陳 皓,陳炯聰,胡亞平,高 雅,曾憲立

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東省智能電網(wǎng)新技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，510080；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，510080）

0 引言

在電力系統(tǒng)的變電站中，儀表被普遍使用且在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行中發(fā)揮重要作用，其中不乏有數(shù)量頗多的指針式儀表，而指針式儀表讀數(shù)的遠(yuǎn)程采集一直未能有較為全面的辦法。視頻識別技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、交通管理等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，利用視頻對指針式儀表進(jìn)行自動讀數(shù)在電力系統(tǒng)中也自然成為一種重要的應(yīng)用方向。

現(xiàn)有的技術(shù)主要有一種基于物體輪廓的儀表監(jiān)測方法、一種基于刻度查詢表的指針式儀表讀數(shù)方法等。前一種方法的基本方案是總控制端計算機(jī)基于存有物體輪廓的圓/橢圓/矩形搜索、檢測算法的遠(yuǎn)程表檢測/讀取模塊，通過無線局域網(wǎng)控制變電站中的巡檢機(jī)器人，按照預(yù)先設(shè)定的巡檢路線，在設(shè)定的搜索空間范圍內(nèi)通過搜索子程序鎖定儀表的空間位置，然后利用可見光攝像頭獲取儀表幾何圖像，通過無線局域網(wǎng)發(fā)回總控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。該方法需要精確地控制巡檢機(jī)器人的準(zhǔn)確定位，以保證圖像采集的準(zhǔn)確性，對表盤的尋找不具有魯棒性。后一種方法通過建立不同儀表的刻度查詢表，形成數(shù)據(jù)庫；采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對其進(jìn)行預(yù)處理，以提取儀表表盤的有效識別區(qū)域；從儀表表盤有效識別區(qū)域中，利用指針和刻度線筆劃特征，提取儀表的指針和刻度線；根據(jù)提取的指針和刻度線，將提取的刻度線與刻度查詢表數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的刻度查詢表進(jìn)行匹配，進(jìn)行讀數(shù)自動識別。該方法相對于前一種方法有一定的改進(jìn)，但這種方法只能適應(yīng)于固定監(jiān)控點(diǎn)，對表盤的尋找不具有魯棒性，尤其是要建立繁瑣的數(shù)據(jù)庫，前期工作量非常大。

針對現(xiàn)有方法存在的不足之處，本論文提供了一種適應(yīng)能力更好的指針式儀表的讀數(shù)方法。相比現(xiàn)有的方法，本文的自動讀數(shù)方法有了明顯的改進(jìn)：（1）該方法只需粗略標(biāo)定表盤區(qū)域，就能快速準(zhǔn)確的檢測多個指針目標(biāo)，無需任何預(yù)估計處理（如指針表盤的顏色，位置等），準(zhǔn)確率高。（2）按照給定的標(biāo)定方法，可以形成通用的表盤刻度檢測，無需建立儀表刻度數(shù)據(jù)庫。（3）對環(huán)境變化不敏感、魯棒性更好。（4）內(nèi)部參數(shù)設(shè)置較少，通用性更強(qiáng)。本文提出的技術(shù)將主要應(yīng)用于廣東電網(wǎng)公司管轄的變電站，目前在這些變電站中對儀器儀表（特指普通指針式儀表）的讀數(shù)仍采用人工目測的方法。由于受每個讀表人員讀數(shù)方法及工作質(zhì)量的不同，對于讀數(shù)的結(jié)果均會有一定的影響，很難保證讀數(shù)的精確度。在變電站推廣應(yīng)用自動讀數(shù)技術(shù)以后，能進(jìn)一步提高變電站在無人值守改造以后的自動化程度和運(yùn)行安全性，繼而為打造堅強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)揮實(shí)效。

1 本文改進(jìn)的指針式儀表讀數(shù)方法

針對現(xiàn)有方法在指針式儀表讀數(shù)上的不足，本文提出了一種新的讀數(shù)方法，并將該方法成功應(yīng)用于圓形表盤和方形表盤的讀數(shù)中，具體方法如下所述。

1.1 標(biāo)定有效的表盤區(qū)域

（1-1）圓形表盤標(biāo)注出起始刻度點(diǎn)，終止刻度點(diǎn)，校正點(diǎn)位置，并輸入起始位置值numb、終止位置刻度值nume、校正點(diǎn)的刻度值adjust，記錄以上所有標(biāo)定和輸入的數(shù)據(jù)。

（1-2）校正圓心的位置，并記錄下來，如圖1所示。

如圖1所示，計算起始刻度點(diǎn)和終止刻度點(diǎn)的中垂線，然后通過校正點(diǎn)的位置和刻度值，在中垂線上與有效的表盤區(qū)域上計算圓心的位置。

1.2 讀取表盤讀數(shù)

（2-1）在有效的表盤區(qū)域內(nèi)檢測所有的線段,如圖2所示。

圖2所示為線段檢測算法的實(shí)現(xiàn)框圖，具體操作步驟如下：

（a）對表盤區(qū)域進(jìn)行高斯平滑，得到平滑圖像。

（b）按以下公式計算平滑圖像的梯度和邊緣線角度。

（c）建立搜索列表，將每個點(diǎn)的梯度幅值按從大到小的順序?qū)⒋它c(diǎn)的位置坐標(biāo)投放到對應(yīng)的BIN中。

圖2 線段檢測算法

其中q(2)是像素量化精度，τ(22.5)表示邊緣相似角度精度

（e）按搜索列表中的像素開始搜索，搜索規(guī)則：在BIN中從最大的梯度值開始，且標(biāo)志為未使用。

第一步：將像素P置為種子像素，區(qū)域生長，生長規(guī)則有：具有相似的邊緣線角度，即邊緣角度在[Pma-τ,Pma+τ]；k(8)鄰域生長；設(shè)置生長成功的像素為已使用。

