唐山不銹鋼有限責任公司設(shè)備科 姚旭亮 張士慧

煉鋼天車吊掛作業(yè)需要天車司機、地面指揮人員協(xié)同，天車司機自己無法確認地面吊掛狀態(tài)，地面吊掛狀態(tài)完全依靠地面指揮人員，吊掛作業(yè)許多環(huán)節(jié)地面需要指揮者確認，確認不好會造成蹲鉤、卡勾、鋼包脫落等危險，并且現(xiàn)場指揮人員存在較大人身安全隱患。為了降低煉鋼吊包作業(yè)流程存在的危險，提高作業(yè)效率，設(shè)計煉鋼天車吊掛作業(yè)圖像識別系統(tǒng)。此系統(tǒng)將地面拍攝大包耳軸的攝像頭圖像應(yīng)用無線技術(shù)實時傳輸?shù)教燔嚻桨咫娔X，平板電腦應(yīng)用Python編程經(jīng)過卷積分析，識別天車吊掛作業(yè)等待、準備掛鉤、正在掛鉤、吊鉤到位四個狀態(tài)并語音提示天車司機，從而省略指揮人員的兩側(cè)確認和天車司機的二次確環(huán)節(jié)，不僅避免了指揮人員來回走動所帶來的人身安全隱患，而且還能節(jié)省掛包時間，提高生產(chǎn)效率。將圖像識別、機器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)應(yīng)用于天車領(lǐng)域，使天車作業(yè)更加智能化、更加自動化，實現(xiàn)培養(yǎng)人才、提高利潤的目標。

以唐鋼不銹鋼公司100t轉(zhuǎn)爐-LF精煉-常規(guī)板坯連鑄為依托，以打造無人化、黑燈工廠、智慧工廠為目標，采用視覺分析等數(shù)字化采集、現(xiàn)場控制自動化、信息傳遞自動化及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計技術(shù)、人工智能機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐全流程模型控制開發(fā)。

隨著各類新興技術(shù)的快速發(fā)展，整個工業(yè)時代的生產(chǎn)模式面臨著變革。無人化、智能化、高效化、標準化成為工業(yè)發(fā)展的前景。而作為當前最為流行的編程語言，Python的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛。Python是一個高層次的結(jié)合科解釋性、編譯性、互動性和面向?qū)ο蟮哪_本語言，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛：1）WEB開發(fā)；2）桌面軟件；3）網(wǎng)絡(luò)編程；4）爬蟲開發(fā)；5）云計算開發(fā)；6）人工智能；7）自動化運維；8）金融分析；9）科學(xué)運算；10）游戲開發(fā)。煉鋼天車吊掛圖像識別系統(tǒng)就是通過Keras卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別技術(shù)進行生產(chǎn)過程提示。

1 煉鋼天車吊掛圖像識別系統(tǒng)的設(shè)計思路

1.1 天車吊掛作業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

煉鋼天車吊掛作業(yè)時需要天車司機、地面指揮人員協(xié)同，由于天車司機室視野限制天車司機自己無法確認地面吊掛狀態(tài)，地面吊掛狀態(tài)完全依靠地面指揮人員通過對講機通知天車司機。唐鋼不銹鋼公司煉鋼天車吊包作業(yè)由等待吊包、主鉤下降、確認板鉤、繼續(xù)下降主鉤、確認板鉤高度、北打小車、確認板鉤吊掛、起升主鉤、指揮者兩側(cè)確認、司機二次確認、指揮者二次確認、起升主鉤、試吊共13環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中除了等待吊包、起升主鉤、試吊環(huán)節(jié)外其它10個環(huán)節(jié)均需要地面指揮者確認，如果確認不好將會造成蹲鉤、卡勾、鋼包脫落等危險，現(xiàn)場指揮人員存在較大安全隱。

1.2 天車設(shè)備配置現(xiàn)狀

唐鋼不銹鋼公司煉鋼天車具有天車定位系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過煉鋼車間天車、臺車定位，天車物重采集，生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)采集，已實現(xiàn)廢鋼斗、鐵包、鋼包跟蹤和可視化管理，系統(tǒng)通過編碼電纜定位技術(shù)實現(xiàn)天車大車、小車位置的自動采集和過程監(jiān)控；天車司機室內(nèi)配備一臺平板電腦，用來顯示天車實時位置及過程監(jiān)控信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將天車信息實時傳輸?shù)降孛娣?wù)器。

