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硕士论文炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 摘要 基于炉口火焰的光强和图像信息来预测转炉炼钢终点是炼钢终点判断的新方 法，该方法对炉口火焰光强和图像信息处理时存在数据不规则丢失以及处理不同步 的现象。针对此现象，提出了将炉口火焰的光强和图像信息同步处理的方法，并结 合串口和多线程技术实现对处理结果的实时化。构建了炉口火焰光强和图像同步处 理系统，系统包括炉口火焰光强信息处理系统、图像信息采集处理系统，光强和图 像同步以及实时处理软件等部分，并对所设计的硬、软件系统进行了调试并用于现 场实验。实验结果表明，同步处理系统能够解决数据不规则丢失以及不同步的问题。 构建了炉口火焰光强和图像信息实时显示系统，该系统能实现对炉口火焰的光强和 图像信息的预处理、处理结果的实时显示以及对炼钢终点的模拟判断，缩短了分析 处理周期，能够用于转炉炼钢过程的终点实时控制。 关键词：信息采集同步实时化终点控制 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t an e wm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hi st op r o c e s st h ef l a m el i g h ti n t e n s i t yi np h a s e w i t ht h ei m a g ei n f o r m a t i o na n ds h o wt h er e s u l to ft h er e a l t i m ep r o c e s s i n gb ym e a n so f t h ek n o w l e d g ea b o u ts e r i a lp o r ta n dm u l t i - t h r e a d t h i sn e w m e t h o d ，b a s e do nb o t ht h e i m a g ei n f o r m a t i o na n dt h ef l a m el i g h ti n t e n s i t yt oc o n t r o lt h ee n d - p o i n to ft h eb a s i c o x y g e nf u r n a c e ( b o f ) ，o v e r c o m et h ep r o b l e mo ft h ed a t al o s sa n dd a t aa s y n c h r o n i z a t i o n c a u s e db ys e p a r a t i n gc o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n go ft h ef l a m el i g h ti n t e n s i t ya n dt h ei m a g e i n f o r m a t i o n t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i s t so fl i g h ti n t e n s i t y p r o c e s s i n gs y s t e m ，f l a m ei m a g ec a p t u r i n gs y s t e m ，t h ed a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g i n - p h a s ea n dr e a l - t i m es y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es u bs y s t e m sh a v eb e e nt e s t e d a n du s e di nt h