液化石油氣鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文永忠，朱文君，陳 磊

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南常德 415000）

0 引言

液化石油氣作為一種化工基本原料和新型液體燃料，在我國(guó)的工業(yè)建設(shè)和人民日常生活中均具有極為廣泛的應(yīng)用。但由于液化石油氣具有易燃易爆的特性，極易引發(fā)安全事故，其中發(fā)生概率較高且危險(xiǎn)性較大的安全事故是因液化石油氣泄漏而引起的火災(zāi)爆炸事故。鋼瓶?jī)?chǔ)存液化石油氣的作為壓力容器，是液化石油氣使用流程中重要的高風(fēng)險(xiǎn)特種設(shè)備，它的整體質(zhì)量和可靠性是確保使用安全的關(guān)鍵。液化石油氣鋼瓶如果在使用過程中出現(xiàn)了鼓包、皺折、裂紋、夾層和凹坑等缺陷問題，后果將不堪設(shè)想。目前，對(duì)液化石油氣鋼瓶的檢驗(yàn)、充裝、銷售、使用、管理等的研究較多，但大多數(shù)偏重于監(jiān)管、充裝、使用等環(huán)節(jié)，而忽視了充裝前的識(shí)別、銷售、使用、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)化管理等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法有勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效率低下和受人工經(jīng)驗(yàn)與主觀因素影響大的不足，容易產(chǎn)生誤判等局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，采用脫離人工的方式更能滿足液化石油氣鋼瓶充裝流程中高效性、準(zhǔn)確性和安全性的需求。因此，亟需設(shè)計(jì)并研制一套采用基于圖像識(shí)別技術(shù)的智能識(shí)別與檢測(cè)系統(tǒng)，在液化石油氣鋼瓶的充裝前環(huán)節(jié)中鋼瓶進(jìn)行智能身份識(shí)別和表面安全檢測(cè)。

1 設(shè)計(jì)需求分析

液化石油氣在我國(guó)應(yīng)用廣泛，需求量極大，合格鋼瓶的不間斷供給成為了用戶的關(guān)鍵需求。液化石油氣鋼瓶充裝技術(shù)作為重復(fù)利用的重要步驟，已經(jīng)形成了成熟的工藝體系。圖1 是液化石油氣鋼瓶完整的充裝工藝流程，由于鋼瓶的質(zhì)量對(duì)于使用安全至關(guān)重要，在實(shí)際充裝操作前需要經(jīng)過多次的識(shí)別與檢測(cè)工作。然而對(duì)于傳統(tǒng)的充裝技術(shù)，絕大部分的工作通過人工方式進(jìn)行，鋼瓶識(shí)別檢測(cè)工作面臨著效率低下、可靠性差的問題，不利于鋼瓶的安全高效循環(huán)使用。同時(shí)僅人工識(shí)別，也存在著因充裝人員疏忽導(dǎo)致液化石油氣鋼瓶超充裝的風(fēng)險(xiǎn)，安全隱患較大。

圖1 液化石油氣鋼瓶充裝工藝流程

針對(duì)以上問題，本文所設(shè)計(jì)的液化石油氣鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)從鋼瓶檢驗(yàn)、充裝到儲(chǔ)存、銷售、運(yùn)輸、配送、使用環(huán)節(jié)全鏈條信息化管理。液化石油氣鋼瓶在充裝前經(jīng)過識(shí)別檢測(cè)裝置，對(duì)每個(gè)鋼瓶特有的二維碼進(jìn)行掃描，將該鋼瓶的信息錄入管理系統(tǒng)，并檢測(cè)瓶身是否存在缺陷。當(dāng)系統(tǒng)顯示鋼瓶的信息符合檢驗(yàn)和充裝標(biāo)準(zhǔn)，充裝槍方能解鎖以實(shí)現(xiàn)充氣，如果不掃碼或顯示為不合格鋼瓶則無法進(jìn)行充氣。鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)液化石油氣鋼瓶充裝工藝流程的改進(jìn)作用如圖1 所示。

