專利名稱：燃燒火焰診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于圖像的工藝監(jiān)控與診斷方法，且特別涉及一種基于火焰圖像的燃燒工藝監(jiān)控與異?，F(xiàn)象及原因診斷方法。
背景技術(shù)：
鍋爐系統(tǒng)為目前化工廠、電廠或傳統(tǒng)制造工業(yè)中，工藝生產(chǎn)動(dòng)力與熱能的來源，然而，受到近幾年國際油價(jià)波動(dòng)與環(huán)保意識(shí)抬頭的影響，以及對于工業(yè)安全的日益重視，發(fā)展更有效率、排放氣體更符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、以及操作更具安全性的燃燒監(jiān)控系統(tǒng)，已成為鍋爐設(shè)備開發(fā)以及燃燒工藝監(jiān)控的重要議題。類似如鍋爐系統(tǒng)的工業(yè)燃燒系統(tǒng)，其運(yùn)作的基本要求在于建立穩(wěn)定的燃燒火焰， 不穩(wěn)定的火焰通常產(chǎn)生于不好的燃燒條件設(shè)定或動(dòng)態(tài)控制。燃燒不穩(wěn)定會(huì)降低熱效率，也會(huì)引起爐膛熄火，甚至導(dǎo)致爆炸事故。目前的預(yù)防實(shí)施方法是通過火檢器來判斷燃燒器是否熄火以啟動(dòng)燃燒系統(tǒng)保護(hù)裝置避免事故發(fā)生。然而，常見的輻射光能式(UV/VIS/IR)火檢器只能檢測有無火焰，并需設(shè)定靜態(tài)的閾值且不具空間信息，因此容易發(fā)生誤警報(bào)，改進(jìn)式的數(shù)字式火檢器仍無法有效解決因火焰飄移所導(dǎo)致火焰有無的誤判斷，較新穎的作法是利用燃燒圖像及微處理器計(jì)算能力的全爐膛圖像式監(jiān)測系統(tǒng)，但全爐膛圖像式監(jiān)測系統(tǒng)是對整個(gè)爐膛燃燒狀況進(jìn)行判斷或監(jiān)控，無法識(shí)別火焰是否存在和其穩(wěn)定性。由于使用者尋求燃燒安全輔助感測系統(tǒng)的市場需求，加上美國能源局于工業(yè)燃燒技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖中也明白指出“火焰穩(wěn)定性傳感器”的研發(fā)需求，因此為了產(chǎn)業(yè)需求與延續(xù)火檢系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢，本發(fā)明開發(fā)了圖像式智能化火焰診斷系統(tǒng)，可提供燃燒火焰的燃燒狀態(tài)信息及實(shí)時(shí)尾氣濃度信息，并提供燃燒穩(wěn)定性診斷和燃燒效率評(píng)估的功能，在技術(shù)開發(fā)上，以減少不容易決定的人為參數(shù)設(shè)定為目標(biāo)，此發(fā)明技術(shù)讓燃燒火焰信息透明化并具多功能性，可以最小化成本與最大化使用效益。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述目的，本發(fā)明提供一種燃燒火焰診斷方法，先利用一個(gè)圖像擷取裝置，得到執(zhí)行一燃燒工藝的一爐膛內(nèi)的一原始圖像，其中該原始圖像包含一火焰圖像與一背景圖像。接著，利用一火焰識(shí)別技術(shù)將該原始圖像中的該火焰圖像與該背景圖像分離。之后，計(jì)算該火焰圖像的特征。再依據(jù)該火焰圖像的特征，診斷該爐膛的穩(wěn)定性與燃燒效率，以監(jiān)控該燃燒工藝。為使本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出實(shí)施例， 并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。


圖1顯示依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2顯示依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于圖像的燃燒工藝監(jiān)控方法的流程圖。圖3顯示圖2中的步驟S23的火焰識(shí)別方法流程圖。圖4顯示圖2中步驟S27的診斷爐膛的穩(wěn)定性和效率診斷方法流程圖。圖5是本發(fā)明的特定區(qū)域選定的一流程圖，用以實(shí)現(xiàn)步驟S302。圖6顯示在高空燃比情況和低空燃比情況下的火焰內(nèi)部和火焰外圍的火焰圖像。圖7顯示燃燒空氣過剩(左側(cè)圖片)到燃燒空氣不足(右側(cè)圖片)的原始圖像以及識(shí)別后的火焰圖像。圖8和圖9顯示火焰圖像特征與尾氣氧濃度的觀察結(jié)果。圖10顯示原始圖像以及識(shí)別后的火焰圖像以及在不同狀況下的特征趨勢。圖11顯示穩(wěn)定性診斷結(jié)果和各階段的代表圖像。主要元件符號(hào)說明11燃燒系統(tǒng)；13高溫?cái)z像機(jī)；15 現(xiàn)場計(jì)算機(jī)(Field PC)；17 應(yīng)用計(jì)算機(jī)(Application PC)；S21取得爐膛的原始圖像；S23將原始圖像中的火焰圖像與背景圖像分離；S25計(jì)算火焰圖像的特征；S27根據(jù)火焰圖像的特征，診斷爐膛的穩(wěn)定性和燃燒效率；S29發(fā)出對應(yīng)的警報(bào)信息；S301接收多個(gè)原始圖像；S302選定原始圖像中的特定區(qū)域作為分析對象；S303將原始圖像轉(zhuǎn)換至HSV的色彩空間；
