費(fèi)禹鋮，盧 超，劉 浩，薛少鈞

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西 柳州 545001）

在線激光打孔是卷煙生產(chǎn)過(guò)程中的一道工序，通過(guò)激光在接裝紙包裹的嘴棒上環(huán)繞打出一圈或兩圈微孔。在線激光打孔不同打孔參數(shù)和打孔方式對(duì)卷煙濾嘴通風(fēng)率，以及主流煙氣釋放量、有害成分釋放量、過(guò)濾效率等都有影響[1-7]，是產(chǎn)品工藝管控不可或缺的環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)中，卷煙激光打孔異常難以被發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)原因是孔太小，人工檢測(cè)容易疏忽；第二個(gè)原因是機(jī)速太快，在卷煙輸送通道上的煙支一直處于快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，人工檢測(cè)難以識(shí)別；第三個(gè)原因是機(jī)臺(tái)工作繁忙，人工很難做到長(zhǎng)時(shí)間觀察打孔狀態(tài)是否異常。除此之外，機(jī)器在生產(chǎn)過(guò)程中，由于啟停、負(fù)壓等因素，造成甩煙、飛煙、甩接裝紙等情況堵塞打孔輪與搓接輪之間間隙，導(dǎo)致激光無(wú)法接觸到后續(xù)煙支，造成無(wú)孔或少孔的異常。若打孔異常的不合格卷煙制品流入下道工序，會(huì)引起下道工序停機(jī)排查與本工序的停機(jī)清潔調(diào)整，降低車間整體生產(chǎn)效率，帶來(lái)生產(chǎn)成本上升。如果不合格卷煙流入市場(chǎng)，還會(huì)降低品牌聲譽(yù)，后果嚴(yán)重。

1 問(wèn)題分析

卷煙過(guò)程中激光打孔的流程如下，搓接輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)將卷煙搓接后交接進(jìn)入打孔輪，打孔輪逆時(shí)針選裝交接煙支，并與右側(cè)方安裝的小滾輪配合使煙支翻滾，激光打孔儀器垂直于卷煙工藝要求位置按設(shè)定頻率發(fā)射激光，生成工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的微孔。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，卷煙打孔異常難以杜絕。第一個(gè)原因是設(shè)備難以保持零部件的清潔與整潔，時(shí)常會(huì)有由膠水、煙沙、塵末等組成的積垢，黏在零部件上影響煙支的正常輸送，導(dǎo)致煙支的堵塞。由圖1 可知，打孔輪、右側(cè)小滾輪、激光打孔儀器之間的空間狹窄，很容易由于積垢導(dǎo)致煙支的堵塞，影響激光打孔儀器正常打孔。第二個(gè)原因是卷煙設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)停機(jī)，停機(jī)是一個(gè)快速降速的過(guò)程，部分煙支、接裝紙會(huì)從鼓輪中甩出，甩出的煙支、接裝紙有可能落入上述的狹小空間中，堵塞激光打孔儀器，導(dǎo)致激光不能正常接觸到后續(xù)生產(chǎn)的煙支。第三個(gè)原因是在激光打孔的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塵末，其在打孔輪煙槽中積垢后會(huì)導(dǎo)致煙支跳動(dòng)，影響煙支打孔質(zhì)量。