液化石油氣鋼瓶充裝前的智能識(shí)別與缺陷檢驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)液化石油氣鋼瓶自動(dòng)收售機(jī)的研制，可以讓用戶更為便捷地使用液化石油氣鋼瓶，減少液化石油氣營(yíng)銷、充裝單位的營(yíng)銷成本。本文研制的智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)將液化石油氣充裝、銷售等單位現(xiàn)工作模式推向一個(gè)“無人值守”的模式，且能更好地實(shí)現(xiàn)液化石油氣鋼瓶的相關(guān)信息共享與溯源，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)部門之間的數(shù)據(jù)傳輸與合作使用，有利于規(guī)范鋼瓶的檢驗(yàn)、充裝、銷售、使用等行為，成為鋼瓶的安全使用的重要保障，具有廣泛的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)也可應(yīng)用于液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)，對(duì)新投產(chǎn)地鋼瓶進(jìn)行初檢，有效減少檢驗(yàn)過程的人為差錯(cuò)，防止人為主觀干預(yù)檢驗(yàn)結(jié)果，有助于提升檢驗(yàn)流程的整體效率與可靠性。

2 鋼瓶智能識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

我國(guó)特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定（第1.10 條）：“氣瓶制造單位、充裝單位、檢驗(yàn)與檢測(cè)機(jī)構(gòu)等，……對(duì)氣瓶產(chǎn)品的……充裝、檢驗(yàn)等過程信息進(jìn)行記錄，建立氣瓶質(zhì)量安全追溯體系，并且按照特種設(shè)備信息化管理的規(guī)定，及時(shí)將所要求的信息錄入氣瓶質(zhì)量安全追溯信息平臺(tái)?！币髮?duì)充裝前后檢查情況進(jìn)行記錄，將充裝前（后）檢查情況信息上傳到氣瓶充裝信息平臺(tái)（第8.4 條），并給出檢查發(fā)現(xiàn)哪些情況禁止充裝（第8.6.3.2 條）。即將實(shí)施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8334—2022《液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》，對(duì)液化石油氣鋼瓶的外觀檢查與評(píng)定進(jìn)行如下規(guī)定：逐只目測(cè)檢查易于發(fā)現(xiàn)的外表面缺陷，包括對(duì)護(hù)罩、底座和瓶體的對(duì)接接頭的檢驗(yàn)，以及對(duì)焊接、修理、挖補(bǔ)、拆解和翻新的鋼瓶的檢驗(yàn)。檢查瓶體外表面是否存在裂紋、鼓包、皺折、夾層、凹坑、磕傷、劃傷、凹陷、腐蝕、熱損傷等缺陷。而這些規(guī)定與要求，很多部分在一定程度上可以通過本文設(shè)計(jì)的智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)的原理來實(shí)現(xiàn)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

基于以上設(shè)計(jì)依據(jù)與目標(biāo)需求，本文設(shè)計(jì)的液化石油氣鋼瓶的智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)裝置如圖2 所示。

圖2 鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)裝置

鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)裝置主要由外部罩體與內(nèi)部檢測(cè)配件組成?；卣九c新入站的鋼瓶依次進(jìn)入該裝置，伸縮氣缸的運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)門的開關(guān)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼瓶的抱緊，從而將鋼瓶支撐起。利用電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)待檢測(cè)的鋼瓶旋轉(zhuǎn)，方便攝像頭拍攝下鋼瓶的每個(gè)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼瓶的外觀進(jìn)行圖像信息采集，檢測(cè)合格的鋼瓶將置于暫存區(qū)并繼續(xù)后續(xù)充裝流程，出現(xiàn)檢測(cè)不合格的鋼瓶時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒操作人員。同時(shí)攝像頭旁的掃碼器可對(duì)鋼瓶上的二維碼進(jìn)行掃描識(shí)別，并錄入鋼瓶管理系統(tǒng)。

3 鋼瓶智能識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)

