摘 要：由于現(xiàn)行的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中存在監(jiān)測效果不佳、監(jiān)測精密度較低等問題，無法達到預(yù)期的監(jiān)測效果。因此，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測方法。首先，根據(jù)缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測需求設(shè)計缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測架構(gòu)；然后，結(jié)合監(jiān)測架構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對補焊圖像的采集與數(shù)據(jù)傳輸，采用直方圖均衡化的方法對補焊圖像進行增強及歸一化處理；最后，通過對補焊圖像進行邊緣計算，確定葉片缺陷補焊質(zhì)量系數(shù)，實現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測。經(jīng)實驗證明，設(shè)計方法的監(jiān)測精密度在95%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量的精準監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；水輪機轉(zhuǎn)輪葉片；缺陷補焊；質(zhì)量監(jiān)測；直方圖均衡化；邊緣計算

中圖分類號：TP39；TG115.28 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-03

0 引 言

水輪機作為水電站的核心設(shè)備，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到水電站的發(fā)電效率和安全性。在設(shè)備維護過程中存在操作不當或維護不及時，可能會導(dǎo)致水輪機轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)缺陷，往往需要進行補焊修復(fù)[1-4]。補焊質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到水輪機的安全運行和壽命，因此，對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量的監(jiān)測顯得尤為重要。傳統(tǒng)的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測主要依靠人工巡檢和定期試驗，不僅效率低下，而且準確度不高，難以滿足現(xiàn)代水電站高效、安全、可靠運行的需求。在該背景下，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測方法。

1 水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測方案設(shè)計

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測中，先利用無線網(wǎng)絡(luò)將水輪機轉(zhuǎn)輪葉片與無線傳感器連接，搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺，該方法實現(xiàn)框架如圖1所示。

整體架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、信息處理層和應(yīng)用層組成。感知層負責感知水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的缺陷補焊信息，由多種無線傳感器組成[5]。網(wǎng)絡(luò)層由無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)等組成，以移動通信網(wǎng)為基礎(chǔ)，主要用于上傳無線傳感器對缺陷補焊進行監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)[6]。信息處理層由數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)統(tǒng)一接口組成，主要對上下層數(shù)據(jù)進行高效、穩(wěn)定傳輸，并對數(shù)據(jù)進行高效集成和使用，解決數(shù)據(jù)的存儲、檢索和使用等問題[7]。應(yīng)用層由缺陷補焊質(zhì)量評估、質(zhì)量預(yù)警以及質(zhì)量監(jiān)測等功能模塊組成[8]。依據(jù)水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測需求設(shè)定應(yīng)用模塊，通過對缺陷補焊數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量的評估、預(yù)警和監(jiān)測等功能。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的缺陷補焊圖像采集與歸一化

結(jié)合以上設(shè)計的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測架構(gòu)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)缺陷補焊圖像采集與傳輸，選用以ARM Cortex M8為內(nèi)核處理器的IYFGA554f55系列單片機[9]。通過USART接口將單片機與無線傳感器連接。轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊的質(zhì)量可以通過觀測外觀得到，因此以IKASHFGH-7G7SA相機為圖像傳感器[10]。采用串并聯(lián)的方式將圖像傳感器接入水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊系統(tǒng)的電源總線上，將鏡頭對準葉片缺陷補焊處，根據(jù)葉片缺陷大小確定傳感器掃描范圍。

由于傳感器采集的信號為模擬量信號，無法直接被計算機識別，因此需要利用無線傳感器中的ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊）對信號進行轉(zhuǎn)換。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊具備“看門狗”功能，可以檢測到輸入電壓是否超出設(shè)定的閾值上下限；ADC內(nèi)嵌有優(yōu)化的圖像采樣機制，使得在低頻操作時能實現(xiàn)極低的功耗。將轉(zhuǎn)換后的圖像存儲到寄存器中，并利用DMA（直接存儲器訪問功能）實現(xiàn)圖像傳感器與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。每當通道完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后會生成直接存儲器訪問請求，將轉(zhuǎn)換后的缺陷補焊圖像信息從寄存器傳輸?shù)侥繕薎P地址。為了保證圖像傳感器采集的補焊圖像在傳輸過程中的安全性，在ADC前置電路使用AF161放大器對信號進行放大處理后將其輸入PC3引腳，即ADC通道的信號輸入端，以實現(xiàn)對信號的增益處理，用公式表示為：

（1）

式中：G表示增益后的圖像傳感器傳輸信號；Rg表示調(diào)節(jié)電阻。將增益后的信號由ADC通道傳輸?shù)接嬎銠C上，用于后續(xù)圖像處理與分析。

2.2 補焊圖像增強與擴增

考慮到圖像傳感器在圖像采集與傳輸過程中易受到干擾，使采集的缺陷補焊圖像存在噪聲，影響圖像清晰度。因此對補焊圖像進行增強處理。假設(shè)原始補焊圖像上任一點的像素值為h，利用變換函數(shù)使圖像上的像素值分布均勻，用公式表示為：

