基于機(jī)器視覺(jué)的寬厚板輪廓和板形在線檢測(cè)技術(shù)

一、研究的背景與問(wèn)題

寬厚板作為鋼鐵材料中的重要品種之一，廣泛應(yīng)用于航天軍工、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、海洋船舶等領(lǐng)域，是國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，在整個(gè)國(guó)防和經(jīng)濟(jì)布局中占有舉足輕重的地位。2010年以來(lái)，我國(guó)寬厚板制造過(guò)程自動(dòng)化水平取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但在關(guān)鍵工序質(zhì)量參數(shù)感知、多工序協(xié)調(diào)、優(yōu)化決策等方面存在突出短板，原有制造技術(shù)已很難適應(yīng)日益苛刻高端制造產(chǎn)業(yè)鏈的品質(zhì)要求。以海洋工程裝備、高技術(shù)船舶、大型施工裝備等為代表的高端裝備制造業(yè)為例，對(duì)寬厚板產(chǎn)品的尺寸外形精度提出了高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，寬度尺寸波動(dòng)要求控制在幾個(gè)毫米以內(nèi)，不平度要求≤2mm/m等，外形尺寸檢測(cè)仍以人工線下測(cè)量為主，多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)無(wú)法在線感知。嚴(yán)苛的質(zhì)量要求對(duì)過(guò)程精準(zhǔn)控制水平和品質(zhì)保證能力提出了極大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約了我國(guó)寬厚板制造技術(shù)的再發(fā)展。

新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展正在推動(dòng)著制造業(yè)向著智能化生產(chǎn)方式變革，而通過(guò)智能化技術(shù)推動(dòng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展則是中國(guó)從鋼鐵大國(guó)走向鋼鐵強(qiáng)國(guó)的必由之路。我國(guó)寬厚板制造行業(yè)自動(dòng)化基礎(chǔ)普遍較好，擁有工業(yè)制造領(lǐng)域最為豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，以CPS信息物理系統(tǒng)和數(shù)字孿生為代表的新興技術(shù)在感知、計(jì)算、通信、控制等方面展現(xiàn)出得天獨(dú)厚的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，能夠通過(guò)數(shù)字孿生體和CPS信息物理系統(tǒng)所具有的相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)控制單元按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的功能?？梢?jiàn)，運(yùn)用新興智能化手段進(jìn)一步精準(zhǔn)控制水平，增強(qiáng)質(zhì)量保證能力，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步并保證我國(guó)鋼鐵領(lǐng)域內(nèi)科技引領(lǐng)具有重要意義。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)近百條中厚板生產(chǎn)線的工藝技術(shù)裝備現(xiàn)狀研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)線普遍在關(guān)鍵工藝質(zhì)量參數(shù)感知、多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化方面，長(zhǎng)期面臨如下突出問(wèn)題：

1、生產(chǎn)過(guò)程中軋制、剪切等工序的自動(dòng)化達(dá)到較高水平，但是各工序控制系統(tǒng)相對(duì)孤立，尚未形成聯(lián)動(dòng)，部分工序缺失關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)，不能基于反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，機(jī)理模型的預(yù)測(cè)和控制精度低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成材率的提升；

2、缺少鋼板輪廓識(shí)別和板形檢測(cè)關(guān)鍵大型儀表，導(dǎo)致軋后鋼板頭尾形貌、輪廓和板形等關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)難以在線精準(zhǔn)識(shí)別，仍以人工方式線下測(cè)量，無(wú)法與軋制過(guò)程形成在線反饋控制，難以通過(guò)在線工藝優(yōu)化來(lái)保證最終產(chǎn)品質(zhì)量；

3、依靠人工經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)組板系統(tǒng)訂單匹配度低、精準(zhǔn)剪切控制能力偏低，無(wú)法根據(jù)鋼板實(shí)時(shí)輪廓信息優(yōu)化組板策略導(dǎo)致組板余材過(guò)多，影響生產(chǎn)效率和成材率。剪切工序也無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)輪廓形狀優(yōu)化剪切策略。此外，剪切工序與軋制過(guò)程、組坯過(guò)程除基礎(chǔ)的產(chǎn)品信息交互之外，無(wú)其它過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)交互，迫切需要將軋后鋼板實(shí)際輪廓形狀與訂單合同進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)匹配，急需開(kāi)發(fā)面向多目標(biāo)約束的優(yōu)化剪切和動(dòng)態(tài)組板策略，以實(shí)現(xiàn)減少切損的同時(shí)提高訂單的匹配度。

