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　　一、引言
　　
　　鍋爐燃燒的基本要求在于建立和保持穩(wěn)定的燃燒火焰，其穩(wěn)定性直接影響到生產(chǎn)的安全，電站鍋爐燃燒管理是整個(gè)電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。因此，鍋爐燃燒診斷具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義，而溫度場的檢測是進(jìn)行燃燒診斷的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，利用彩色CCD攝取的圖像的每一個(gè)像素都是由紅（R），綠（G），藍(lán)（B）三基色組成，由三基色信號(hào)值與單輻射能關(guān)系，在對火焰發(fā)射率模型和CCD光譜特性的一系列簡化和假設(shè)下，采用比色測溫法可得到每個(gè)像素對應(yīng)的溫度，此種測量的結(jié)果存在較大的誤差。
　　
　　傳統(tǒng)的熱電偶測量法只局限于個(gè)別點(diǎn)的測量，無法得到整個(gè)空間溫度場值，僅適用于鍋爐的關(guān)鍵部位監(jiān)測，但它能夠測出局部的真溫值，因此，可結(jié)合彩色CCD攝像機(jī)在此部位攝取圖像，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)得到圖像的三基色信號(hào)值，根據(jù)熱輻射學(xué)和CCD成像理論，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，逼近三基色信號(hào)與溫度的函數(shù)關(guān)系，從而推廣到整個(gè)溫度場的測量。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的火焰溫度測量方法，克服了以上測量過程中的一系列簡化假設(shè)，可較準(zhǔn)確地測量出爐膛火焰的溫度場。
　　
　　二、測量原理
　　
　　彩色CCD把來自景物的入射光分解為不同比例的R、G、B三基色圖案，以形成人眼所能感受到彩色視覺效果，它可以把入射光分解為波長分別為0.7um、0.5461um、0.4358um的紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三色圖像，這樣我們就可以利用圖像處理技術(shù)獲取數(shù)字圖像中任意點(diǎn)在不同波長下的信號(hào)值。
　　
　　根據(jù)熱輻射定律，發(fā)射連續(xù)光譜的物體的熱輻射亮度與它的溫度間的關(guān)系由普朗克輻射公式表達(dá)：
　　
　　Eλ（T）=c1λ-5（ec2/λT-1）-1ελ（1）
　　
　　在鍋爐燃燒火焰輻射的波長范圍0.38um到0.78um及溫度3000K以下時(shí)，c2/λT＞1，因此可由維恩輻射公式表達(dá)：
　　
　　Eλ（T）=c1λ-5exp（-c2/λT）ελ（2）
　　
　　式中，Eλ（T）為燃燒火焰輻射能，ελ為溫度為T時(shí)的光譜發(fā)射率，λ為波長，*輻射常數(shù)c1=3.742×10-16W.m2，第二輻射常數(shù)c2=1.4388×10-2m.k。
　　
　　對于具有任意輻射強(qiáng)度E（λ,T）的彩色光下的色系數(shù)，可利用分布色系數(shù)方程計(jì)算：　　
　　式中r（λ），g（λ），b（λ）分別為分布色系數(shù)。
　　
　　三基色的亮度信號(hào)與對應(yīng)的單色輻射能成正比，即：　　
　　從上式中可以看出，由R，G，B可以惟一地確定火焰的溫度T，可以表示為：
　　
　　T=T（R，G，B）（5）
　　
　　三、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及創(chuàng)建
　　
　　zui關(guān)鍵的問題是如何處理光譜發(fā)射率的值，然而不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，還受狀態(tài)等諸多方面因素影響，一般很難具體確定。在通常的高溫物體溫度場測量中，數(shù)據(jù)的處理于zui小二乘法，通常將發(fā)射率簡化為固定的數(shù)值或模型，才能惟一地確定物體的溫度。而高溫發(fā)光火焰是一種煙粒云的輻射，影響煙粒云發(fā)射率的因素很多，如吸收系數(shù)、火焰的幾何厚度、穩(wěn)定性、波長、溫度等，過于固定發(fā)射率數(shù)值必然導(dǎo)致溫度測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。
　　
　　由（5）式可知，三基色信號(hào)值與目標(biāo)真溫T存在一種非線性映射關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其特色在于信息的分布式存儲(chǔ)和并行協(xié)同處理，具有自學(xué)習(xí)自適應(yīng)功能，可以從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中直接提取隱含的有用信息。理論上已經(jīng)證明三層BP模型可以任意精度逼近任意非線性映射，采用它來解決三基色信號(hào)值與目標(biāo)火焰真溫的非線性映射問題。
　　
