垃圾焚化炉排料层厚度重建方法及系统

本发明涉及垃圾焚化过程智能监测与燃烧诊断，尤其涉及一种垃圾焚化炉排料层厚度重建方法及系统。

背景技术：

1、在生活垃圾焚烧处理过程中，炉排料层厚度是直接影响燃烧稳定性、配风效率与污染物排放控制水平的关键工艺参数。料层厚度分布不均、局部过厚易导致底层物料缺氧燃烧不充分，产生黑渣并造成co等污染物排放超标；料层过薄则易引发炉排过热烧损、风室穿风等问题。因此，实时、准确获取炉排料层厚度及其空间分布信息，是优化给料量、炉排运行速度与风量分配策略，保障焚烧系统稳定高效运行的重要前提。

2、目前工程应用中，料层厚度监测多采用压差法等间接测量方式，通过检测炉膛不同区域或风室间的压力差值，间接估算炉排上的料层整体状态。该类方法实现成本低、部署简单，但仅能反映炉排整体的平均料层状态，无法获取料层沿炉宽、炉长方向的空间分布特征，难以有效识别局部物料堆积、偏料、断料等异常工况，无法为精细化配风与炉排调速提供空间维度的数据支撑。

3、随着机器视觉与红外测温技术的发展，现有技术开始尝试采用可见光或红外图像对垃圾焚烧炉膛内部工况进行监测，但相关研究与应用大多集中于火焰形态识别、炉膛温度场反演、燃烧状态分级判断等方向，针对炉排料层厚度的直接定量重建技术研究较少，尚未形成成熟可行的工程化方案。与此同时，垃圾焚烧炉内部存在高温、强热辐射、烟气与粉尘散射遮挡等复杂恶劣环境，传统的主动式深度测量方法易受热辐射干扰、火焰遮挡与烟气衰减影响，难以长期稳定地获取料层表面的三维空间信息；而常规单目视觉类的厚度估算方法缺乏有效的物理约束与几何基准，重建结果精度低、稳定性差，无法满足工业现场的长期运行需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种垃圾焚化炉排料层厚度重建方法及系统，用以解决现有技术中在复杂炉内环境下不能准确获取垃圾料层厚度及其空间分布的问题。

2、一方面，本发明提供一种垃圾焚化炉排料层厚度重建方法，包括：

3、获取由中红外相机采集的炉排垃圾表面图像，并建立图像像素坐标与炉膛三维物理坐标之间的透视变换矩阵；

4、根据炉排结构信息构建空炉排的高度基准面，同时提取所述炉排垃圾表面图像中侧墙区域的垃圾边界信息，通过所述透视变换矩阵将所述垃圾边界信息转换为物理空间中的固定高度约束；

5、对所述炉排垃圾表面图像进行增强预处理，得到增强图像；

6、根据所述增强图像的灰度变化信息，构建用于驱动高度场重建的泊松方程源项；

7、在所述固定高度约束及物料堆积所允许的最大坡度约束下，结合所述泊松方程源项对离散化的泊松方程进行迭代求解，并在迭代过程中以所述高度基准面对解算高度进行下限约束，直至收敛，获得垃圾表面的绝对高度场；