所設(shè)計(jì)裝置可以識(shí)別送檢鋼瓶所附帶的二維碼，并對(duì)鋼瓶表面進(jìn)行圖像處理和缺陷檢測(cè)工作（圖3）。

圖3 鋼瓶表面缺陷檢測(cè)算法流程

3.1 鋼瓶圖像預(yù)處理

利用CCD 攝像頭來對(duì)回站與新入站的鋼瓶表面進(jìn)行圖像采集，由于鋼瓶表面不是平面以及受到光照、背景等環(huán)境因素的影響，還有傳輸介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，故鋼瓶表面圖像在采集過程中會(huì)產(chǎn)生多余的干擾信息，即圖像噪聲，這是無法避免的，為了消除這種不良影響，要對(duì)所采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，即進(jìn)行灰度化、濾波去噪、圖像增強(qiáng)等操作，以增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測(cè)性。

3.2 鋼瓶表面缺陷分割

圖像分割是把圖像分解成若干個(gè)具有相似特征的區(qū)域，這些區(qū)域互不重疊，而處于不同區(qū)域間的圖像特征則有明顯差別。本文中鋼瓶表面的缺陷分割就是把具有缺陷的部分從整個(gè)鋼瓶中抽離出來，以便接下來進(jìn)行缺陷的特征提取和目標(biāo)識(shí)別與判斷。

3.3 鋼瓶表面缺陷特征提取

特征提取的本質(zhì)是把原始的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，用得到的特征向量來表達(dá)原始圖像信息，根據(jù)前文所述，液化石油氣鋼瓶表面的缺陷主要有裂紋、鼓包、皺折、夾層、凹坑、磕傷、劃傷、凹陷、腐蝕、熱損傷等，根據(jù)上述缺陷的不同類型，本文中檢測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)選用紋理特征、灰度特征和形狀特征來表征鋼瓶表面的缺陷。

3.4 鋼瓶表面缺陷識(shí)別算法

由于支持向量機(jī)算法可以解決小樣本情況下的機(jī)器學(xué)習(xí)問題，簡(jiǎn)化了通常的分類和回歸等問題，所以本文使用支持向量機(jī)算法，通過將樣本點(diǎn)所在的輸入空間映射到高維的特征空間，以達(dá)到線性可分或線性近似可分的目的。在線性可分時(shí)，在原空間尋找兩類樣本的最優(yōu)分類超平面。在線性不可分時(shí)，加入松弛變量并通過使用非線性映射將低維度輸入空間的樣本映射到高維度空間使其變?yōu)榫€性可分，這樣就可以在該特征空間中尋找最優(yōu)分類超平面。

3.5 實(shí)現(xiàn)效果

結(jié)合鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)裝置，對(duì)鋼瓶的唯一識(shí)別碼進(jìn)行辨識(shí)，確認(rèn)液化石油氣鋼瓶身份；引入計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)，以及通過計(jì)算機(jī)對(duì)一定數(shù)量的液化石油氣鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)圖像的學(xué)習(xí)，掌握合格鋼瓶的表面特征要點(diǎn)，模擬液化石油氣鋼瓶充裝檢查員的檢查過程，對(duì)擬回收鋼瓶進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，確認(rèn)鋼瓶的安全狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的鋼瓶智能識(shí)別與缺陷檢測(cè)裝置，引入了圖像識(shí)別功能，能夠?qū)珍撈繉?shí)現(xiàn)身份識(shí)別及安全狀況初檢，完成對(duì)液化石油氣鋼瓶充裝前的檢驗(yàn)。本系統(tǒng)裝置結(jié)合鋼瓶收售機(jī)一體，可以大大方便鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶及時(shí)得到供氣服務(wù)的便利，為鋼瓶監(jiān)管提供信息便利，同時(shí)降低充裝站零星充裝的管理成本和零散人員出入氣站的安全隱患。另外，在液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)方面，該裝置可以對(duì)鋼瓶進(jìn)行初檢，代替部分人工外檢，減少人工差錯(cuò)，提升檢驗(yàn)的工作效率。

該系統(tǒng)的研制和試用，還可以逐步推廣使用在其他特種設(shè)備氣瓶，為特種設(shè)備氣瓶的安全使用奠定基礎(chǔ)。