基于計算機視覺的垃圾焚燒特征的提取分析?

張 強

（東南大學能源與環(huán)境學院 南京 211189）

1 引言

1.1 焚燒及焚燒爐

作為一種高溫熱處理技術(shù)，固體廢物的焚燒指的是把一定量過?？諝馀c被處理的有機廢物置于焚燒爐內(nèi)所進行的氧化燃燒反應(yīng)。由于在焚燒時廢物中的有害物質(zhì)在高溫下氧化、熱解并被破壞，故該法是一種可同時實現(xiàn)廢物無害化、減量化、資源化的處理技術(shù)［1］。焚燒法不但可以處理城市垃圾和一般工業(yè)廢物，而且可以用于處理危險廢物。在采用焚燒法處理城市生活垃圾前，也常常將暫時儲存時產(chǎn)生的滲濾液和臭氣引入焚燒爐處理［2～3］。

焚燒技術(shù)的最大優(yōu)點在于大大減少了最終處置的廢物量，具有減容作用、去毒作用、能量回收作用；另外，還具有副產(chǎn)品回收、化學物質(zhì)回收及資源回收等優(yōu)點［4］。

目前國際上常用的有四種焚燒爐，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的處理對象和運行要求加以選用［5］。

表1 主要焚燒爐的特點

1.2 焚燒狀態(tài)的監(jiān)測問題

雖然用焚燒法處理垃圾具有許多優(yōu)點，但是由于垃圾成分多變、水分高、熱值波動大等因素，焚燒爐的運行通常很不穩(wěn)定，這不但影響了焚燒爐的運行，而且會造成污染物排放超標等問題［6］。因此，垃圾焚燒狀態(tài)需要被實時監(jiān)測，以便及時地做出調(diào)整維持穩(wěn)定焚燒。目前，垃圾焚燒狀態(tài)的監(jiān)測主要是依靠工作人員的經(jīng)驗，通過在垃圾傳送帶末端設(shè)置的觀察口或火焰工業(yè)電視觀察火焰的大小、位置和亮度等來做出判斷，并調(diào)節(jié)給風量和爐排翻滾及向前運行的速度。這種通過人工監(jiān)測的方式存在以下問題：

1）人工監(jiān)測火焰對焚燒狀態(tài)做出準確判斷依賴于工作人員的經(jīng)驗，具有較強的主觀性；

2）隨著監(jiān)測時間的増加，工作人員容易因火焰和有害氣體受到傷害，或因疲勞而誤判；

3）人工監(jiān)測不能直接聯(lián)入自動控制系統(tǒng)，使得焚燒狀態(tài)實時調(diào)整效率較低。

通過以上分析可見，人工監(jiān)測已經(jīng)不能滿足實際生產(chǎn)的需要［7］。

1.3 基于計算機視覺的解決方法

隨著計算機視覺技術(shù)的迅猛發(fā)展和圖像采集硬件成本的不斷降低，圖像處理技術(shù)的效率和效果均大大提高。利用計算機代替人工的方法已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的新方向［8］。

將計算機視覺技術(shù)引入到垃圾焚燒爐的焚燒狀態(tài)監(jiān)測中，利用火焰圖像蘊藏的豐富信息，定義并提取能夠反映垃圾焚燒狀態(tài)的特征量，并用算法分析這些特征量，為焚燒狀態(tài)的判斷、調(diào)整做好準備［9］。

2 焚燒火焰圖像的數(shù)字化表示

將垃圾放在焚燒系統(tǒng)中燃燒，并用攝像機錄制出焚燒過程的完整視頻，接著將其中具有代表性焚燒特征的時刻作為采樣圖像，然后將其通過計算機處理得到數(shù)字圖像，最后用矩陣M表示出圖像的RGB 值［10～11］。

l，w為特征區(qū)域的長度、寬度；R，G，B為紅色、綠色、藍色數(shù)值。

該矩陣給出了R、G、B三個顏色分量的值。為了便于處理，通過下列公式將其轉(zhuǎn)化為灰度值：

g(i，j) 為 位 置（i，j）處 灰 度 值 ；R(i，j)，G(i，j)，B(i，j)為位置（i，j）處RGB值。

整個過程可用圖1表示。

圖1 圖像的數(shù)字化過程

以圖2為例，處理結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖2 垃圾焚燒原圖像

圖3 RGB效果圖

圖4 灰度圖

3 垃圾焚燒過程的特征量表述

3.1 有效火焰面積

有效火焰面積可反映爐膛內(nèi)垃圾的整體焚燒情況。通常而言，垃圾焚燒情況較好時，有效面積較大；當焚燒過程不穩(wěn)定時，有效面積將發(fā)生強烈波動［12］。

可用下式表示該特征量：

g(xi，yi)為火焰圖像在(xi，yi) 處像素點灰度值；g0為有效區(qū)域灰度閾值。

L（x）為0-1階躍函數(shù)，即

3.2 有效區(qū)域平均灰度

有效區(qū)域平均灰度可反映爐膛內(nèi)的溫度水平。爐膛內(nèi)溫度是垃圾焚燒爐運行中的關(guān)鍵指標，不但關(guān)系到焚燒爐運行的經(jīng)濟性和安全性，而且還是控制污染物二噁英生成的關(guān)鍵因素。通常而言，平均灰度越高，溫度就越高。

3.3 火焰中心水平偏移距離

火焰中心水平偏移距離可反映垃圾物料在爐排上的分布均勻情況及供風分布情況。通常而言，良好焚燒狀態(tài)下的水平偏移距離較小，若其發(fā)生變化則意味著焚燒狀態(tài)發(fā)生變化。

d為水平方向上火焰的質(zhì)心位置；d′為豎直方向上爐排幾何中心的位置。

4 提取分析特征量的算法

圖5 算法流程圖

通過圖5算法，我們可以提取分析垃圾焚燒圖像的特征量。該算法新建了內(nèi)存存放臨時圖像和特征量，并設(shè)置指針指向圖像。每當完成當前圖像的特征量計算后，指針指向下一圖像進行計算。當全部圖像計算完成后，釋放內(nèi)存，算法結(jié)束［13～14］。

5 結(jié)語

目前以人工操作為主的垃圾焚燒監(jiān)測方式己經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，因此有必要研究更加可靠的監(jiān)測方式。計算機視覺技術(shù)能夠更加客觀、高效、安全地監(jiān)測垃圾的焚燒狀態(tài)，這是一種計算機與環(huán)境保護兩個領(lǐng)域相結(jié)合的技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景［15］。