第二步：按以下公式計算生長成的矩形區(qū)域的中心和主方向矩形中心：

其中j在矩形區(qū)域內(nèi)變化。

矩形的主方向：構(gòu)建特征矩陣

計算其特征向量作為其矩形的主方向。

第三步：計算矩形塊邊緣角度的密度，如果密度大于閾值D(0.7)，則修剪矩形區(qū)域，重復(fù)計算邊緣角度密度。

密度計算公式：

其中k表示矩形區(qū)域內(nèi)邊緣角度與矩形區(qū)域主方向相等的個數(shù)，area(rect)表示矩形區(qū)域的面積。

第四步：計算矩形塊中邊緣角度的誤報率作為驗(yàn)證公式

其中

第五步：如果誤報率大于閾值e(1)，則修剪矩形區(qū)域，否則，將該矩形線段加入輸出隊列。

（2-2）設(shè)置規(guī)則參數(shù)，對檢測后的線段進(jìn)行規(guī)則化挑選，過濾出儀表指針線段。

（a）圓形表盤指針過濾規(guī)則

規(guī)則一：指針線段斜率角保持在兩端點(diǎn)與圓心的斜率角之間

kp∈[kbegin-epsc，kend + epsc]，epsc(5° )

規(guī)則二：指針線段的長度必須大于半徑r的ratios(0.3)，即：

（b）方形表盤指針過濾規(guī)則

指針線段斜率角度保持在豎直方向上kp∈[90-epsr，90 + epsr]，epsr(5° )

（2-3）判斷表盤類型并采用相應(yīng)的算法對儀表進(jìn)行處理。

（a）圓形表盤

先對規(guī)則化后的指針線段做合并處理。對于任意兩條直線，當(dāng)斜率角度kp1-kp2 ∈[-eps,+eps]，則兩條直線合并，Eps為8°；然后通過角度判別法讀取指針?biāo)鶎?yīng)的讀數(shù)。假設(shè)起始刻度位置與圓心形成線段的斜率角度θb，終止刻度位置與圓心形成線段的斜率角度θe，指針線段的角度θp，通過以下公式計算出指針?biāo)赶虻目潭取?/p>

（b）方形表盤

先對規(guī)則化的指針線段做投影處理，尋找表盤刻度區(qū)域。將指針線段投影到y(tǒng)軸方向上，尋找投影數(shù)組上的最大值，并上下擴(kuò)散尋找表盤區(qū)域的邊界；然后通過表盤區(qū)域?qū)ふ业街羔槄^(qū)域。通過表盤區(qū)域邊界參數(shù)，向下平移找到儀表的指針區(qū)域；接著對指針區(qū)域做二值化處理，通過投影法找到指針的位置，對指針區(qū)域使用otsu算法對其二值化，然后投影到x軸上，通過極值法尋找x方向上指針的位置。最后通過距離判別法讀取指針?biāo)鶎?yīng)的讀數(shù)。假設(shè)起始位置xbegin，刻度值numb，終止位置xend，刻度值nume，指針位置xcur，通過以下公式計算出指針?biāo)赶虻目潭取?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)在matlab平臺下仿真實(shí)現(xiàn)，同時在simulink下建立模型進(jìn)行深入研究。針對晴天和陰天兩種環(huán)境下，分別對量程為0.2MP的圓形壓力表和量程為2kA的方形開關(guān)柜儀表抽取六個樣本做實(shí)驗(yàn)，并將本文方法與基于物體輪廓的方法和基于刻度查詢表的方法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

第一種情況：晴天

表1 圓形壓力表測試數(shù)據(jù)對比

表2 方形開關(guān)柜儀表測試數(shù)據(jù)對比

第二種情況：陰天

表3 圓形壓力表測試數(shù)據(jù)對比

表4 方形開關(guān)柜儀表測試數(shù)據(jù)對比

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本文的方法具有比基于輪廓的方法和基于刻度的方法更好的性能。表1和表3是不同環(huán)境下圓形表盤數(shù)據(jù)的測試結(jié)果，從表中不難發(fā)現(xiàn)，本文方法的平均偏差：晴天為0.1667KPa，陰天為0.2333KPa，明顯地小于其它兩種方法在相同環(huán)境下的平均偏差。表2和表4是方形表盤數(shù)據(jù)的測試結(jié)果，同樣，相同環(huán)境下本文方法的平均偏差也要明顯地小于其它兩種方法的平均偏差。綜上，不管是圓形表盤還是方形表盤，本文的方法都要優(yōu)于其它兩種方法，除此之外，算法在晴天測試的結(jié)果優(yōu)于陰天測試的結(jié)果，從表中觀察到三種方法在陰天的平均偏差都有增大的趨勢，然而，相比而言，本文的方法具有最小的偏差，進(jìn)一步說明本文方法具有更高的精確性和更好的魯棒性。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新的指針式儀表識別讀數(shù)方法，相比于現(xiàn)存的方法，該方法能夠自動適應(yīng)各種表盤的物理輪廓并采用相應(yīng)的算法，對指針的當(dāng)前位置進(jìn)行識別并計算相應(yīng)的讀數(shù)，而無需預(yù)先建立儀表刻度數(shù)據(jù)庫，通用性強(qiáng)，適合于實(shí)際應(yīng)用場合。

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