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        基于深度學(xué)習(xí)對(duì)陶瓷梭式窯火焰圖像識(shí)別

        2018-12-19 11:43:02朱永紅楊建
        西部皮革 2018年22期

        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。

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