ee x p e r i m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o b l e mc a nb e s o l v e ds m o o t h l y a n o t h e re x p e r i m e n t a ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i s t so fl i g h t i n t e n s i t ya n df l a m ei m a g ep r e c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，t h er e s u l t so fr e a l t i m ed i s p l a ya n dt h e s t e e l m a k i n ge n do ft h es i m u l a t i o no fj u d g es y s t e m ，c a nb er e a l i z e dt h er e s u l t so f p r o c e s s i n gc a nb es h o w nr e a l t i m e ，w h i c he n a b l e st h ed a t at ob ep r e s e n t e do b j e c t i v e l y , s h o r t e n st h ep r o c e s so fd a t aa n a l y s i s ，a n dc a nb eu s e df o re n d - p o i n tc o n t r o li nt h ec o u r s e o fs t e e l m a k i n g k e yw o r d ：i n f o r m a t i o n g a t h e r s y n c h r o n i z e r e a l t i m e e n d p o i n tc o n t r o l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 硕士论文炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 1 绪论 1 1 转炉炼钢简介及现状 钢在国民经济中具有很重要的作用，一个国家的经济实力在某种程度上是由它 的钢铁产量来决定的。人类对钢铁的冶炼手段也在不断的发展和完善，从由矿石直 接还原铁到吹氧法强化炼钢过程，到后来重熔法的出现和发展以及二次冶金的出现 与发展，都充分的说明了钢在生产生活中的重要地位【l j 。 自从上世纪中叶氧气顶吹转炉问世以来，转炉的生产规模不断扩大，设备和自 动控制水平不断得到发展，并在世界范围内得到了很大的应用。转炉炼钢技术在当 今的炼钢工业中占有主导地位，占世界的钢铁总产量中7 0 左右闭。 氧气顶吹转炉炼钢法的优点是炉内反应速度快，冶金时间短，具有很高的生产 效率，可冶炼的品种多，钢的质量好，原材料选用性强，耐火材料消耗低，投资省、 建设速度快，因此也是当今世界上效率最高的炼钢方法。氧气顶吹转炉可冶炼平炉 的所有钢种和电炉的一部分钢种，同时氧气顶吹转炉不仅能吹炼平炉炼钢生铁，而 且能吹炼中磷和高磷生铁1 3 j 。 转炉炼钢的基本原料包括：铁水、废钢、铁合金、造渣料、熔剂、冷却剂、氧 气、氮气、氩气、二氧化碳等。炼钢过程中通过造渣料和氧气的共同作用达到去除 铁水中的杂质的目的，从而冶炼出合格的钢。这一过程中伴随着激烈而复杂的物理 化学反应，而转炉内的成分也发生着不断的变化。根据这一成分变化，通常把冶炼 过程分为三个阶段【4 5 j ： ( 1 ) 吹炼前期吹炼初期由于铁水温度不高，s i 、m n 的氧化速度比c 快，开 吹2 - - 4 分钟时，s i 、m n 已基本上被氧化。同时，铁水也被氧化形成f e o 进入渣中， 石灰逐渐溶解，使p 也氧化进入炉渣中。s i 、m n 、p 、f e 的氧化放出大量热，使熔 炉迅速升温。