RU2713850C1 - Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network - Google Patents

Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network Download PDF

Info

Publication number
RU2713850C1
RU2713850C1 RU2018143528A RU2018143528A RU2713850C1 RU 2713850 C1 RU2713850 C1 RU 2713850C1 RU 2018143528 A RU2018143528 A RU 2018143528A RU 2018143528 A RU2018143528 A RU 2018143528A RU 2713850 C1 RU2713850 C1 RU 2713850C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neural network
convolutional
images
layer
layers
Prior art date
Application number
RU2018143528A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Алексеевич Гобызов
Сергей Сергеевич Абдуракипов
Михаил Петрович Токарев
Александр Валерьевич Серёдкин
Владимир Михайлович Дулин
Артур Валерьевич Бильский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2018143528A priority Critical patent/RU2713850C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2713850C1 publication Critical patent/RU2713850C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00Systems for controlling combustion
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F18/00Pattern recognition
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods
    • G06N3/082Learning methods modifying the architecture, e.g. adding, deleting or silencing nodes or connections

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Image Analysis (AREA)

Abstract

FIELD: heat exchange.
SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used for prediction and control of fuel flaring, in particular, in furnace devices in coal and gas boilers. System includes a device for recording images of flame chemiluminescence formed during combustion of radicals and images of stimulated luminescence of radicals, a computing device which implements a classifier based on a trained convolution neural network, and a device for displaying results.
EFFECT: technical result is higher efficiency and safety of fuel combustion due to analysis of images of a flame, which enables more accurate, reliable and practically non-inertial diagnostics of fuel combustion mode change.
4 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Изобретение относится к способам прогнозирования и управления факельным сжиганием топлива, в частности, в топочных устройствах в угольных и газовых котлах. Изобретение может найти применение в любой отрасли промышленности, связанной с факельным сжиганием топлива.The invention relates to the field of power engineering. The invention relates to methods for predicting and controlling fuel flaring, in particular in combustion devices in coal and gas boilers. The invention can find application in any industry related to flare.

На сегодняшний день в промышленных применениях для мониторинга процесса горения и детектирования перехода процесса в неблагоприятный режим используется диагностика процесса факельного сжигания, осуществляемая с использованием видеокамер, газоанализаторов, термопар и ряда других датчиков.To date, in industrial applications, to monitor the combustion process and detect the transition of the process to an unfavorable mode, the flare combustion diagnostics is carried out using cameras, gas analyzers, thermocouples and a number of other sensors.

Одним из подходов к мониторингу процесса горения является сопоставление изображения пламени и режима горения, т.е. характерного диапазона параметров, в котором реализуется данный режим, для осуществления которого необходимо решать задачу классификации изображений пламени на основе многомерного вектора признаков.One approach to monitoring the combustion process is to compare the image of the flame and the combustion mode, i.e. a characteristic range of parameters in which this mode is implemented, for the implementation of which it is necessary to solve the problem of flame image classification based on a multidimensional feature vector.

Для классификации с применением многомерного вектора признаков в качестве входных данных существует широкий ряд способов [Witten I., Frank Е., Hall М., Pal С. Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques. San Francisco: Morgan Kaufmann, 2017. 654 p.]: метод опорных векторов, нейронная сеть (например, полносвязная сеть типа многослойный персептрон), градиентный бустинг над линейными моделями или деревьями решений и другие. Эффективность таких способов для решения задач компьютерного зрения во многом зависит от экспертных знаний исследователя по созданию признакового описания изображений.There are a wide variety of methods for classifying using a multidimensional feature vector as input [Witten I., Frank E., Hall M., Pal C. Data Mining: Practical Machine Learning Tools and Techniques. San Francisco: Morgan Kaufmann, 2017. 654 p.]: Support vector method, neural network (for example, a fully connected network such as a multilayer perceptron), gradient boosting over linear models or decision trees, and others. The effectiveness of such methods for solving computer vision problems largely depends on the expert knowledge of the researcher in creating an indicative description of images.

Известна система мониторинга и контроля параметров процесса горения в топке котла [US 6468069, 22.10.2002, F23N 1/02; F23N 5/08; F23N 001/00; F23N 005/08], включающая сканирующее устройство (видеокамера, ПЗС-камера, устройство сканирования лазерным лучом и соответствующий фотодетектор), генерирующее электрические сигналы, изменяющиеся в зависимости от процесса горения, систему управления сканирующим устройством, датчики контроля различных параметров процесса горения, процессор, соединенный с выходом сканирующего устройства, реализующий обученную реккурентную нейронную сеть, которая обрабатывает сигналы сканирования и генерирует сигналы классификации горения, контроллер нечеткой логики, который получает сигналы классификации горения, анализирует их, определяет и генерирует сигналы управления горением. В составе системы используется нейросетевой классификатор, осуществляющий классификацию сигналов от сканирующего устройства. В описании системы указан классификатор на основе полносвязной нейронной сети.A known system for monitoring and control of the parameters of the combustion process in the furnace of the boiler [US 6468069, 10/22/2002, F23N 1/02; F23N 5/08; F23N 001/00; F23N 005/08], including a scanning device (a video camera, a CCD camera, a laser beam scanning device and a corresponding photodetector) generating electrical signals that vary depending on the combustion process, a scanning device control system, sensors for monitoring various parameters of the combustion process, a processor, connected to the output of the scanning device that implements a trained recurrent neural network that processes scanning signals and generates combustion classification signals, the controller logic, which receives combustion classification signals, analyzes them, determines and generates combustion control signals. The system uses a neural network classifier that classifies signals from a scanning device. In the description of the system, a classifier based on a fully connected neural network is indicated.

Применяемый алгоритм нейросетевой обработки изображений обладает низкой эффективностью, по сравнению со сверточной нейронной сетью с настраиваемыми пространственными фильтрами в сверточных слоях.The applied neural network image processing algorithm has low efficiency compared to a convolutional neural network with custom spatial filters in convolutional layers.

Сверточные нейронные сети (CNN - Convolutional Neural Network) [Hagan M.Т., Demuth Н.В., Beale М.Н., de Jesus О. Neural Network Design. USA: Martin Hagan, 2014. 800 p.] успешно применяют к широкому классу задач классификации изображений, включая распознавание рукописного ввода и лиц на изображениях.Convolutional Neural Networks (CNN - Convolutional Neural Network) [Hagan M.T., Demuth N.V., Beale M.N., de Jesus O. Neural Network Design. USA: Martin Hagan, 2014. 800 p.] Have been successfully applied to a wide class of image classification problems, including handwriting recognition and faces in images.

Базовыми для сверточной нейронной сети являются две выполняющиеся в отдельных слоях операции: свертка и субдискретизация. Сверточный слой многократно сокращает число параметров по сравнению с полносвязным слоем, что позволяет существенно увеличить время и качество обработки изображений,Basic for the convolutional neural network are two operations performed in separate layers: convolution and subsampling. The convolutional layer significantly reduces the number of parameters compared to a fully connected layer, which can significantly increase the time and quality of image processing,

однако использует больше гиперпараметров, которые должны быть определены до процедуры обучения.however, it uses more hyperparameters that must be defined before the training procedure.

