基于计算机视觉的垃圾焚烧特征的提取分析∗

张 强

（东南大学能源与环境学院 南京 211189）

1 引言

1.1 焚烧及焚烧炉

作为一种高温热处理技术，固体废物的焚烧指的是把一定量过剩空气与被处理的有机废物置于焚烧炉内所进行的氧化燃烧反应。由于在焚烧时废物中的有害物质在高温下氧化、热解并被破坏，故该法是一种可同时实现废物无害化、减量化、资源化的处理技术［1］。焚烧法不但可以处理城市垃圾和一般工业废物，而且可以用于处理危险废物。在采用焚烧法处理城市生活垃圾前，也常常将暂时储存时产生的渗滤液和臭气引入焚烧炉处理［2～3］。

焚烧技术的最大优点在于大大减少了最终处置的废物量，具有减容作用、去毒作用、能量回收作用；另外，还具有副产品回收、化学物质回收及资源回收等优点［4］。

目前国际上常用的有四种焚烧炉，在实际应用中，可根据不同的处理对象和运行要求加以选用［5］。

表1 主要焚烧炉的特点

1.2 焚烧状态的监测问题

虽然用焚烧法处理垃圾具有许多优点，但是由于垃圾成分多变、水分高、热值波动大等因素，焚烧炉的运行通常很不稳定，这不但影响了焚烧炉的运行，而且会造成污染物排放超标等问题［6］。因此，垃圾焚烧状态需要被实时监测，以便及时地做出调整维持稳定焚烧。目前，垃圾焚烧状态的监测主要是依靠工作人员的经验，通过在垃圾传送带末端设置的观察口或火焰工业电视观察火焰的大小、位置和亮度等来做出判断，并调节给风量和炉排翻滚及向前运行的速度。这种通过人工监测的方式存在以下问题：

1）人工监测火焰对焚烧状态做出准确判断依赖于工作人员的经验，具有较强的主观性；

2）随着监测时间的増加，工作人员容易因火焰和有害气体受到伤害，或因疲劳而误判；

3）人工监测不能直接联入自动控制系统，使得焚烧状态实时调整效率较低。

通过以上分析可见，人工监测已经不能满足实际生产的需要［7］。

1.3 基于计算机视觉的解决方法

随着计算机视觉技术的迅猛发展和图像采集硬件成本的不断降低，图像处理技术的效率和效果均大大提高。利用计算机代替人工的方法已经成为工业发展的新方向［8］。

将计算机视觉技术引入到垃圾焚烧炉的焚烧状态监测中，利用火焰图像蕴藏的丰富信息，定义并提取能够反映垃圾焚烧状态的特征量，并用算法分析这些特征量，为焚烧状态的判断、调整做好准备［9］。

2 焚烧火焰图像的数字化表示

将垃圾放在焚烧系统中燃烧，并用摄像机录制出焚烧过程的完整视频，接着将其中具有代表性焚烧特征的时刻作为采样图像，然后将其通过计算机处理得到数字图像，最后用矩阵M表示出图像的RGB 值［10～11］。

l，w为特征区域的长度、宽度；R，G，B为红色、绿色、蓝色数值。

该矩阵给出了R、G、B三个颜色分量的值。为了便于处理，通过下列公式将其转化为灰度值：

g(i，j) 为 位 置（i，j）处 灰 度 值 ；R(i，j)，G(i，j)，B(i，j)为位置（i，j）处RGB值。

整个过程可用图1表示。

图1 图像的数字化过程

以图2为例，处理结果如图3、图4所示。

图2 垃圾焚烧原图像

图3 RGB效果图

图4 灰度图

3 垃圾焚烧过程的特征量表述

3.1 有效火焰面积

有效火焰面积可反映炉膛内垃圾的整体焚烧情况。通常而言，垃圾焚烧情况较好时，有效面积较大；当焚烧过程不稳定时，有效面积将发生强烈波动［12］。

可用下式表示该特征量：

g(xi，yi)为火焰图像在(xi，yi) 处像素点灰度值；g0为有效区域灰度阈值。

L（x）为0-1阶跃函数，即

3.2 有效区域平均灰度

有效区域平均灰度可反映炉膛内的温度水平。炉膛内温度是垃圾焚烧炉运行中的关键指标，不但关系到焚烧炉运行的经济性和安全性，而且还是控制污染物二噁英生成的关键因素。通常而言，平均灰度越高，温度就越高。

3.3 火焰中心水平偏移距离

火焰中心水平偏移距离可反映垃圾物料在炉排上的分布均匀情况及供风分布情况。通常而言，良好焚烧状态下的水平偏移距离较小，若其发生变化则意味着焚烧状态发生变化。

d为水平方向上火焰的质心位置；d′为竖直方向上炉排几何中心的位置。

4 提取分析特征量的算法

图5 算法流程图

通过图5算法，我们可以提取分析垃圾焚烧图像的特征量。该算法新建了内存存放临时图像和特征量，并设置指针指向图像。每当完成当前图像的特征量计算后，指针指向下一图像进行计算。当全部图像计算完成后，释放内存，算法结束［13～14］。

5 结语

目前以人工操作为主的垃圾焚烧监测方式己经不能满足工业生产的要求，因此有必要研究更加可靠的监测方式。计算机视觉技术能够更加客观、高效、安全地监测垃圾的焚烧状态，这是一种计算机与环境保护两个领域相结合的技术，具有广阔的应用前景［15］。