一种基于计算机视觉的船舶主机气缸润滑优化调节方法

技术领域

本发明涉及船舶动力系统技术领域，特别涉及一种基于计算机视觉的船舶主机气缸润滑优化调节方法。

背景技术

摩擦/磨损与润滑是机械运动的基础和关键技术，相关研究多集中在摩擦机理、磨损分析、润滑油及其质量检测、故障诊断等领域。船舶低速机气缸润滑的研究多是被动的、事后的，缺少气缸润滑过程优化控制技术和方法。

船舶主机为低速二冲程柴油机，其气缸润滑是轮机管理的难点和重点，气缸润滑过程管理水平决定了低速柴油机寿命的关键因素之一，其管理不当经常发生拉缸现象，影响船舶营运与安全。而决定气缸润滑质量优劣的关键因素是气缸油碱值和注油率，目前没有可量化的、固定规律遵循的经验或标准来控制气缸润滑质量，多是些气缸润滑过程管理的经验性描述和注油率凭人工经验试探性调节，缺少气缸润滑计算机视觉先进技术的应用研究。

船舶轮机员流动性大，在一艘船上工作时间10个月左右，交接班中对本轮主机气缸润滑的经验难以有效传授给接班轮机员，其再上另一艘船工作时会利用其他船的工作经验，出现失误的概率较大，同时又需要重新摸索新上船的气缸润滑优化调节方法。特别地，船舶燃烧的燃油因不同产地、不同供油商出现了燃油质量不可控、成分复杂，主机所烧燃油改变，气缸润滑需要重新调节；另一方面，海况及船舶工况多变造成燃烧不稳定，气缸润滑需要及时调节，这都对气缸润滑油碱值-注油率优化调节提出了挑战。

因此，利用计算机视觉开发气缸润滑扫气道图像分析技术代替人眼对气缸润滑质量的分类识别和等级评定应用于气缸注油率调节，解决气缸润滑优化管理的难题具有重要意义和推广应用价值，填补轮机管理领域上的空白。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明基于计算机视觉的气缸润滑调节可防止缸套过度磨损，解决轮机员经验不足的问题，填补轮机管理领域上的空白。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于计算机视觉的船舶主机气缸润滑优化调节方法，包括：

(1)建立船舶主机润滑数据库，包括出厂台架气缸的气缸润滑图像集、气缸润滑油数据和扫气道残油数据，以及前期运行中采集的历史气缸的气缸润滑图像集、气缸润滑油数据和扫气道残油数据；

(2)实时采集当前气缸的气缸润滑图像集、气缸润滑油数据和扫气道残油数据，并对所述当前气缸的气缸润滑图像集进行预处理；

(3)将预处理后的所述当前气缸的气缸润滑图像集进行图像分割及聚类分析，对比所述船舶主机润滑数据库得到结碳、脏污、划痕、磨损程度的特征识别结果；

(4)针对所述特征识别结果进行气缸润滑质量评估得到评估等级，并根据所述评估等级进行气缸润滑优化调节。

进一步的，所述步骤2中的将所述当前气缸的气缸润滑图像集进行预处理包括：

图像校正：对所述当前气缸的气缸润滑图像集中图像进行区域定位并提取图像特征信息，利用Hough变换进行直线测量、计算倾角，然后进行图像旋转得到图像校正结果；

图像平滑滤波：基于形态学的权重自适应图像去噪法，减少图像噪声和图像采集过程中随机噪声，采用中值滤波法，将像素邻域的灰度值排序后取中位数值为中心像素的新灰度值，使邻域内亮度值突变像素出现在序列的首或尾，中值滤波算法将其消除；

图像灰度化：基于直方图优化的图像去雾技术，采用加权平均值法对原RGB图像进行灰度化处理得到最适合观察的灰度图像；

图像二值化：设置将目标和背景分开的灰度值阈值Γ，当像素点灰度值＜Γ时，该点颜色值为0，否则为1。

进一步的，所述步骤3中特征识别方法包括：

(3.1)将预处理后的所述当前气缸的气缸润滑图像集进行归一化处理，得到待检测识别图像集；

(3.2)基于阈值分割、分水岭分割法将所述待检测识别图像集分成各具特性区域并提取出感兴趣的目标，包括：白色积碳、黑色积碳及划痕，获得图像分割结果；

(3.3)采用K-means均值法对所述待检测识别图像集进行聚类分析，所述K-means聚类算法在每次迭代中对分类是否正确进行判断、调整、修改聚类中心，进入下一次迭代，直至满足评价聚类性能的误差平方和准则函数为局部最小，得到聚类分析结果；