Из области техники известен классификатор со сверточной нейронной сетью [US 20150036920, 2015-02-05, G06K 9/6]. Известное решение является классификатором общего назначения и не учитывает особенности обучения нейронной сети применительно к случаю мониторинга режимов горения. Известное решение не обладает достаточной устойчивостью работы обучаемого классификатора.A classifier with a convolutional neural network is known from the technical field [US 20150036920, 2015-02-05, G06K 9/6]. The known solution is a general-purpose classifier and does not take into account the features of the training of the neural network in relation to the case of monitoring combustion modes. The known solution does not have sufficient stability of the trained classifier.

Наиболее близким по совокупности признаков и получаемому техническому результату является устройство (датчик изображения / контроллер нейронной сети) для систем контроля горения [Патент US 5249954, 1993-10-05, F23N 5/08], основанный на регистрации изображений хемилюминесценции образующихся в процессе горения радикалов и обработки таких изображений с использованием нейронной сети. В известном техническом решении для обработки изображений используется нейронная сеть, включающая входной слой (inputlayer), выходной слой (outputlayer) и скрытый слой с настраиваемыми весами связей (hiddenlayer).The closest in combination of features and the obtained technical result is a device (image sensor / neural network controller) for combustion control systems [Patent US 5249954, 1993-10-05, F23N 5/08], based on the registration of chemiluminescence images generated during the combustion of radicals and processing such images using a neural network. A well-known technical solution for image processing uses a neural network, including an input layer (inputlayer), an output layer (outputlayer) and a hidden layer with customizable link weights (hiddenlayer).

Такой алгоритм нейросетевой обработки изображений обладает низкой эффективностью, по сравнению со сверточной нейронной сетью с настраиваемыми пространственными фильтрами в сверточных слоях. Это делает устройство малопригодным для мониторинга в режиме реального времени. Также описанное в патенте решение не уточняет способа, на основании которого выполняется обучение и дальнейший анализ изображений.Such a neural network image processing algorithm has low efficiency compared to a convolutional neural network with custom spatial filters in convolutional layers. This makes the device unsuitable for real-time monitoring. Also, the solution described in the patent does not specify the method on the basis of which training and further image analysis are performed.

Задачей настоящего изобретения является разработка системы мониторинга режимов горения топлива путем анализа изображений факела, позволяющей более точно, надежно и практически безынерционно (в момент перехода) диагностировать смену режима горения топлива, то есть изменение параметров сжигания, что будет способствовать повышению эффективности и безопасности сжигания топлива.The objective of the present invention is to develop a system for monitoring fuel combustion modes by analyzing torch images, which allows more accurately, reliably and practically inertialess (at the time of transition) to diagnose a change in fuel combustion mode, that is, a change in combustion parameters, which will improve the efficiency and safety of fuel combustion.

Указанная задача решается путем создания системы мониторинга режимов горения топлива путем анализа изображений факела при помощи классификатора на основе обученной сверточной нейронной сети, включающей устройство регистрации изображений хемилюминесценции пламени, образующихся в процессе горения радикалов и изображения вынужденной люминесценции радикалов, вычислительное устройство, реализующее классификатор на основе обученной сверточной нейронной сети, устройство отображения результатов.This problem is solved by creating a system for monitoring fuel combustion modes by analyzing torch images using a classifier based on a trained convolutional neural network, including a device for registering chemiluminescence images of flame generated during the combustion of radicals and images of stimulated luminescence of radicals, a computing device that implements a classifier based on trained convolutional neural network, a device for displaying results.

Согласно изобретению, устройство регистрации изображений установлено таким образом, чтобы в область наблюдения был включен участок основания пламени, и регистрация изображений пламени при заданной комбинации параметров таких, как диапазон степени закрутки потока, диапазон соотношения топливо/воздух, диапазон выброса компонент летучих, диапазон температур на каком-либо из участков пламени, либо других параметров, характеризующих процесс сжигания топлива.According to the invention, the image recording device is installed so that a portion of the base of the flame is included in the observation area, and the registration of flame images with a given combination of parameters such as the range of the degree of swirling flow, the range of the fuel / air ratio, the range of emission of volatile components, the temperature range of any of the flame sections, or other parameters characterizing the process of burning fuel.

Согласно изобретению, сверточная нейронная сеть состоит функциональных слоев следующих типов: сверточных, субдискретизирующих, исключающих, выравнивающих, полносвязных, а также функциональных слоев других типов.According to the invention, a convolutional neural network consists of functional layers of the following types: convolutional, subsampling, excluding, aligning, fully connected, as well as functional layers of other types.

Согласно изобретению, сверточная нейронная сеть состоит из произвольного необходимого количества функциональных слоев различных типов, комбинируемых в определенной последовательности так, что субдискретизирующие и исключающие слои расположены после каждого сверточного слоя, либо после пары сверточных слоев в следующем порядке: сверточный слой (либо два сверточных слоя подряд), субдискретизирующий слой, исключающий слой.According to the invention, a convolutional neural network consists of an arbitrary required number of functional layers of various types, combined in a certain sequence so that the subsampling and exclusion layers are located after each convolutional layer, or after a pair of convolutional layers in the following order: convolutional layer (or two convolutional layers in a row ), a subsampling layer excluding the layer.

Каждый сверточный слой может содержать произвольное необходимое количество и размер пространственных фильтров и соответствующих им карт признаков, заранее подобранных случайным перебором по сетке параметров, с осуществлением максимизации точности классификации на кросс-валидации. Значения величин гиперпараметров классификатора также подобраны путем случайного перебора на сетке параметров.Each convolutional layer can contain an arbitrary required number and size of spatial filters and their corresponding feature maps, pre-selected by randomly sorting over the parameter grid, while maximizing the classification accuracy for cross-validation. The values of the classifier’s hyperparameters are also selected by random enumeration on the parameter grid.

Согласно изобретению, сверточная нейронная сеть обучена с применением статистической начальной инициализации весов в слоях нейронной сети и аугментации обучающих данных (изображений) на изображениях пламени, заранее зарегистрированных на том же горел очном устройстве, на котором в дальнейшем используется система, маркированных в соответствии с режимом горения.According to the invention, a convolutional neural network is trained using statistical initialization of weights in the layers of the neural network and augmentation of training data (images) on flame images pre-recorded on the same burner full-time device, which is subsequently used in a system labeled in accordance with the burning mode .

Согласно изобретению, в качестве комбинации настраиваемых гиперпараметров классификатора в сверточной нейронной сети используют размер сверточного ядра, число ядер в каждом сверточном слое, а также число нейронов в полносвязных слоях.According to the invention, the size of the convolutional core, the number of nuclei in each convolutional layer, as well as the number of neurons in fully connected layers are used as a combination of customizable classifier hyperparameters in a convolutional neural network.

