鄭建聰，劉宏申，周煒

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000）

無(wú)縫鋼管壁厚數(shù)據(jù)是無(wú)縫鋼管生產(chǎn)中最重要的質(zhì)量參數(shù)之一[1]，但在無(wú)縫鋼管生產(chǎn)的各工藝環(huán)節(jié)中，由于管子外徑小，輸送速度快，疊加生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、震動(dòng)、灰塵等因素，較難獲得準(zhǔn)確的壁厚數(shù)據(jù)。寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼股份）Φ140 mm機(jī)組現(xiàn)有的張力減徑管測(cè)厚設(shè)備測(cè)出的是兩通道的壁厚數(shù)據(jù)，測(cè)得的平均壁厚數(shù)據(jù)與實(shí)際鋼管壁厚數(shù)據(jù)偏差較大。在體積一定情況下，平均壁厚與鋼管長(zhǎng)度是一一對(duì)應(yīng)的，因此可以通過(guò)測(cè)量管長(zhǎng)來(lái)獲得準(zhǔn)確的鋼管壁厚質(zhì)量[2]。

鋼管長(zhǎng)度測(cè)量因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工況差（高溫、震動(dòng)、粉塵等），一些測(cè)長(zhǎng)方式如激光測(cè)長(zhǎng)、紅外線測(cè)長(zhǎng)等不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用及精度要求?；跈C(jī)器視覺(jué)的測(cè)量方法可以遠(yuǎn)離這一惡劣環(huán)境，測(cè)量是通過(guò)非接觸、保持適當(dāng)距離的方式進(jìn)行[3-6]。機(jī)器視覺(jué)方法測(cè)量鋼管長(zhǎng)度的核心技術(shù)就是圖像處理技術(shù)。采用圖像處理技術(shù)來(lái)測(cè)量鋼管長(zhǎng)度已有人研究過(guò)[3-6]，這些研究成果由于以下原因無(wú)法在本系統(tǒng)直接應(yīng)用：①除了使用了圖像處理技術(shù)外，本系統(tǒng)還需要針對(duì)特定工況和需求進(jìn)行一些特定的設(shè)計(jì)；②測(cè)長(zhǎng)對(duì)象、工藝和環(huán)境差異較大；③成果比較老舊，沒(méi)有將最新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和成果引入。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，當(dāng)今的技術(shù)和成果可以讓用戶不需要從系統(tǒng)軟硬件低層開(kāi)始設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)可移植性大[7-9]。

由于在線鋼管的溫度高，從背景中把被測(cè)量目標(biāo)分割處理不是很難。但要實(shí)現(xiàn)一個(gè)有足夠穩(wěn)定性和健壯性的、在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的在線測(cè)量系統(tǒng)，還是有一些問(wèn)題需要研究設(shè)計(jì)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的系統(tǒng)一般是服務(wù)型程序，即一次啟動(dòng)后連續(xù)運(yùn)行，其執(zhí)行邏輯是與生產(chǎn)進(jìn)程一一對(duì)應(yīng)、具有循環(huán)重復(fù)執(zhí)行特點(diǎn)。系統(tǒng)的足夠穩(wěn)定性和健壯性要求程序循環(huán)結(jié)構(gòu)體執(zhí)行時(shí)間必須小于等于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的周期。這一要求對(duì)一般系統(tǒng)不是問(wèn)題，但對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)成為問(wèn)題，因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)較大、處理需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此測(cè)量鋼管長(zhǎng)度機(jī)器視覺(jué)方法的核心在于如何減少數(shù)據(jù)處理量、保證測(cè)量系統(tǒng)的節(jié)奏與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)奏一致[10-15]。

基于機(jī)器視覺(jué)的測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)本質(zhì)上屬于測(cè)量系統(tǒng)。一般測(cè)量系統(tǒng)都需要先確定測(cè)量坐標(biāo)系，然后建立測(cè)量坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的變換。對(duì)本系統(tǒng)而言，確定測(cè)量坐標(biāo)系工作就是確定拍照地點(diǎn)、工業(yè)相機(jī)型號(hào)和數(shù)量及設(shè)計(jì)拍照方案。在這其中，在保證滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)本系統(tǒng)測(cè)量的精度要求的前提下，要設(shè)法減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量。在有多個(gè)拍攝點(diǎn)可選的情況，離拍攝對(duì)象距離越近、拍攝需要的相機(jī)數(shù)越少越好[6,14]。

