一种基于烟气与炉口火焰的铜阳极炉终点判别系统及方法与流程

本发明涉及有色金属冶金，具体为一种基于烟气与炉口火焰的铜阳极炉终点判别系统及方法。

背景技术：

1、铜阳极炉精炼是铜冶炼流程中承上启下的关键工序，主要包括氧化脱硫和还原脱氧两个核心阶段。准确、实时地判断这两个阶段的反应终点，对于保障阳极板的物理化学质量、优化能耗结构、以及减少二氧化硫等环境污染物排放至关重要。

2、然而，铜阳极炉精炼通常在极为复杂的工业环境下进行，现场伴随着剧烈的环境光强波动和严重的烟尘干扰。目前，工业现场对于精炼终点的判断仍大量依赖人工经验。在氧化期，操作工主要通过肉眼观察炉口火焰是否由浑浊变为清亮，并凭借嗅觉判断so2刺激性气味是否减弱来进行决策。在还原期末期，随着铜液由氧化亚铜逐步转化为金属铜，炉口火焰颜色的变化极其微妙，且这种微弱的变化极易受到炉门漏风、天然气压力波动等现场工况的剧烈影响，导致人工判断具有极强的主观性和不确定性，难以保证生产的一致性。

3、为克服人工判断的局限性，行业内开始尝试引入自动化检测手段，但现有技术仍存在显著的不足和缺陷：

4、首先，传统的单一视觉判断方法抗干扰能力较弱。在实际生产中，喷枪切换操作或炉门开启时引入的外部杂散光，极易干扰视觉系统，导致提取的图像特征（例如表征红绿色的a*通道数值）出现虚高现象，从而引发终点误判（假阳性）。

5、其次，近年来部分技术尝试引入人工神经网络（如广义回归神经网络等）对火焰图像的常规色彩空间（如hsv）进行端到端的黑盒分类模型训练。然而，此类方法在实际工程中存在严重缺陷：一是缺乏冶金物理化学机理支撑，属于“数据黑盒”，判定结果的可解释性差，现场难以追溯异常；更为致命的是，此类模型通常将瞬时的图像数据与存在严重物理传输滞后的烟气数据直接在同一时刻进行网络输入，完全忽略了视觉信号（毫秒级响应）与化学气体信号（因采样管线长，存在5至15秒物理延迟）在反应时间轴上的严重错位。这种异构数据的生硬拼接导致特征矩阵失真，在工况突变时极易输出错误的判定结果。

技术实现思路

1、为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提供一种基于烟气与炉口火焰的铜阳极炉终点判别系统及方法，该判别系统和方法能够通过融合机器视觉的高实时性与气体分析的高反应关联性，实现高鲁棒性的终点自动判定。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于烟气与炉口火焰的铜阳极炉终点判别系统，包括铜阳极炉，所述铜阳极炉顶部设有排烟管道，其创新点在于：还包括视觉采集子系统、烟气检测子系统和计算机处理终端；所述视觉采集子系统设于铜阳极炉的炉口处，通过电线连接计算机处理终端以将采集的炉口火焰的原始图像流输送给计算机处理终端；

3、所述烟气检测子系统的检测端设于排烟管道内，烟气检测子系统和计算机处理终端通讯连接，用于连续采集并分析烟气中的化学组分浓度数据并输送给计算机处理终端；

4、计算机处理终端同步接收视觉采集子系统与烟气检测子系统输送的图像和气体浓度数据，并对数据进行处理和分析，判定冶炼终点。

5、优选的，所述视觉采集子系统包括安装支架以及设置于支架上的风冷防护罩，所述风冷防护罩内设有工业相机，工业相机镜头对准炉口火焰，所述工业相机和计算机处理终端通信连接；

6、所述烟气检测子系统包括依次连接的采样探头、伴热采样管线、预处理单元和气体分析仪；所述采样探头设于排烟管道内，所述预处理系统和气体分析仪分别通过rs485总线将数据输送给计算机处理终端；