Система мониторинга режимов горения топлива путем анализа изображений факела при помощи классификатора на основе обученной сверточной нейронной сети схематично изображена на фиг. 1, где: 1 - горелочное устройство; 2 - система мониторинга; 3 - устройство регистрации изображений; 4 - вычислительное устройство, реализующее классификатор на основе сверточной нейронной сети; 5, 6, 7, 8 9 - слои нейронной сети; 5 - входной слой нейронной сети; 6 - сверточный слой нейронной сети; 7 - субдискретизирующий слой нейронной сети; 8 - исключающий слой нейронной сети; 9 - полносвязный выходной слой нейронной сети; 10 - устройство отображения результатов.A system for monitoring fuel combustion modes by analyzing a torch image using a classifier based on a trained convolutional neural network is shown schematically in FIG. 1, where: 1 - burner device; 2 - monitoring system; 3 - image registration device; 4 - a computing device that implements a classifier based on a convolutional neural network; 5, 6, 7, 8 9 - layers of the neural network; 5 - input layer of the neural network; 6 - convolutional layer of the neural network; 7 - sub-sampling layer of the neural network; 8 - an exclusive layer of a neural network; 9 - fully connected output layer of the neural network; 10 is a result display device.

Система мониторинга режимов горения включает в себя: устройство регистрации изображений 3 хемилюминесценции пламени, образующихся в процессе горения радикалов и изображения вынужденной люминесценции радикалов, вычислительное устройство 4, реализующее (программным или аппаратным способом) классификатор на основе сверточной нейронной сети, устройство отображения результатов 10.The monitoring system of the combustion regimes includes: a device for recording images of 3 chemiluminescence of flame generated during the combustion of radicals and images of stimulated luminescence of radicals, a computing device 4 that implements (software or hardware) a classifier based on a convolutional neural network, a device for displaying the results 10.

Устройство регистрации изображений 3 представляет собой цифровую камеру, снабженную оптическим светофильтром или набором светофильтров, предназначенным для выделения диапазона длин волн излучения, соответствующих спектральному диапазону люминесценции пламени.The image recording device 3 is a digital camera equipped with an optical filter or a set of optical filters, designed to highlight the range of radiation wavelengths corresponding to the spectral range of flame luminescence.

Вычислительное устройство 4 - компьютер или контроллер, реализует (программным или аппаратным способом) классификатор на основе сверточной нейронной сети, осуществляющий анализ поступающих с устройства регистрации изображений пламени. Задачей сверточной нейронной сети является классификация поступающих на ее вход изображений закрученного пламени с отнесением их к одному из известных классов.Computing device 4 — a computer or controller, implements (software or hardware) a classifier based on a convolutional neural network that analyzes flame images received from the device for recording images. The task of the convolutional neural network is to classify the images of swirling flame arriving at its input and assign them to one of the known classes.

Устройство отображения результатов 10 представляет собой монитор, отдельный индикатор, или набор индикаторов, отображающий результат работы классификатора - информацию о том, к какому из заранее определенных классов относится текущее состояние пламени (режим горения) и/или заранее определенный диапазон параметров, в котором реализуется такой режим.The device for displaying results 10 is a monitor, a separate indicator, or a set of indicators that displays the result of the classifier - information about which of the predefined classes the current state of the flame (burning mode) and / or a predetermined range of parameters in which such mode.

Сверточная нейронная сеть предназначена для решения задачи классификации изображений пламени, получаемых с видеопотока цифровой камеры. Сверточная нейронная сеть состоит из произвольного необходимого количества сверточных функциональных слоев, в том числе:The convolutional neural network is designed to solve the problem of classifying flame images obtained from the video stream of a digital camera. The convolutional neural network consists of an arbitrary required number of convolutional functional layers, including:

- сверточных (convolutional),- convolutional,

- субдискретизирующих (pooling),- sub-sampling (pooling),

- исключающих (dropout),- exclusive (dropout),

- выравнивающих (flattening),- leveling (flattening),

- полносвязных (fully-connected),- fully connected (fully-connected),

- функциональные слои других типов.- functional layers of other types.

Сверточная неронная сеть устроена таким образом, что данные передаются последовательно по слоям в направлении от входного слоя 5 к выходному слою 9. Входные данные для каждого слоя являются выходными данными предыдущего слоя.The convolutional nero network is arranged in such a way that data is transmitted sequentially through the layers in the direction from the input layer 5 to the output layer 9. The input data for each layer is the output data of the previous layer.

Пример конфигурации сверточной нейронной сети показан на фиг. 2, где (0) - входной слой, на вход которого подается изображение (цветное либо черно-белое), выход - то же самое изображение. В примере - цветное трехканальное изображение размером 64×64 пике.An example configuration of a convolutional neural network is shown in FIG. 2, where (0) is the input layer, the input of which the image is supplied (color or black and white), the output is the same image. In the example, a color three-channel image with a size of 64 × 64 pice.

(1, 2) - сверточный слой, вход которого - исходное изображение, переданное от входного слоя, выход - набор карт признаков (матриц), выделенных сверточным слоем. В примере - 16 карт признаков размером 64×64 пике.(1, 2) is a convolutional layer, the input of which is the original image transmitted from the input layer, the output is a set of feature maps (matrices) highlighted by the convolutional layer. In the example, there are 16 feature cards with a size of 64 × 64 pique.

(3) - субдискретизирующий слой, на вход которого подается набор карт признаков, переданных от сверточного слоя, выход - набор карт признаков меньшего размера (матрица с уменьшенным количеством строк и столбцов). В примере - 16 карт признаков размером 32×32 пике.(3) - a sub-sampling layer, at the input of which a set of feature cards transmitted from the convolutional layer is fed, the output is a set of feature cards of a smaller size (matrix with a reduced number of rows and columns). In the example, there are 16 feature cards 32 × 32 pique in size.

(4) - исключающий слой, на вход которого подается набор карт признаков, переданных от исключающего слоя, выход - набор карт признаков того же размера, что и на входе, заданная параметрами слоя часть весов (значений в карте признаков, представленной матрицей) занулена. В примере - 16 карт признаков размером 32×32 пике.(4) - an exclusion layer, at the input of which a set of feature maps is passed, transferred from the exclusion layer, output is a set of feature maps of the same size as at the input, a part of the weights specified by the layer parameters (values in the feature map represented by the matrix) are zero. In the example, there are 16 feature cards 32 × 32 pique in size.

(5, 6) - сверточный слой, на вход которого подается набор карт признаков от исключающего слоя, выход - новый набор карт признаков (матриц), выделенных сверточным слоем. В примере - 8 карт признаков размером 32×32 пике.(5, 6) - a convolutional layer, at the input of which a set of feature cards from the exclusion layer is fed, the output is a new set of feature cards (matrices) highlighted with a convolutional layer. In the example, there are 8 feature cards 32 × 32 in size.