圖1 激光打孔系統(tǒng)組成

2 改進(jìn)辦法

2.1 技術(shù)方面

設(shè)計(jì)一套基于深度學(xué)習(xí)視覺自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于在生產(chǎn)過(guò)程中快速查驗(yàn)卷煙產(chǎn)品是否存在煙支打孔異常。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出3 個(gè)部分組成。如圖2 所示，數(shù)據(jù)收集部分由工業(yè)攝像頭、支架、照明燈組成。該工業(yè)攝像機(jī)可在現(xiàn)場(chǎng)溫濕度環(huán)境下工作，具備抗粉塵與抗振動(dòng)能力，通過(guò)網(wǎng)線傳輸視頻流數(shù)據(jù)，可以保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸入與傳輸，且滿足數(shù)據(jù)傳輸速度和質(zhì)量的要求。主機(jī)對(duì)接收到的視頻流進(jìn)行處理后，輸出幀圖片供后續(xù)的處理環(huán)節(jié)使用。支架用于調(diào)節(jié)、固定工業(yè)攝像機(jī)拍攝卷煙產(chǎn)品的位置，保障拍攝的卷煙產(chǎn)品可以清晰成像。照明燈用于給工業(yè)攝像機(jī)提供光源，提高卷煙拍攝成像質(zhì)量，為輸入良好的數(shù)據(jù)流打好環(huán)境基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理部分由數(shù)據(jù)集標(biāo)注、模型訓(xùn)練、模型部署調(diào)試3 部分組成。數(shù)據(jù)集標(biāo)注是將計(jì)算機(jī)處理后的幀圖片作為數(shù)據(jù)集，將模型通過(guò)要區(qū)分的類別分為正常、打孔異常、無(wú)打孔、遮擋、邊緣和煙葉干擾6 種類型進(jìn)行標(biāo)注，采用精準(zhǔn)標(biāo)注策略，標(biāo)注范圍盡可能僅包含被檢測(cè)目標(biāo)，減少干擾信息，利于提升訓(xùn)練后模型對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的識(shí)別能力與精準(zhǔn)度。數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練組與測(cè)試組，前者用于模型訓(xùn)練，給予模型基礎(chǔ)的認(rèn)知能力；后者用于模型檢驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?xùn)練效果，若訓(xùn)練效果不佳則需要添加訓(xùn)練集內(nèi)容繼續(xù)訓(xùn)練，直至滿足產(chǎn)品的識(shí)別需求。

圖2 數(shù)據(jù)收集裝置

目前有多種目標(biāo)檢測(cè)算法可以使用，如RCNN[8]、Fast-RCNN[9]、Faster-RCNN[10]、SSD[11]和YOLO[12]等。RCNN（Region with CNN features）利用候選區(qū)域算法來(lái)替代滑窗法，快速定位需要檢測(cè)的區(qū)域，節(jié)省了大量的計(jì)算資源，計(jì)算速度得到了極大的提升。在使用候選區(qū)域算法時(shí)，采用選擇性搜索方法，將像素相近的組結(jié)合，形成多個(gè)尺寸不定的候選區(qū)域，通過(guò)CNN 網(wǎng)絡(luò)提供特征后，再供分類器訓(xùn)練，經(jīng)過(guò)一定的后續(xù)處理后得到處理結(jié)果，但是該方法有明顯的缺陷，比如訓(xùn)練的階段多、步驟繁瑣，訓(xùn)練需要時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)占用存儲(chǔ)資源大，處理速度時(shí)間長(zhǎng)，在GPU 作為計(jì)算中心的前提下依舊需要大量處理時(shí)間，這不符合需要快速處理圖片的場(chǎng)景需求。Fast-RCNN優(yōu)化了候選區(qū)域選取方式，減少了重復(fù)采樣計(jì)算的時(shí)間，避免了重復(fù)卷接運(yùn)算，無(wú)論是在訓(xùn)練上還是應(yīng)用上，速度大幅提升，但檢測(cè)的速度依然有優(yōu)化的空間。Faster-RCNN 汲取上述2 種算法的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將各必要屬性整合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，綜合檢測(cè)速度進(jìn)一步提升。

YOLO（You Only Look Once）基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具備強(qiáng)大的目標(biāo)定位與對(duì)象識(shí)別功能，而且運(yùn)行速度快，可以用于檢測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)也具備相當(dāng)程度的準(zhǔn)確性。YOLO 汲取上述算法中優(yōu)秀的候選區(qū)算法設(shè)計(jì)，并將候選區(qū)和對(duì)象識(shí)別匯入同一階段，采用預(yù)定義的模式，將候選區(qū)基本擴(kuò)展到整張圖片，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明高效的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)，使得該算法的檢測(cè)速度快、誤檢率低、泛化能力強(qiáng)。綜合考慮檢測(cè)框架使用難易程度與檢測(cè)速度與精度，現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境以及檢測(cè)頻次，決定采用YOLO 檢測(cè)框架作為模型訓(xùn)練的主要算法。

