基于PCA模型的高爐風(fēng)口燃燒帶溫度仿真研究及分析

張秀春

摘 要：本文從圖像處理的角度出發(fā)，首先建立高爐風(fēng)口燃燒帶的圖像數(shù)據(jù)庫;其次，采用主成分分析（PCA）算法對高爐風(fēng)口燃燒帶不同溫度的圖像進行識別;最后，結(jié)合識別結(jié)果進行分析;實驗結(jié)果驗證本文模型算法具有一定的可行性和有效性。本文從圖像處理的視角為實現(xiàn)高爐風(fēng)口燃燒帶溫度的穩(wěn)定性提供相應(yīng)的信息。研究相關(guān)結(jié)果為馬鋼高爐的穩(wěn)定性提供相關(guān)參考與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高爐風(fēng)口燃燒帶;主成分分析;圖像識別;溫度

前言

眾所周知，在冶金行業(yè)中，高爐的工作狀態(tài)對于高爐的生命周期、高爐的安全生產(chǎn)、高爐的生產(chǎn)效率、乃至整個企業(yè)的經(jīng)濟效益都有著舉足輕重的作用和影響。高爐在使用過程中不可避免受到外界因素的侵蝕，因此，一項的重要的工作就此誕生：如何想法設(shè)法延長高爐的生命周期。由于高爐風(fēng)口燃燒帶的工作狀態(tài)不僅直接決定鐵水的質(zhì)量而且也決定高爐的生命周期和高爐運行的穩(wěn)定情況。截止到目前，風(fēng)口燃燒帶的主要工作還是依靠我們現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗推斷，高爐風(fēng)口燃燒帶的穩(wěn)定性并有得到有效的建立。

針對上述現(xiàn)象，根據(jù)查閱相關(guān)文獻[1-6]可知高爐風(fēng)口燃燒帶的情況嚴(yán)重影響高爐的穩(wěn)定性。如何準(zhǔn)確監(jiān)測高爐風(fēng)口燃燒帶的狀況，較為準(zhǔn)確地提供高爐大修的時間、保證安全生產(chǎn)、延長高爐的使用周期，是有關(guān)企業(yè)普遍所關(guān)心的問題。因此，對高爐風(fēng)口燃燒帶采用數(shù)學(xué)建模方法分析爐內(nèi)狀況是極其有必要的。目前國內(nèi)外工作者就高爐風(fēng)口燃燒帶方面進行諸多的研究[2-7]大致可分為以下幾個方面：（1）從材料學(xué)的角度出發(fā)，對爐內(nèi)的抗腐蝕材料的性能進行完善和改進;（2）從傳熱學(xué)角度出發(fā)，對高爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化;（3）從現(xiàn)實的操作角度出發(fā)，對高爐風(fēng)口燃燒帶的狀況進行監(jiān)測。近年來某些高爐風(fēng)口前陸續(xù)有安裝視頻監(jiān)控裝置和設(shè)備，用來觀察和判斷高爐內(nèi)部的情況。但是仍無法給系統(tǒng)性地給出高爐風(fēng)口燃燒帶的穩(wěn)定狀況。如何能夠建立有效且穩(wěn)定的高爐風(fēng)口燃燒帶機制仍然是高爐工作者所共同面臨的難題。

綜上所述，在高爐的運行過程中，如何有效地監(jiān)測高爐風(fēng)口燃燒帶溫度的工作對于高爐穩(wěn)定有著重要的作用。由于高爐風(fēng)口燃燒帶的特殊性，目前能夠?qū)崟r穩(wěn)定監(jiān)測風(fēng)口區(qū)域的狀況和溫度的設(shè)備和裝置相對較少。急需要一個針對高爐風(fēng)口燃燒帶區(qū)域的溫度進行監(jiān)測的機制。結(jié)合現(xiàn)有且成熟的圖像溫度識別技術(shù)，本文從圖像處理的角度出發(fā)，采用成熟的主成分分析（PCA）識別算法對高爐風(fēng)口燃燒帶不同溫度的圖像進行識別高爐。從圖像處理的視角為實現(xiàn)高爐風(fēng)口燃燒帶溫的穩(wěn)定性提供相應(yīng)的信息。研究相關(guān)結(jié)果為馬鋼高爐的穩(wěn)定性提供相關(guān)參考與指導(dǎo)。