(7) - субдискретизирующий слой, на вход которого подается набор карт признаков, переданных от предыдущего сверточного слоя, выход - набор карт признаков меньшего размера (матрица с уменьшенным количеством строк и столбцов). В примере - 8 карт признаков размером 16×16 пике.(7) - a sub-sampling layer, at the input of which a set of feature cards transferred from the previous convolutional layer is fed, the output is a set of feature cards of a smaller size (matrix with a reduced number of rows and columns). In the example, there are 8 feature cards with a size of 16 × 16 pique.

(8) - исключающий слой, на вход которого подается набор карт признаков, переданных от исключающего слоя, выход -набор карт признаков того же размера, что и на входе, заданная параметрами слоя часть весов (значений в карте признаков, представленной матрицей) занулена. В примере - 8 карт признаков размером 16×16 пике.(8) - the exclusion layer, at the input of which a set of feature cards is passed, transferred from the exclusion layer, the output is a set of feature cards of the same size as at the input, the part of the weights specified by the layer parameters (values in the feature map represented by the matrix) is zero. In the example, there are 8 feature cards with a size of 16 × 16 pique.

(9) - выравнивающий слой, на вход которого подается набор карт признаков от исключающего слоя, выход - вектор, построенный на основе набора карт признаков. В примере - вектор, содержащий 2048 элементов.(9) - a leveling layer, at the input of which a set of feature cards is supplied from the exclusive layer, the output is a vector constructed based on a set of feature cards. In the example, a vector containing 2048 elements.

(10) - полносвязный слой, на вход которого подается вектор, переданный от выравнивающего слоя, выход - вектор с меньшим числом элементов. В примере - вектор, содержащий 512 элементов.(10) - a fully connected layer, the input of which is a vector transferred from the alignment layer, the output is a vector with a smaller number of elements. In the example, a vector containing 512 elements.

(11) - исключающий слой, на вход которого подается вектор, переданный от полносвязного слоя, выход - вектор той же размерности, что и на входе. Часть элементов вектора занулена. В примере - вектор, содержащий 512 элементов.(11) - the exclusion layer, the input of which is a vector transmitted from a fully connected layer, the output is a vector of the same dimension as the input. Part of the vector elements is zero. In the example, a vector containing 512 elements.

(12) - полносвязный выходной слой, на вход которого подается вектор, переданный от исключающего слоя, выход - вектор с числом элементов, соответствующим числу определяемых классов. В примере - 13 элементов (определяемых классов).(12) is a fully-connected output layer, the input of which is a vector transmitted from the exclusive layer, the output is a vector with the number of elements corresponding to the number of defined classes. In the example, there are 13 elements (defined classes).

Сверточные функциональные слои комбинируют в определенной последовательности так, что субдискретизирующие и исключающие слои расположены после каждого сверточного слоя, либо после пары сверточных слоев в следующем порядке: сверточный слой (либо два сверточных слоя подряд), субдискретизирующий слой, сверточный слой (либо два сверточных слоя подряд), субдискретизирующий слой, исключающий слой,Convolutional functional layers are combined in a certain sequence so that the subsampling and excluding layers are located after each convolutional layer, or after a pair of convolutional layers in the following order: a convolutional layer (or two convolutional layers in a row), a subsampling layer, a convolutional layer (or two convolutional layers in a row ), a subsampling layer excluding the layer,

Каждый сверточный слой может содержать произвольное необходимое количество и размер пространственных фильтров, и соответствующих фильтрам карт признаков, причем подбор необходимого количества сверточных слоев, количества и размера карт признаков осуществляют случайным перебором по сетке параметров, при этом максимизируют точность классификации на части набора обучающих изображений.Each convolutional layer can contain an arbitrary required number and size of spatial filters, and the corresponding feature map filters, moreover, the selection of the required number of convolutional layers, the number and size of feature cards is carried out by random sorting over the parameter grid, while maximizing the classification accuracy on the part of the set of training images.

В качестве комбинации настраиваемых гиперпараметров в сверточной нейронной сети используют: размер сверточного ядра, число ядер в каждом сверточном слое, а также число нейронов в полносвязных слоях. Значения величин гиперпараметров подбирают путем случайного перебора на сетке параметров,As a combination of configurable hyperparameters in a convolutional neural network, the following are used: the size of the convolutional core, the number of nuclei in each convolutional layer, and the number of neurons in fully connected layers. The values of the hyperparameters are selected by random enumeration on the parameter grid,

Сверточная нейронная сеть предварительно обучается путем подачи на ее вход наборов изображений пламени, полученных от устройства регистрации на том же горелочном устройстве, на котором система в дальнейшем будет использована для мониторинга, и маркированных в соответствии с режимными параметрами процесса горения. Сверточная нейронная сеть обучается на маркированных данных с использованием статистической инициализации начальных весов с заданной дисперсией значений и применением аугментации обучающих данных.The convolutional neural network is pre-trained by supplying to its input sets of flame images received from the registration device on the same burner device on which the system will be used for monitoring later on and labeled in accordance with the operating parameters of the combustion process. The convolutional neural network is trained on labeled data using statistical initialization of the initial weights with a given dispersion of values and the use of training data augmentation.

Перед началом применения системы мониторинга режимов горения топлива проводят подбор архитектуры нейронной сети, настройку гиперпараметров и обучение нейронной сети на различных режимах горения. Для этого предварительно при помощи устройства регистрации регистрируют набор изображений пламени на том же горелочном устройстве, на котором система в дальнейшем используется для мониторинга, и маркированных в соответствии с режимными параметрами процесса горения.Before starting to use the monitoring system of fuel combustion modes, a neural network architecture is selected, hyper parameters are configured and the neural network is trained in various combustion modes. For this, a set of flame images is previously recorded using the registration device on the same burner device on which the system is subsequently used for monitoring, and marked in accordance with the operating parameters of the combustion process.

После этого на полученном наборе данных проводят подбор архитектуры, настройку гиперпараметров и обучение нейронной сети на различных режимах горения. В процессе обучения сверточная нейронная сеть, являющаяся частью системы, обучается сопоставлять подаваемые на вход изображения с указываемым режимом горения. После обучения нейронной сети устройство регистрации в потоковом режиме регистрирует изображения факела и передает их на вход сверточной нейронной сети. Сверточная нейронная сеть определяет вероятность принадлежности полученного изображения к одному из «известных» режимов горения и в качестве результата работы предоставляет на выход наименование режима горения которому с наибольшей вероятностью соответствует полученное изображение и/или набор параметров, определяющих режим горения.After that, on the resulting data set, the architecture is selected, hyper parameters are configured, and the neural network is trained in various combustion modes. In the learning process, the convolutional neural network, which is part of the system, learns to compare the images supplied to the input with the indicated burning mode. After training the neural network, the recording device in streaming mode registers images of the torch and transmits them to the input of the convolutional neural network. The convolutional neural network determines the probability that the received image belongs to one of the “known” combustion modes and, as a result of the operation, provides the name of the combustion mode to which the received image and / or set of parameters that determine the burning mode most likely corresponds.