吹炼初期炉口出现黄褐色的烟尘，然后燃烧成火焰，这是因为带出的 铁尘和小铁珠在空气中燃烧而形成。开吹时，由于渣料乳化形成而噪声变得柔和。 吹炼前期的任务是化好渣、早化渣，以利磷和硫的去除；同时也要注意造渣，以减 少炉渣对炉衬材料的侵蚀。 ( 2 ) 吹炼中期铁水中的s i 、m n 氧化后，熔池的温度升高，炉渣也基本化好， c 的氧化速度加快。此时从炉口冒出的浓烟急剧增多，火焰变大，亮度也提高；同 时炉渣起泡，炉口有小渣块溅出，这标志着反应进入吹炼中期。吹炼中期是碳氧反 应剧烈时期，此间供熔池中的氧气几乎1 0 0 的和碳反应，使脱碳速度达到最大。由 于碳氧剧烈反应，使炉温升高，渣中f e o 的含量降低，磷和锰在渣一金间分配发生 变化，产生回磷回锰现象。但此间由于高温、低f e o 、高c a o 的存在，使脱硫反应 1 绪论 硕士论文 得以大量进行。同时，由于熔池温度升高使废钢大量熔化。吹炼中期的任务是脱碳 和去硫，因此应控制好供氧和底气搅拌，防止炉渣反干和喷溅的发生。 ( 3 ) 吹炼后期吹炼后期，铁水中碳含量低，脱碳速度减小，从炉口排出的 火焰逐渐收缩，透明度增加。这是吹入熔池中的氧气使铁部分氧化，使渣中( f e o ) 和钢水中( o ) 含量增加。同时，温度达到出钢要求，钢水中磷、硫得以去除。吹炼 后期要做好终点控制，保证温度和c 、p 、s 含量合乎出钢要求。 转炉炼钢是一个复杂的高温物理化学反应过程【6 j ，其问涉及气体、液体、固体 在钢液、炉渣和炉气三相间的流动、传热、传质、熔化、溶解和高温化学反应等复 杂现象。转炉炼钢的目的就是将含有较多杂质的铁水与吹入的氧气发生反应，达到 去除杂质的目的，从而获得要求的钢水成分和温度。为了达到这一目的，在炼钢过 程中的一个关键技术就是终点控制。 1 2 转炉炼钢终点控制方法 1 2 1 终点控制 钢的质量在很大程度上取决于它的成分，特别是取决于有害杂质、气体和非金 属夹质物的溶度。在转炉钢的熔炼中，特别重视冶炼含气体少的金属。其中氮含量、 氧含量、氢含量都是需要认真考虑的。但是随着冶炼技术的进步，除氮、除氢技术 已经比较成熟；而转炉炼钢的重点【7 8 9 】就是控制氧的含量以及终点时刻钢水的温度， 即终点碳含量控制和终点温度控制。 终点碳含量控制：对于一个炼钢厂来说，铁水中的磷、硫含量一般相对稳定， 采用经验渣量方程一般可以满足生产要求。操作上最成问题的是碳，它在成品中的 成分偏差随钢种的不同，而有不同的要求，含碳在0 0 5 - - - 0 2 0 时，要求不超过 0 0 1 - - 一0 0 2 ，极低碳钢则要求不超过0 0 0 5 e 1 0 】。如上面所说，终点碳含量的控制 的主要手段是改变吹氧量来实现。 终点温度控制：熔池的温度控制是不可缺少的，其目的是首先保证吹炼中的精 炼反应要按标准情况进行，其次是为了保证连铸时的浇铸温度适当。钢的凝固温度 主要随碳含量而异，因此终点熔池温度的控制目标取决于所要求的含碳量。一般说 来，终点温度控制的目标是要把停吹温度选择在以1 6 0 0 度为中心的一个较宽的范 围内，对于此范围内所要求的温度，误差不超过一个上下限范围。 炼钢终点控制 1 1 , 1 2 】是转炉炼钢的关键技术之一，目前国内大多数的转炉炼钢生 产都采用人工经验进行终点判断，很难保证比较高的终点命中率，造成资源浪费， 效益底下。终点控制的基本要求是在吹氧结束时，使金属的化学成分和温度同时达 到出钢的要求。由于脱磷、脱硫比脱碳复杂，因此总是尽可能使磷、硫提早去除到 2 硕士论文 炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 终点要求的范围。这样，终点控制实际上是指终点含碳量和终点钢水温度的控制。 终点含碳量主要根据所炼钢种来控制，但应考虑到脱硫剂和铁合金含碳量的影响。 由于氧气顶吹转炉脱碳速度快，而钢种规格要求含碳量的范围窄，所以终点碳的控 制比较困难。在通常情况下氧气项吹转炉采用单渣法操作时，在吹炼过程中不倒炉， 吹炼末期，当判断终点后，则停止吹氧，倒炉测温并取样。