基于人工智能技术的智能金相碳化物检测系统
河钢数字自主研发的基于人工智能技术的智能金相碳化物检测系统于2023年11月在河钢集团石钢公司上线试运行，2024年4月1日正式运行。通过金相智能检测系统的使用，实现了石钢公司金相检测从人工检测到智能检测的突破，有效消除了人工图像采集速度慢，采样区域不全面、偶然性大的问题，并且采用自动化采集方案极大的提高了现场的生产作业效率。全面提升金相检测的管理水平，实现标准可查、过程可溯、结果可量化的线上检测模式。
目前，钢铁行业中的碳化物金相检测手段主要为人工检测，参照专业知识和金相图谱、以及相关检测标准等给出检测结果。分析工作需要专业性较强的技术人员,且分析过程中常带有技术人员主观性，检测过程中存在检测场景多样、检测标准不统一、数据不足和采集困难等问题，仅靠人眼测定多个视场,不仅效率较低,而且容易造成视觉疲劳误差。目前国内尚未出现成熟的基于深度学习的金相检测系统，金相碳化物智能检测市场目前仍处于空白。由于本系统效果显著，在钢铁企业以及上下游企业中具有明显的示范作用及推广前景。
一、实施背景
金相碳化物检测是钢铁行业生产过程中的一项重要指标，现阶段国内外钢铁行业中的碳化物不均匀度金相检测手段主要为人工检测，即需要检测人员在显微镜下对钢材样本的视场进行人眼观察，参照专业知识和金相图谱、以及相关检测标准等给出检测结果。传统的金相分析工作需要专业性较强的技术人员,而且分析过程中常带有技术人员主观性，并且仅靠人眼测定多个视场,难以实现样块表面的全覆盖检测，不仅效率较低,而且容易造成视觉疲劳误差。金相检测主要是通过采用定量金相学原理，运用二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。在人们主观意识的基础上对于金属内部结构的研究与分析，针对其金属以及合金进行成分的检验及性能的分析，并根据材料的特性进行相互之间的对比与规律性的研究，从而得知材料间的共性特点以及特殊性能。
基于人工智能技术的智能金相碳化物检测系统，是基于机器视觉的智能检测方案，系统采用了自动化显微镜采集装置。拟实现自动的、快速的、100%覆盖率的金相图像采集，解决人工图像采集速度慢，采样区域不全面、偶然性大的问题。另外，基于神经网络的算法模型可实现自动的碳化物不均匀度分级判定，实现采集过程中实时检测、定级，极大地提升检测效率，缩小人工成本，并且使用客观的检测标准对碳化物不均匀度分析和定级，避免检测人员的主观性误差。最终快速给出准确、稳定的碳化物检测结果。
二、实施目标
本项目的目标是通过自动化、智能化技术提升检测的准确性和效率，具体目标如下：
（1）智能金相检测系统研发期间共投入预计120万元，系统落地河钢石钢公司后，在检测效率、产品质量提升、人工成本节约等方面效益目标600万元。
（2）带动行业发展，本项目是国内金相碳化物检测行业首套集显微镜图像采集、碳化物定位、图像实时拼接的全覆盖式监测系统，以此项目成果为基础，可打破金相检测行业一直以来过于依赖人工的工作模式，为行业发展开启新赛道，作为业内突破性进展，引导行业积极发展。
（3）取得5项发明专利，国内外核心期刊发表先进水平论文3篇，发布团体标准1项，保证系统搭建在技术上的先进性。
三、建设内容
基于人工智能技术的智能金相碳化物检测系统包括基于国产倒立式工业显微镜改造的金相自动化采集显微镜，通过自动化载物台和自动化对焦、智能采集算法、智能拼接算法，实现样块的自动化图像采集以及图像的高还原拼接，解决人工图像采集速度慢，采样区域不全面、偶然性大的问题；通过人工智能对自动化显微镜采集的图像实时检测，对每个采集视场进行碳化物带状分析，对缺陷边界智能判断，快速完成在全视场图像的缺陷定位，从而完成对图像的切割，为样块整体判级算法提供依据，提高整体判级效率；对定位算法确定的包含碳化物的区域图像进行分类，判断该区域碳化物的等级，基于深度学习的缺陷判级算法能在系统使用过程中不断完善自身的算法逻辑，不断提高判级准确率。
该系统将通过先进的图像处理和机器学习技术，实现对碳化物微观结构的自动检测与分析，以提升检测的效率和准确性。项目的主要研发内容涵盖以下几个关键点：
（1）系统开发与集成：开发一套完整的轴承钢带状碳化物智能检测分析判定系统。该系统将涵盖非标准化硬件的设计制造、配套软件开发、原型机的制作与测试，以及算法和模型的构建。系统将在实际工业环境中进行试运行，以验证其性能和可靠性。
（2）自动化改造与数据采集：对现有的工业显微镜进行自动化改造，包括自动化视场切换和工业摄像机的自动对焦功能，以实现碳化物金相图像的自动采集。改造后的系统将能够构建一个全面的数据集，为后续的算法训练和系统优化提供数据支持。
（3）自动分级判别与分析：研发高效的算法，对带状碳化物不均匀度进行自动化的分级判别和分析。该算法将致力于达到高准确性、高稳定性，并具备高实用性，以适应快节奏的工业生产环境。
（4）标准化管理与质量控制：依据国家标准，项目将建立一套碳化物不均匀度的标准化管理体系。通过打造统一的检测标准，系统将有助于提升产品质量控制的一致性和可信度。
（5）云端管理与数据服务：构建一个云端管理系统，用于碳化物不均匀度检测数据的存储、管理和分析。该系统将支持客户根据需求对检测图片和结果进行回溯、查看和深入分析，提供定制化的数据服务。
图1智能金相检测系统架构图
图2系统实时检测图
四、实施效果
经过在河钢石钢实施以及应用，基于人工智能技术的智能金相碳化物检测系统，基于机器视觉的智能检测方案，系统采用了自动化显微镜采集装置。可以实现自动的、快速的、100%覆盖率的金相图像采集，解决了人工图像采集速度慢，采样区域不全面、偶然性大的问题。另外，基于神经网络的算法模型实现自动的碳化物不均匀度分级判定，实现采集过程中实时检测、定级，极大地提升了检测效率，缩小了人工成本，并且使用客观的检测标准对碳化物不均匀度分析和定级，该系统带状碳化物查全率99%，带状碳化物判级准确率90%，1个等级误差内准确率99%，100%全流程回溯能力，提高了准确率，能够快速给出准确、稳定的碳化物检测结果。
目前该系统已经在河钢集团子公司上线运行，通过智能识别技术、模型算法深度学习判断实现金相碳化物检测判级，解决了人工图像采集速度慢，采样区域不全面、偶然性大的问题。经验证，该系统替代人工后提高检测效率20%，检测覆盖率达到100%，降低漏检率、误检率14%，综合每年创效预计600万元。