S304執(zhí)行模糊化程序；S305執(zhí)行模糊邏輯推論；S306執(zhí)行解模糊化過程；S307由原始圖像中分離出火焰圖像；S41擷取火焰圖像的特征信息；S42以火焰圖像特征來建立尾氣濃度的實(shí)時(shí)預(yù)測值；S43將火焰圖像特征通過自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推論系統(tǒng)建立單張火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果；S44利用當(dāng)前的一張與前多張火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果連續(xù)性的通過自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推論系統(tǒng)以建立一動(dòng)態(tài)火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果；S45將多個(gè)尾氣濃度的實(shí)時(shí)預(yù)測值和動(dòng)態(tài)火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果進(jìn)行火焰燃燒效率診斷；S501色彩對象；S502選擇非感興趣的色彩對象；S503產(chǎn)生非感興趣屏蔽；S504儲(chǔ)存多個(gè)非感興趣屏蔽；
S505矩陣邏輯運(yùn)算；S506多個(gè)原始圖像；S507是否滿足隨機(jī)選擇；S508融合的感興趣屏蔽；S509完成區(qū)域選定。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明說明書提供不同的實(shí)施例來說明本發(fā)明不同實(shí)施方式的技術(shù)特征。其中， 實(shí)施例中的各元件的配置為說明之用，并非用以限制本發(fā)明。且實(shí)施例中圖式標(biāo)號(hào)的部分重復(fù)，為了簡化說明，并非意指不同實(shí)施例之間的關(guān)聯(lián)性。本發(fā)明實(shí)施例揭露了一種基于圖像的燃燒工藝監(jiān)控與診斷方法。本發(fā)明實(shí)施例的基于圖像的燃燒工藝監(jiān)控與診斷方法利用一個(gè)外拍式或插入式的圖像擷取裝置，于高溫環(huán)境下捕捉爐膛內(nèi)的火焰圖像，并依據(jù)分析火焰圖像所得到的特征來進(jìn)行火焰燃燒監(jiān)控，診斷該爐膛內(nèi)的燃燒狀態(tài)。圖1顯示依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)施本發(fā)明方法的硬件結(jié)構(gòu)說明如圖ι所示，其包含一燃燒系統(tǒng)11、一高溫?cái)z像機(jī)13、一現(xiàn)場計(jì)算機(jī)(Field PC) 15、一應(yīng)用計(jì)算機(jī)(Application PC) 17。其中，燃燒系統(tǒng)11具有一爐膛。高溫?cái)z像機(jī)13可以為外掛式或嵌入式高溫?cái)z像機(jī)，其用以取得燃燒系統(tǒng)11的爐膛內(nèi)圖像。高溫?cái)z像機(jī)13所取得的爐膛內(nèi)圖像包含火焰圖像，其所擷取的爐膛內(nèi)圖像則由現(xiàn)場計(jì)算機(jī)15和應(yīng)用計(jì)算機(jī)17加以分析，取得火焰圖像并分析火焰的特征(例如燃燒的溫度、燃燒面積、燃燒重心、火焰色度、火焰亮度等，詳見后述)，進(jìn)而可以診斷燃燒的狀態(tài)(方法詳見后述)。其中，現(xiàn)場計(jì)算機(jī)15和應(yīng)用計(jì)算機(jī)17 可以是分開的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也可以將現(xiàn)場計(jì)算機(jī)15和應(yīng)用計(jì)算機(jī)17合一。圖2顯示依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于圖像的燃燒工藝監(jiān)控方法的流程圖。步驟S21中，取得爐膛的原始圖像。例如，利用一圖像擷取裝置例如是高溫?cái)z像機(jī)，拍攝爐膛內(nèi)部，以得到執(zhí)行燃燒工藝的爐膛的一原始圖像，其中原始圖像包含一火焰圖像與一背景圖像。