最理想的是一次性倒炉 后，钢液成分和温度即符合出钢要求，否则必须进行补吹、生产实践表明，在进行 补吹的情况下，钢在渣中损失增加，钢中氧和氮含量升高，炉衬腐蚀严重，因此有 必要改进终点判断的方法。 随着炼钢技术的发展，对炼钢过程中的终点控制手段也飞速发展，几乎所有的 新型的科学技术都尽可能的被结合到炼钢的终点控制研究中。依据利用的技术手段 和出现的时间，可以把炼钢的终点控制方法分为传统型控制和新型控制。 1 2 2 传统的终点控制方法 传统的终点控制主要依据工人长期的经验而得到的一些基本公式或者终点时 机的判断依据，以及在得到的经验的基础上而产生出来的一些动态控制手段等等， 目前代表的控制方法有人工经验控制、静态控制、传统动态控制。 人工经验控制【1 3 】，即完全由人的经验观察来决定什么时候停止吹氧。由于转炉 吹炼是一个极其复杂的物理化学过程，凭人工经验进行终点控制显然是不精确的。 在现场操作中，碳含量和温度的一次命中率相当低，绝大部分炉次需要进行一次或 多次补吹。这样不仅延长了冶炼时间，降低了转炉的寿命，增加了金属消耗，而且 影响了钢水质量，加大了工人的劳动强度。 静态控制【1 4 】是按照已知的原材料条件和吹炼钢种的终点成分和温度，依据物料 平衡和热平衡原理，参考统计分析和操作经验所确定的基本公式，计算铁水、废钢、 冷却剂、渣料、铁合金及供氧量的加入量，并按照计算结果装料和吹炼，吹炼过程 中不作任何修正，这种控制方法称为静态控制。静态控制比人工经验控制能有效地 利用吹炼过程的初始条件进行定量计算、并进行控制，使终点钢水温度与碳含量的 命中率有所提高，但由于仅考虑始态和终态之间的差别，而且没有考虑各种变量随 时间的实际变化，不能进行在线跟踪实时修正，因而终点命中率提高有限。 目前国内相当数量的中小型转炉仍处在经验炼钢和单一静态控制模式【l5 1 ，终点 命中率低，与世界先进水平相距甚远，同时又正值各转炉炼钢厂淘汰落后、提高装 备水平，向质量效益型企业发展的时期，无论是新建厂、还是旧厂改造，其所具有 的一个共同点就是要通过采用一些动态控制技术，提高冶炼过程的自动化控制水 平，提高转炉冶炼终点命中率，以获得更大的竞争优势。 传统动态控制【1 6 】是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温装 3 1 绪论 硕士论文 置等检测吹炼过程中有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态信息对吹 炼参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。其中考虑到项目的研 究工作，尤为值得介绍和了解的是炉气分析动态控制。 炉气分析动态控制【1 7 】是指通过监测炉口逸出的炉气成分，并将脱碳速度、炉内 氧气量和渣中氧含量等相关信息传给动态控制模型，为操作人员提供整个吹炼过程 中的钢液碳含量、熔池温度和渣成分，并且调整氧气和冷却剂用量。对吹炼中的任 一时刻，可根据前一时刻的检测值，预报下一时刻的成分和温度变化。比较每一时 刻计算值与检测值的误差，不断对结果进行校正，提高控制精度和命中率。 炉气分析是利用质谱仪 18 】通过检测转炉的炉气成分来推算冶炼终点，属于间接 测量法，其测量精度受诸多因素的影响。比如：炉气分析设备的分析精度、对炉气 流量的校正计算准确性、炉气分析系统的响应时间、模型本身的精度等对控制效果 影响较大。同时，质谱造仪造价很高，而且气体探针在恶劣的炉气环境中需要经常 维修，因而耽误时间，不能及时提供有关数据。因此，不适合我国的转炉炼钢厂使 用。 1 2 3 新型的终点控制方法 与传统的终点控制手段不相同的是，新型的终点控制手段的关键就是摆脱传统 经验的束缚，通过新型的技术手段和科学的分析方法，期待发现更好的终点特征， 并实现快速的终点控制，代表性的技术方法有光学方法、图像分析法、模式识别法 以及纹理分析法。 光学方法【1 9 】，指通过观测炉口的光强、光谱来实现对终点的动态控制。由于炉 口的光强光谱会随着吹炼的过程呈现出一定的规律，而且光强光谱探测准确理论成 熟，所以有光学方法来判断转炉炼钢终点的很多尝试。 