將數(shù)據(jù)集導(dǎo)入YOLO 算法進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)置訓(xùn)練參數(shù)，當(dāng)損失函數(shù)到需求數(shù)值或穩(wěn)定狀態(tài)后，停止訓(xùn)練進(jìn)入模型調(diào)試階段。調(diào)用訓(xùn)練過(guò)程中的權(quán)重文件，利用驗(yàn)證集測(cè)試模型精確度，若測(cè)試結(jié)果達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，則重復(fù)上述的取數(shù)據(jù)與標(biāo)注過(guò)程，持續(xù)為添加數(shù)據(jù)集添加數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)階段的權(quán)重文件繼續(xù)訓(xùn)練，重復(fù)上述的步驟，直至訓(xùn)練模型精確度達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用的檢測(cè)需求。如圖3 所示，最后，將模型與Tkinter 編寫的圖形用戶界面（GUI）封裝，形成計(jì)算機(jī)程序，供用戶在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用，使用方式簡(jiǎn)單，用戶只需要點(diǎn)擊按鈕即可啟用或關(guān)閉程序，還可以查看打孔異常事件發(fā)生的時(shí)間，便于追溯。在程序運(yùn)行的過(guò)程中，若檢測(cè)出煙支打孔異常，會(huì)將報(bào)警信號(hào)通過(guò)USB發(fā)送給通信裝置，如圖4 所示的通信裝置，通信裝置將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，觸發(fā)報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，報(bào)警器會(huì)周期性震動(dòng)鳴響，無(wú)人干涉會(huì)處于長(zhǎng)時(shí)間報(bào)警狀態(tài)，確保在嘈雜的環(huán)境中能有效傳遞報(bào)警信息，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作人員已經(jīng)發(fā)生異常，需要緊急處理。

圖3 檢測(cè)程序

圖4 報(bào)警裝置

2.2 管理方面

為避免打孔輪與激光打孔儀器之間的空間被堵塞，設(shè)置了新的過(guò)程檢驗(yàn)管理規(guī)定。在管理過(guò)程中明確在每次啟動(dòng)前，操作人員都需要關(guān)注激光打孔儀器能否正常工作，儀器與鼓輪之間是否有異物遮擋導(dǎo)致煙支不能正常被打孔。在啟動(dòng)加速的過(guò)程中，需要觀察激光打孔儀器的工作環(huán)境與工作狀態(tài)，留意光點(diǎn)閃爍頻率，注意飛煙和甩煙引起的堵塞，在出煙鼓輪端檢查輸出煙支是否有打孔、打孔數(shù)量與打孔質(zhì)量是否合格，及時(shí)人工干預(yù)排除異常確保產(chǎn)品質(zhì)量符合工藝要求。在生產(chǎn)過(guò)程中，除了產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，還需經(jīng)常關(guān)注激光打孔儀器在生產(chǎn)過(guò)程中是否可以正常工作，觀察是否有潛在導(dǎo)致堵塞的可能，特別是激光打孔儀器周圍是否存在甩出的煙支、殘支或水松紙，有必要時(shí)需要停機(jī)取出。為保障設(shè)備的運(yùn)行效率，設(shè)置了新的設(shè)備保養(yǎng)規(guī)定。在設(shè)備保養(yǎng)的過(guò)程中，需要確認(rèn)激光打孔儀器能否正常工作，工作所需的能源是否供給正常，同時(shí)還需要對(duì)搓接輪和打孔輪上的吸風(fēng)孔做細(xì)致地保養(yǎng)清潔，確保每一個(gè)吸風(fēng)孔暢通，不會(huì)被膠垢雜物堵塞，能夠在生產(chǎn)全過(guò)程提供穩(wěn)定的負(fù)壓，減少在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生飛煙、甩煙堵塞激光打孔儀器的情況。

