА 3. Алгоритмы функционирования оптикоэлектронной системы анализа макроструктуры агломерата

3.1. Алгоритм исключения макроблоков

3.2. Алгоритм параметрического анализа

3.3. Алгоритм текстурного анализа

3.4. Алгоритм пространственно-спектрального анализа

3.5. Процедура комплексной оценки макроструктуры 94 агломерата

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования алгоритмов функционирования оптикоэлектронной системы анализа макроструктуры агломерата

4.1. Описание оптико-электронной системы

4.1.1 Основные функциональные элементы и блоки

4.1.2. Методика настройки алгоритмов функционирования

4.2. Результаты экспериментальных исследований 108 алгоритмов функционирования оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерата в разгрузочной части агломерационной машины

4.3. Перспективы применения оптико-электронных 116 систем анализа макроструктуры и основные направления их развития

Актуальность темы. Повышение качества агломерата остаётся главным фактором улучшения технологических параметров выплавляемого чугуна, так как на большинстве отечественных и зарубежных предприятий агломерат является основным компонентом доменной шихты. Получение малоразрушающегося агломерата с высокими потребительскими свойствами является одним из главных условий снижения расхода кокса и увеличения производительности доменных печей.

Традиционно контроль качества готового агломерата осуществляется в лабораторных условиях. При этом выбирается заданный объем аглоспека и определяются характеризующие его параметры, на основе полученных данных делается вывод о свойствах продукта агломерационного производства. Существенным недостатком такого подхода является отсутствие оперативности и как следствие снижение точности управления агломерационным производством.

В настоящее время на ряде отечественных и зарубежных предприятиях нашли применение оптические методы и реализованные на их основе системы. Однако их использование ограничено анализом соответствующим образом подготовленных образцов - сколы, аншлифы. Обзор научной и патентной литературы показал, что существующие системы и используемые методы не обладают достаточной оперативностью.

В этой связи разработка оптико-электронной системы контроля качества агломерата непосредственно в технологическом потоке, в частности, ее математического обеспечения, представляется весьма актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка методов и принципов построения многофункциональных систем технического зрения» на кафедре «Программное обеспечение ЭВМ» Череповецкого государственного университета.

Цельработы: разработка и исследование математического обеспечения оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерата с использованием оптико-электронного метода на конвейерных агломерационных машинах.

В соответствии с этим в работе решаются следующие основные задачи.

1. Исследование агломерата как объекта оптического контроля и анализа.

2. Разработка теоретических основ применения оптико-электронного метода для анализа макроструктуры агломерационного спека.

3. Построение алгоритмов функционирования оптико-электронной системы анализа макроструктуры на агломерационной машине конвейерного типа.

4. Экспериментальные исследования математического обеспечения в разгрузочной части агломерационной машины.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использованы методы математического и компьютерного моделирования, цифровой обработки изображений и оптоэлектроники, аппарат теории вероятностей и математической статистики, основы теории построения алгоритмов и программ.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1. Дано теоретическое описание агломерата как объекта оптического контроля в видимом диапазоне длин волн и определен перечень наиболее информативных параметров.

2. Предложен способ контроля качества агломерата, основанный на анализе макроструктуры аглоспека в разгрузочной части агломерационной машины и обеспечивающий необходимые временные параметры технологического цикла.

3. Разработан алгоритм исключения макроблоков, отличающийся эффективным подавлением неинформативных деталей на изображении излома аглоспека и снижающий избыточность объёма обрабатываемой видеоинформации.

4. Предложена процедура комплексной оценки качества агломерата, основанная на использовании методов параметрического, текстурного и пространственно-спектрального анализа и обеспечивающая более высокие показатели надёжности.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработана модель изображения излома агломерационного спека для тестирования алгоритмов обработки видеоинформации, их настройки и отладки.

2. Выполнен статистический и параметрический анализ изображений макроструктуры аглоспека и определены эталонные значения характеризующих её параметров.

3. Разработана методика настройки алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерата в разгрузочной части агломерационной машины.

4. Разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для исследования и проверки эффективности предложенных алгоритмов, определены основные функциональные элементы и блоки оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерата.

5. Результаты диссертации нашли применение в учебном процессе на кафедре «Программное обеспечение ЭВМ» Череповецкого государственного университета в курсе «Системы искусственного интеллекта» для специальности 22 04 00 - программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем.

Реализация результатов работы. Разработанное математическое обеспечение исследовано и проверено на экспериментальной оптико-электронной установке в разгрузочной части агломерационной машины аглоцеха №2 ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ» и использовано при проектировании оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерата.

Апробацияработы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международных и Российских научно-технических конференциях:

- «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1997 г., г. Ульяновск, 2000 г.);

Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 1997 г.);

- «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 1999, 2000 г.г.);

Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (г. Череповец,

1999 г.);

- «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (г. Вологда, 2000 г.);

Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород,

2000 г.);

- «Ижора-2000» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.); а также на научно-технических семинарах Череповецкого государственного университета и ОАО «Северсталь» в 1996-2000 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Содержит 129 страниц основного текста, 40 рисунков, 8 таблиц, список использованной литературы из 52 наименований и приложения на 2 0 страницах.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Определены основные функциональные элементы и блоки оптико-электронной системы анализа макроструктуры агломерационного спека.