8、将所述绝对高度场与所述高度基准面相减，输出炉排上垃圾的厚度空间分布。

9、可选地，所述建立图像像素坐标与炉膛三维物理坐标之间的透视变换矩阵，包括：

10、设定以炉宽方向为x轴、炉排长度方向为y轴、垂直高度方向为z轴的炉膛三维物理坐标系；

11、标定所述中红外相机的内参矩阵和外参矩阵；

12、基于针孔射影成像模型，结合所述炉膛三维物理坐标系、内参矩阵和外参矩阵，构建三维物理坐标到二维图像像素坐标的透视变换矩阵。

13、可选地，根据炉排结构信息构建空炉排的高度基准面，包括：

14、获取阶梯炉排的总级数、各级台阶水平长度、台阶高度及炉排倾角的结构参数，输出炉排结构化参数集；

15、根据所述炉排结构化参数集，沿炉排长度方向分段计算每一级台阶对应的累计基准高度，输出分段高度数组；

16、基于所述分段高度数组，叠加炉排倾角对应的局部高度修正量，生成空炉排的高度基准面。

17、可选地，提取所述炉排垃圾表面图像中侧墙区域的垃圾边界信息，包括：

18、在炉排垃圾表面图像中定位左右侧墙的有效观测范围，输出侧墙感兴趣区域；

19、在所述侧墙感兴趣区域内，通过图像边缘识别算法提取侧墙处的垃圾堆积边界线，输出连续边界轮廓；

20、采集所述连续边界轮廓上所有像素点的坐标，生成垃圾边界信息。

21、可选地，通过所述透视映射关系将所述垃圾边界信息转换为物理空间中的固定高度约束，包括：

22、通过所述透视映射关系将所述垃圾边界信息投影至对应侧墙的垂直物理平面，输出边界空间投影点集；

23、基于所述边界空间投影点集解算侧墙边界处垃圾表面的绝对海拔高度，输出侧墙边界高度值；

24、将所述侧墙边界高度值设定为高度场求解的狄利克雷边界条件，生成迭代求解的固定高度约束。

25、可选地，对所述炉排垃圾表面图像进行增强预处理，得到增强图像，包括：

26、对原始图像执行对比度受限的自适应直方图均衡化处理，提升局部纹理对比度，输出均衡化图像；

27、采用高斯核对所述均衡化图像进行滤波去噪，抑制烟气与热辐射噪声，输出保留垃圾表面亮度纹理特征的增强图像。

28、可选地，根据所述增强图像的灰度变化信息，构建用于驱动高度场重建的泊松方程源项，包括：

29、计算增强图像的拉普拉斯算子，提取图像灰度的二阶空间变化量，输出灰度二阶变化场；

30、引入细节权重系数对所述灰度二阶变化场进行缩放调节，输出加权后的梯度场；

31、基于所述加权后的梯度场生成驱动高度场起伏重建的泊松方程源项。

32、可选地，在所述固定高度约束及物料堆积所允许的最大坡度约束下，结合所述泊松方程源项对离散化的泊松方程进行迭代求解，并在迭代过程中以所述高度基准面对解算高度进行下限约束，直至收敛，获得垃圾表面的绝对高度场，包括：

33、以所述固定高度约束为边界条件，初始化离散网格的初始高度场；每轮迭代中，根据四邻域高度值与泊松方程源项计算各网格点的高度候选值，输出候选高度场；

34、将所述候选高度场与高度基准面逐点取最大值，施加高度下限约束，输出下限修正高度场；

35、根据物料休止角与单网格物理间距计算最大容许梯度，对所述下限修正高度场进行梯度裁剪，施加坡度约束，输出单轮修正高度场；

36、判断单轮修正高度场的全局变化量是否满足收敛阈值，若不满足则返回迭代计算，若满足则输出垃圾表面的绝对高度场。

37、可选地，将所述绝对高度场与所述高度基准面相减，输出炉排上垃圾的厚度空间分布，包括：

38、将两个高度场进行空间坐标对齐匹配，输出坐标对应的双高度场数据；

39、对所述双高度场数据中对应空间位置的高度值逐点作差，得到各空间位置的垃圾净厚度数值，输出厚度数值场；

40、基于所述厚度数值场生成并输出炉排全观测区域的垃圾料层厚度空间分布数据。

41、另一方面，本发明还提供一种垃圾焚烧炉排料层厚度重建系统，包括：

42、图像采集与几何标定模块，用于获取由中红外相机采集的炉排垃圾表面图像，并建立图像像素坐标与炉膛三维物理坐标之间的透视变换矩阵；

43、炉排基准构建模块，用于根据炉排结构信息构建空炉排的高度基准面，同时提取所述炉排垃圾表面图像中侧墙区域的垃圾边界信息，通过所述透视变换矩阵将所述垃圾边界信息转换为物理空间中的固定高度约束；

44、图像增强处理模块，用于对所述炉排垃圾表面图像进行增强预处理，得到增强图像；

45、泊松源项构建模块，用于根据所述增强图像的灰度变化信息，构建用于驱动高度场重建的泊松方程源项；

46、多约束迭代求解模块，用于在所述固定高度约束及物料堆积所允许的最大坡度约束下，结合所述泊松方程源项对离散化的泊松方程进行迭代求解，并在迭代过程中以所述高度基准面对解算高度进行下限约束，直至收敛，获得垃圾表面的绝对高度场；

47、厚度计算输出模块，用于将所述绝对高度场与所述高度基准面相减，输出炉排上垃圾的厚度空间分布。

48、另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述垃圾焚化炉排料层厚度重建方法。

49、另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述垃圾焚化炉排料层厚度重建方法。

50、另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述垃圾焚化炉排料层厚度重建方法。

51、本发明提供的垃圾焚化炉排料层厚度重建方法及系统，所述方法通过中红外成像采集炉排料层图像，建立图像像素与炉膛物理空间的透视映射关系，将侧墙垃圾边界转换为固定高度约束；以图像灰度变化构建泊松方程源项，结合炉排基准面下限约束与物料休止角坡度约束迭代求解，最终得到料层厚度空间分布。通过中红外波段降低烟气与热辐射干扰，保障炉内复杂环境下成像稳定；通过侧墙边界约束消除单目重建的尺度歧义，提供绝对高度基准；多物理约束融入求解过程，既保留图像纹理的形貌细节，又避免重建结果违背物料堆积规律，提升了厚度重建的准确性与稳定性，可输出全域厚度分布识别局部堆积、偏料等工况，为焚烧运行优化提供数据支撑。