作品簡介

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機(jī)纖維，顏色呈白色或灰白色。其成品分為兩個階段，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)過一定工藝處理形成精加工的礦渣棉。動態(tài)化補(bǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用實例如圖 1 所示。

圖 1 動態(tài)化補(bǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用實例

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、價廉等特點，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)隊運用雙目識別和智能算法打造的基于熔解動力學(xué)的高爐熔渣在線調(diào)制過程動態(tài)化補(bǔ)熱系統(tǒng)生產(chǎn)粗加工的礦渣棉，再對其進(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)云端識別處理，并將動態(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)揮出移動互聯(lián)云端計算的優(yōu)勢，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)定運行保駕護(hù)航。云端服務(wù)器能夠通過大量數(shù)據(jù)反饋模型結(jié)果，提高識別準(zhǔn)確率，使得識別更加精確高效。

技術(shù)原理

熾綸科技創(chuàng)新團(tuán)隊設(shè)計的基于熔解動力學(xué)的高爐熔渣在線調(diào)質(zhì)過程動態(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)、識別系統(tǒng)、三維重建系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互等部分組成。

拍攝系統(tǒng)部分

圖 2 為視頻圖像和溫度等數(shù)據(jù)采集模塊的實物，使用的硬件主要包括工業(yè)級雙目CCD 攝像頭、PYNQ 片上系統(tǒng)、上位機(jī)。PYNQ 是Xilinx 的開源項目，旨在使基于 Xilinx ZYNQ的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計更加容易。

PYNQ片上系統(tǒng)

工業(yè)級雙目攝像頭

圖 2 PYNQ 片上系統(tǒng)和工業(yè)級雙目攝像頭實物

通過使用 Python 語言及其庫文件，設(shè)計者能夠充分發(fā)揮PYNQ PL 部分和 PS 部分的各自優(yōu)勢，設(shè)計功能更加強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工業(yè)級雙目 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，適合高精度識別、三維機(jī)器視覺等應(yīng)用。

識別系統(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，采用平滑檢測的方式對標(biāo)記目標(biāo)進(jìn)行檢測。檢測過程中采用改進(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)對比的計算量，采用IoU 閾值判斷結(jié)果質(zhì)量， 作為檢測指標(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)模型對識別后的結(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，對模型原數(shù)據(jù)進(jìn)行十萬次重復(fù)訓(xùn)練，以得到訓(xùn)練模型。IoU 檢測標(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，語義分割圖像實施過程如圖 6 所示。

將拍攝到的圖片代入模型運行，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數(shù)據(jù)，之后采用灰度值還原的方法還原顆粒體積，識別結(jié)果通過標(biāo)注目標(biāo)框和掩

膜的方式在原圖的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)。模型運行示例如圖 7 所示。

圖 3 IoU 檢測標(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 語義分割圖像實施過程

圖 7 模型運行示例

三維重建系統(tǒng)部分

基于 2D 圖形對灰度圖像進(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 件。平面灰度圖像及其重建如圖 8 所示。

（a）平面灰度圖像

（b）重建圖像

圖 8 平面灰度圖像及其重建

圖 9 3D 重建渲染結(jié)果

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

界面構(gòu)造 1

界面構(gòu)造 2

圖 10 Qt 界面構(gòu)造

應(yīng)用前景

目前，我國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)過程中受到技術(shù)的限制，而規(guī)模小、能耗高、勞動條件差、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)化的過程中，需要首先得到熔解隨時間變化的高溫熔體顆粒運動行為規(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， 影響了實驗精度。除此之外，鋼鐵工廠的主營業(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。

熾綸科技創(chuàng)新團(tuán)隊為加強(qiáng)使用動態(tài)補(bǔ)熱系統(tǒng)的操作體驗， 設(shè)計了個性化 Qt 軟件界面。除此之外，為了將煉鋼過程的高溫熔體熔融狀態(tài)存儲于平臺，實現(xiàn)產(chǎn)線信息的充分利用，用戶可以通過訪問網(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，智能動態(tài)補(bǔ)熱系統(tǒng)云服務(wù)器搭建框架如圖 11 所示。