1 無(wú)縫鋼管軋線張力減徑管生產(chǎn)區(qū)域環(huán)境

寶鋼股份Φ140 mm浮動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組軋線生產(chǎn)節(jié)奏快，張力減徑管外徑小、倍尺多，輸送速度快。張力減徑管出張力減徑機(jī)后通過(guò)輸出輥道進(jìn)入冷床區(qū)域，在縱向輸送過(guò)程中拋料機(jī)構(gòu)將鋼管從輥道推出拋入冷床第一個(gè)管槽，并對(duì)鋼管實(shí)施制動(dòng)。經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間間隔后，由拋料機(jī)構(gòu)將鋼管拋入步進(jìn)梁式冷床的齒條。冷床齒條上有槽位，分固定齒條和活動(dòng)齒條，活動(dòng)齒條在下降位置時(shí)可以看到拋料位置處的管子。Φ140 mm生產(chǎn)線生產(chǎn)規(guī)格多，管子長(zhǎng)度跨度大（8～140 m），管子外徑31.8～203 mm。冷床長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為165 m，從張力減徑機(jī)后輸出輥道拋出的管子在冷床中的起始位置不固定。

拋料區(qū)域的北側(cè)是擋板，上方由于溫度較高以及沒(méi)有可以依托的支架等原因不適合安裝工業(yè)相機(jī)。相機(jī)唯一可以安裝的地方就是冷床南側(cè)行車(chē)軌道上方。圖1所示是在行車(chē)軌道上面用手機(jī)拍攝的拋料區(qū)域和冷床圖像。

圖1 張力減徑管冷床區(qū)域環(huán)境

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際察看，比較理想的觀察點(diǎn)位置在對(duì)面行車(chē)軌道上方，觀察點(diǎn)距觀察對(duì)象張力減徑管之間距離如圖2所示。由于張力減徑管溫度與環(huán)境溫度相差較大，從背景中把它分割出來(lái)不是難事，因此現(xiàn)場(chǎng)拍攝就沒(méi)有考慮光源。

圖2 張力減徑管距離相機(jī)距離

2 張力減徑管在線測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

張力減徑管在線測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)是屬于視覺(jué)系統(tǒng)，符合一般視覺(jué)系統(tǒng)的架構(gòu)，但具體的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用的需求有關(guān)。一般視覺(jué)系統(tǒng)包括圖像采集設(shè)備、運(yùn)行圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱上位機(jī)）以及把二者聯(lián)系起來(lái)的導(dǎo)線或者網(wǎng)絡(luò)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求，在線測(cè)量系統(tǒng)中圖像采集設(shè)備與運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)一般距離較遠(yuǎn)，二者連接采用網(wǎng)絡(luò)方式。鑒于此情況，測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的圖像采集設(shè)備選用帶GigE（Gigabit Ethernet千兆以太網(wǎng)）接口的工業(yè)相機(jī)，采集圖像的工業(yè)相機(jī)與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。在線測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)一般不是只有連接相機(jī)的孤立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管理系統(tǒng)L1、L2有信息的交互，如待測(cè)對(duì)象的身份信息的獲取、測(cè)長(zhǎng)結(jié)果也要及時(shí)發(fā)送回L2料流跟蹤系統(tǒng)。在線測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)至少有兩種及以上的網(wǎng)絡(luò)，一種是上位機(jī)與相機(jī)連接的網(wǎng)絡(luò)，一種是測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)連接的網(wǎng)絡(luò)。鑒于上述情況，張力減徑管在線測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)包含工業(yè)相機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)和測(cè)長(zhǎng)處理軟件三部分。該相機(jī)拍照點(diǎn)與電氣控制室之間鋪線距離超過(guò)1 km，兩者之間的網(wǎng)絡(luò)必須使用光纖和交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 相機(jī)數(shù)和參數(shù)確定

張力減徑管管長(zhǎng)最長(zhǎng)達(dá)140 m以上，無(wú)法使用一臺(tái)相機(jī)完成測(cè)長(zhǎng)，需要多相機(jī)畫(huà)面拼接、協(xié)同來(lái)完成測(cè)長(zhǎng)。相機(jī)數(shù)的確定是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，它會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行速度和測(cè)量精度等重要方面。相機(jī)數(shù)越多，測(cè)量精度會(huì)提高，但系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)量增加、處理速度會(huì)下降。在保證測(cè)量精度前提下，盡量減少相機(jī)數(shù)量。相機(jī)數(shù)量與物距、畫(huà)幅及待測(cè)目標(biāo)長(zhǎng)度等有關(guān)。