當(dāng)圖像擷取裝置擷取到原始圖像之后，步驟S23中通過一火焰識(shí)別技術(shù)將原始圖像中的火焰圖像與背景圖像分離(詳見圖幻，然后在步驟S25中計(jì)算火焰圖像的特征，以作為后續(xù)監(jiān)控及診斷的依據(jù)。在步驟S27中根據(jù)這些火焰圖像的特征，診斷爐膛的穩(wěn)定性和燃燒效率，最后再依據(jù)步驟S27的診斷結(jié)果，在步驟S29中發(fā)出對應(yīng)的警報(bào)信息。具體實(shí)施方法于后續(xù)詳細(xì)說明。如上所述，步驟S25的火焰特征計(jì)算在考量減少人為參數(shù)設(shè)定和圖像擷取裝置限制情況下，火焰圖像的特征包括色彩信息和幾何信息兩大類。其中色彩信息包含以統(tǒng)計(jì)分析得到的亮度值平均、亮度值變異、亮度峰態(tài)、亮度值偏態(tài)、亮度熵值、均勻度、平均溫度等； 或以輻射學(xué)方法得到的溫度場計(jì)算信息；以及以連續(xù)圖像的頻譜分析得到的火焰閃爍頻率信息等其中之一。其中幾何信息包含火焰分布相關(guān)信息及空間分布等。火焰分布相關(guān)信息可以為火焰長、寬與火焰噴射角度、火焰區(qū)域面積、火焰質(zhì)量重心位置等其中之一。而空間分布則可以為2D-FFT、2D-小波等其中之一。此外，另可針對火焰圖像的不同區(qū)域的對比進(jìn)行相對特征計(jì)算，如選擇區(qū)域的面積比例、選擇區(qū)域的亮度值比例、選擇區(qū)域的亮度變異比值、火焰燃燒區(qū)域能量、火焰內(nèi)部與火焰全區(qū)面積比例等其中之一，詳細(xì)計(jì)算方法請參考表1至5。 表1幾何特征計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種燃燒火焰診斷方法，其包括利用一個(gè)圖像擷取裝置，得到執(zhí)行一燃燒工藝的一爐膛的一原始圖像，其中該原始圖像包含一火焰圖像與一背景圖像；利用一火焰識(shí)別技術(shù)將該原始圖像中的該火焰圖像與該背景圖像分離； 計(jì)算該火焰圖像的特征；以及依據(jù)該火焰圖像的特征，診斷該爐膛的穩(wěn)定性與燃燒效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰診斷方法，其中該火焰識(shí)別技術(shù)包括 將該原始圖像轉(zhuǎn)換至HSV色彩空間，以產(chǎn)生一 HSV圖像；將該原始圖像中的每一像素對應(yīng)于該HSV圖像執(zhí)行模糊化程序，以建立一模糊集合以及多個(gè)模糊規(guī)則，并區(qū)分切割H、S與V隸屬函數(shù)的范圍；執(zhí)行模糊邏輯推論，利用建立的該模糊規(guī)則，進(jìn)行顏色的推論，并依據(jù)色彩學(xué)中人眼對顏色區(qū)分的程度，產(chǎn)生多個(gè)分類結(jié)果，并將多個(gè)模糊規(guī)則推論為同一分類結(jié)果； 執(zhí)行解模糊化過程，以定義該像素為具有該分類結(jié)果的顏色；以及通過所述像素的分類結(jié)果得知該火焰圖像的區(qū)域，并由該原始圖像中分離出該火焰圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒火焰診斷方法，還包括在該原始圖像轉(zhuǎn)換至HSV色彩空間前，選定該原始圖像中的特定區(qū)域作為分析對象的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒火焰診斷方法，其中選定該原始圖像中的特定區(qū)域作為分析對象的步驟還包括對該原始圖像進(jìn)行模糊分類的識(shí)別，以產(chǎn)生多個(gè)彩色對象； 選擇非感興趣的多個(gè)色彩對象；根據(jù)所找出的非感興趣的每一色彩對象，產(chǎn)生一單一圖像非感興趣屏蔽矩陣； 儲(chǔ)存所述非感興趣屏蔽矩陣；將當(dāng)前一個(gè)及先前多個(gè)非感興趣屏蔽矩陣進(jìn)行矩陣邏輯運(yùn)算，得到一融合的感興趣屏蔽；以及將該融合的感興趣屏蔽作為特定區(qū)域選定。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒火焰診斷方法，其中執(zhí)行模糊化程序還包括針對該原始圖像中的每一個(gè)像素，將對應(yīng)的該HSV圖像分別在H、S與V色彩空間中區(qū)分為多個(gè)模糊子集合，并分別在H、S與V色彩空間中各選擇一模糊子集合，以建立該模糊規(guī)則。