2.3 設(shè)備方面

由于激光打孔儀器安裝在設(shè)備內(nèi)，設(shè)備為其提供的工作環(huán)境使其能夠正常工作起到了重要的作用。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，難以避免甩煙與飛煙對(duì)激光打孔儀器的干擾，輕則導(dǎo)致打孔質(zhì)量略微降低，重則導(dǎo)致無(wú)煙支打孔，造成重大質(zhì)量損失，提升生產(chǎn)成本與降低生產(chǎn)效率。根據(jù)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，甩煙與飛煙通常是來(lái)自相鄰的前工序，且甩動(dòng)方向相對(duì)固定，為防止工序甩煙飛煙、接裝紙因氣流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致激光打孔儀器的堵塞，在小滾輪的右側(cè)設(shè)置一塊擋板，如圖5 所示。盡管飛煙與甩煙的運(yùn)動(dòng)軌跡存在一定的隨機(jī)性，但經(jīng)過(guò)不斷地變化實(shí)驗(yàn)位置，觀察生產(chǎn)運(yùn)行的結(jié)果，將擋板安置在相對(duì)完善的位置，可以隔擋絕大多數(shù)來(lái)自前工序的飛煙、甩煙與隨氣流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)飄來(lái)的接裝紙，保障激光打孔儀器盡可能不受前工序阻礙影響，延長(zhǎng)激光打孔儀器正常工作的時(shí)間。如圖6 所示，為保證煙支不會(huì)在煙支打孔輪上跳動(dòng)，在煙支打孔輪的后側(cè)加裝正壓噴嘴。依據(jù)設(shè)備的運(yùn)行原理，確保到達(dá)正壓噴嘴的煙槽一定為空，煙槽到達(dá)指定位置時(shí)，正壓噴嘴開始工作，持續(xù)向煙支打孔輪中的煙槽輸送正壓，清潔激光打孔過(guò)程中留下的塵末與煙沙，保障煙支在運(yùn)輸和打孔過(guò)程中的穩(wěn)定性。通過(guò)正壓對(duì)煙槽的清潔，避免了煙支由于積垢在煙槽內(nèi)的跳動(dòng)，確保了煙支激光打孔的準(zhǔn)確性，同時(shí)也在一定程度上清潔了打孔輪的吸風(fēng)孔，保證負(fù)壓在最后的環(huán)節(jié)供應(yīng)正常。

圖5 擋板安裝位置示意圖

圖6 正壓噴嘴安裝示意圖

3 應(yīng)用效果

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署上述方法前3 個(gè)月，總共發(fā)生6 起由煙支打孔異常引起的生產(chǎn)事故，造成223 min 生產(chǎn)時(shí)間的浪費(fèi)與大量煙支報(bào)廢，給工廠帶來(lái)資源與生產(chǎn)效率的損失。在現(xiàn)場(chǎng)部署上述方法后，機(jī)臺(tái)操作人員可以在報(bào)警聲的提醒下，能夠迅速發(fā)現(xiàn)打孔異常煙支并采取相應(yīng)措施，及時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品查驗(yàn)與設(shè)備排查，處理設(shè)備中激光打孔儀器附近存在的問(wèn)題。落實(shí)管理規(guī)定，嚴(yán)格執(zhí)行開機(jī)前的保養(yǎng)工作，保證運(yùn)行條件符合工藝質(zhì)量要求，在運(yùn)行過(guò)程中加大對(duì)激光打孔儀器及周邊環(huán)境的觀察與關(guān)注，及時(shí)處理可能會(huì)發(fā)生的異?，F(xiàn)象，從根本上減少煙支打孔異常事件發(fā)生的可能性。統(tǒng)計(jì)上述方法運(yùn)用后3 個(gè)月內(nèi)的機(jī)臺(tái)生產(chǎn)情況發(fā)現(xiàn)，僅發(fā)生2 起由煙支打孔異常引起的停機(jī)，總計(jì)停機(jī)時(shí)間7 min，僅造成少量煙支報(bào)廢，效果明顯。對(duì)比實(shí)施前，為工廠節(jié)約了大量的生產(chǎn)資源，減輕了員工的勞動(dòng)量，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于深度學(xué)習(xí)和管理提出一種減少激光打孔異常對(duì)生產(chǎn)影響的辦法，設(shè)計(jì)一套基于深度學(xué)習(xí)的煙支打孔異常自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，減少打孔異常煙支產(chǎn)生的管理規(guī)定，對(duì)設(shè)備加裝阻隔裝置與吹氣裝置，多角度保障卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高、全自動(dòng)檢測(cè)的特點(diǎn)，極大降低了操作人員對(duì)煙支打孔異常問(wèn)題的檢查頻次，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高檢驗(yàn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量管控水平。管理規(guī)定從解決根本問(wèn)題的角度出發(fā)，盡可能杜絕煙支打孔異常事故發(fā)生，為順利生產(chǎn)提供保障。設(shè)備改造在生產(chǎn)過(guò)程中持續(xù)保障激光打孔儀器與煙支的穩(wěn)定性，很大程度上杜絕了外來(lái)雜物對(duì)激光打孔的影響。三者結(jié)合使用后效果顯著。