圖1 煉鋼天車吊掛圖像識別系統(tǒng)設(shè)計示意圖

1.3 天車吊掛圖像識別系統(tǒng)實施方案

天車吊掛圖像識別系統(tǒng)在天車定位系統(tǒng)基礎(chǔ)之上增加兩臺網(wǎng)絡(luò)攝像頭。網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝于地面，分別采集鋼包左右耳軸實時圖，利用天車定位系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)與天車司機室內(nèi)平板電腦通訊，具體通訊方式網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過天車定位系統(tǒng)地面交換機連接天車跨上AP基站、天車AP與平板電腦相連，平板電腦應(yīng)用python語言編程將地面網(wǎng)絡(luò)攝像頭圖像實時采集，通過圖像識別程序判斷天車板勾與鋼包耳軸懸掛狀態(tài)，并將天車板勾與鋼包耳軸懸掛實時狀態(tài)對天車司機進行語音提示。

平板電腦編制地面耳軸圖像與天車定位原系統(tǒng)畫面切換程序，通過天車定位，在天車大車、小車、吊鉤滿足吊掛作業(yè)條件的狀態(tài)下天車定位原系統(tǒng)畫面切換到地面耳軸畫面，畫面同時顯示左右耳軸圖像。當完成吊掛作業(yè)后，天車板鉤抬起一定高度退出地面耳軸畫面，切換到天車定位原系統(tǒng)畫面。天車吊掛鋼包實時畫面顯示提高天車吊掛圖像識別系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)吊掛作業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)司機室內(nèi)可視化。

2 煉鋼天車吊掛圖像識別系統(tǒng)技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 圖像傳輸方案

應(yīng)用OpenCV技術(shù)將攝像頭圖像顯示于平板電腦之上。OpenCV是一個基于BSD許可（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺和機器學(xué)習(xí)軟件庫，可以運行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系統(tǒng)上。 它輕量級而且高效，由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。改變圖像輸出格式，OpenCV默認輸出格式為YUYV，可將其改成MJPG格式， 通過用不同電腦測試發(fā)現(xiàn)，攝像頭在不同的電腦上默認使用獲取視頻的格式不同。由于項目原因，需要以MJPG格式讀取，使用MJPG格式主要是考慮到Y(jié)UYV數(shù)據(jù)量較大，影響攝像頭讀取速度。

2.2 圖像傳輸卡頓解決方案

（1）運用多線程解決負載均衡問題，充分利用CPU資源。隨著計算機的配置越來越高，我們需要將進程進一步優(yōu)化，細分為線程，充分提高圖形化界面的多線程的開發(fā)。多線程技術(shù)使程序的響應(yīng)速度更快，因為用戶界面可以在進行其它工作的同時一直處于活動狀態(tài)；當前沒有進行處理的任務(wù)時可以將處理器時間讓給其它任務(wù)；占用大量處理時間的任務(wù)可以定期將處理器時間讓給其它任務(wù)；可以隨時停止任務(wù)；可以分別設(shè)置各個任務(wù)的優(yōu)先級以優(yōu)化性能。

（2）攝像頭分辨率設(shè)置，通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭管理軟件調(diào)整攝像頭分辨率設(shè)置和幀率設(shè)置?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場無線網(wǎng)橋、平板電腦、交換機等硬件配置把傳輸圖像調(diào)整到最佳顯示狀態(tài)。

2.3 圖像傳輸終斷解決方案

增加異常處語句，這樣平板電腦與網(wǎng)絡(luò)攝像頭通信過程中，如果發(fā)生錯誤通訊失敗可以重新嘗試連接，程序不會終止運行。

2.4 圖片采集分類

攝像頭安裝于固定位置，通過程序連續(xù)抓拍天車板鉤吊掛作業(yè)圖片，將圖片按作業(yè)狀態(tài)分成四類（等待、準備掛鉤、正在掛鉤、吊鉤到位）每一類圖片不低于1000張。

2.5 訓(xùn)練模型

根據(jù)平板電腦配置情況將圖片分辨率縮小，降低電腦運算量。應(yīng)用卷積分析方法生成圖像識別四分類器，運行識別程序與靜態(tài)圖片對比查看識別效果。

2.6 語音提示

（1）方法1應(yīng)用pyttsx3庫循環(huán)播放語音。

（2）方法2應(yīng)用playsound庫循環(huán)播放語音。

3 煉鋼天車吊掛作業(yè)圖像識別系統(tǒng)的應(yīng)用效果

如圖2所示為識別過程，通過現(xiàn)場攝像頭采集天車板勾與耳軸畫面，通過卷積分析判斷是否懸掛到位，同時根據(jù)板勾的運動過程實時語音播報懸掛狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)天車吊包的自動判斷過程，為吊包自動化奠定了基礎(chǔ)。

圖2 天車吊包自動判定過程

唐鋼不銹鋼煉鋼全流程智能化的一個重要部分就是實現(xiàn)天車自動判斷耳軸吊掛狀態(tài)，應(yīng)用此采用圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)了天車吊掛作業(yè)工作狀態(tài)實時提醒功能，地面圖像無線網(wǎng)絡(luò)傳輸司機室，提高天車作業(yè)安全性和工作效率。應(yīng)用此系統(tǒng)縮短天車吊掛作業(yè)時間。