CN113608207A - 一种高炉料面形状测量方法、终端设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高炉料面形状测量方法、终端设备及存储介质，该方法中包括：S1：通过安装于高炉炉顶的测距雷达对高炉内料面的位置进行测量；S2：对测量得到的料面的雷达测距数据进行预处理，剔除其内的异常数据；S3：将雷达测距数据转换为对应的XY直角坐标系中的坐标数据；S4：通过克里金插值法，使用坐标数据对料面形状进行拟合。本发明相对应现有技术，不需要复杂的传感器布置，利于安装维护，且相对于一般单点雷达测量，具有更好的测量效果。

Description

一种高炉料面形状测量方法、终端设备及存储介质
技术领域
本发明涉及高炉炼铁检测技术领域，尤其涉及一种高炉料面形状测量方法、终端设备及存储介质。
背景技术
高炉作为一个黑匣子似的密闭容器，其内部环境复杂，信息很难直接获取。传统技术中一般用机械探尺采集关于高炉料面的数据，但测量范围小，数据误差大，难以分析炉内料面的分布情况。而后研究发展出通过红外成像或其他影像手段监测高炉料面，但由于料面上部温度变化大、粉尘多，对于该方法造成较大干扰，难以准确获取料面形状。还有一部分测量方法是在炉顶多位置开孔安装一定数目的测距雷达，以获取料面的大致形状，但这种方法由于传感器数目较多且传感系统复杂，多设备的安装和维护都对现场操作者带来困难，且系统运行的实时性难以保证，或是传感数目太少不足以体现料面形状信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种高炉料面形状测量方法、终端设备及存储介质。
具体方案如下：
一种高炉料面形状测量方法，包括以下步骤：
S1：通过安装于高炉炉顶的测距雷达对高炉内料面的位置进行测量；
S2：对测量得到的料面的雷达测距数据进行预处理，剔除其内的异常数据；
S3：将雷达测距数据转换为对应的XY直角坐标系中的坐标数据；
S4：通过克里金插值法，使用坐标数据对料面形状进行拟合。
进一步的，通过测距雷达对高炉内料面的位置进行测量的方法为：通过控制测距雷达的旋转，以使测距雷达对炉喉半径范围内的料面与测距雷达之间的距离进行测量。
进一步的，测距雷达包括两个，两者安装于炉喉上方且相同高度的两侧。
进一步的，雷达测距数据包括料面与测距雷达之间的距离和测距雷达指向与水平面的夹角。
进一步的，预处理的方法包括：根据测距雷达的安装位置设定雷达测距数据的范围，从而剔除掉不在该范围内的雷达测距数据；根据设定的回波强度阈值，剔除掉回波强度小于回波强度阈值的雷达测距数据。
进一步的，将雷达测距数据转换为对应的XY直角坐标系中的坐标数据的计算公式为：
Figure BDA0003178091200000021
y0＝d0sinα-hr
其中，x0、y0分别为坐标数据中的X轴和Y轴的坐标值，r表示炉喉半径，hr表示测距雷达安装位置距零料线高度，hl表示炉喉上边界距零料线高度，γ表示炉喉上炉壁与水平面的夹角，α表示测距雷达指向与水平面的夹角，d0表示料面与测距雷达之间的距离。
进一步的，步骤S4具体包括以下步骤：
S41：对料面进行径向分段，设定各段对应的X轴坐标范围，将各分段点设为待插点；
S42：计算坐标数据中任意两个坐标数据xi和xj之间的距离dij＝xi-xj，并根据距离的大小将计算的所有距离进行分组；其中，i＝0,1,…,n，j＝0,1,…,n，n表示坐标数据的总数，i和j表示坐标数据的序号，xi和xj分别表示第i和j个坐标数据在X轴方向的坐标；
S43：计算每组中所有距离的平均值d，并根据下式计算每组对应的半方差函数的估计值γ*(d)：
Figure BDA0003178091200000031
其中，y(xi)和y(xi+d)分别表示X方向坐标为xi和(xi+d)时所对应的Y轴方向坐标；
S44：构建半方差函数模型为：γ(d)＝c(1-e-d/r)，其中，c和r均为半方差函数模型中的参数，γ(d)表示半方差运算，根据半方差函数模型对每组对应的半方差函数的估计值γ*(d)进行拟合，得到拟合后的半方差函数模型；
S45：构建下列线性方程组：
Figure BDA0003178091200000032
根据拟合后的半方差函数模型和公式rij＝γ(dij)，计算任意两个坐标数据xi和xj属性的半方差rij，进而得到线性方程组中的系数矩阵：
Figure BDA0003178091200000041
S46：针对每个待插点x0，计算x0与任意坐标数据xi属性的半方差ri0，进而得到待插点x0对应的线性方程组中的右侧列阵：
Figure BDA0003178091200000042
S47：根据线性方程组中的系数矩阵和右侧列阵求解线性方程组，得到待插点x0对应的权重列阵：
Figure BDA0003178091200000043
S48：针对每个待插点x0，根据待插点x0对应的权重列阵，通过下式计算该待插点x0的估计值
Figure BDA0003178091200000044
Figure BDA0003178091200000045
其中，yi表示坐标数据中xi对应的Y轴方向的坐标。
一种高炉料面形状测量终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
本发明采用如上技术方案，相对应现有技术，不需要复杂的传感器布置，利于安装维护，且相对于一般单点雷达测量，具有更好的测量效果。