(3.4)将所述图像分割结果及所述聚类分析结果，与所述出厂台架气缸的气缸润滑图像集进行比较，得到被检测图像的结碳、脏污、划痕、磨损程度的特征识别结果；与所述历史气缸的气缸润滑图像集进行图像对比后选择最接近的所述历史气缸的气缸润滑图像集对应的气缸润滑油数据和扫气道残油数据作为参考值。

进一步的，所述气缸润滑图像集包括缸套内表面、活塞头区域、活塞头侧部、活塞环区域4类图像；

所述气缸润滑油数据包括气缸润滑油的碱值和注油率；

所述扫气道残油数据包括扫气道残油的残碱值和含铁量。

进一步的，所述评估等级分3级：

Ⅰ级：缸套内表面没有划痕，活塞头顶部、活塞头侧部或活塞环区域第一道环周围，这四个部位都会出现白色沉积物，表明所述当前气缸的气缸润滑油的注油率过大或者所述当前气缸的气缸润滑油的碱值过高；

Ⅱ级：缸套内表面没有划痕，活塞头顶部、活塞头侧部或活塞环区域的第一道环槽周围，这四个部位都会出现黑色积碳，表明所述当前气缸的气缸润滑油的注油率过少或者所述当前气缸的气缸润滑油的碱值过低；

Ⅲ级：缸套内表面存在划痕或/和活塞环表面存在麻点、剥落、凹坑，表明所述当前气缸的气缸润滑油的注油率过少，产生干摩擦；缸套内表面存在划痕且缸套内表面泛红色，活塞头顶部沉积物泛红色，或活塞环表面划痕，表明气缸润滑过量、所述当前气缸的气缸润滑油的碱值太高，产生磨料磨损。

进一步的，所述气缸润滑优化调节方法包括：

(4.1)Ⅰ级气缸润滑优化的调节方法

(4.1.1)若所述当前气缸的气缸润滑油的碱值小于BN1，所述当前气缸的气缸润滑油的注油率超过δ1，则逐步减小所述当前气缸的气缸润滑油的注油率直至其降到δ2范围内；每次以气缸注油率调节幅度μ1减小所述当前气缸的气缸润滑油的注油率后应保持连续运行N1天后停车检查，直至白色沉淀物最终消除；

(4.1.2)若所述当前气缸的气缸润滑油的碱值高于BN2，则更换碱值小的BN3气缸油，连续运行N1天后停车检查，若白色沉积物仍存在，则逐步减小所述当前气缸的气缸润滑油的注油率直至其降到δ3范围内，每次以气缸注油率调节幅度μ1减小所述当前气缸的气缸润滑油的注油率后，应保持连续运行N1天后停车检查，直至白色沉积物最终消除；

(4.2)Ⅱ级气缸润滑优化调节方法

若所述当前气缸的气缸润滑油的注油率低于δ4，则逐步增大所述当前气缸的气缸润滑油的注油率直至活塞环上部区域内黑色积碳消除；每次以注油率调节幅度μ1增大后应保持连续运行N2天停车检查；若所述当前气缸的气缸润滑油的注油率增大到δ5，黑色积碳仍未消除，则更换为碱值为BN2的气缸油并连续运行N1天停车检查，若检查结果确认黑色积碳趋势减少，则继续使用高碱值气缸油；若检查发现黑色积碳消失或出现轻微白色积碳，则改为低碱值BN3的气缸润滑油；若检查结果黑色积碳继续存在并有增多发展的趋势，则应更换该缸的燃油喷油器并跟踪检查；

(4.3)Ⅲ级气缸润滑优化调节方法

Ⅲ级表明缸套发生过度磨损事故，应立即停机并进行吊缸检查测量；若主机缸套磨损率超过极限值M，且缸套磨损量超过极限值K，则更换新缸套，若缸套磨损量没有超过极限值K，则减小所述当前气缸的气缸润滑油碱值，即选择碱值小的BN4气缸油；同时增大所述当前气缸的气缸润滑油的注油率直至硬接触痕迹消除，每次气缸注油率调节幅度μ2增大后应保持连续运行N1天停车检查；若过度磨损现象消除后，则应逐步减少所述当前气缸的气缸润滑油的注油率至δ6，每次气缸注油率调节幅度μ2降低后应保持连续运行N1天停车打开扫气箱检查；若所述当前气缸的气缸润滑油的注油率增大达到δ5限制值硬接触痕迹仍未消除，则需要加强燃油过滤或更换燃油，重新进行缸套测量后确认是否需要更换新缸套。

