本發(fā)明涉及測量技術(shù)，尤其涉及基于圖像識(shí)別的氣柜活塞扭轉(zhuǎn)和漂移測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、往復(fù)式壓縮機(jī)是石油和化工行業(yè)廣泛使用的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性和安全性直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。氣柜是往復(fù)式壓縮機(jī)的核心部件之一，其內(nèi)部活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)壓縮機(jī)的性能和壽命有重要影響?；钊谶\(yùn)行過程中，由于受到氣體壓力、慣性力等因素的作用，容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)和漂移，導(dǎo)致活塞與氣缸之間的間隙增大，泄漏量增加，壓縮效率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸹钊鲎矚飧祝斐稍O(shè)備損壞和安全事故。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測氣柜活塞的扭轉(zhuǎn)和漂移狀態(tài)，對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)的狀態(tài)評(píng)估和故障診斷具有重要意義。

2、現(xiàn)有的氣柜活塞扭轉(zhuǎn)和漂移測量方法存在測量精度不高、實(shí)現(xiàn)難度大、適用性差等問題，難以滿足往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供基于圖像識(shí)別的氣柜活塞扭轉(zhuǎn)和漂移測量方法及系統(tǒng)，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

2、本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，

3、提供基于圖像識(shí)別的氣柜活塞扭轉(zhuǎn)和漂移測量方法，包括：

4、在氣柜的活塞頂端設(shè)置至少三個(gè)不共線的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)為具有特定顏色或圖案的標(biāo)記物，將標(biāo)識(shí)點(diǎn)的初始三維空間坐標(biāo)記錄為基準(zhǔn)坐標(biāo)；同時(shí)，在氣柜的固定部位安裝一個(gè)雙目立體攝像頭，使其光軸與氣柜活塞的軸線平行，通過雙目立體校準(zhǔn)確定攝像頭的內(nèi)外參數(shù)；使用雙目立體攝像頭同步采集氣柜活塞運(yùn)行過程中左右兩路的連續(xù)圖像，將采集的圖像對(duì)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行立體匹配，通過對(duì)極線約束和相似性度量，在左右視圖中識(shí)別出對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，并利用三角測量原理計(jì)算出每個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)；

5、將標(biāo)識(shí)點(diǎn)的當(dāng)前三維坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，通過最小二乘法擬合出活塞頂面的空間平面方程，計(jì)算平面法向量相對(duì)于基準(zhǔn)狀態(tài)的歐拉角變化量，得到活塞繞x軸、y軸和z軸的扭轉(zhuǎn)角度；同時(shí)，計(jì)算標(biāo)識(shí)點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)相對(duì)于基準(zhǔn)位置的偏移量，得到活塞在三個(gè)方向上的漂移距離；

6、將每次測量得到的活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存入數(shù)據(jù)庫，利用時(shí)間序列分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立活塞運(yùn)行狀態(tài)的趨勢預(yù)測模型，通過分析活塞扭轉(zhuǎn)和漂移的變化速率、加速度的動(dòng)態(tài)特征，預(yù)判活塞的剩余使用壽命和失效風(fēng)險(xiǎn)；在氣柜的管壁上安裝一系列應(yīng)變片，實(shí)時(shí)測量氣柜在運(yùn)行過程中的應(yīng)力分布和變形情況，將應(yīng)變數(shù)據(jù)與活塞扭轉(zhuǎn)和漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，構(gòu)建氣柜安全狀態(tài)的綜合評(píng)估模型，全面評(píng)估氣柜的健康水平和剩余壽命。

7、在一種可選的實(shí)施方式中，

8、將采集的圖像對(duì)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行立體匹配，通過對(duì)極線約束和相似性度量，在左右視圖中識(shí)別出對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，并利用三角測量原理計(jì)算出每個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)包括：

9、根據(jù)雙目立體攝像頭的投影中心、待匹配點(diǎn)在左右視圖中的像素坐標(biāo)，利用預(yù)先標(biāo)定獲得的本質(zhì)矩陣，建立待匹配點(diǎn)在左右視圖中滿足三點(diǎn)共面約束的對(duì)極線約束方程；

10、利用所建立的對(duì)極線約束方程，對(duì)于左視圖中的任意待匹配像素點(diǎn)，確定其在右視圖中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的所在直線，將右視圖待匹配區(qū)域縮小為該直線附近區(qū)域；

11、以左右視圖中的待匹配點(diǎn)為中心，分別截取相同大小的像素塊，計(jì)算兩個(gè)像素塊的歸一化互相關(guān)系數(shù)作為衡量兩個(gè)像素塊相似性的度量，歸一化互相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法為：