（2）

式中： s表示直方圖均衡化后的補焊圖像；t表示圖像灰度級的像素均勻分布概率；d表示補焊圖像的灰度級；a表示補焊圖像的像素總和。由于補焊圖像采集方式的復(fù)雜性，所得到的補焊圖像尺度各異，需要對不同尺度的補焊圖像進行標準化，以保證監(jiān)測精度。補焊圖像歸一化就是對大小不一的補焊圖像進行一系列的變換，把大小不一的圖像轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的格式，而且圖像的平移、旋轉(zhuǎn)、比例等都不會受到影響。此外，對圖像進行歸一化處理后，其大小也有一定的限制，如果尺度過大，將導(dǎo)致所抽取的質(zhì)量特征矢量維數(shù)過高，導(dǎo)致監(jiān)測效率下降，計算量及運算時間增加。雖然縮小尺度可以減少計算量，但是尺寸過小的圖像將會損失一些質(zhì)量特征，從而降低監(jiān)測精度。經(jīng)過對不同尺寸大小圖像進行訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，尺寸為（125，125）時比較合適，按照該尺寸對歸一化后的圖像進行裁剪。

2.3 葉片缺陷補焊邊緣計算及質(zhì)量合格性的監(jiān)測

轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊對焊縫大小要求較高，如果補焊后葉片仍然存在縫隙，會嚴重影響到缺陷補焊質(zhì)量。因此在上述基礎(chǔ)上通過對補焊圖像進行邊緣計算，分析缺陷補焊焊縫大小和焊點與葉片的共面性，評價葉片缺陷補焊質(zhì)量。在圖像上焊縫的大小可以用未連通域表征，根據(jù)圖像輪廓確定圖像的連通域，再用整體減去連通域即可確定圖像的未連通域，其計算公式為：

（3）

式中：K表示缺陷補焊圖像的未連通域；S表示補焊圖像的邊緣密度值；c表示補焊圖像的平均像素值；z表示補焊圖像的缺陷寬度值。利用上述公式計算出補焊圖像的未連通域，再根據(jù)未連通域計算出葉片缺陷補焊質(zhì)量系數(shù)，用公式表示為：

（4）

式中：ρ表示葉片缺陷補焊質(zhì)量系數(shù)；γ表示葉片缺陷面積。根據(jù)相關(guān)補焊質(zhì)檢規(guī)范設(shè)定一個閾值，如果缺陷補焊質(zhì)量系數(shù)小于閾值，則說明補焊質(zhì)量不合格；如果缺陷補焊質(zhì)量系數(shù)大于閾值，則說明補焊質(zhì)量合格，以此完成基于物聯(lián)網(wǎng)的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測。

3 實驗論證

3.1 實驗準備與設(shè)計

以某水電廠為研究對象，該電廠共有水輪機10臺，水輪機型號為FASTS-AG4A88F，功率為1.25 kW，設(shè)計水頭為10～25 m，發(fā)電方式為水輪式，電壓為220 V，進水方式為混流臥式，轉(zhuǎn)輪直徑為25 mm，水管直徑為200 mm，流量為0.09 m3/s，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。該水電廠水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷共100處，利用本文設(shè)計方法對轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量進行監(jiān)測。根據(jù)實際情況在補焊現(xiàn)場安裝了3臺圖像傳感器，共采集到10 000張補焊圖像。按照上述流程對補焊圖像進行增強、擴增、邊緣計算，并識別監(jiān)測轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量不合格樣品。

3.2 實驗結(jié)果與討論

實驗選擇當前2種主流方法與本文方法進行對比，隨機選取8個轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊樣本，表1給出了3種方法下的缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測值與真實值的對比數(shù)據(jù)。

由表1可知，本文方法下的轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測值與實際質(zhì)量系數(shù)基本一致。為進一步驗證本文方法的性能，對2種方法的監(jiān)測精密度進行比較，精密度是指監(jiān)測結(jié)果與實際情況的一致程度，通常使用標準差或變異系數(shù)來衡量精密度，即監(jiān)測結(jié)果標準偏差與真實值的比值。表2給出了3種方法的精密度對比數(shù)據(jù)。

由表2可知，在精密度方面，本文方法具有絕對的優(yōu)勢，最高精密度可以達到99.86%，是主流方法A的1.31倍，是主流方法B的1.23倍，精密度遠遠高于主流方法，由此證明了本文設(shè)計方法更適用于水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測，可以有效保證監(jiān)測精度。

4 結(jié) 語

針對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測方法存在的不足和缺陷，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到其中，提出了一種新的監(jiān)測思路。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了遠程、實時的轉(zhuǎn)輪葉片缺陷補焊質(zhì)量監(jiān)測。這不僅降低了人工巡檢的成本，而且提高了監(jiān)測的效率和準確性。然而，該方法在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。首先，數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護是一個重要的問題。在監(jiān)測過程中，涉及到大量的敏感數(shù)據(jù)，如水電站的運行數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等，需要采取有效的加密和安全措施來保護數(shù)據(jù)的安全和隱私。其次，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性也非常重要。在監(jiān)測過程中，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或誤報，影響監(jiān)測的準確性和可靠性。針對上述問題，未來的研究可以從以下幾個方面展開：首先，進一步研究和探索數(shù)據(jù)的安全性和隱私保護技術(shù)，提高監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和可靠性；其次，研究和開發(fā)更加穩(wěn)定、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可用性和可靠性；最后，研究和探索更加靈活、可擴展的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)，以滿足不斷變化的監(jiān)測需求，提高系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。

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