朱永紅，楊建

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

1 引言

在我國(guó),每年都會(huì)產(chǎn)出很多各種各樣的陶瓷制品,并且出口到其他國(guó)家地區(qū)。陶瓷梭式窯是陶瓷工業(yè)應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代間歇式窯爐之一,廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生潔具,日用陶瓷和特種陶瓷的燒成,但是目前我國(guó)對(duì)陶瓷梭式窯的火焰圖像識(shí)別上的技術(shù)還比較落后,直接影響到了生產(chǎn)效率跟好壞程度。而在當(dāng)今時(shí)代,人工智能已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的陶瓷梭式窯火焰識(shí)別采用CCD相機(jī)結(jié)合圖像采集卡捕獲陶瓷梭式窯的火焰圖像。具體方法是將CCD攝像機(jī)放置在窯頭的多個(gè)火孔中。CCD攝像機(jī)可以隨時(shí)拍攝窯內(nèi)的火焰圖像，然后將其傳輸?shù)綀D像采集卡。圖像采集卡將對(duì)從CCD攝像機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)。執(zhí)行采集并將采樣的圖像發(fā)送到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在獲得火焰圖像之后，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行分割，并從圖像中提取火焰部分。本文介紹了傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程。另一方面，提出了改進(jìn)卷積的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，介紹了主成分分析(PCA)數(shù)據(jù)的維數(shù)預(yù)處理方法，取代了分類(lèi)器，并將改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于橄欖面部人臉識(shí)別數(shù)據(jù)集。陶瓷梭式窯具有更高的火焰穩(wěn)定性和更好的結(jié)果。

2 陶瓷梭式窯概述

2.1 陶瓷梭式窯的組成及結(jié)構(gòu)概述

圖2.1 梭式窯結(jié)構(gòu)示意圖

1—窯室；2—窯墻；3—窯頂；4—燒嘴；5—窯門(mén)；6—支煙道；7—窯車(chē)；8—軌道

陶瓷梭式窯是一種可以間歇工作的現(xiàn)代窯。它可以分為窯房和窯車(chē)整體。

部分。窯室還包括窯頂和窯壁，窯頂和窯壁是固定的，窯車(chē)可以是在某個(gè)軌道上移動(dòng)，在窯車(chē)的襯砌磚上分布有陰燃孔和煙道，并且煙道與通向煙窗的排氣孔連接。陶瓷梭式窯以非常靈活的方式生產(chǎn)，陶瓷坯料的窯和窯在窯外進(jìn)行。具體過(guò)程是：首先，將待燒制的陶瓷坯料放置在窯車(chē)的腳手架上，然后將窯車(chē)推入窯室，并從各種方面制備燒成工藝，如型號(hào)，尺寸和坯料的含水量，并進(jìn)行燒制過(guò)程。在完成和冷卻之后，可以將窯車(chē)和煅燒產(chǎn)物從窯中拉出，并且可以在窯外除去煅燒產(chǎn)物。在整個(gè)過(guò)程中，窯車(chē)被稱(chēng)為梭式窯，因?yàn)樗窨棛C(jī)上的梭子一樣移動(dòng)。

梭式窯結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.1 所示。

梭式窯使用高速溫度調(diào)節(jié)燃燒器。在整個(gè)燒制過(guò)程中，燃燒產(chǎn)物通常以約100m / s的速度注入窯內(nèi)，這大大提高了燃燒產(chǎn)物的對(duì)流傳熱速率，從而縮短了產(chǎn)品的燒制周期，提高了生產(chǎn)能力。和窯的產(chǎn)品質(zhì)量，減少燃料消耗。由于梭式窯本身的結(jié)構(gòu)特征，它可以適應(yīng)各種尺寸，形狀和材料的坯料的燒制。梭式窯在燃燒時(shí)間的安排方面也很靈活。它可用于某些產(chǎn)品的二次燒制和新產(chǎn)品的試制。梭式窯作為一種現(xiàn)代化的熱力設(shè)備，特別適合小批量生產(chǎn)，可滿(mǎn)足當(dāng)前市場(chǎng)的多樣化需求，為現(xiàn)代消費(fèi)者提供更多，更廣泛的選擇。

2.2 陶瓷梭式窯燒結(jié)工藝概述

陶瓷梭式窯的主要燒成工藝包括：低溫階段，氧化和還原期，高溫階段和冷卻。

具體燒制過(guò)程如下：

(1)低溫階段：該階段通常在400℃之前，也是燒制過(guò)程中最關(guān)鍵和最危險(xiǎn)的階段。

分割。該階段是蒸發(fā)階段，升溫速率主要取決于進(jìn)入窯前生坯的厚度和含水量。

階段主要是物理變化，從身體去除水分。如果溫度上升太快，可能會(huì)導(dǎo)致坯料內(nèi)的水蒸氣壓力過(guò)大，導(dǎo)致閥體破裂。

(2)氧化還原期：該溫度范圍一般在950℃以前，其加熱速度主要取決于泥漿。

土壤的混合比分解和氧化體內(nèi)所含的有機(jī)物質(zhì)或碳酸鹽等化合物。這個(gè)階段是成瓷期，可以增加供氣和供氧，窯內(nèi)的溫度會(huì)迅速增加。此時(shí)，孔隙率將降低，并且身體將收縮。