美国的b e t h l e h e m 公司研制成功了一种简单的光学探头，即通过测定转炉炉口 排出炉气的光强度，通过分析光强度的大小与变化来在线测量吹炼终点的钢水碳含 量。由上面分析知道，在转炉的不同阶段火焰的强度不一样，呈现出一定的规律， 有判断终点的可能性。但该方法仅采集炉口炉气得光强度，信息量小，抗干扰能力 弱。小型转炉多由人工操作，供氧不平稳，干扰多。由于供氧不平稳，而光强由氧 气和碳的多少共同作用，因此光强波动大且干扰难以消除。 近来，国外出现了以红外激光穿透炉口炉气来检测穿过炉气激光发生的变化情 况来测量炉气成分来判断终点的光电探测器，该方法的主要原理就是检测炉气中的 一氧化碳的含量，由上面转炉炼钢的简介知道炉内碳含量多时碳氧反应激烈，炉其 中一氧化碳的含量就高，然后根据炉气中的一氧化碳的成分变化来进行终点控制， 但这种方法仅对于碳含量很低( d a t a n - 1 ) 区域光强值降序排列 1 6 硕士论文 炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 i n ti ，j ，k ，t e m p ： f o r ( i = o ：i n 一1 ：i + + ) k = i ： f o r ( j = i + l ：j d a t a k ) k = j ： i f ( k ! = i ) t e m p = d a t a i ：d a t a i = d a t a k ；d a t a k 3 = t e m p ；) ) ) ) e l s e ) 区域光强值升序排列 ) 运行包含上面的功能程序段后，可以得到包含随机光强噪声以及剔除随机光强 噪声的两组数据，图3 1 1 就是通过m a t l a b 程序实现得到。 图3 1 1 光强信息降噪前后对比图 通过对光强信息的降噪对比图可以发现，将每采集的9 个光强数据安降序和升 1 7 3 炉口火焰信息的同步处理硕士论文 序排列后并不会改变光强的整体变化规律，可以说明才得的9 个数据可以通过一个 特征的数据代表作为这个光强区域的特征代表值，相对应的就是说，在某一个时间 段内采集得到的光强数据可以用一个光强数据代替。 3 1 2 特征时间片 由于光强和图像分别用两个端口进行采集，考虑到两个端口之间的数据的同步 以及防止数据的丢失，同时考虑对数据的影响，提出需要一个特定的时间片。即在 这个事件片的条件下，光强反应出一个数据，图像反应出一个数据，这样就可以将 图像和光强在同一个时间片下进行对比处理，以探究更多的信息。 时间片的长短主要考虑一下几个方面：首先，众所周知的就是图像处理量很大， 所以在一个时间片的条件下，必须可以或者最少得到一组图像数据，即时间片不可 以太短。然后，必须保证有足够的信息精度，即必需要得到能够处理或者反映出炼 钢过程的信息量，同时保证时间不能太长，满足这样的要求才是需要的特征时间片， 而且时间片的长短是根据研究的发展不断变化的。 目前根据光强的采集速度为每秒1 0 0 个，视频约为每秒3 0 帧，处理速度为每 秒1 5 帧左右，所以特征时间片必须大于o 1 秒；可以尝试比较o 2 秒以及0 1 秒， 看是否有特征信息量的丢失。 对数据的分析，依然选择m a t l a b 进行操作，将时间片( 0 1 和0 2 秒) 区域内 的所有光强数据进行排序然后选这中值代表该时间片区域内的光强特征值，运行结 果见图3 1 2 。 图3 1 2 不同特征时间片下光强变化曲线对比 分析图3 1 2 可知，光强规律的显示更为简洁，并且一些较强的噪音被滤去， 硕士论文 炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 下面将时间片的时间提高到o 5 秒和1 秒，并看是否有信息规律的反应是否还明显 或者规律显示变得模糊，运行结果见图3 1 3 。 图3 1 3 不同特征时间片下光强变化曲线对比 综合上面的分析考虑，可以发现随着时间片的提高，区域光强变化规律并没有 变得比较模糊反而比较清晰，但是考虑到目前视频处理的速度和条件，以及对分析 的精度要求和图像的分析速度，将特征时间片时间取值为0 5 秒。 