7、优选的，所述工业相机为千兆以太网接口的面阵工业相机，工业相机内置的图像传感器为全局快门cmos传感器，分辨率不低于500万像素，以10hz-25hz的采样频率捕获炉口火焰的原始图像流。

8、优选的，所述预处理单元用于对高温样气进行净化、除水和稳压预处理；所述气体分析仪采用非分光红外模块检测co和so2浓度，采用电化学或顺磁模块检测o2浓度。

9、本发明还提供一种基于上述系统的基于烟气与炉口火焰的铜阳极炉终点判别方法，其创新点在于：包括如下步骤：

10、s1、在计算机终端内设定原始图像亮度饱和阈值，测定烟气检测子系统的物理滞后时间δt，设定匹配度得分scoret的触发阈值；设定匹配度得分scoret的方差稳定阈值；设定满足判定条件的持续时间t；

11、s2、图像采集：工业相机以10hz-25hz的图像采样频率持续采集炉口火焰图像帧，并输送至计算处理机终端；

12、s3、气体浓度采集：采集图像的同时，烟气检测子系统的采样探头采集排烟管道内的烟气，烟气经伴热采样管线进入预处理单元预处理后，进入气体分析仪分析得到烟气中so2、o2、co的浓度数据，气体分析仪输出实时浓度数据至计算机处理终端；

13、s4、图像特征提取：计算机处理终端接收火焰图像帧，对原始图像进行全局亮度均值计算，当超过预设的原始图像亮度饱和阈值时，自动调整相机的曝光时间，并对图像进行cielab色彩空间映射与中值滤波；截取火焰核心区域，提取a*通道的像素值直方图，a*通道为cielab空间中表征红-绿颜色分量的通道；计算该直方图的能量中心位置peak_a和半峰全宽fwhm作为视觉特征量；

14、s5、气体数据处理：计算机处理终端对接收到的气体浓度数据进行滑动平均滤波；

15、s6、异构数据对齐：设计算机处理终端接收到烟气气体浓度数据的时刻为tcurr；基于物理滞后时间δt，在历史图像缓存区中回溯寻找时刻为tcurr-δt的对应火焰图像帧及其视觉特征量，通过建立环形缓冲区，将图像帧与气体浓度数据按毫秒级时钟进行时间戳匹配，生成同维度的时序特征矩阵；

16、s7、融合特征判定：针对任意时刻的能量中心位置peak_a与半峰全宽fwhm；提取该时刻的so2浓度c_so2、o2浓度c_o2和co浓度c_co；将这五个特征数据归一化，构建当前时刻的五维融合特征向量vcurr；

17、s8、历史数据加权基准值匹配：调取历史数据加权基准值向量vref，计算vcurr与vref之间的加权马氏距离或加权欧氏距离，得到单帧匹配度scoret，scoret为计算当前融合特征向量vcurr与预设的基准终点向量vref之间的匹配度得分；

18、s9、时序终点确认：建立长度为n秒的时间滑窗，进行置信度投票判定和稳定性判定，当置信度投票和稳定性均满足判定标准，且满足的持续时间达到设定的持续时间t，则判定为稳定到达终点，触发终点报警；否则滑窗滑动，继续重复步骤s2-s9监测。

19、优选的，s1中，物理滞后时间δt为烟气从铜阳极炉经排烟管道传输至烟气检测子系统、并在气体分析仪内完成气体浓度检测后传输至计算机处理终端的时间。

20、优选的，s3中，采样探头的气体采样频率为低于图像采样频率且高于或等于1hz；预处理单元的预处理包括净化、除水和稳压；气体分析仪以1hz的频率输出实时浓度数据至计算机处理终端。

21、优选的，s6中，采用基于高精度系统时钟rtc的同步触发机制，针对物理滞后时间δt，在环形缓冲区内建立时延补偿模型对δt进行补偿，确保a通道能量特征与气体浓度斜率在反应机理时间轴上实现亚秒级对齐。

22、优选的，步骤s8中，基准终点向量vref的生成方式为：选取最近m炉次被判定为生产合格的终点时刻的融合特征向量的加权均值作为当前的基准终点向量vref，并在每炉次生产结束后自动更新，其中，m≥5；