針對(duì)寬厚板制造領(lǐng)域內(nèi)過(guò)程精準(zhǔn)控制科學(xué)問(wèn)題和相關(guān)技術(shù)瓶頸，2010年由山鋼與東北大學(xué)等單位組建聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在國(guó)家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《基于CPS架構(gòu)的多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化與質(zhì)量精準(zhǔn)控制及應(yīng)用示范》（2017YFB0304103）項(xiàng)目和山東省《寬厚板智能軋制數(shù)字化車間是的試點(diǎn)示范》項(xiàng)目的支撐下，依托山東省山鋼王國(guó)棟院士工作站科研平臺(tái)，深入推進(jìn)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作和協(xié)同創(chuàng)新，發(fā)揮高?；A(chǔ)研究理論創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)與企業(yè)產(chǎn)工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合開(kāi)展本項(xiàng)目關(guān)鍵共性技術(shù)的科研攻關(guān)工作。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦“組板-軋制-剪切”關(guān)鍵工序，第一次在行業(yè)內(nèi)明確了多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化機(jī)制及其所需要解決的科學(xué)問(wèn)題。應(yīng)用所研制的輪廓和板形檢測(cè)儀器裝置實(shí)現(xiàn)了熱軋工序關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)感知能力大幅提升。集中解決了CPS信息物理系統(tǒng)構(gòu)建、“數(shù)據(jù)+機(jī)理”模型雙驅(qū)動(dòng)外觀尺寸控制模型、多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化決策等多項(xiàng)長(zhǎng)期難以突破的技術(shù)難題，成功構(gòu)建了寬厚板制作過(guò)程多工序間高效協(xié)同的原創(chuàng)性技術(shù)理論體系。所開(kāi)發(fā)的寬厚板輪廓板形CPS智能制造技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線關(guān)鍵工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)高質(zhì)量貫通，軋鋼過(guò)程中的精準(zhǔn)控制能力明顯增強(qiáng)，寬厚板產(chǎn)線多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化控制水平得到大幅度提升。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)、數(shù)字孿生和信息物理CPS等先進(jìn)技術(shù)，將寬厚板生產(chǎn)過(guò)程中的工藝參數(shù)映射到數(shù)字空間中，融合機(jī)理模型+數(shù)據(jù)模型建立包括動(dòng)態(tài)在線設(shè)定、輪廓板形感知反饋的寬厚板雙閉環(huán)優(yōu)化CPS信息物理系統(tǒng)，如圖1所示。內(nèi)環(huán)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)理模型和機(jī)器學(xué)習(xí)滿足過(guò)程控制的實(shí)時(shí)高精度設(shè)定（淺色箭頭），外環(huán)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)感知寬厚板三維形貌，并建立數(shù)字孿生體反饋優(yōu)化模型參數(shù)（深色箭頭），實(shí)現(xiàn)控制模型參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。這樣就可以在虛擬數(shù)字空間優(yōu)化工藝參數(shù)和工序間的協(xié)調(diào)關(guān)系，把實(shí)測(cè)三維形貌數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字空間對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，通過(guò)相應(yīng)的算法模型計(jì)算獲得優(yōu)化策略，并通過(guò)指令反饋到物理空間中相關(guān)工序執(zhí)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)寬厚板制造過(guò)程參數(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

圖1 技術(shù)路線圖

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

本項(xiàng)目針對(duì)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)所面臨的共性技術(shù)難題，聚焦輪廓和板形在線檢測(cè)技術(shù)和儀器裝置、輪廓及板形動(dòng)態(tài)CPS系統(tǒng)、多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等涉及寬厚板制造過(guò)程精準(zhǔn)控制的技術(shù)瓶頸，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生和CPS信息物理系統(tǒng)理論、大型在線檢測(cè)儀器裝置、多工序協(xié)調(diào)控制、工程化創(chuàng)新應(yīng)用的一體化創(chuàng)新，并取得了很好的應(yīng)用實(shí)施效果。主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：

1、率先研制出基于機(jī)器視覺(jué)的寬厚板輪廓和板形在線檢測(cè)技術(shù)以及兩大儀器裝置，在具有代表性的4300mm級(jí)寬厚板產(chǎn)線進(jìn)行首次穩(wěn)定化工程應(yīng)用。