进一步的，δ1＝1.1g/kwh，δ2＝0.9～1.05g/kwh，δ3＝1.0g/kwh，δ4＝0.9g/kwh，δ5＝1.2g/kwh，δ6＝0.9～1.1g/kwh，μ1＝0.05/kwh/次，μ2＝0.2/kwh/次，N1＝3，N2＝2，M＝0.1mm/1000h，K＝4/1000缸径，BN1＝BN70，BN2＝BN70～BN100，BN3＝BN40～BN70，BN4＝BN40。

进一步的，所述各等级气缸润滑优化调节过程中，还需要多次检测所述当前气缸的扫气道残油的残碱值和含铁量进行优化调节方向的判断；

若所述扫气道残油的含铁量呈下降趋势，表明气缸磨损减小；若所述扫气道残油的含铁量≥70ppm而不能降低，则需要停止调整，检查燃油系统，燃油成分中的颗粒物是否超标，主机油头是否雾化不良；

若所述扫气道残油的残碱值<25％所述气缸润滑油的碱值，则需要选择所述气缸润滑油的碱值大一号的气缸油。

本发明的有益效果：

(1)利用计算机视觉技术定量化处理通过扫气道检查的缸套内表面、活塞头顶部、活塞头侧部、活塞环区域脏污程度的像素值，综合历史数据分析，得到评估等级，克服人工观察凭经验定性描述的不足和失误。

(2)建立船舶主机气缸润滑特征模型，建立了主机类型、台架实验数据、试航数据、运行数据、检查结果数据等数据库，主机运行前起动备车程序，将本次运行数据与历史数据多角度比较分析，提供本次主机运行需选择气缸润滑参考值(注油率和碱值)，克服了轮机员凭经验选择的不准确性、可靠性低的难题。

(3)主机正常运转期间，执行气缸润滑最优调节程序，使扫气道残油含铁量往最小的方向趋势发展，克服燃油不稳定影响，这样实现了主机缸套磨损最小的目标。主机运行中通过扫气道残油检测发现气缸润滑异常问题，立即执行气缸润滑优化调节程序，分析本次气缸润滑数据及缸内图像处理，调用历史数据和图像集进行比对分析，得出本次调节气缸润滑的参考数据和调节方向，调节过程中反馈扫气道残油含铁量发展趋势应该为减小的方向，克服了目前需要轮机员试探性整定气缸注油率大小、失误较高的难题。

附图说明

图1是本发明实施例基于计算机视觉的船舶主机气缸润滑优化调节方法的流程示意图。

图2是本发明实施例气缸润滑优化的过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。

当前的船舶低速机气缸润滑控制系统不能根据气缸润滑状况调节气缸注油率，气缸润滑状况需要轮机员停车、打开扫气道进行缸套内和活塞头拍照、观察，评估缸套内表面、活塞头顶部、活塞头侧部和活塞环区域的图像，结合轮机员的管理经验，然后手动整定气缸注油率，该过程繁琐、效率低、误差大、轮机员的工作经验影响太大，这也是造成船舶主机缸套过度磨损的主要原因。本发明的创新之处是利用计算机视觉学习气缸润滑系统的内部图像，跟历史数据比较分析，评估出气缸润滑状态的量化等级，自动整定气缸注油率，效率高、调节准确度高，具体实施方案如图1所示。

S101、建立船舶主机润滑数据库，包括出厂台架气缸的气缸润滑图像集、气缸润滑油数据和扫气道残油数据，以及前期运行中采集的历史气缸的气缸润滑图像集、气缸润滑油数据和扫气道残油数据；

建立船舶主机润滑数据库，首先确定主机类型为MAN MC或ME、RT-FELX或WinGD及其系列号，主机额定参数，还要包括船舶主机出厂的台架实验数据、新船试航的主机运行数据，这些都是基础和参考数据，作为气缸润滑状态分析的标准。