物距與安裝地點(diǎn)相關(guān)。這要求攝像機(jī)的景深要足夠遠(yuǎn)才能滿足要求。相機(jī)畫(huà)幅寬度是決定系統(tǒng)需要的工業(yè)相機(jī)數(shù)的主要因素。在相機(jī)分辨率一定的情況下，畫(huà)幅與測(cè)量精度成反比，與相機(jī)數(shù)成正比。對(duì)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)而言，追求過(guò)高的精度就意味著需要較多的相機(jī)才能完成。相機(jī)畫(huà)幅與相機(jī)鏡頭的焦距、物距和相機(jī)本身靶面尺寸等有關(guān)，在物距和靶面長(zhǎng)度確定情況下，畫(huà)幅寬度與焦距成反比，畫(huà)幅越寬要求鏡頭焦距越短。焦距/物距=靶面橫向長(zhǎng)度/畫(huà)幅寬度。

張力減徑管本身長(zhǎng)度雖然是140 m，但由于拍攝時(shí)其管端位置不固定，可能處在160 m冷床的任意位置，因此拍攝區(qū)域總長(zhǎng)160 m。每個(gè)相機(jī)的畫(huà)幅確定要考慮物距、相機(jī)靶面尺寸和鏡頭焦距。相機(jī)靶面是相機(jī)的重要參數(shù)，與具體品牌型號(hào)有關(guān)。本系統(tǒng)物距是31.5 m，以畫(huà)幅寬20 m選取合適類型的相機(jī)，需要相機(jī)160/20=8個(gè)。多相機(jī)拼接畫(huà)面時(shí)，每相鄰的兩個(gè)相機(jī)畫(huà)面之間要有一定重疊區(qū)域。設(shè)定重疊區(qū)域?qū)嶋H長(zhǎng)度為0.5 m，則每個(gè)相機(jī)的畫(huà)幅為21 m，這8個(gè)相機(jī)從左到右分別命名為D1～D8。

畫(huà)幅的確定還要考慮系統(tǒng)測(cè)量精度要求。相機(jī)畫(huà)幅為21 m，其測(cè)量精度=21 m/相機(jī)在管長(zhǎng)方向的像素點(diǎn)數(shù)。相機(jī)在管長(zhǎng)方向的像素點(diǎn)數(shù)就是相機(jī)沿管長(zhǎng)方向長(zhǎng)度分辨率。畫(huà)幅一定的情況下，精度與分辨率的關(guān)系：畫(huà)幅寬度/精度=符合要求的最低分辨率。按照本系統(tǒng)的精度要求，本系統(tǒng)使用的相機(jī)橫向分辨率不小于2 100 dpi。

2.2 測(cè)量坐標(biāo)系的建立以及系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)長(zhǎng)方案采用多相機(jī)同時(shí)拍照鋼管兩端。由于每次通訊數(shù)據(jù)量都非常大，按照相機(jī)的要求，每個(gè)相機(jī)與上位機(jī)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。由于相機(jī)與上位機(jī)所在的控制室距離長(zhǎng)，因此它們之間最合適的物理鏈路就是光纖網(wǎng)絡(luò)，8個(gè)相機(jī)共享這一物理鏈路。利用現(xiàn)場(chǎng)的交換機(jī)把8個(gè)相機(jī)和上位機(jī)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)（圖3）。

圖3 測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意

當(dāng)相機(jī)安裝好后，每個(gè)相機(jī)就有自己獨(dú)立的測(cè)量坐標(biāo)系，測(cè)量算法對(duì)其拍攝圖像處理后獲得的值是基于自己的這個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系的值，再由算法把該值變換到統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系下的長(zhǎng)度值，該值就是鋼管的實(shí)際長(zhǎng)度。

3 確定抓拍時(shí)機(jī)和拍照控制

鑒于鋼管在生產(chǎn)線上有靜止?fàn)顟B(tài)且空間位置固定，為了減少數(shù)據(jù)處理量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，相機(jī)采用觸發(fā)模式工作。相機(jī)的觸發(fā)有硬觸發(fā)和軟觸發(fā)兩種，本系統(tǒng)采用軟觸發(fā)，即由軟件通過(guò)指令來(lái)觸發(fā)，這個(gè)指令由上位機(jī)發(fā)出，工業(yè)相機(jī)接到拍照指令才拍照并回傳圖像數(shù)據(jù)。