Формирование набора исходных данных осуществляют следующим образом. Устройство регистрации изображений (видеокамеру) размещают так, чтобы она наблюдала пламя горелочного устройства во всех определяемых режимах горения и производят регистрацию изображений пламени с одного ракурса. В область наблюдения должен быть включен участок основания пламени. Наборы изображений пламени регистрируют при заданной комбинации параметров (или диапазоне параметров), определяющих «режим» горения. В качестве таких параметров могут быть использованы: диапазон степени закрутки потока, диапазон соотношения топливо/воздух, диапазон выброса компонент летучих, диапазон температур на каком-либо из участков пламени, либо другие параметры, характеризующие процесс сжигания топлива. Для каждого режима регистрируют не менее двух тысяч изображений. Для обработки полученных изображений используют мультипроцессорные вычисления на графическом процессоре. Для обработки используется компьютер на базе производительных CPU, совместимых с архитектурой ×86, с объемом оперативной памяти не менее 4 Гб, оснащенном дискретным графическим процессором, реализующим программно-аппаратную архитектура вычислений CUDA, с объемом оперативной памяти не менее 6 Гб.The formation of a set of source data is as follows. The image registration device (video camera) is placed so that it observes the flame of the burner device in all determined combustion modes and the flame images are recorded from one angle. The area of the base of the flame should be included in the observation area. Sets of flame images are recorded for a given combination of parameters (or a range of parameters) that determine the “mode” of combustion. As such parameters, the following can be used: the range of the degree of swirling the flow, the range of the ratio of the fuel / air, the range of the emission of volatile components, the temperature range at any part of the flame, or other parameters characterizing the process of burning fuel. At least two thousand images are recorded for each mode. To process the obtained images using multiprocessor computing on a graphics processor. For processing, a computer is used on the basis of productive CPUs compatible with the architecture of × 86, with a RAM capacity of at least 4 GB, equipped with a discrete graphics processor that implements the CUDA hardware-software architecture of calculations, with a RAM capacity of at least 6 GB.

Предобработка данных заключается в уменьшении разрешения изображений до необходимого значения. Изображение уменьшается до размера, позволяющего проводить обработку с необходимой скоростью, но не менее чем до размера 64×64 пике.Data preprocessing is to reduce the resolution of images to the desired value. The image is reduced to a size that allows processing at the required speed, but not less than to a size of 64 × 64 pique.

Подбор архитектуры и оптимизацию гиперпараметров сверточной нейронной сети осуществляют следующим образом. Сверточная нейронная сеть состоит из произвольного необходимого количества функциональных слоев различных типов, включая входной и выходной слой, сверточные слои, субдискретизирующие слои, исключающие слои, выравнивающий слой, полносвязные слои, комбинируемых в определенной последовательности так, что субдискретизирующие и исключающие слои расположены после каждого сверточного слоя, либо после пары сверточных слоев в следующем порядке: сверточный слой (либо два сверточных слоя подряд), субдискретизирующий слой, исключающий слой. На вход подается цветное RGB-изображение либо изображение в градациях серого. Сначала изображение проходит сверточную, либо последовательно две сверточные операции. После этого данные передаются в субдискретизирующий слой. Субдискретизирующие слои реализуют уплотнение карты признаков выбором максимального значения с заданными значениями ядра преобразования и шага (например, ядро преобразования размером 3×3 и шаг 2, что даст на выходе карту признаков размером 0.5 n × 0.5 m, где n и m - размер входной карты признаков). Исключающие слои зануляют случайно выбранные значения в карте признаков, исключая их из дальнейшей обработки в ходе итерации обучения, что позволяет регуляризовать обучаемую модель и предотвратить переобучение нейронной сети. После последовательности блоков [сверточный слой - субдискретизирующий слой - исключающий слой] в нейронной сети располагается выравнивающий слой, преобразующий набор карт признаков в вектор признакового пространства, полносвязный слой, либо последовательность полносвязных слоев (обычно не более трех), выделяющая признаки более высокого уровня. Между полносвязными слоями располагаются исключающие слои, зануляющие случайно выбранные значения в векторе признаков, исключая их из дальнейшей обработки в ходе итерации обучения. Выход последнего полносвязного слоя подается на завершающий слой Softmax, который вычисляет вероятность принадлежности изображения к классу. На начальном этапе устанавливают исходную архитектуру сети, то есть количество слоев каждого типа и их параметры.The selection of architecture and optimization of hyperparameters of the convolutional neural network is as follows. A convolutional neural network consists of an arbitrary required number of functional layers of various types, including an input and output layer, convolutional layers, subsampling layers, excluding layers, a leveling layer, fully connected layers combined in a certain sequence so that subsampling and excluding layers are located after each convolutional layer , or after a pair of convolutional layers in the following order: a convolutional layer (or two convolutional layers in a row), a subsampling layer excluding the layer. The input is a color RGB image or an image in grayscale. First, the image is convolutional, or sequentially two convolutional operations. After that, the data is transferred to the subsampling layer. The subsampling layers implement the compaction of the feature map by selecting the maximum value with the given values of the transformation core and step (for example, a 3 × 3 transformation core and step 2, which will give an output feature map of size 0.5 n × 0.5 m, where n and m are the size of the input map signs). Exclusion layers nullify randomly selected values in the feature map, excluding them from further processing during the iteration of training, which allows us to regularize the trained model and prevent retraining of the neural network. After the sequence of blocks [convolutional layer - subsampling layer - exclusion layer] in the neural network, there is an alignment layer that converts a set of feature maps into a feature space vector, a fully connected layer, or a sequence of fully connected layers (usually no more than three) highlighting features of a higher level. Between fully connected layers there are exclusion layers, occupying randomly selected values in the feature vector, excluding them from further processing during the iteration of training. The output of the last fully connected layer is fed to the final Softmax layer, which calculates the probability that the image belongs to the class. At the initial stage, the initial network architecture is established, that is, the number of layers of each type and their parameters.