　　這里BP網(wǎng)絡(luò)采用3層結(jié)構(gòu)，中間包含一層隱層，三輸入一輸出的BP網(wǎng)絡(luò)模型。三基色信號(hào)值R，G，B作為網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn)，單項(xiàng)輸出，輸出為需要得到的溫度值T，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)可以先確定幾個(gè)值，然后通過數(shù)據(jù)樣本訓(xùn)練進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸入層和隱含層激活函數(shù)取非對稱性Sigmoid函數(shù)，輸出層輸出函數(shù)取線性傳遞函數(shù)purelin。
　　
　　數(shù)據(jù)在輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，要進(jìn)行歸一處理，訓(xùn)練樣本的量綱不同，數(shù)值差別也很大，因此必須進(jìn)行歸一化處理將訓(xùn)練數(shù)據(jù)標(biāo)度到[0,1]之間。進(jìn)行預(yù)測的樣本數(shù)據(jù)在進(jìn)行仿真前，必須用tramnmx函數(shù)進(jìn)行事先歸一化處理，然后才能用于預(yù)測，zui后仿真結(jié)果要用postmnmx進(jìn)行反歸一化，才能得到需要的數(shù)據(jù)結(jié)果。
　　
　　四、仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
　　
　　通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以訓(xùn)練發(fā)射率樣本，本文采用如圖1所示的A、B、C、D、E五類發(fā)射率樣本圖。　　
　　由彩色CCD攝像機(jī)攝取的圖像中得到連續(xù)時(shí)刻某部位的三色值，熱電偶測溫得到該部位對應(yīng)時(shí)刻的不同溫度。幾個(gè)溫度點(diǎn)分別取五類發(fā)射率模型A、B、C、D、E，如圖1所示，每類包括5種發(fā)射率樣本值，有效波長分別為0.7um（R）、0.5461um（G）、0.4358um（B）。在每個(gè)溫度點(diǎn)上采用五類發(fā)射率樣本，每類5種，如表1列出部分發(fā)射率訓(xùn)練樣本。則發(fā)射率樣本為（5×5=25）種，網(wǎng)絡(luò)采用三層BP網(wǎng)，輸入數(shù)據(jù)須全部歸一化處理，結(jié)果反歸一化得出。　　
　　對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，選取5組溫度下的三基色信號(hào)值作為訓(xùn)練樣本。學(xué)習(xí)目標(biāo)函數(shù)為，其中N為訓(xùn)練樣本總數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中同時(shí)調(diào)整動(dòng)量系數(shù)和學(xué)習(xí)率，以期達(dá)到較快的收斂速度。這里動(dòng)量系數(shù)為0.9，學(xué)習(xí)目標(biāo)函數(shù)誤差定為0.01，根據(jù)誤差值大小zui后確定隱含層節(jié)點(diǎn)為10。
　　
　　經(jīng)過60次學(xué)習(xí)訓(xùn)練，達(dá)到目標(biāo)誤差，網(wǎng)絡(luò)收斂，訓(xùn)練結(jié)束。表2列出訓(xùn)練后溫度計(jì)算結(jié)果，表3列出未經(jīng)訓(xùn)練的溫度計(jì)算結(jié)果。　　
　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，對訓(xùn)練過的發(fā)射率樣本，真實(shí)溫度的識(shí)別誤差大部分在30k以內(nèi)，而對于未訓(xùn)練過的發(fā)射率樣本，真實(shí)溫度的識(shí)別誤差大部分在50k以內(nèi)。如果用更多的發(fā)射率樣本和輸入輸出樣本，將更好地解決鍋爐溫度測量問題。
　　
　　五、結(jié)論
　　
　　本文就鍋爐溫度的傳統(tǒng)測量所帶來的一些問題和誤差上，提出了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在爐膛溫度測量中數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，結(jié)合彩色CCD圖像提取的三基色信號(hào)值作為輸入樣本和熱電偶測出的溫度值作為輸出樣本，創(chuàng)建BP網(wǎng)絡(luò)模型，對其進(jìn)行訓(xùn)練。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用消除了多光譜輻射數(shù)據(jù)處理時(shí)受發(fā)射率假設(shè)模型的影響，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線測量鍋爐溫度的目的。研究結(jié)果表明，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測量鍋爐溫度，方法簡捷，工程上具有較高的應(yīng)用價(jià)值。