張 強(qiáng)

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 211189）

1 引言

1.1 焚燒及焚燒爐

作為一種高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，固體廢物的焚燒指的是把一定量過(guò)剩空氣與被處理的有機(jī)廢物置于焚燒爐內(nèi)所進(jìn)行的氧化燃燒反應(yīng)。由于在焚燒時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)廢物無(wú)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(xiǎn)廢物。在采用焚燒法處理城市生活垃圾前，也常常將暫時(shí)儲(chǔ)存時(shí)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(diǎn)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(xué)物質(zhì)回收及資源回收等優(yōu)點(diǎn)［4］。

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

表1 主要焚燒爐的特點(diǎn)

1.2 焚燒狀態(tài)的監(jiān)測(cè)問(wèn)題

雖然用焚燒法處理垃圾具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于垃圾成分多變、水分高、熱值波動(dòng)大等因素，焚燒爐的運(yùn)行通常很不穩(wěn)定，這不但影響了焚燒爐的運(yùn)行，而且會(huì)造成污染物排放超標(biāo)等問(wèn)題［6］。因此，垃圾焚燒狀態(tài)需要被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)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(cè)主要是依靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)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(lái)做出判斷，并調(diào)節(jié)給風(fēng)量和爐排翻滾及向前運(yùn)行的速度。這種通過(guò)人工監(jiān)測(cè)的方式存在以下問(wèn)題：

1）人工監(jiān)測(cè)火焰對(duì)焚燒狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的主觀性；

2）隨著監(jiān)測(cè)時(shí)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(cè)不能直接聯(lián)入自動(dòng)控制系統(tǒng)，使得焚燒狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整效率較低。

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，人工監(jiān)測(cè)已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要［7］。

1.3 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的解決方法

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入到垃圾焚燒爐的焚燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，利用火焰圖像蘊(yùn)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(zhǔn)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(jī)錄制出焚燒過(guò)程的完整視頻，接著將其中具有代表性焚燒特征的時(shí)刻作為采樣圖像，然后將其通過(guò)計(jì)算機(jī)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(zhǎng)度、寬度；R，G，B為紅色、綠色、藍(lán)色數(shù)值。

該矩陣給出了R、G、B三個(gè)顏色分量的值。為了便于處理，通過(guò)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(gè)過(guò)程可用圖1表示。

圖1 圖像的數(shù)字化過(guò)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(guò)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(shí)，有效面積較大；當(dāng)焚燒過(guò)程不穩(wěn)定時(shí)，有效面積將發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)［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(diǎn)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(yùn)行中的關(guān)鍵指標(biāo)，不但關(guān)系到焚燒爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(guò)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(shí)圖像和特征量，并設(shè)置指針指向圖像。每當(dāng)完成當(dāng)前圖像的特征量計(jì)算后，指針指向下一圖像進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)全部圖像計(jì)算完成后，釋放內(nèi)存，算法結(jié)束［13～14］。

5 結(jié)語(yǔ)

目前以人工操作為主的垃圾焚燒監(jiān)測(cè)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(cè)方式。計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)能夠更加客觀、高效、安全地監(jiān)測(cè)垃圾的焚燒狀態(tài)，這是一種計(jì)算機(jī)與環(huán)境保護(hù)兩個(gè)領(lǐng)域相結(jié)合的技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景［15］。