3 2 火焰图像信息处理系统 在对图像系统分析之前，首先对整个炼钢过程 5 3 】进行分析， 第一阶段，由称 为吹炼前期，是硅锰氧化形成渣的时期，吹炼初期炉口出现黄褐色的烟尘，然后燃 烧成火焰。第二阶段，又称为吹炼中期，是一个燃烧期。c 的氧化速度变快，此时 从炉口冒出的浓烟急剧增多，火焰变大，亮度也提高。因此，可以在转炉口发现呈 现白亮的火焰。第三阶段，又称为吹炼后期，是一个“烟”期。由于在第二阶段末 期，很多杂质，譬如，硅、锰、碳已经被氧化，熔池中仅剩下铁。从炉口排出的火 焰收缩，透明度增加。这时渣中的1 0 和钢水中的氧含量增加，黄褐色的烟雾。 分析上面整个炼钢过程，可以发现在整个炼钢过程中，从吹炼初期的黄褐色烟 雾，到中期的火焰变大，亮度也提高，再到末期的黄褐色烟雾。可以知道，整个过 1 9 3 炉i z l 火焰信息的同步处理 硕士论文 程中，黄色附近的颜色占据了重要的位置，所以对h s v 值的分析也应该建立再黄褐 色附近，这样才能更好的帮助解决问题。 3 2 1 模型转换 由于人工经验判断的基本就是人眼对炉口火焰的颜色变化，而且由于h s v 模型 与人眼对颜色的主观感觉最为接近，所以在分析时采用h s v 模型来寻找规律。而因 为c c d 摄像头采集到的图像数据是r g b 模型下的，所以首先要做的是建立r g b 模型 到h s v 模型之间的转换5 4 , 5 5 】。 如果一个图形系统为用户提供h s v 颜色参数，则需要将这些参数转换成r g b 后 才能输出到彩色监视器。为了确定该转换所需的操作，先考察如何从r g b 立方体( 见 图2 4 1 ) 演变为h s v 六棱锥( 见图2 4 2 ) 。r g b 立方体从黑色( 原点) 到白色的立 方体对角线与六棱锥的v 轴相对应。同样，r g b 立方体的每一个子立方体与六棱锥 的六边形剖面区域相对应。在任意剖面中，六边形的各边和从v 轴到任意顶点的射 线都具有明度值v 。对于任何一组r g b 值，v 与其中的最大值相等。与一组r g b 值 对应的h s v 点位于明度值为v 的六边形剖面上。参数s 按照该点到v 轴的相对距离 而确定。参数打通过计算该点在六边形的六等分中的相对位置来确定。下列m a t l a b 脚本给出了将任意一组r g b 值匹配到对应的h s v 值的算法。 v = m a x ( m a x ( r , g ) ，b ) ； s = z e r o s ( s i z e ( v ) ) ； h = z e r o s ( s i z e ( v ) ) ； s = ( v m i n ( m i n ( r , g ) ，b ) ) ； z2 - - - s ； s = s + z ； k = f i n d ( r v ) ； h ( k ) = ( g ( k ) - b ( 1 ( ) ) s ( 1 ( ) ； k = f i n d ( g v ) ； h ( k ) = 2 + ( b ( 1 【) 一r ( 1 ( ) ) s ( k ) ； k = f i n d ( b v ) ； h ( 蛐= 4 + ( r ( k ) - g ( k ) ) s ( k ) ； h = h 6 ； k = f i n d ( h s l ( i - 1 ) m a x = = 1 s l ( i 1 ) = 0 ： 硕士论文炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 m a x5l ： e l s eifs l ( i ) s l ( i 一1 ) m i n = = 1 s 1 ( i - 1 ) = 0 ： m i n = 1 ： e n d e n d e n d 通过m a t l a b 运行包含上面核心程序段的m 程序后，可以得到最终显示的光强 和图像信息的峰值变化规律，见图3 4 2 。 图3 4 2 光强和图像的峰值变化规律显示 通过峰值变化的显示，可以发现色度分量在对终点判断时应该起很大的作用， 所以一个比较简单的方法可以首先对光强的信息进行监控，在出现光强大幅度下降 的时候，开始监控色度分量，进而对终点时机进行判断。 