附图说明
图1所示为本发明实施例一的流程图。
图2所示为该实施例中测距雷达测量过程示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一：
本发明实施例提供了一种高炉料面形状测量方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1：通过安装于高炉炉顶的测距雷达对高炉内料面的位置进行测量。
测距雷达该实施例中采用毫米波雷达，在其他实施例中本领域技术人员也可以采用其他测距雷达，在此不做限定。
如图2所示，该实施例中通过测距雷达对高炉内料面的位置进行测量的方法为：通过控制测距雷达的旋转，以使测距雷达对炉喉半径范围内的料面与测距雷达之间的距离进行测量。
该实施例中优选设定测距雷达包括两个，分别为R1、R2，两者安装于炉喉上方且相同高度的两侧。在其他实施例中也可以只安装一个测距雷达，之后通过对称处理得到另一侧(同一直径上)的料面形状。
测距雷达对料面的扫描测量为在炉喉半径范围内沿炉喉径向方向进行的多次测量，在这一过程中，并不要求以等距或等角度的步长进行扫描，只需采样足够数据且分布不集中(随机)即可。
S2：对测量得到的料面的雷达测距数据进行预处理，剔除其内的异常数据。
该实施例中雷达测距数据包括料面与测距雷达之间的距离d0和测距雷达指向与水平面的夹角α。
该实施例中预处理的方法包括：根据测距雷达的安装位置设定雷达测距数据的范围，从而剔除掉不在该范围内的雷达测距数据；根据设定的回波强度阈值，剔除掉回波强度小于回波强度阈值的雷达测距数据。
S3：将雷达测距数据转换为对应的XY直角坐标系中的坐标数据(x0,y0)。
该实施例中设定转换公式为：
Figure BDA0003178091200000061
y0＝d0 sinα-hr
其中，x0、y0分别为坐标数据中的X轴和Y轴的坐标值，r表示炉喉半径，hr表示测距雷达安装位置距零料线高度，hl表示炉喉上边界距零料线高度，γ表示炉喉上炉壁与水平面的夹角。
需要说明的是，XY直角坐标系中，X轴平行于测距雷达的扫描方向(炉喉的径向)，Y轴为竖直方向。
S4：通过克里金插值法，使用坐标数据对料面形状进行拟合。
步骤S4具体包括以下步骤：
S41：对料面进行径向分段，设定各段对应的X轴坐标范围，将各分段点设为待插点；
S42：计算坐标数据中任意两个坐标数据xi和xj之间的距离dij＝xi-xj，并根据距离的大小将计算的所有距离进行分组；其中，i＝0,1,…,n，j＝0,1,…,n，n表示坐标数据的总数，i和j表示坐标数据的序号，xi和xj分别表示第i和j个坐标数据在X轴方向的坐标；
S43：计算每组中所有距离的平均值d，并根据下式计算每组对应的半方差函数的估计值γ*(d)：
Figure BDA0003178091200000071
其中，y(xi)和y(xi+d)分别表示X方向坐标为xi和(xi+d)时所对应的Y轴方向坐标；
S44：构建半方差函数模型为：γ(d)＝c(1-e-d/r)，其中，c和r均为半方差函数模型中的参数，γ(d)表示半方差运算，根据半方差函数模型对每组对应的半方差函数的估计值γ*(d)进行拟合，得到拟合后的半方差函数模型；
该实施例中拟合方法采用Levenberg-Marquardt法；
S45：构建下列线性方程组：
Figure BDA0003178091200000072
根据拟合后的半方差函数模型和公式rij＝γ(dij)，计算任意两个坐标数据xi和xj属性的半方差rij，进而得到线性方程组中的系数矩阵：
Figure BDA0003178091200000081
S46：针对每个待插点x0，计算x0与任意坐标数据xi属性的半方差ri0，进而得到待插点x0对应的线性方程组中的右侧列阵：
Figure BDA0003178091200000082
S47：根据线性方程组中的系数矩阵和右侧列阵求解线性方程组，得到待插点x0对应的权重列阵：
Figure BDA0003178091200000083
S48：针对每个待插点x0，根据待插点x0对应的权重列阵，通过下式计算该待插点x0的估计值
Figure BDA0003178091200000084
Figure BDA0003178091200000085
其中，yi表示坐标数据中xi对应的Y轴方向的坐标。
本实施例方法同样适用于多雷达传感的三维料面形状测量，当采用多个雷达从多个角度对料面测量时，采集数据后，设置好克里金法中的数据维度和欧式距离计量方式，即可对料面进行三维插值拟合。
本发明实施例相对应现有技术，不需要复杂的传感器布置，利于安装维护，且相对于一般单点雷达测量，具有更好的测量效果。
实施例二：
本发明还提供一种高炉料面形状测量终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。
进一步地，作为一个可执行方案，所述高炉料面形状测量终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述高炉料面形状测量终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述高炉料面形状测量终端设备的组成结构仅仅是高炉料面形状测量终端设备的示例，并不构成对高炉料面形状测量终端设备的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述高炉料面形状测量终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等，本发明实施例对此不做限定。