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒火焰診斷方法，其中執(zhí)行模糊化程序還包括在區(qū)分切割H、S與V隸屬函數(shù)的范圍時(shí)，計(jì)算對應(yīng)H、S與V色彩空間中的每一模糊子集合，產(chǎn)生一量化的隸屬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒火焰診斷方法，其中執(zhí)行模糊邏輯推論還包含依據(jù)建立的所述模糊規(guī)則，將每一模糊規(guī)則中的所述模糊子集合對應(yīng)的所述隸屬度相乘，以產(chǎn)生一推論值，并將所述推論值分類至所述分類結(jié)果中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃燒火焰診斷方法，其中執(zhí)行解模糊化過程還包含計(jì)算每一分類結(jié)果的所述推論值的總和，選出具有最大值的該分類結(jié)果作為該原始圖像的該像素的該分類結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰診斷方法，其中該火焰圖像的特征包含一色彩信息和一幾何信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃燒火焰診斷方法，其中該色彩信息包含以統(tǒng)計(jì)分析得到的亮度值平均、亮度值變異、亮度峰態(tài)、亮度值偏態(tài)、亮度熵值、均勻度、平均溫度或以輻射學(xué)方法得到的溫度場計(jì)算信息，以及以連續(xù)圖像的頻譜分析得到的火焰閃爍頻率信息其中之一。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃燒火焰診斷方法，其中該幾何特征包含火焰分布相關(guān)信息及空間分布，其中該火焰分布相關(guān)信息為火焰長、寬與火焰噴射角度、火焰區(qū)域面積、火焰質(zhì)量重心位置，且該空間分布為2D-FFT、2D-小波的其中之一。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰診斷方法，其中該火焰圖像的特征包含選擇區(qū)域的面積比例、選擇區(qū)域的亮度值比例、選擇區(qū)域的亮度變異比值、火焰燃燒區(qū)域能量、火焰內(nèi)部與火焰全區(qū)面積比例的其中之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰診斷方法，其中，診斷該爐膛的穩(wěn)定性與燃燒效率的方法還包括利用一回歸模型，以該火焰圖像的特征來建立尾氣濃度的實(shí)時(shí)預(yù)測值；將該火焰圖像的特征通過一自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推論系統(tǒng)建立一單張火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果；利用當(dāng)前的一張與前多張?jiān)摶鹧鎴D像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果連續(xù)性的通過該自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推論系統(tǒng)以建立一動(dòng)態(tài)火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果；將多個(gè)所述尾氣濃度的實(shí)時(shí)預(yù)測值和該動(dòng)態(tài)火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果進(jìn)行火焰燃燒效率診斷。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃燒火焰診斷方法，其中建立該單張火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果的步驟還包括將火焰圖像的特征輸入該自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推論系統(tǒng)后，與一歷史事件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，從而將該火焰圖像依燃燒狀態(tài)分類，產(chǎn)生該單張火焰圖像的穩(wěn)定性診斷結(jié)果。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒火焰診斷方法，還包括依據(jù)該爐膛的穩(wěn)定性與燃燒效率，發(fā)出對應(yīng)的警報(bào)信息的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃燒火焰診斷方法，先利用一個(gè)圖像擷取裝置，得到執(zhí)行一燃燒工藝的一爐膛內(nèi)的一原始圖像，其中該原始圖像包含一火焰圖像與一背景圖像。接著，利用一火焰識(shí)別技術(shù)將該原始圖像中的該火焰圖像與該背景圖像分離。之后，計(jì)算該火焰圖像的特征。再依據(jù)火焰圖像的特征，診斷該爐膛的穩(wěn)定性與燃燒效率。
文檔編號(hào)F23M11/04GK102538000SQ20101062340
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者傅家麟, 徐振凱, 鄭儀誠, 黃嘉弘 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院