針對(duì)熱軋寬厚板產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)存在大量冷卻水導(dǎo)致的水汽、輥道上方照明不均并存在反光、鋼板表面隨機(jī)分布除鱗殘?jiān)头蹓m、鋼板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中震動(dòng)打滑等惡劣工況，基于人眼雙目視覺(jué)理論提出了多陣列相機(jī)組圖像采集機(jī)制，研究出高斯噪聲、椒鹽噪聲、脈沖噪聲等多類型混雜噪聲高效濾除算法，開(kāi)發(fā)了包涵自適應(yīng)圖像分割、激光條紋圖像特征、自適應(yīng)ROI、翹曲特征提取等算法庫(kù)和模型庫(kù)，探索并建立了七大類上千個(gè)品種規(guī)格寬厚板產(chǎn)品的冷/熱態(tài)尺寸映射模型體系，實(shí)現(xiàn)了冷/熱態(tài)大尺寸不規(guī)則運(yùn)動(dòng)鋼板的輪廓和板形在線高精度檢測(cè)。所研制的檢測(cè)裝置在寬度方向檢測(cè)精度達(dá)到±2mm、長(zhǎng)度方向檢測(cè)誤差小于5‰、側(cè)彎量檢測(cè)精度達(dá)到±5mm，頭尾不規(guī)則變形區(qū)檢測(cè)精度達(dá)到±5mm，板形平直度檢測(cè)精度達(dá)到±1mm。動(dòng)態(tài)鋼板輪廓和板形在線檢測(cè)儀器裝置的成功開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軋制后1000℃~室溫工藝區(qū)間內(nèi)的鋼板三維信息在線感知，完全取代了人工估計(jì)和線下測(cè)量的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，在大型檢測(cè)儀器裝置研制方面填補(bǔ)了國(guó)際空白。同時(shí)，也為依據(jù)工藝規(guī)則并融合數(shù)據(jù)反饋開(kāi)展鋼板外形尺寸智能化控制提供了數(shù)據(jù)支撐。

2、基于板形在線檢測(cè)信息構(gòu)建了多源數(shù)據(jù)與多模型聯(lián)合解析的板形動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生模型體系，探索并開(kāi)發(fā)出具有板形在線識(shí)別、精準(zhǔn)計(jì)算、閉環(huán)控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化等特征的板形CPS系統(tǒng)，為軋制過(guò)程平面形狀精準(zhǔn)控制提供了全新的智能化技術(shù)支撐。

圖3 本項(xiàng)目采用的平面形狀數(shù)字孿生體模型構(gòu)建方法

基于鋼坯軋制過(guò)程板形成因機(jī)理解析，以鋼坯軋制過(guò)程中平面形狀的過(guò)程控制參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化為核心，開(kāi)發(fā)出鋼坯精軋成型過(guò)程中的帶載輥縫形狀、輥系彈性變形、軋件長(zhǎng)度預(yù)測(cè)、平面形狀可控點(diǎn)、形變區(qū)域微跟蹤等多個(gè)機(jī)理預(yù)測(cè)模型體系，并進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用，軋制過(guò)程平面形狀精準(zhǔn)可控能力大幅度提高。為進(jìn)一步提高智能化控制能力，依托現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的工藝實(shí)績(jī)、模型設(shè)定、來(lái)料尺寸和成分等多源信息建立數(shù)據(jù)模型，并在幾何建模、“數(shù)據(jù)+機(jī)理”模型融合的基礎(chǔ)上探索構(gòu)建出板形數(shù)字孿生體，如圖3所示。在引入利用本項(xiàng)目研制的板儀裝置檢測(cè)的板形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出具有板形信息動(dòng)態(tài)反饋、設(shè)定精準(zhǔn)計(jì)算、軋制過(guò)程閉環(huán)控制和模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化等特征的板形CPS系統(tǒng)，一舉突破了軋鋼過(guò)程中傳統(tǒng)的板形控制滯后的工藝瓶頸，形成了板形精準(zhǔn)控制智能化新工藝技術(shù)。

3、開(kāi)發(fā)出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的可控點(diǎn)平面形狀智能預(yù)測(cè)技術(shù)，創(chuàng)新提出面向多目標(biāo)約束的剪切優(yōu)化策略和基于視覺(jué)反饋的動(dòng)態(tài)組板策略，成功構(gòu)建出寬厚板多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化的輪廓CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“組板-軋制-剪切”三個(gè)關(guān)鍵工序間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