进一步地，作为一个可执行方案，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述高炉料面形状测量终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个高炉料面形状测量终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述高炉料面形状测量终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。
所述高炉料面形状测量终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)以及软件分发介质等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高炉料面形状测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过安装于高炉炉顶的测距雷达对高炉内料面的位置进行测量；
S2：对测量得到的料面的雷达测距数据进行预处理，剔除其内的异常数据；
S3：将雷达测距数据转换为对应的XY直角坐标系中的坐标数据；
S4：通过克里金插值法，使用坐标数据对料面形状进行拟合。
2.根据权利要求1所述的高炉料面形状测量方法，其特征在于：通过测距雷达对高炉内料面的位置进行测量的方法为：通过控制测距雷达的旋转，以使测距雷达对炉喉半径范围内的料面与测距雷达之间的距离进行测量。
3.根据权利要求1所述的高炉料面形状测量方法，其特征在于：测距雷达包括两个，两者安装于炉喉上方且相同高度的两侧。
4.根据权利要求1所述的高炉料面形状测量方法，其特征在于：雷达测距数据包括料面与测距雷达之间的距离和测距雷达指向与水平面的夹角。
5.根据权利要求1所述的高炉料面形状测量方法，其特征在于：预处理的方法包括：根据测距雷达的安装位置设定雷达测距数据的范围，从而剔除掉不在该范围内的雷达测距数据；根据设定的回波强度阈值，剔除掉回波强度小于回波强度阈值的雷达测距数据。
6.根据权利要求1所述的高炉料面形状测量方法，其特征在于：将雷达测距数据转换为对应的XY直角坐标系中的坐标数据的计算公式为：
Figure FDA0003178091190000011
y0＝d0 sinα-hr
其中，x0、y0分别为坐标数据中的X轴和Y轴的坐标值，r表示炉喉半径，hr表示测距雷达安装位置距零料线高度，hl表示炉喉上边界距零料线高度，γ表示炉喉上炉壁与水平面的夹角，α表示测距雷达指向与水平面的夹角，d0表示料面与测距雷达之间的距离。
7.根据权利要求1所述的高炉料面形状测量方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：
S41：对料面进行径向分段，设定各段对应的X轴坐标范围，将各分段点设为待插点；
S42：计算坐标数据中任意两个坐标数据xi和xj之间的距离dij＝xi-xj，并根据距离的大小将计算的所有距离进行分组；其中，i＝0,1,…,n，j＝0,1,…,n，n表示坐标数据的总数，i和j表示坐标数据的序号，xi和xj分别表示第i和j个坐标数据在X轴方向的坐标；
S43：计算每组中所有距离的平均值d，并根据下式计算每组对应的半方差函数的估计值γ*(d)：
Figure FDA0003178091190000021
其中，y(xi)和y(xi+d)分别表示X方向坐标为xi和(xi+d)时所对应的Y轴方向坐标；
S44：构建半方差函数模型为：γ(d)＝c(1-e-d/r)，其中，c和r均为半方差函数模型中的参数，γ(d)表示半方差运算，根据半方差函数模型对每组对应的半方差函数的估计值γ*(d)进行拟合，得到拟合后的半方差函数模型；
S45：构建下列线性方程组：
Figure FDA0003178091190000031
根据拟合后的半方差函数模型和公式rij＝γ(dij)，计算任意两个坐标数据xi和xj属性的半方差rij，进而得到线性方程组中的系数矩阵：
Figure FDA0003178091190000032
S46：针对每个待插点x0，计算x0与任意坐标数据xi属性的半方差ri0，进而得到待插点x0对应的线性方程组中的右侧列阵：
Figure FDA0003178091190000033
S47：根据线性方程组中的系数矩阵和右侧列阵求解线性方程组，得到待插点x0对应的权重列阵：
Figure FDA0003178091190000034
S48：针对每个待插点x0，根据待插点x0对应的权重列阵，通过下式计算该待插点x0的估计值
Figure FDA0003178091190000035
Figure FDA0003178091190000036
其中，yi表示坐标数据中xi对应的Y轴方向的坐标。
8.一种高炉料面形状测量终端设备，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～7中任一所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一所述方法的步骤。
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