船舶主机确定后，建立各缸润滑数据库，包括每个缸的图像集：缸套内表面、活塞头、活塞头侧部及其活塞环区域；对应每个缸的背景数据库：气缸油碱值、气缸注油率、扫气道残油碱值、残油含铁量。气缸润滑数据库和背景数据库作为计算机视觉学习参考的标准。

S102、实时采集当前气缸的气缸润滑图像集、气缸润滑油数据和扫气道残油数据，并对所述当前气缸的气缸润滑图像集进行预处理；

采集当前气缸的相关数据，针对气缸润滑图像集进行如下预处理：

①气缸润滑图像校正：因为打开扫气箱检查，轮机员拍摄的检查部位图像位置不固定，需要旋转校正图像，便于检测和识别。扫气箱内部检查所得图像的有效信息位于整幅图像的特定部位，如活塞头顶部靠近油头侧、缸套内表面扫气口附近、活塞环区域、活塞侧面上部区域等等，因此，对这些区域定位提取图像特征信息，可利用Hough(霍夫)变换进行直线测量、计算倾角，然后进行图像旋转得到图像校正结果。

②气缸润滑图像平滑滤波：基于形态学的权重自适应图像去噪法，减少图像噪声和图像采集过程中随机噪声，采用中值滤波法，将像素邻域的灰度值排序后取中位数值为中心像素的新灰度值，使邻域内亮度值突变像素出现在序列的首或尾，中值滤波算法将其消除。

③气缸润滑图像灰度化：基于直方图优化的图像去雾技术，拍摄的彩色图像灰度化，灰度图像也便于存储、加快识别速度，采用加权平均值法对原RGB图像进行灰度化处理，R、G和B的权值系数分别为0.299、0.587和0.114，得到最适合观察的灰度图像。

④气缸润滑图像二值化：图像二值化的关键是阈值选取，灰度图像的灰度值Γ(0≤Γ≤225)二值化，将目标和背景分开的灰度值Γ为阈值。当像素点灰度值＜Γ时，该点颜色值为0，否则为1，只包含黑白色的二值图像，容易区分白色积碳与黑色积碳，得出气缸注油量大或小，碱值高或低的定性描述判别。

S103、将预处理后的所述当前气缸的气缸润滑图像集进行图像分割及聚类分析，对比所述船舶主机润滑数据库得到结碳、脏污、划痕、磨损程度的特征识别结果；

气缸润滑图像的特征区域为缸套内表面、活塞头顶部、活塞头侧面和活塞环区域，这些图像经过归一化处理后，得到待检测识别图像，需要特定区域分割定位、霍夫(Hough)变换，进行目标区域标识。

气缸润滑图像目标检测和识别的基础是图像分割，本发明实施例基于阈值分割、分水岭分割法把活塞、缸套图像分成各具特性区域并提取出轮机员感兴趣的目标(如白色积碳、黑色积碳、划痕等)。

最常用的聚类算法是K-means均值法。K-means聚类算法在每次迭代中每个气缸润滑图像样本分类是否正确需要判断、调整、修改聚类中心，进入下一次迭代，直至满足条件终止。防止重新分配给不同聚类的对象，聚类中心是变化的，评价聚类性能的误差平方和准则函数为局部最小。

将图像分割结果及聚类分析结果，首先与出厂台架气缸的气缸润滑图像集进行比较，得到被检测图像的结碳、脏污、划痕、磨损程度的特征识别结果；再与所有历史气缸的气缸润滑图像集进行图像对比，然后选择其中最接近的历史气缸的气缸润滑图像集对应的气缸润滑油数据和扫气道残油数据作为参考值。

S104、针对所述特征识别结果进行气缸润滑质量评估得到评估等级，并根据所述评估等级进行气缸润滑优化调节。

评估等级分3级，描述如下：

(1)Ⅰ级

缸套内表面没有划痕，活塞头顶部、活塞头侧部或活塞环区域第一道环周围，这四个部位都会出现或多或少的白色沉积物，表明该缸的气缸注油率过大或者气缸油碱值过高。

(2)Ⅱ级

缸套内表面没有划痕，活塞头顶部、活塞头侧部或活塞环区域的第一道环槽周围，这四个部位都会出现或多或少的黑色积碳，表明该缸气缸注油率过少或者气缸油碱值过低。

(3)Ⅲ级

缸套内表面存在划痕或/和活塞环表面存在麻点、剥落、凹坑，表明该缸的气缸注油率过少，产生干摩擦。缸套内表面存在划痕且缸套内表面泛红色，活塞头顶部沉积物泛红色，或/和活赛环表面划痕，表明气缸润滑过量、气缸油碱值太高，产生磨料磨损。