2. Предложена методика настройки алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы анализа макроструктуры в разгрузочной части агломерационной машины.

3. Проведены экспериментальные исследования разработанных алгоритмов, которые подтвердили их" высокую надежность и эффективность для оценки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты'работы.

1. Выполнен анализ существующих методов контроля качества агломерата, на основе которого определён класс оптико-электронных методов для анализа макроструктуры агломерата.

2. Дана характеристика агломерата как объекта оптического контроля и основным типам макроструктур, формируемым в процессе спекания.

3. На основе теоретического обоснования контроля качества агломерата в разгрузочной части агломерационной машины с использованием оптико-электронного метода разработано математическое обеспечение, основанное на методах параметрического, текстурного и пространственно-спектрального анализа.

4 . Для тестирования алгоритмов обработки видеоинформации разработана модель изображения излома агломерационного спека, включающая следующие этапы: формирование фона изображения, построение макроблоков, заполнение межблочного пространства порами более 4 мм, создание неравномерности фона.

5. Разработан алгоритм исключения макроблоков, позволяющий существенно уменьшить избыточность объёма обрабатываемой информации и повысить быстродействие работы системы в целом.

6. Разработано алгоритмическое обеспечение для параметрического, текстурного и пространственно-спектрального анализа макроструктуры агломерата.

120

7. Предложена процедура комплексной оценки качества агломерата, основанная на использовании методов параметрического, текстурного и пространственно-спектрального анализа и обеспечивающая более высокие показатели надёжности.

8. Определены основные функциональные элементы и блоки оптико-электронной системы.

9. Предложена методика настройки алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы анализа в разгрузочной части агломерационной машины.

10. Проведены экспериментальные исследования алгоритмов функционирования оптико-электронной системы, подтверждающие их высокую надёжность и эффективность для контроля качества агломерата на конвейерных агломерационных машинах.

1. Автоматизация процесса спекания / Nakashima Kazuma // "Тэцу то хаганэ, J.Iron and Steel Inst. Jap." -1985. 71. - №12. - С.812. - Яп.

2. Автоматизированная система управления агломерационным процессом / Ищенко А.Д., Фишман M.J1., Бенсман Л.Г., Зевин С. Л., Сакир А.Ф. // Черн. металлургия. 1990. №4. - С.65-66.- Рус.

3. Автоматизированная система управления технологическими процессами на агломерационной машине / Ищенко А.Д., Моия Г.М., Бенсман Л. Г., Зевин С.Л., Греков В.В. // Сталь. 1989. №9. - С.13-15.

4. Алгоритмы анализа изображения среза агломерационного спека для определения макроструктуры агломерата / Е.В. Королёва, Е.В.

5. Ершов // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработкиизображений и символьной информации: Сборник материалов 3-й Международной конференции

6. Распознавание-97». Курск, 25-28 ноября 1997 г. -Курск, 1997. С.167-169.

7. Анализ структуры агломерационного пирога. Изучение газопроницаемости агломерационного пирога с помощью томографии. Сообщ.2. / Kasana S. // Дзайрё топуросэсу = Curr. Adv. Mater. and Process. -1988. 1, №4. - С. 1059. - Яп.

8. Анализ структуры пирога агломерата. An analysis of the structure of iron ore sinter cake / Kasai Eiki, Rankin William J., Lovel Roy R. , Omohi Yasuo // ISI J International. 1989. - 29, №8. - C. 635-641. - Англ.

9. Базилевич C.B., Вегман Е.Ф. Агломерация. М. : Металлургия, 1967. - 368 с.

10. Вегман Е.Ф. и др. Металлургия чугуна // Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев, Ю.С. Юсфин М.: Металлургия, 19/8. - 480 с.

11. Высокоразрешающий анализ размера частиц. Hochauflosende Partikelgrosenanalyse // Verfahrenstechnik. 1991. - 25, Sonderausg. : ACHEMA-Rept. - C. 108. - Нем.

12. Доменное производство: справочное издание. В 2-х т. Т.1. Подготовка руд и доменный процесс / Под ред. Вегмана Е.Ф. М. : Металлургия, 1989.496 с.

13. Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен.-М.: Мир, 1976.-512 с.

14. Ершов Е.В. Метод оптико-электронного контроля и алгоритмы выявления поверхностных дефектов жести: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. С.-Пб.: СЗПИ, 1983. 217 с.

15. Измерение пустот в агломерате посредством рентгеновского томографического сканера / Sasaki Mitio // "Тэцу то хаганэ, J.Iron and Steel Inst. Jap." 1985. - 71. - №12. - С.873. - Яп.