根據(jù)張力減徑管的生產(chǎn)工藝流程，張力減徑輸送輥道上的張力減徑管經(jīng)過(guò)兩次拋料后進(jìn)入冷床，張力減徑管在第一次拋料并進(jìn)入冷床后有一段時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，此刻被系統(tǒng)定為拍照時(shí)機(jī)。L2料流跟蹤系統(tǒng)能確定鋼管是否處在靜止?fàn)顟B(tài)，即拍照時(shí)機(jī)。有兩種方案讓測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)觸發(fā)拍照指令：方案一是L2服務(wù)器通過(guò)端口socket與測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)建立通訊渠道來(lái)實(shí)現(xiàn)；方案二是測(cè)長(zhǎng)上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡獲取L1的相關(guān)信號(hào)自行判斷拍照時(shí)機(jī)。這兩種方案各有利弊，方案一優(yōu)點(diǎn)是測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一些，軟件負(fù)責(zé)的任務(wù)減少了，缺點(diǎn)是及時(shí)性相較于方案二要差一些。測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)測(cè)得的長(zhǎng)度最終還是要送到L2服務(wù)器，待測(cè)管子的身份信息等也需要由L2服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)?？紤]到這些因素，系統(tǒng)選擇方案一來(lái)確定拍照時(shí)機(jī)，L2服務(wù)器通過(guò)端口socket與測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)建立通訊渠道。

拍照時(shí)機(jī)確定采用L2系統(tǒng)發(fā)送電文來(lái)解決，即拍照時(shí)機(jī)出現(xiàn)時(shí)L2服務(wù)器給本系統(tǒng)發(fā)送一條電文。本系統(tǒng)根據(jù)接收到的電文進(jìn)行拍照，電文與相機(jī)拍照對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。一旦出現(xiàn)0003電文相機(jī)D1～D8拍照一次。這樣一次測(cè)量系統(tǒng)要處理8幅圖像獲得張力減徑管的長(zhǎng)度信息。

表1 電文與控制拍照相機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和結(jié)果

根據(jù)上述確定的拍照方案，整個(gè)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)涉及到三方實(shí)體部分，即L2服務(wù)器、本系統(tǒng)所在的上位機(jī)和工業(yè)相機(jī)。這三個(gè)實(shí)體是通過(guò)特定網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系和傳遞數(shù)據(jù)的，L2服務(wù)器與本系統(tǒng)上位機(jī)是通過(guò)已有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊的；本系統(tǒng)上位機(jī)與工業(yè)相機(jī)是通過(guò)新架設(shè)的千兆網(wǎng)相聯(lián)系。完成一次測(cè)量有7個(gè)處理步驟，具體工作流程如圖4所示。

圖4 測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)工作流程

圖4中，①L2為發(fā)送電文過(guò)來(lái)，電文頭0003（接收程序）；②為接收程序，解析電文，做一些圖像處理前的準(zhǔn)備工作；③為啟動(dòng)相機(jī)拍照；④為相機(jī)接到指令，拍照并將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回傳；⑤為相機(jī)通知本系統(tǒng)拍照完成；⑥為系統(tǒng)調(diào)用處理算法進(jìn)行長(zhǎng)度檢測(cè)；⑦為將結(jié)果回傳L2（發(fā)送程序）。從上述步驟可知，本系統(tǒng)一個(gè)循環(huán)周期時(shí)間主要用在解析電文②、啟動(dòng)相機(jī)③、等待相機(jī)工作完成回傳圖像數(shù)據(jù)（④+⑤）、測(cè)度檢測(cè)算法⑥和結(jié)果回傳⑦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采集8幅圖像回傳到本系統(tǒng)不到100 ms。由于采用了優(yōu)化，本系統(tǒng)測(cè)長(zhǎng)算法分析8幅圖像需要的時(shí)間不到500 ms，再加上結(jié)果回傳需要的時(shí)間，循環(huán)體總時(shí)間不到1 s左右。生產(chǎn)線上兩個(gè)管子之間的最短時(shí)間間隔在9 s以上，因此本系統(tǒng)是穩(wěn)定的和健壯的。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)自建成已穩(wěn)定運(yùn)行，幾乎不涉及維護(hù)工作量，測(cè)長(zhǎng)精度滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，是一個(gè)企業(yè)級(jí)的成功機(jī)器視覺(jué)案例。