根据被检测图像的结碳、脏污、划痕、磨损程度的特征识别结果，选择其对应的评估等级，然后按照对应的等级进行如下调节。

优化调节方法如下：

(1)Ⅰ级气缸润滑优化调节方法

①若气缸注油率较高(超过1.1g/kwh)，应以0.05g/kwh/次幅度逐步减小气缸注油率到0.9g/kwh～1.05g/kwh范围内，每次减小后均需要保持运行3天左右停车检查，直至白色沉淀物最终消除。

②若主机正在使用高碱值气缸油(BN70～BN100)，则应尽快更换为低碱值气缸油(BN40～BN70)，连续运行3天左右后停车检查，若使用低碱值气缸油后白色沉积物仍存在，则应以0.05g/kwh/次幅度逐步减小气缸注油率到1.0g/kwh左右，每次减小后均需要保持运行3天左右停车检查，直至白色沉积物最终消除。

(2)Ⅱ级气缸润滑优化调节方法

若气缸注油率较低(低于0.9g/kwh)，则应逐步提高气缸注油率，每次提高0.05g/kwh/次并保持连续运行2天后停车检查，直至活塞环上部10CM左右区域内黑色积碳消除。若注油率增大到1.2g/kwh，黑色积碳仍未消除，则更换碱值为BN70～BN100的气缸油并连续运行3天停车检查，若检查结果确认黑色积碳趋势减少，则继续使用高碱值气缸油；若检查发现黑色积碳消失或出现轻微白色积碳，则改为低碱值BN40～BN70的气缸润滑油；若检查结果黑色积碳继续存在并有发展的趋势，则应更换该缸的燃油喷油器并跟踪检查。

(3)Ⅲ级气缸润滑优化调节方法

Ⅲ级表明缸套发生过度磨损事故，应立即停机并进行吊缸检查测量，若主机缸套磨损量超过极限值0.1mm/1000h，表明过度磨损已经发生了，检测发现缸套磨损量超过4/1000缸径，则换新缸套。若缸套磨损量没有超过极限值4/1000缸径，缸套、活塞环存在磨痕，则减小气缸润滑油碱值，即选择碱值小的BN40气缸油，同时应尽快逐步增大气缸油注油率直至硬接触痕迹消除，每次注油率增加量为0.2g/kwh/次，且需要运行3天后停车检查状态。若过度磨损现象消除后，则应逐步减少气缸注油率回至0.9～1.1g/kwh，每次降低0.2g/kwh后应保持连续运行3天停车，打开扫气箱检查。若气缸油注油率达到1.2g/kwh硬接触痕迹仍未消除，表明所烧燃油质量太差，燃油中催化剂颗粒物超标，需要加强燃油过滤或更换燃油；重新进行缸套测量后确认是否需要更换新缸套。

吊缸检修、换新缸套后，应将该缸的燃油喷油器全部更换并按照主机厂家要求的磨合程序对该缸进行磨合。

Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级优化过程中，需要频繁检测扫气道残油值，重点关注残油含铁量往减小方向趋势发展，表明气缸润滑的优化方向是正确的。

若扫气道残油的含铁量呈下降趋势，表明气缸磨损减小；若所述扫气道残油的含铁量≥70ppm而不能降低，则需要停止调整，检查燃油系统，燃油成分中的颗粒物是否超标，主机油头是否雾化不良；

若残油碱值<25％气缸油碱值，则选择气缸油大一号的碱值。

气缸润滑优化目标：优化控制扫气道残油的含铁量最小，最佳为扫气道残油含铁量不超过40PPM，残油碱值不低于所用气缸油碱值的25％，这样磨损小、无腐蚀、不结碳。

船舶主机气缸润滑是复杂的、不确定性的难题，目前全靠轮机员的工作经验进行管理，许多影响因素靠轮机员经验难以综合分析，本发明的基于计算机视觉的气缸润滑优化策略，可将历史数据、专家经验、检查结果等综合学习与分析，获得最优的气缸润滑调节方法，提高效率、降低失误。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。