12、；

13、其中，ncc(p,q)表示歸一化互相關(guān)系數(shù)，p、q分別表示兩個(gè)待匹配的像素塊，分別來自左右視圖中待匹配的區(qū)域，n表示像素塊的大小，、表示像素塊wp和wq中坐標(biāo)(i,j)處的灰度值,其中,i和j是像素塊內(nèi)部的相對(duì)坐標(biāo)，取值范圍為0到n-1；、分別表示像素塊wp和wq的平均灰度值；

14、通過設(shè)定歸一化互相關(guān)系數(shù)閾值，從所有候選匹配像素中篩選出超過歸一化互相關(guān)系數(shù)閾值的像素點(diǎn)，獲得左右視圖中標(biāo)識(shí)點(diǎn)的最佳匹配像素坐標(biāo)；

15、將左右視圖匹配點(diǎn)像素坐標(biāo)以及雙目攝像頭的投影矩陣代入基于三角測量原理的空間坐標(biāo)求解方程組，通過最小二乘優(yōu)化求解該方程組，得到標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，其中最小二乘優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為匹配點(diǎn)像素坐標(biāo)與其通過投影矩陣反投影得到的空間坐標(biāo)在左右視圖投影像素坐標(biāo)上的歐氏距離平方和。

16、在一種可選的實(shí)施方式中，

17、將標(biāo)識(shí)點(diǎn)的當(dāng)前三維坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，通過最小二乘法擬合出活塞頂面的空間平面方程，計(jì)算平面法向量相對(duì)于基準(zhǔn)狀態(tài)的歐拉角變化量，得到活塞繞x軸、y軸和z軸的扭轉(zhuǎn)角度；同時(shí)，計(jì)算標(biāo)識(shí)點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)相對(duì)于基準(zhǔn)位置的偏移量，得到活塞在三個(gè)方向上的漂移距離包括：

18、將多個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在當(dāng)前狀態(tài)下的三維空間坐標(biāo)與基準(zhǔn)狀態(tài)下的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，通過最小二乘法擬合出當(dāng)前狀態(tài)下活塞頂面的空間平面方程，其中平面方程形式為ax+by+cz+d=0，(a,b,c)為平面法向量，d為平面到原點(diǎn)的距離，通過將標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)代入平面方程得到多個(gè)線性方程并寫成矩陣形式，利用奇異值分解求解齊次線性方程組，得到平面法向量(a,b,c)和距離d；

19、計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下平面法向量與基準(zhǔn)狀態(tài)下法向量的夾角，將夾角分解為繞x軸、y軸和z軸的旋轉(zhuǎn)角度，即歐拉角，通過當(dāng)前法向量等于基準(zhǔn)法向量與旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積建立等式，其中旋轉(zhuǎn)矩陣表示為繞三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)矩陣連乘，通過解算旋轉(zhuǎn)矩陣元素與歐拉角的關(guān)系，得到活塞繞x軸、y軸和z軸的扭轉(zhuǎn)角度；

20、計(jì)算多個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在基準(zhǔn)狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)下的質(zhì)心坐標(biāo)，通過當(dāng)前質(zhì)心坐標(biāo)減去基準(zhǔn)質(zhì)心坐標(biāo)，得到活塞在x、y、z三個(gè)方向上的漂移距離，其中質(zhì)心坐標(biāo)等于對(duì)應(yīng)方向上所有標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)的算術(shù)平均值。

21、在一種可選的實(shí)施方式中，

22、將每次測量得到的活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存入數(shù)據(jù)庫，利用時(shí)間序列分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立活塞運(yùn)行狀態(tài)的趨勢預(yù)測模型，通過分析活塞扭轉(zhuǎn)和漂移的變化速率、加速度的動(dòng)態(tài)特征，預(yù)判活塞的剩余使用壽命和失效風(fēng)險(xiǎn)包括：

23、將每次測量得到的活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離數(shù)據(jù)按照時(shí)間先后順序存入數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建包含扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離的時(shí)間序列數(shù)據(jù)集；

24、基于時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，通過計(jì)算相鄰采樣時(shí)刻扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離的差值，得到活塞扭轉(zhuǎn)角速度、漂移速度的一階差分特征，進(jìn)一步通過計(jì)算一階差分特征的差值，得到活塞扭轉(zhuǎn)角加速度、漂移加速度的二階差分特征，構(gòu)建包含扭轉(zhuǎn)角度、漂移距離、扭轉(zhuǎn)角速度、漂移速度、扭轉(zhuǎn)角加速度和漂移加速度的活塞狀態(tài)特征數(shù)據(jù)集；

25、利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將活塞狀態(tài)特征數(shù)據(jù)集作為輸入，以未來多個(gè)采樣時(shí)刻的扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離作為輸出，訓(xùn)練得到活塞運(yùn)行狀態(tài)的趨勢預(yù)測模型；