(3)高溫階段：該階段的最終溫度取決于陶瓷產(chǎn)品的性質(zhì)和原料，它們會(huì)升溫速度取決于窯中的結(jié)構(gòu)和窯的密度。當(dāng)窯體較大時(shí)，加熱速度不宜過(guò)快，以免窯內(nèi)溫差過(guò)大，造成不同程度的收縮和變形。

(4)冷卻階段：冷卻方法可分為三種形式，以滿(mǎn)足不同的產(chǎn)品要求：保溫和緩冷。

冷卻和淬火冷卻。這些不同的冷卻方法將逐漸降低窯內(nèi)的溫度，從而產(chǎn)生最終的陶瓷產(chǎn)品。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.1 Theano 庫(kù)簡(jiǎn)介

heano庫(kù)是一個(gè)Python庫(kù)，已經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以進(jìn)行有效的數(shù)學(xué)表達(dá)式符號(hào)計(jì)算。Theano庫(kù)通常與Numpy庫(kù)一起使用，因?yàn)镹umpy庫(kù)的ndarray是由Theano庫(kù)處理的數(shù)據(jù)對(duì)象的類(lèi)型，并且Theano庫(kù)的使用允許進(jìn)一步優(yōu)化大規(guī)模矩陣操作。Theano將數(shù)據(jù)和操作都視為節(jié)點(diǎn)，因此開(kāi)發(fā)人員編碼的過(guò)程等同于在節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，并且可以執(zhí)行各種數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算。同時(shí)，Theano庫(kù)將計(jì)算函數(shù)模型轉(zhuǎn)換為C代碼，從根本上解決了Python低速的缺點(diǎn)。Theano庫(kù)完全滿(mǎn)足了對(duì)大規(guī)模計(jì)算的深度學(xué)習(xí)的需求，因此本文將在Theano庫(kù)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2 Mnist 數(shù)據(jù)集簡(jiǎn)介

mnist手寫(xiě)字符數(shù)據(jù)集每個(gè)圖像有28*28像素，是一個(gè)0到9個(gè)手寫(xiě)數(shù)字的圖像集。該數(shù)據(jù)集包含50,000幅訓(xùn)練圖像、10,000幅測(cè)試圖像和10,000幅驗(yàn)證圖像。圖像處理是訓(xùn)練和測(cè)試中應(yīng)用最廣泛的圖像集之一。

4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程及結(jié)果

卷積網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個(gè)輸入到輸出的映射，不需要輸入和輸出之間的任何精度。

數(shù)學(xué)表達(dá)式可以學(xué)習(xí)輸入與輸出之間的映射關(guān)系。訓(xùn)練卷積網(wǎng)絡(luò)只需要使用已知的模式，使網(wǎng)絡(luò)具有映射輸入和輸出對(duì)的能力。因?yàn)榫矸e網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)監(jiān)視執(zhí)行的方法，所以訓(xùn)練樣本集應(yīng)該是一個(gè)有標(biāo)簽的訓(xùn)練樣本集。樣本集的形式應(yīng)為向量對(duì)組成向量，理想輸出)。通過(guò)訓(xùn)練標(biāo)記樣本集使卷積網(wǎng)絡(luò)足夠?qū)W習(xí)輸入和輸出之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后，測(cè)試集和驗(yàn)證集仍需用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中最后的表演。在開(kāi)始訓(xùn)練之前，所有的權(quán)重都必須用不同的小隨機(jī)數(shù)初始化?！靶‰S機(jī)數(shù)”可以保證網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)閷W(xué)習(xí)過(guò)程中的過(guò)重重量而飽和，進(jìn)而導(dǎo)致訓(xùn)練丟失。

“不同”是網(wǎng)絡(luò)正常學(xué)習(xí)的保證。如果初始化矩陣使用相同的數(shù)，則互聯(lián)網(wǎng)將失去其學(xué)習(xí)能力。

訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常分為四個(gè)步驟。這四個(gè)步驟分為兩個(gè)主要階段：

第一階段，前進(jìn)階段

(1)取樣本(x,yp)，將 x 作為輸入量然后輸入到卷積網(wǎng)絡(luò)中。

(2)計(jì)算實(shí)際輸出數(shù)據(jù)Cp。

輸入信息 x 為依次經(jīng)過(guò)各個(gè)層之間的卷積運(yùn)算，子采樣操作輸出到輸出層，在這個(gè)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行運(yùn)算式：

Cp=fn(…(f2(f1(xp,W1)W2)…)Wn)

第二階段，后向傳播階段

(3)用pc減去py，所得差作為反向傳播調(diào)整的誤差。

(4)重量矩陣通過(guò)反向傳播進(jìn)行調(diào)整，以盡量減小步驟(1)中的誤差。

傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在theano庫(kù)上訓(xùn)練出手寫(xiě)的數(shù)字集，可見(jiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別上是準(zhǔn)確的。

5 全文總結(jié)

陶瓷穿梭窯溫度控制系統(tǒng)是一種典型的工藝控制系統(tǒng)。它的溫度檢測(cè)和控制在生產(chǎn)過(guò)程中起著非常重要的作用，是陶瓷產(chǎn)品成功生產(chǎn)的前提。為了提高陶瓷穿梭窯的生產(chǎn)效率，降低工人的工作強(qiáng)度，增加資源的利用，保護(hù)環(huán)境，圖像識(shí)別是網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。在深入學(xué)習(xí)概念提出后，圖像識(shí)別技術(shù)得到了極大的改進(jìn)。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提高陶瓷梭窯的精度。