3 4 3 梯度分析 设体系中某处的物理参数( 如温度、速度、浓度等) 为w ，在与其垂直距离的d y 3 炉口火焰信息的同步处理硕士论文 处该参数为w + d w ，则称为该物理参数的梯度，也即该物理参数的变化率。如果参数 为速度、浓度或温度，则分别称为速度梯度、浓度梯度或温度梯剧6 1 】。 在单变量的实值函数的情况，梯度只是导数。或者，对于一个线性函数，也就 是线的斜率。在向量微积分中，标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点上的 梯度指向标量场增长最快的方向，梯度的长度是这个最大的变化率。更严格的说， 从欧氏空间r n 到r 的函数的梯度是在r n 某一点最佳的线性近似。在这个意义上， 梯度是雅戈比矩阵的一个特殊情况。 在对数据分析的过程中，可以通过取向量梯度和所研究的方向的点积来得到斜 度。当数据变化方向为单位量时，梯度的数值有时也被成为梯度。本文中图像信息 分量梯度的定义公式见公式3 1 ： d g = d y d w ( 3 1 ) 其中d y 即光强或者图像的变化量，d w 即特征时间片，d g 即我们需要寻求其变 化规律的值。 在本文中，梯度定义就是d y d w ，因此梯度有正负之分，研究需要取绝对值， 下面用m a t l a b 程序实现梯度分析，程序简单，直接显示分析结果，见图3 4 3 。 3 0 硕士论文炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 对比上面的梯度变化规律分析，可以发现色度分量在终点附近几乎没有任何变 化，相比明显的就是光强在炼钢终点附近梯度变化规律非常明显，可以在以后对数 据进行分析的时候可以作为终点判断的一个重要依据。 3 4 4 值域同步分析 在对光强和图像分量信息进行一系列变换分析之后，必然会对分析提出更高的 要求，即将图像和光强转换在同一值域条件下进行分析，这样会让分析的结果更加 直观，更加清晰。 采用m a t l a b 工具，实现值域同步并显示，见图3 4 5 。 图3 4 5光强和图像同值域变化规律显示 依据图3 4 5 ，可以容易的发现在炼钢终点附近，图像和光强信息的变化规律 将变得更加直观。因此在以后的数据分析中，可以将更多的图像和光强信息的分析 结果同步值域显示，结合起来进行终点时机条件分析。 3 5 结果反馈 通过一系列的图形简化以及对整个炼钢过程的掌握，可以了解到在对炼钢终点 控制的过程中，仅仅依赖对光强信息的处理或者仅仅依赖对图像信息的处理都不能 够有效的帮助解决对终点的判断问题。 同时因为数据的同步和特征时间片的选择，对数据的分析显得非常游刃有余， 时间允许的话可以进行更多的尝试，直到最终发现终点判断的准确快捷规律，这将 3 l 3 炉口火焰信息的同步处理 硕士论文 是一个好的开始。 本项目研究的最终目的是能够实现对整个炼钢过程的实时监控，并在准确度比 较高的情况下判断终点的准确时机，更高目的是能够实时显示含碳量。 结合光强和图像信息对终点进行判断，不仅可以有效的帮助提高判断的准确程 度，而且知道在一系列图像处理问题中，最难解决的问题之一就是系统开销问题。 虽然，在如今高速发展的科学时代，计算机的发展已经让人疯狂，但是，对于图像 中巨大的信息量来说依然难以满足。因此，可以通过先观测光强的变化，在得到开 始进入终点的信息后，再对图像信息进行观测，这样起到的一个很重要的作用就是 节省了系统开销。同时，这样做也为以后能够实时终点控制处理问题有了一个好的 解决方法，真正实现在线实时控制。 为了这样的目的，首先要解决的根本问题是如何处理巨大的图像信息的实时问 题。m a t l a b 作为一个强大的矩阵计算实验室，和图像的矩阵显示是对应的，因此， 如果在终点时机的分析过程中使用m a t l a b 将会极大的提高运算效率，并在很大程 度上降低了程序的开发周期。 同时通过前面的一系列对图像和光强的分析，知道光强和图像的对终点判断有 用的信息不是同时作用的，因此，在研究系统中应该在不同的时间使用不同的方法 解决对系统的监控。这样做也在很大程度上减少了对计算系统的要求。 