16. Измерение текстуры поверхности методами компьютерного видения. Surface texture measurement by computer vision 7 Chao Y. J. , Lee С. , Sutton

17. M.A., Peters W.H. // Proc. Soc. Photo Opt. Instrum. Eng. - 1986. - 661. - C.302-306. - Англ.

18. Изучение структуры агломерата. Влияние скорости подачи шихты на структуру агломерата. Сообщ.З. / Kasana S.- // Дзайрё топуросэсу = Curr. Adv. Mater, and Process. 1988. - 1, №4. - С. 1060. - Яп.

19. Интегрированная АСУТП на аглофабрике / Iida Osamu, Takahashi Hiroyasu, Nakajima Kazuma // Кавасаки сэйтэцу чихо, Kawasaki, Steel Giho. 1986.-18, №2. - C.136-144. - Яп., рез. англ.

20. Исследование строения пор в агломерате / Kasai Eiki, Lovel Roy R., Rankin William J., Omohi Yasuo // "Тэцу то хаганэ, J.Iron and Steel Inst. Jap." -1989. 75. - №2. - C.228-234. - Яп., рез. англ.

21. Линдли J1. Практическая обработка изображений на языке Си. Пер. с англ. - М. : Мир, 1994 -512 с.

22. Моделирование изображения излома агломерационного спека для оценки его прочностных характеристик Т Е.В. Королёва, Е.В. Ершов // Сборник трудовмолодых учёных ЧГУ: Выпуск 1. Череповец: НИЛ ММТ и СЭП, 1998. - С. 124-125.

23. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. Пер. с англ. под ред. И.Б.Гуревича. М.: Радио и связь, 1986. - 398 с.

24. Прогрессивная АСУ ТП агломерационным процессом / Hamada Katsushige, Murai Tatsunori, j Jyoko Tadatsugu, Makamura Yuji, Morioki Keiji // Сумитомо Киндзоку / Sumitomo Metals. 1992.-44, №1. - С.151-160. - Яп., рез. англ.

25. Производство агломерата: Заявка 6362827 Япония, МКИ4 С 22 В 1/20 / Вагури Синдзиро, Сасаки Митио, Инакадо Тадахиро, Кониси Масару, Харафудзи Масакадзу. №61 - 205767; Заявл. 03.09.86; Опубл.1903.88.

26. Производство и качество агломерата /A.C. Кухарь,

27. B.А. Мартыненко, В.П. Шевченко. М. : Металлургия, 1977. - 160 с.

28. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В 2-х книгах / Пер. с англ. под ред. Д. С. Лебедева. М. : Мир, 1982. Кн.1 - 312 е., кн.2 - 480 с.

29. Прэтт У.К., Фожра О.Д., Гагалович А. Применение моделей стахостических текстур для обработки изображений. ТИИЭР, 1981, т. 69, N5, с. 54-64.

30. Разработка АСУТП агломерации / I noue Hideaki // "Тэцу то хаганэ, J.Iron and Steel Inst. Jap.", 1987. 73. - №4. - С.112. - Яп.

31. Распознавание образов. Исследование живых и автоматических распознающих систем. Пер. с англ. к. т.н. Л.И. Титомира. Издательство "Мир" 1970.

32. Сигов A.A., Шурхал В.А. Агломерационный процесс. Киев, "Технлка", 1969.- 232 с.

33. Система технического зрения для оптического контроля / Златкис В.М., Кизнерцов С.Р., Коровкин

34. C.Ю., Наймушин Ю.Н., Сентябов В.Р., Тептин Ю.Л., Юдашкин В.А., Тафаров P.M. // Системы технического зрения / АН СССР, Науч.сов. по пробл. "Робототехн. и автоматиз . пр-во" . М. , 1991. С~! 77-8 6 . - Рус .

35. Системы технического зрения: Справочник /В.И.Сырямкин, В.С.Титов, Ю.Г.Якушенков и др. //Под общей редакцией В.И.Сырямкина, В.С.Титова. -Томск: МГП «Раско», 1992. 367с.

36. Создание автоматической системы управления производством на аглофабрике завода в Chiba / Obata H. / Дзайрё то пуросэсу. 1988 -1, №4. -С.958-961. - Яп.

37. Способ агломерации и КИП для его осуществления / Абэ Йосимицу, Идзуми Яироки, Кодама Дзюнъити; Сип Hunnon сэйтэцу к. к. Заявка 60 43441, Япония. Заявл. 19.08.83, №58 - 151374, опубл. 08.03.85 МКИ С 22 В 1/20, F 27 В 21/44.

38. Способ оценки свойств агломерата: Заявка.62-149822 Япония, МКИ4 С 22 В 1/20 / Окицу Хиромо, Судзуки Масаюки, Нагано Сэйки; Hunnon kokan k.k. №60 -289395; Заявл. 24.12.85; Опубл. 03.07.87.

39. Технические средства АСУ: справочное издание. В 2-х т. Т. 2. / Под общ. ред. Кезлинга Г. Б. -Ленинград: Машиностроение, 1986. 720 с.

40. Управление агломерационным процессом с помощью ЭВМ Reglage de l'opération d'agglomération par guideoperateur / Nakashima K. , Iyama S., Nigo S., Nakajima Y., Takahashi H., Akizuki H. // Rev.met.,