依托輪廓數(shù)據(jù)反饋和平面形狀預(yù)測(cè)模型，開(kāi)發(fā)出基于工藝約束的智能化子板排布策略和基于多背包問(wèn)題的母板組板模型，實(shí)現(xiàn)了連鑄出鋼材、余材板坯、余材鋼板的科學(xué)動(dòng)態(tài)組板，最大程度降低了組板損耗。根據(jù)鋼板寬度、長(zhǎng)度、側(cè)彎、板形以及頭尾部不規(guī)則區(qū)域尺寸等輪廓信息在線檢測(cè)，結(jié)合當(dāng)前合同訂單信息在線計(jì)算鋼板剪切策略，確定最佳剪切線位置，實(shí)現(xiàn)智能化剪切。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索了七大類上千個(gè)品種規(guī)格寬厚板產(chǎn)品在1000℃~室溫間的外形尺寸映射模型體系，破解了鋼板冷卻過(guò)程中外形參數(shù)無(wú)法測(cè)量這一“黑箱”過(guò)程。圍繞輪廓檢測(cè)數(shù)據(jù)、組板計(jì)劃數(shù)據(jù)、軋制過(guò)程平面形狀預(yù)測(cè)高質(zhì)量融合，在“組板-軋制-剪切”三個(gè)關(guān)鍵工序間探索出以鋼板二維平面輪廓和板形控制為核心的多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化輪廓CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋼板組板科學(xué)、鋼板外形尺寸控制精準(zhǔn)的智能化技術(shù)體系。

四、應(yīng)用情況與效果

應(yīng)用本項(xiàng)目所研制的檢測(cè)儀器裝置實(shí)現(xiàn)了鋼板輪廓和板形在線高精度檢測(cè)，取代了人工線下測(cè)量的生產(chǎn)方式，產(chǎn)線關(guān)鍵工序的質(zhì)量信息感知能力得到明顯提升。以輪廓和板形控制為核心，應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的CPS智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寬厚板組板、軋制以及剪切幾個(gè)關(guān)鍵工序間的動(dòng)態(tài)閉環(huán)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。此外，本項(xiàng)目的成功應(yīng)用還將數(shù)字孿生和CPS信息物理系統(tǒng)等新興技術(shù)由概念普及推向至創(chuàng)新應(yīng)用的新階段，在寬厚板生產(chǎn)流程的智能制造“無(wú)人區(qū)”起到示范引領(lǐng)作用。圖4為依托本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的4300mm寬厚板輪廓及板形CPS系統(tǒng)。

本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的基于機(jī)器視覺(jué)的寬厚板多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化CPS系統(tǒng)于2017年在萊鋼4300mm寬厚板生產(chǎn)線進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化CPS系統(tǒng)在“組板-軋制-剪切”等主線工序的融合創(chuàng)新，有效提升了工序間的協(xié)同效率，產(chǎn)線整體智能化水平得到了明顯提升。同時(shí)，有效降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，使產(chǎn)線綜合成材率、生產(chǎn)效率、工序成本等得到明顯改善。其中，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)整組板策略，提高余材組板成功率50%；產(chǎn)線生產(chǎn)效率由147噸/小時(shí)提高到172噸/小時(shí)，提高25噸/小時(shí)；產(chǎn)線成材率由項(xiàng)目實(shí)施前91.21%提高91.65%，提高0.44%；帶出品率由1.38%降低到0.31%，降低1.07%，噸鋼電耗由105.37kW/t降低至91.11kW/t，降低14.26kW/t；單支鋼板剪切時(shí)間由原1.43min降低至1.2min，剪切線生產(chǎn)效率提高13.3%。項(xiàng)目整體成果應(yīng)用三年以來(lái)，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2.3億元。

圖44300mm寬厚板輪廓及板形CPS系統(tǒng)

依托本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)在我國(guó)三鋼、唐鋼等中厚板等產(chǎn)線進(jìn)行應(yīng)用，提高了板形和平面形狀控制精度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

在技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性方面，本項(xiàng)目涉及的檢測(cè)儀器裝置以及寬厚板輪廓和板形CPS系統(tǒng)均為行業(yè)首次研制和首次應(yīng)用。與傳統(tǒng)工藝相比，本項(xiàng)目所研制裝置的檢測(cè)精度明顯優(yōu)于國(guó)外相關(guān)技術(shù)。

審核編輯 ：李倩