1工藝流程

馬鋼高爐煉鐵工藝[15]主要是鐵礦石、高爐煉鐵用的（焦炭）、熔劑（石灰石）等原材料按一定比例自高爐爐頂裝入高爐，并由熱風(fēng)爐在高爐下部沿爐周的風(fēng)口向高爐內(nèi)鼓入熱風(fēng)助焦炭燃燒，在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣。原料、燃料隨著爐內(nèi)熔煉等過程的進行而下降，在爐料下降和上升的煤氣相遇，先后發(fā)生傳熱、還原、熔化、脫炭作用而生成生鐵，鐵礦石原料中的雜質(zhì)與加入爐內(nèi)的熔劑相結(jié)合而成渣，爐底鐵水間斷地放出裝入鐵水罐，送往下級生產(chǎn)廠進行下一步的應(yīng)用與生產(chǎn)。

2主成分分析識別模型建立

據(jù)相關(guān)文獻[2，5-8]顯示，高爐風(fēng)口燃燒帶是整個高爐生產(chǎn)的核心區(qū)域，對于高爐的穩(wěn)定有著至關(guān)重要的作，高爐風(fēng)口燃燒帶素有高爐“心臟”之稱，是獲取高爐內(nèi)部工作狀況的直接通道。目前高爐風(fēng)口燃燒帶模型大部分使用的是：將高爐風(fēng)口燃燒帶問題抽象轉(zhuǎn)化為二維的平面?zhèn)鳠釋W(xué)問題，在計算過程中使用差分法、邊界元法、有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等方法等。很少有使用圖像處理[10]思想建立數(shù)學(xué)模型。在網(wǎng)絡(luò)時代如此發(fā)達的今天，研究圖像處理有著不可言喻的現(xiàn)實意義和學(xué)術(shù)意義。圖像處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)實生活中的各個領(lǐng)域[11-12]。在學(xué)術(shù)研究方面，圖像處理的技術(shù)與計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別及人工智能等諸多領(lǐng)域有著錯綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。對圖像處理技術(shù)的研究既能促進一些基礎(chǔ)學(xué)科的交叉發(fā)展，也有助于產(chǎn)生新的研究方向。

本文首先建立高爐風(fēng)口燃燒帶的圖像數(shù)據(jù)庫[13-14];其次，建立主成分分析模型[15，16，18];最后，對不同溫度的圖像進行識別，結(jié)合識別結(jié)果進行分析。實驗結(jié)果驗證本文模型算法具有一定的可行性和有效性。

2.1 主成分分析識別算法原理

主成分分析[17，19]（PCA）是降低矩陣維數(shù)的一種常用方法。其基本思想是通過KL變換，將原來的指標(biāo)重新組合成一組較少個數(shù)的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)。

基于PCA的圖像處理[17]算法分為訓(xùn)練階段和識別階段，其具體步驟如下[37-39]。

第一步：訓(xùn)練階段，假設(shè)有M幅訓(xùn)練圖像A1， A2， …， AM（m×n），它們是獨立同分布的，將每一個圖像矩陣按行堆疊成一個MN維列向量，則訓(xùn)練圖像矩陣可以表示為：

第五步：求協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，構(gòu)造特征空間;將協(xié)方差矩陣奇異值分解，通過求解ATA的特征值和特征向量來獲得AAT的特征值λi和特征向量，并將特征向量歸一化，得到Vi根據(jù)特征向量的貢獻率選取前d個最大特征值及其對應(yīng)的特征向量[18，6]。

其中貢獻率是指選取的特征值和與占所有特征值的和之比，具體表達式如下：

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的高爐相關(guān)檢測識別的主要的原理是熱輻射理論，如普朗克定律、維恩公式、斯蒂芬波爾茲曼定律等[1-2] 。

2.2 高爐風(fēng)口燃燒帶溫度識別模型

本文首先建立高爐風(fēng)口燃燒帶的圖像數(shù)據(jù)庫。根據(jù)查閱[2-5] 的資料可以總結(jié)出：高爐風(fēng)口燃燒帶的溫度范圍一般為1500℃-2400℃。本文以馬鋼3#高爐檢測到的燃燒帶溫度為實驗對象。采集的高爐風(fēng)口燃燒帶部分圖像樣本如圖1所示。

根據(jù)收集的3#高爐高爐風(fēng)口燃燒帶圖像數(shù)據(jù)可以得出大部分燃燒帶的溫度穩(wěn)定在1400℃-2200℃。圖3是本次實驗樣本數(shù)據(jù)庫燃燒帶圖像與溫度的標(biāo)準(zhǔn)樣本。