26、利用訓(xùn)練好的活塞運(yùn)行狀態(tài)趨勢預(yù)測模型，預(yù)測未來多個(gè)采樣時(shí)刻的活塞扭轉(zhuǎn)角度、漂移距離、扭轉(zhuǎn)角速度、漂移速度、扭轉(zhuǎn)角加速度和漂移加速度；

27、分析預(yù)測得到的活塞扭轉(zhuǎn)角速度、漂移速度、扭轉(zhuǎn)角加速度和漂移加速度的變化趨勢，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角速度或漂移速度持續(xù)增大，或扭轉(zhuǎn)角加速度、漂移加速度出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，判定活塞存在失效風(fēng)險(xiǎn)；

28、根據(jù)預(yù)測得到的活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離，計(jì)算其達(dá)到預(yù)設(shè)失效閾值的預(yù)估時(shí)間，將該預(yù)估時(shí)間作為活塞的剩余使用壽命。

29、在一種可選的實(shí)施方式中，

30、所述方法還包括：

31、利用訓(xùn)練好的活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離趨勢預(yù)測模型，對(duì)未來多個(gè)采樣時(shí)刻的活塞扭轉(zhuǎn)角度、漂移距離以及對(duì)應(yīng)的高階差分特征進(jìn)行預(yù)測，得到一系列未來時(shí)刻的預(yù)測結(jié)果序列；

32、對(duì)預(yù)測得到的活塞扭轉(zhuǎn)角度、漂移距離及其高階差分特征序列進(jìn)行趨勢分析，計(jì)算預(yù)測時(shí)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)量，包括各狀態(tài)特征的平均值、方差和變化率，通過分析扭轉(zhuǎn)角速度、漂移速度、角加速度和位移加速度的變化趨勢，判斷活塞運(yùn)行狀態(tài)的惡化程度；

33、根據(jù)預(yù)測結(jié)果和趨勢分析，評(píng)估活塞的失效風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)定扭轉(zhuǎn)角速度、漂移速度、角加速度和位移加速度的警戒閾值和失效閾值，將預(yù)測值與閾值進(jìn)行比較，當(dāng)預(yù)測值超過警戒閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，當(dāng)預(yù)測值超過失效閾值時(shí)判定活塞存在高失效風(fēng)險(xiǎn)；

34、結(jié)合預(yù)測結(jié)果和失效閾值，估計(jì)活塞的剩余使用壽命，分別計(jì)算預(yù)測結(jié)果中扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離首次超過各自失效閾值的時(shí)刻，取二者中較小值作為活塞的預(yù)估剩余使用壽命；

35、根據(jù)活塞失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和剩余使用壽命預(yù)測結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)維策略，對(duì)于預(yù)警級(jí)別的活塞增加監(jiān)測頻率，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)活塞安排維護(hù)或更換，對(duì)于不同剩余使用壽命的活塞合理安排維護(hù)時(shí)間和優(yōu)先級(jí)，并將活塞失效數(shù)據(jù)反饋至預(yù)測模型，持續(xù)優(yōu)化模型性能。

36、在一種可選的實(shí)施方式中，

37、在氣柜的管壁上安裝一系列應(yīng)變片，實(shí)時(shí)測量氣柜在運(yùn)行過程中的應(yīng)力分布和變形情況，將應(yīng)變數(shù)據(jù)與活塞扭轉(zhuǎn)和漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，構(gòu)建氣柜安全狀態(tài)的綜合評(píng)估模型，全面評(píng)估氣柜的健康水平和剩余壽命包括：

38、在氣柜的管壁高應(yīng)力區(qū)域和應(yīng)力梯度大于預(yù)設(shè)梯度閾值位置布置一系列應(yīng)變片，應(yīng)變片的測量方向與氣柜主應(yīng)力方向一致，實(shí)時(shí)測量氣柜運(yùn)行過程中的應(yīng)力分布和變形情況，獲取氣柜管壁應(yīng)變數(shù)據(jù)；

39、對(duì)氣柜管壁應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用濾波算法去除應(yīng)變信號(hào)中的高頻干擾和低頻漂移；

40、提取氣柜管壁應(yīng)變數(shù)據(jù)的多域特征，包括提取應(yīng)變信號(hào)的均值、方差、峰峰值的統(tǒng)計(jì)特征，提取應(yīng)變信號(hào)的頻譜分布、主頻幅值的頻域特征，提取應(yīng)變信號(hào)的小波系數(shù)、希爾伯特-黃變換的時(shí)頻特征；

41、獲取氣柜活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離監(jiān)測數(shù)據(jù)，將扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離數(shù)據(jù)與氣柜管壁應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，計(jì)算應(yīng)變特征與扭轉(zhuǎn)角度、漂移距離特征之間的相關(guān)系數(shù)矩陣；

42、采用主成分分析或獨(dú)立成分分析的降維算法，將氣柜管壁應(yīng)變數(shù)據(jù)和活塞扭轉(zhuǎn)角度、漂移距離數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提取綜合反映氣柜安全狀態(tài)的低維度關(guān)鍵特征；