Комбинация гиперпараметров модели подбирается случайным перебором по сетке, при этом максимизируется точность классификации на кросс-валидации с использованием сформированного набора данных. Обязателен подбор комбинации гиперпараметров, в наибольшей степени влияющих на качество классификации: размер сверточного ядра, число ядер в каждом сверточном слое, число нейронов в полносвязных слоях. Также для более тонкой настройки могут подбираться другие гиперпараметры: количество обучающих изображений, обрабатываемых за одну итерацию алгоритма градиентного спуска, размер подвыборки в субдискретизирующих слоях, величина вероятности исключения нейрона в исключающем слое. Если необходимая точность классификации не достигается, то изменяют количество блоков [сверточный слой - субдискретизирующий слой - исключающий слой] увеличивают и повторяют процедуру оптимизации.The combination of model hyperparameters is selected by random enumeration over the grid, while the classification accuracy for cross-validation is maximized using the generated data set. It is mandatory to select a combination of hyperparameters that have the greatest influence on the quality of classification: the size of the convolutional nucleus, the number of nuclei in each convolutional layer, the number of neurons in fully connected layers. Other hyperparameters can also be selected for finer tuning: the number of training images processed per iteration of the gradient descent algorithm, the size of the subsample in the subsampling layers, and the probability of eliminating a neuron in the exclusion layer. If the necessary classification accuracy is not achieved, then the number of blocks is changed [convolutional layer - subsampling layer - excluding layer], the optimization procedure is increased and repeated.

Перед началом применения проводят обучение сети на различных режимах горения. В ходе обучения в качестве функции потерь используется кросс-энтропийная функция, а в роли метрики качества - доля правильных ответов. Для оптимизации вектора весов нейронной сети используется метод адаптивной инерции. Для обучения полную выборку заранее зарегистрированных изображений разбивают на три непересекающихся подмножества: обучение, валидация, тестовая выборка. При разбиении выборки используется перемешивание с сохранением баланса классов (относительной доли каждого класса) в каждой подвыборке. В процессе обучения на вход сверточной нейронной сети, подаются изображения из обучающей подвыборки и метка (маркер) класса, обозначающая режим горения, при котором изображение было зарегистрировано. При этом нейронная сеть обучается сопоставлять подаваемые на вход изображения пламени сметкой класса. Тестовая подвыборка используется для проверки качества обучения (точности классификации) на каждой итерации (эпохе). Валидационная подвыборка используется для дополнительной проверки качества обучения после его завершения.Before starting the application, the network is trained on various combustion modes. During the training, the cross-entropy function is used as the loss function, and the proportion of correct answers as the quality metric. To optimize the vector of neural network weights, the adaptive inertia method is used. For training, a complete sample of pre-registered images is divided into three disjoint subsets: training, validation, test selection. When splitting the sample, mixing is used while maintaining the balance of the classes (the relative share of each class) in each subsample. In the learning process, images from the training subsample and a class marker (marker) indicating the burning mode at which the image was recorded are fed to the input of the convolutional neural network. In this case, the neural network learns to compare the flame images supplied to the input with a class mark. Test subsampling is used to check the quality of training (classification accuracy) at each iteration (era). A validation subsample is used to further verify the quality of training after it is completed.

Мониторинг режимов горения осуществляют следующим образом. Для мониторинга режимов горения устройство регистрации изображений (видеокамеру) размещают в то же положение, при котором регистрировались изображения для обучающей выборки. Устройство регистрации регистрирует изображения факела в потоковом режиме и передает их на вычислительное устройство, реализующее классификатор на основе обученной нейронной сети. Изображения передаются на вход сверточной нейронной сети. Сверточная нейронная сеть определяет вероятность принадлежности полученного изображения к одному из «известных» режимов(осуществляет классификацию) и в качестве результата работы предоставляет на выход наименование режима горения, которому с наибольшей вероятностью соответствует полученное изображение и/или режимные параметры процесса сжигания, соответствующие этому режиму. Результат классификации отображается на устройстве отображения, представляющем собой монитор, отдельный индикатор, или набор индикаторов.Monitoring of combustion modes is as follows. To monitor the combustion regimes, the image recording device (video camera) is placed in the same position at which the images for the training sample were recorded. A registration device registers torch images in streaming mode and transfers them to a computing device that implements a classifier based on a trained neural network. Images are transmitted to the input of the convolutional neural network. The convolutional neural network determines the probability that the received image belongs to one of the “known” modes (performs classification) and, as a result of the operation, provides the name of the combustion mode to which the received image and / or operating parameters of the combustion process corresponding to this mode most likely correspond. The classification result is displayed on the display device, which is a monitor, a separate indicator, or a set of indicators.

Отличительной чертой использующейся в составе системы сверточной нейронной сети является ее назначение - решение задачи классификации, и наличие в ее составе сверточных функциональных слоев. Отличительной чертой системы в целом является осуществление мониторинга путем решения задачи классификации и использование в составе системы классификатора на основе сверточной нейронной сети.A distinctive feature of the convolutional neural network used in the system is its purpose - to solve the classification problem, and the presence of convolutional functional layers in its composition. A distinctive feature of the system as a whole is monitoring by solving the classification problem and using a classifier based on a convolutional neural network as part of the system.

Для определения режимов горения использовали обучаемую на маркированных данных сверточную нейронную сеть, а результат ее работы сравнивался с результатами классификации с помощью нескольких линейных моделей.To determine the combustion regimes, a convolutional neural network trained on marked data was used, and the result of its work was compared with the classification results using several linear models.

Сбор изображений пламени проводился на лабораторном газовом горелочном стенде, представляющем собой открытый контур, подключенный к баллонам с горючим газом и магистрали со сжатым воздухом. Наборы изображений пламени регистрировались при заданной комбинации двух параметров, определявших «режим» горения: степени закрутки потока S и отношения топливо/воздух в смеси (коэффициента избытка топлива) Ф. Всего было зарегистрировано 13 различных режимов горения пропановоздушной смеси. Параметры режимов указаны в табл. 1. Съемка производилась цветной камерой с разрешением изображения 2 Мпикс. Для каждого режима регистрировалось порядка 10000 изображений на темном фоне с одного ракурса.Flame images were collected on a laboratory gas burner stand, which is an open circuit connected to cylinders with combustible gas and a line with compressed air. Sets of flame images were recorded for a given combination of two parameters that determined the “mode” of combustion: the degree of swirling flow S and the ratio of fuel / air in the mixture (fuel excess coefficient) F. In total, 13 different combustion modes of the propane-air mixture were recorded. The parameters of the modes are shown in table. 1. The shooting was carried out with a color camera with an image resolution of 2 megapixels. For each mode, about 10,000 images were recorded on a dark background from one angle.

Figure 00000001
Figure 00000001

Алгоритмы предобработки данных, классификации и построения модели CNN осуществлялись на языке программирования Python с использованием библиотек NumPy, SciPy, Pandas, Scikit-Learn, OpenCV, Theano, Tensorflow и Keras. Для обработки данных использовались мультипроцессорные вычисления на одном компьютере (в составе вычислительного кластера на базе двух процессоров IntelXeon Е5 v2, 8 х DDR3 16GB).The data preprocessing, classification, and CNN model building algorithms were implemented in the Python programming language using the NumPy, SciPy, Pandas, Scikit-Learn, OpenCV, Theano, Tensorflow, and Keras libraries. For data processing, multiprocessor calculations were used on one computer (as part of a computing cluster based on two IntelXeon E5 v2, 8 x DDR3 16GB processors).