3 2 硕士论文炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 炉口火焰信息的实时化研究 本文目的是解决在新提出的依据转炉炼钢的炉口火焰的光强和图像信息数据 进行炼钢终点预测中遇到的实时问题，而在前面采用的特征时间片的概念将会在实 时过程中发挥重要的作用，系统的实时【6 2 , 6 3 , 6 4 】重点就是能够在特征时间片允许的时 间范围内将采集到的所有光强和信息值域中的特征代表值以界面的形式反应出来， 并且同时将特征代表值传输给终点判断机理，在判断机理的判断下判断是否抵达终 点，如果达到系统发出停止指令，没有终点将继续下一个时间片的工作，这个判断 流程见图4 1 。 乓困甲 特征时间片 1 j 上 l 光强、图像特征值提取 上 l 终点判断机理 n y 图4 1 转炉炼钢终点判断流程 线程是一个独立的执行流，是进程内部的一个独立的可执行单元，相当于一个 子函数。由于本课题是将两股数据从两个不同的串口利用不同的系统采集过来的， 所以采用一个进程进行处理的化，系统的时间片很难做到同步并且很可能造成数据 的不规则丢失。所以可以在采用多线程机制下的编程实现系统的实时化。 4 1 多线程技术 按照传统，实时软件在进行系统结构设计时，将需完成的任务设计成一个个进 3 3 4 炉口火焰信息的实时化研究硕上论文 程，这也和操作系统的发展有关，因为传统的操作系统是将进程作为基本的资源分 配和调度单位。不同的进程拥有各自独立的地址空间，进程的上下文相当庞大，系 统在进程的控制、调度、通信同步上的开销都较大。随着系统软件要运行的任务数 量的增多，用进程作为基本的开发机制会增大系统的开销，也不利于实时性的提高。 而线程是对进程进行了分解，使其成为多控制流，即多线程进程，这时传统意义上 的进程就是一种单线程进程。通过把进程分解为线程 6 5 1 ，使得线程成为c p u 调度的 基本单位，而进程仍作为资源分配的基本单位，同一进程内的各个线程共享地址空 间及其它系统资源，如进程表项、段表、页表、文件描述符表等，线程仅拥有独立 的p c 、寄存器、栈等少量信息，这样使得线程的上下文很轻，可以减少系统管理线 程的负担，降低系统的开销。 在当今的大多数操作系统中，还引入了一个全新的概念一线程。线程并不是一 个完整的程序，它代表一个单独的执行流操作。线程为多任务编程提供了更加广阔 的空间。通过多任务和多线程技术，用户能够在同一时间执行多个应用程序，而每 个应用程序在同一时刻又可以执行多个线程。 4 1 1 基本概念 进程是并发程序设计中的一个最重要、最基本的概念。一个进程是由其私有的 虚拟的地址空间、代码、数据以及其它的系统资源，是一个独立的可以调度的活动， 所以既是一个执行单位又是一个调度单位。 线程是执行单位，一个进程中的所有线程共享该进程的资源，相对于进程单位 而言，线程的专有资源就少很多。一个线程主要包含线程自己的私有堆栈和线程的 执行实体的指针。线程的切换只涉及到私有堆栈和程序计数器，所以系统开销大大 减少。 任务是资源分配的单位，在一个任务中可以有一个或多个线程。一个线程只能 从属于一个任务。伺一个任务中的所有线程共享该任务的所有资源。任务中的所有 线程共同完成此任务的规定操作。只有一个线程的任务就相当于传统的线程。 在多线程应用程序中，常常会出现多个线程共享一个资源的现象，这个临界的 共享资源就是临界区。由于多线程的并发特性，可能在同一个时刻多个线程访问一 个临界区。这就需要通过信号量来解决。 信号量允许一定数目的线程访问某一共享资源。通过使用信号量对象，可以实 现多个线程对共享资源的串行化访问。即在同一时刻只允许一个线程使用该资源， 而不会出现多个线程同时访问某个资源的情况。 4 1 2 线程创建 m f c 类库向用户提供了多种类，用来封装线程、信号量等对象，例如c w i n t h r e a d 3 4 硕士论文炼钢转炉炉口火焰信息采集处理系统的同步及实时化研究 类、c s e m a p h o r e 类等。c w i n d t h r e a d 类支持两种通用类型的线程：工作者线程和用 户界面线程。其中