43、基于氣柜安全狀態(tài)的低維度關(guān)鍵特征，采用支持向量機(jī)或隨機(jī)森林算法，建立氣柜安全狀態(tài)分類模型，將氣柜狀態(tài)劃分為正常、預(yù)警和危險(xiǎn)的不同等級(jí)；

44、基于氣柜安全狀態(tài)的低維度關(guān)鍵特征，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或長短期記憶網(wǎng)絡(luò)算法，建立氣柜剩余壽命預(yù)測模型，通過學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)中的退化趨勢，預(yù)測氣柜未來的健康狀態(tài)和失效時(shí)間；

45、綜合考慮氣柜安全狀態(tài)分類結(jié)果和剩余壽命預(yù)測結(jié)果，對(duì)氣柜的健康水平進(jìn)行量化評(píng)估，生成氣柜安全狀態(tài)綜合評(píng)估報(bào)告。

46、本發(fā)明實(shí)施例的第二方面，

47、提供基于圖像識(shí)別的氣柜活塞扭轉(zhuǎn)和漂移測量系統(tǒng)，包括：

48、第一單元，用于在氣柜的活塞頂端設(shè)置至少三個(gè)不共線的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)為具有特定顏色或圖案的標(biāo)記物，將標(biāo)識(shí)點(diǎn)的初始三維空間坐標(biāo)記錄為基準(zhǔn)坐標(biāo)；同時(shí)，在氣柜的固定部位安裝一個(gè)雙目立體攝像頭，使其光軸與氣柜活塞的軸線平行，通過雙目立體校準(zhǔn)確定攝像頭的內(nèi)外參數(shù)；使用雙目立體攝像頭同步采集氣柜活塞運(yùn)行過程中左右兩路的連續(xù)圖像，將采集的圖像對(duì)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行立體匹配，通過對(duì)極線約束和相似性度量，在左右視圖中識(shí)別出對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，并利用三角測量原理計(jì)算出每個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)；

49、第二單元，用于將標(biāo)識(shí)點(diǎn)的當(dāng)前三維坐標(biāo)與基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，通過最小二乘法擬合出活塞頂面的空間平面方程，計(jì)算平面法向量相對(duì)于基準(zhǔn)狀態(tài)的歐拉角變化量，得到活塞繞x軸、y軸和z軸的扭轉(zhuǎn)角度；同時(shí)，計(jì)算標(biāo)識(shí)點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)相對(duì)于基準(zhǔn)位置的偏移量，得到活塞在三個(gè)方向上的漂移距離；

50、第三單元，用于將每次測量得到的活塞扭轉(zhuǎn)角度和漂移距離數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存入數(shù)據(jù)庫，利用時(shí)間序列分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立活塞運(yùn)行狀態(tài)的趨勢預(yù)測模型，通過分析活塞扭轉(zhuǎn)和漂移的變化速率、加速度的動(dòng)態(tài)特征，預(yù)判活塞的剩余使用壽命和失效風(fēng)險(xiǎn)；在氣柜的管壁上安裝一系列應(yīng)變片，實(shí)時(shí)測量氣柜在運(yùn)行過程中的應(yīng)力分布和變形情況，將應(yīng)變數(shù)據(jù)與活塞扭轉(zhuǎn)和漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，構(gòu)建氣柜安全狀態(tài)的綜合評(píng)估模型，全面評(píng)估氣柜的健康水平和剩余壽命。

51、本發(fā)明實(shí)施例的第三方面，

52、提供一種電子設(shè)備，包括：

53、處理器；

54、用于存儲(chǔ)處理器可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器；

55、其中，所述處理器被配置為調(diào)用所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的指令，以執(zhí)行前述所述的方法。

56、本發(fā)明實(shí)施例的第四方面，

57、提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序指令，所述計(jì)算機(jī)程序指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)前述所述的方法。

58、通過對(duì)采集的活塞和缸壁標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行立體匹配和三角測量，可以精確重構(gòu)出標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出活塞相對(duì)于缸套的漂移量、偏斜量和扭轉(zhuǎn)角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。該方法通過引入對(duì)極線約束縮小匹配搜索范圍，利用歸一化相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)確評(píng)估匹配點(diǎn)相似性，采用最小二乘優(yōu)化算法對(duì)三角測量方程組求解，在保證精度的同時(shí)提高了測量效率和魯棒性。

59、通過構(gòu)建活塞狀態(tài)參數(shù)的時(shí)序特征數(shù)據(jù)集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立趨勢預(yù)測模型，分析預(yù)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特征和變化趨勢，可以定量評(píng)估往復(fù)壓縮機(jī)活塞的剩余使用壽命和失效風(fēng)險(xiǎn)。