Полная выборка использовавшихся изображений пламени состояла из 39000 маркированных RGB-изображений размером 1920×1080 пикселей - по 3000 изображений для каждого из 13 режимов. Выборка разбивалась на три непересекающихся подмножества: обучение 56% изображений, валидация 14% и тестовая выборка 30%. При разбиении выборки, как и для линейных методов, использовалось перемешивание с сохранением баланса классов в каждой подвыборке. Разрешение изображений понижалось до 64×64 RGB-пикселей для уменьшения времени обучения сети. Такой размер входных изображений был выбран эмпирически, исходя из компромисса между точностью классификации и временем обучения и прогноза модели. Предложенный метод классификации основывался на классической сверточной нейронной сети, сочетающей сверточные и субдискретизирующие слои.A complete sample of the used flame images consisted of 39,000 marked RGB-images in the size of 1920 × 1080 pixels - 3000 images for each of 13 modes. The sample was divided into three disjoint subsets: training 56% of images, validation 14% and test sample 30%. When splitting the sample, as for linear methods, mixing was used with maintaining the balance of classes in each subsample. Image resolution was reduced to 64 × 64 RGB pixels to reduce network training time. This size of input images was chosen empirically, based on a compromise between classification accuracy and training time and model prediction. The proposed classification method was based on the classical convolutional neural network combining convolutional and subsampling layers.

Комбинация гиперпараметров модели подбиралась случайным перебором по сетке, при этом максимизировалась точность классификации на кросс-валидации, а финальная модель проверялась на отложенной выборке. В числе подбираемых гиперпараметров были: обучающие изображения, обрабатываемые за одну итерацию алгоритма градиентного спуска, итерации обучающего алгоритма по всему обучающему множеству, размер ядра и число ядер в сверточных слоях, размер подвыборки в субдискретизирующих слоях, величина вероятности исключения нейрона в процедуре dropout и число нейронов в полносвязном слое. В результате подбора гиперпараметров точность классификации была повышена на 3,5%.The combination of model hyperparameters was selected by random enumeration over the grid, while the classification accuracy on cross-validation was maximized, and the final model was tested on a delayed sample. Among the selected hyperparameters were: training images processed in one iteration of the gradient descent algorithm, iterations of the training algorithm throughout the training set, kernel size and number of kernels in convolutional layers, size of the subsample in sub-sampling layers, the probability of eliminating a neuron in the dropout procedure and the number of neurons in a fully connected layer. As a result of the selection of hyperparameters, the classification accuracy was increased by 3.5%.

Сходимость обучения сети при выбранных гиперпараметрах достигалась на 25 эпохах. Время обучения финальной модели составляло 24,2 мин, среднее время классификации одного изображения - 5,1 мс. Процедура подбора гиперпараметров заняла 40,8 часа.The convergence of network learning with selected hyperparameters was achieved in 25 epochs. The training time for the final model was 24.2 minutes, the average classification time for one image was 5.1 ms. The procedure for selecting hyperparameters took 40.8 hours.

Средняя по всем режимам точность классификации на отложенной выборке составила 97,9%.Classification accuracy averaged across all regimes on a delayed sample was 97.9%.

На рис. показана матрица ошибок классификации для 13 классов.In fig. The classification error matrix for 13 classes is shown.

В табл.приводится метрика качества классификации изображений с помощью сверточной нейронной сети для отдельных режимов. Представленная матрица ошибок демонстрирует возникновение повышенной ошибки при классификации режимов 0, 7 и режимов 3, 4, 8, которые также классифицировались с ошибкой при использовании линейных методов. Тем не менее, даже для этих режимов качество классификации с помощью CNN значительно превышает среднее качество классификации с использованием линейных методов, а для режимов с высокой вариативностью (1, 11, 12) предложенная модель демонстрирует уверенную классификацию с точностью до 99%.The table provides a metric for the quality of image classification using a convolutional neural network for individual modes. The presented error matrix demonstrates the occurrence of an increased error in the classification of modes 0, 7 and modes 3, 4, 8, which were also classified with an error when using linear methods. Nevertheless, even for these modes, the quality of classification using CNN significantly exceeds the average quality of classification using linear methods, and for modes with high variability (1, 11, 12), the proposed model demonstrates confident classification with an accuracy of 99%.

Claims (8)

1. Система мониторинга режимов горения топлива путем анализа изображений факела при помощи классификатора на основе обученной сверточной нейронной сети, включающая устройство регистрации изображений хемилюминесценции пламени, образующихся в процессе горения радикалов и изображения вынужденной люминесценции радикалов, вычислительное устройство, реализующее классификатор на основе обученной сверточной нейронной сети, устройство отображения результатов, отличающееся тем, что1. A system for monitoring fuel combustion modes by analyzing torch images using a classifier based on a trained convolutional neural network, including a device for registering chemiluminescence images of flame generated during the combustion of radicals and images of stimulated luminescence of radicals, a computing device that implements a classifier based on a trained convolutional neural network , a device for displaying results, characterized in that устройство регистрации изображений установлено таким образом, чтобы в область наблюдения был включен участок основания пламени, и регистрация изображений пламени при заданной комбинации параметров, определяющих «режим» горения, осуществлялась с одного ракурса, сверточная нейронная сеть состоит из произвольного необходимого количества функциональных слоев различных типов, комбинируемых в определенной последовательности так, что субдискретизирующие и исключающие слои расположены после каждого сверточного слоя, либо после пары сверточных слоев в следующем порядке: сверточный слой (либо два сверточных слоя подряд), субдискретизирующий слой, исключающий слой,the image registration device is installed in such a way that the base of the flame is included in the observation area, and the flame images were recorded from a single angle for a given combination of parameters defining the “mode” of combustion, a convolutional neural network consists of an arbitrary required number of functional layers of various types, combined in a certain sequence so that subsampling and excluding layers are located after each convolutional layer, or after a pair of exact layers in the following order: convolutional layer (or two convolutional layers in a row), subsampling layer, excluding layer, каждый сверточный слой может содержать произвольное необходимое количество и размер пространственных фильтров и соответствующих им карт признаков, заранее подобранных случайным перебором по сетке параметров, с осуществлением максимизации точности классификации на кросс-валидации и проверки финальной модели на отложенной выборке,each convolutional layer can contain an arbitrary required number and size of spatial filters and corresponding feature maps pre-selected by randomly sorting over the parameter grid, while maximizing the accuracy of classification on cross-validation and checking the final model on a delayed sample, значения величин гиперпараметров классификатора подобраны путем случайного перебора на сетке параметров,the values of the classifier’s hyperparameters are selected by random enumeration on the parameter grid, сверточная нейронная сеть обучена на изображениях пламени, заранее зарегистрированных на том же горелочном устройстве, на котором в дальнейшем используется система маркированных данных в соответствии с режимом горения, сверточная нейронная сеть обучена с применением статистической начальной инициализации весов в слоях нейронной сети и аугментации обучающих данных (изображений).the convolutional neural network is trained on images of the flame previously recorded on the same burner device, which later uses the marked data system in accordance with the burning mode, the convolutional neural network is trained using statistical initialization of weights in the layers of the neural network and augmentation of training data (images ) 2. Система мониторинга режимов горения топлива по п. 1, отличающаяся тем, что сверточная нейронная сеть состоит из функциональных слоев следующих типов: сверточных, субдискретизирующих, исключающих, выравнивающих, полносвязных.2. The monitoring system of fuel combustion regimes according to claim 1, characterized in that the convolutional neural network consists of the functional layers of the following types: convolutional, sub-sampling, excluding, equalizing, fully connected. 3. Система мониторинга режимов горения топлива по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве комбинации настраиваемых гиперпараметров классификатора в сверточной нейронной сети используют размер сверточного ядра, число ядер в каждом сверточном слое, а также число нейронов в полносвязных слоях.3. The system of monitoring fuel combustion regimes according to claim 1, characterized in that the size of the convolutional core, the number of nuclei in each convolutional layer, and the number of neurons in fully connected layers are used as a combination of configurable classifier hyperparameters in the convolutional neural network. 4. Система мониторинга режимов горения топлива по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве комбинации параметров, определяющих «режим» горения, используют: диапазон степени закрутки потока, диапазон соотношения топливо/воздух, диапазон выброса компонент летучих, диапазон температур на каком-либо из участков пламени.4. The monitoring system of fuel combustion modes according to claim 1, characterized in that as a combination of parameters that determine the "mode" of combustion, use: the range of the degree of swirling flow, the range of the ratio of fuel / air, the range of emission of volatile components, the temperature range at either from flames.
RU2018143528A 2018-12-10 2018-12-10 Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network RU2713850C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143528A RU2713850C1 (en) 2018-12-10 2018-12-10 Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018143528A RU2713850C1 (en) 2018-12-10 2018-12-10 Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2713850C1 true RU2713850C1 (en) 2020-02-07