23、计算匹配度得分时，采用动态权重机制：依据当前的冶炼工艺阶段进行动态权重分配：在氧化期终点判定时，提高so2浓度变化率与o2浓度的权重占比，其中so2浓度变化率权重设定为40%-60%，o2浓度权重设定为20%-30%，降低视觉特征权重至10%-20%；在还原期终点判定时，提高co浓度变化率与a通道主峰位移的权重占比，其中co浓度变化率权重设定为45%-65%，a通道主峰位移权重设定为25%-40%。

24、优选的，步骤s9中，时序终点确认的具体过程为：

25、s91、数据采集与滑窗构建：实时采集反应过程的匹配度得分数据scoret，构建长度为n秒的滑动时间窗口，设采样频率为fhz，则该滑窗包含l=n×f个连续的采样点；

26、s92、置信度投票判定：设到达终点的窗口内匹配度得分超阈值的采样点占比为k%，对当前滑窗内的l个采样点进行统计，计算得分scoret大于预设触发阈值的点数d，判断是否满足d/l≥k%；

27、s93、稳定性判定：在当前滑窗内，计算得分序列scoretl+1、...、scoret的方差，判断该方差是否低于预设的方差稳定阈值；

28、s94、终点确认与循环监测：若同时满足上述置信度投票条件与稳定性条件，且该满足状态的持续时间达到设定的持续时间t，则判定反应状态稳定到达终点，触发终点报警或停止流程；若任一条件不满足或持续时间不足，则判定为工艺波动，继续执行循环监测。

29、本发明提供的一种基于烟气与炉口火焰的铜阳极炉终点判别系统及方法，具备以下有益效果：

30、（1）提出异构数据时空对齐机制，解决了传统融合算法的数据错位难题。

31、本发明针对气体分析仪普遍存在的物理采样延迟，本发明系统不在同一物理时刻强行比对异构数据，而是基于测定的物理滞后时间δt，在环形缓冲区内回溯历史图像，这确保了毫秒级变化的火焰视觉瞬态特征，与产生该视觉特征的滞后化学组分数据，在冶金反应的真实时间轴上实现了严格的亚秒级对齐，融合机器视觉的高实时性与气体分析的高反应关联性，从根本上克服了现有“黑盒模型”因时序错位导致的融合失真问题。

32、（2）采用基于冶金机理的“白盒”多维特征加权判定，抗干扰能力与可解释性强。

33、本发明区别于不可解释的端到端神经网络，本发明深度贴合冶金物理化学反应机理。在视觉层面，摒弃常规hsv色彩空间，专门针对铜还原态特性提取cielab空间的a*通道（表征红绿偏移）能量中心及半峰全宽；在判定层面，引入反映反应本质的烟气组分（so2、o2、co浓度）作为视觉特征的强约束条件。通过多模态融合交叉验证，有效识别并过滤现场杂散光或扬尘引发的视觉特征虚高，大幅提高了系统在复杂多变工况下的稳定性和可靠性。

34、（3）全流程动态权重自适应机制，实现氧化/还原双周期的精准覆盖。

35、本系统深入分析了铜阳极炉精炼不同阶段的反应机理，构建了涵盖全过程的特征图谱。系统采用动态权重调整机制：在氧化期，侧重跟踪so2浓度下降与o2上升的化学特征主导权；在还原期，则迅速切换为以co浓度突升与火焰a*通道位移为主导，通过一套动态权重调整机制可满足整个精炼流程的监测需求，克服了现有技术通常仅针对单一冶炼阶段的局限性。

36、（4）引入基于历史合格炉次数据的动态加权基准值更新机制。

37、本发明通过不断提取最近生产合格数据中的多维特征演变规律，自动更新并优化终点判定的基准向量（vref）。这种在线自适应能力使系统能够自动补偿因原料成分波动、天然气热值改变或设备老化等因素导致的工艺微小漂移，有效减少了人工频繁标定和维护的工作量，保证了长期运行的判定一致性。