Family

ID=69625390

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018143528A RU2713850C1 (en) 2018-12-10 2018-12-10 Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2713850C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111353412A (en) * 2020-02-25 2020-06-30 河南理工大学 End-to-end 3D-CapsNet flame detection method and device
CN112036435A (en) * 2020-07-22 2020-12-04 温州大学 Brushless direct current motor sensor fault detection method based on convolutional neural network
RU2753961C1 (en) * 2020-12-18 2021-08-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method for determining circumferential profile of relative concentration of liquid phase in sprayed dispersed medium using planar laser-induced fluorescence

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5249954A (en) * 1992-07-07 1993-10-05 Electric Power Research Institute, Inc. Integrated imaging sensor/neural network controller for combustion systems
US6468069B2 (en) * 1999-10-25 2002-10-22 Jerome H. Lemelson Automatically optimized combustion control
RU2523931C2 (en) * 2009-06-24 2014-07-27 Сименс Акциенгезелльшафт Control method of combustion process, namely in combustion space of steam generator heated by fossil fuel, and combustion system
CN106846305A (en) * 2017-01-11 2017-06-13 华北电力大学 A kind of boiler combustion stability monitoring method based on many characteristics of image of flame
RU2651147C1 (en) * 2017-03-27 2018-04-18 Акционерное общество "ЭЛВИС-НеоТек" Device of cascade processing of a stream of images by means of convolutional neural network

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5249954A (en) * 1992-07-07 1993-10-05 Electric Power Research Institute, Inc. Integrated imaging sensor/neural network controller for combustion systems
US6468069B2 (en) * 1999-10-25 2002-10-22 Jerome H. Lemelson Automatically optimized combustion control
RU2523931C2 (en) * 2009-06-24 2014-07-27 Сименс Акциенгезелльшафт Control method of combustion process, namely in combustion space of steam generator heated by fossil fuel, and combustion system
CN106846305A (en) * 2017-01-11 2017-06-13 华北电力大学 A kind of boiler combustion stability monitoring method based on many characteristics of image of flame
RU2651147C1 (en) * 2017-03-27 2018-04-18 Акционерное общество "ЭЛВИС-НеоТек" Device of cascade processing of a stream of images by means of convolutional neural network

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111353412A (en) * 2020-02-25 2020-06-30 河南理工大学 End-to-end 3D-CapsNet flame detection method and device
CN111353412B (en) * 2020-02-25 2023-03-24 河南理工大学 End-to-end 3D-CapsNet flame detection method and device
CN112036435A (en) * 2020-07-22 2020-12-04 温州大学 Brushless direct current motor sensor fault detection method based on convolutional neural network
CN112036435B (en) * 2020-07-22 2024-01-09 温州大学 Brushless direct current motor sensor fault detection method based on convolutional neural network
RU2753961C1 (en) * 2020-12-18 2021-08-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method for determining circumferential profile of relative concentration of liquid phase in sprayed dispersed medium using planar laser-induced fluorescence

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2713850C1 (en) Fuel combustion modes monitoring system by means of torch images analysis using classifier based on convolutional neural network
CN112215201B (en) Method and device for evaluating face recognition model and classification model aiming at image
CN111428818B (en) Deep learning model test method and device based on neural pathway activation state
CN113169089B (en) Optical Mode Selection for Multimode Semiconductor Inspection
AU2020306013A1 (en) Machine learning systems and methods for improved localization of image forgery
JP2018026122A5 (en)
CN107111872A (en) Information processor, information processing method and program
JP7372017B2 (en) Steel component learning device, steel component estimation device, steel type determination device, steel component learning method, steel component estimation method, steel type determination method, and program
JP7313828B2 (en) Information processing device, information processing method, and program
CN111415353A (en) Detection structure and detection method for fastener burr defects based on ResNet58 network
CN107886095A (en) A kind of classifying identification method merged based on machine vision and olfactory characteristic
CN114463843A (en) Multi-feature fusion fish abnormal behavior detection method based on deep learning
Kalvankar et al. Galaxy morphology classification using efficientnet architectures
CN109063773B (en) Method for improving laser probe classification precision by using image features
Pino et al. Soot propensity by image magnification and artificial intelligence
KR20210086303A (en) Pattern inspection apparatus based on deep learning and inspection method using the same
Wasi et al. ARBEx: Attentive feature extraction with reliability balancing for robust facial expression learning
CN116385717A (en) Foliar disease identification method, foliar disease identification device, electronic equipment, storage medium and product
JP2020077158A (en) Image processing device and image processing method
Abilash et al. Currency recognition for the visually impaired people
JP7423237B2 (en) Image processing device, image processing method, program
CN109444360B (en) Fruit juice storage period detection algorithm based on cellular neural network and electronic nose feature extraction
Carneiro et al. Analyzing the Fine Tuning’s impact in Grapevine Classification
Sawicki et al. Monitoring combustion process using image classification
Posokhov et al. Method and algorithms for cascade classification of sulfur print images of billet transverse templates

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210726

Effective date: 20210726