陳 揚 蔡越洋 朱亦凡 劉騰云 楊奕欣 李翠敏

(蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

隨著現(xiàn)代化進程的快速發(fā)展，能源消耗量日漸增加。而在眾多耗能產(chǎn)業(yè)中建筑能耗占比很高，據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計我國建筑能耗占總能源消耗的25%以上[1]。建筑能耗主要包括采暖、空調(diào)、通風、照明和建筑電氣等，其中采暖和空調(diào)(暖通空調(diào))能耗占建筑總能耗的50%～60%以上[2,3]，并且暖通空調(diào)面積和能耗近些年來仍呈持續(xù)增加趨勢，節(jié)能增效潛力巨大[4]。

近些年，為實現(xiàn)能源合理利用，我國建筑領域開始大量采用在線監(jiān)測系統(tǒng)作為監(jiān)測工具[5-7]，輔助建筑領域能源管理，其中能耗監(jiān)測是能耗統(tǒng)計的核心環(huán)節(jié)，決定了能耗統(tǒng)計的質(zhì)量。前端用戶能耗數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控是監(jiān)測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，關系到后續(xù)能源管理工作數(shù)據(jù)的準確性[6,8]。但目前在應用的監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在安裝維護成本高[9,10]、應用場景受限、推廣難度高等問題。監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運行，直接關系到建筑內(nèi)部能源的數(shù)據(jù)準確性及管理。具備數(shù)據(jù)傳輸功能的智能化儀表可實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，性能穩(wěn)定可靠，目前在在線監(jiān)測系統(tǒng)中應用較多[4]。而既有公共建筑和居住建筑數(shù)量龐大，僅憑人工定期的抄表讀數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作，所要耗費的人力財力是巨大的，采用具有遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸功能的數(shù)字儀表系統(tǒng)完善能源管理勢在必行。

本文中提及的迷你數(shù)字儀表系統(tǒng)，就是通過硬件和軟件兩大部分的協(xié)調(diào)工作，優(yōu)化了遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)以機器學習為核心，可外掛在數(shù)字儀表周圍，實時采集并傳輸儀表讀數(shù)，在不改裝原有管道系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)能耗監(jiān)測功能。

1 系統(tǒng)概述

基于機器學習的迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分結(jié)構(gòu)組成。硬件結(jié)構(gòu)包括樹莓派硬件主平臺、圖像采集模塊，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊，可實現(xiàn)數(shù)字儀表從圖像到數(shù)字并傳送到云端的功能；軟件系統(tǒng)以機器學習為核心，實現(xiàn)數(shù)字儀表從圖像到數(shù)字并傳送到云端的功能。

迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，其結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，可滿足既有建筑和管道的改造需求；具有更好的普適性、靈活性，安裝便捷、使用方便，無需對現(xiàn)有儀表的安裝方式進行調(diào)整，可以根據(jù)需要隨時移動或拆裝。初投資小、運行經(jīng)濟、維護成本低，可滿足大范圍、多節(jié)點使用需求；運行穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)精準，并適用于多種傳輸方式?；谠撓到y(tǒng)的諸多特點，其可加裝在既有建筑和管道上的水表、電表、燃氣表和其他數(shù)字儀表上，實現(xiàn)水、電、熱等能耗數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測，為能源管理的可測量化、數(shù)據(jù)化和準確化提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

本項目的硬件平臺是通用的，因此可以通過軟件升級提升系統(tǒng)性能。與常規(guī)軟件的不同還在于使用了無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了軟件的遠程下載和在線升級。迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)迎合目前能源管理智能化和科學量化的管理需求，應用場景多樣、使用范圍廣泛，推廣前景廣闊。

2 系統(tǒng)工作原理及組成

2.1 系統(tǒng)工作原理

數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案由下向上包括圖像采集層、數(shù)據(jù)分析層、網(wǎng)絡傳輸層，以及遠程監(jiān)控應用層，總體方案如圖1所示。

1)圖像采集層：采用小型化的圖像采集器安裝在不同環(huán)境下，可以實時采集包括水表、電表、燃氣表等各類數(shù)字儀表圖像信息，通過圖像采集器內(nèi)置的高速緩存上傳到數(shù)據(jù)分析層。

2)數(shù)據(jù)分析層：主要完成由圖像信息向讀數(shù)結(jié)果的轉(zhuǎn)換，是整個系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)分析主要包括圖像預處理、機器學習模型和模板庫訓練、圖像識別和數(shù)字判讀三個主要階段。其中，圖像預處理實現(xiàn)圖像降噪、圖像濾波、圖像二值化等針對圖像的工作；然后對數(shù)字區(qū)域和字符特征進行提取，基于機器學習方法建立自動識別模型，并在大量樣本集的基礎上訓練生成數(shù)字儀表模板庫；識別階段在圖像處理和機器學習模型與模板庫的基礎上，實現(xiàn)數(shù)字儀表實時結(jié)果判讀和輸出。

3)網(wǎng)絡傳輸層：數(shù)字儀表實時判讀結(jié)果通過RS485實時傳輸?shù)奖镜財?shù)據(jù)采集器進行緩存，并在4G/5G網(wǎng)絡傳輸模塊的支持下將結(jié)果實時傳輸?shù)皆贫?，進行云端的數(shù)據(jù)存儲和管理。

4)遠程監(jiān)控層：移動終端用戶可以在各種平臺與云端互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)字儀表的遠程監(jiān)控，并為進一步的大數(shù)據(jù)分析和節(jié)能應用提供數(shù)據(jù)和技術(shù)手段支持。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括樹莓派硬件主平臺、圖像采集模塊，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊。系統(tǒng)采用樹莓派4作為主平臺，在此基礎上搭載圖像采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊，盡可能提高整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的小型化和整體性。這種以主平臺為載體，根據(jù)不同需求選擇搭配不同可配置模塊的方式能夠很好地應對多種場景的應用。

1)硬件主平臺。硬件主平臺采用樹莓派4，搭載1.5 GHz的ARM芯片和VideoCore GPU，支持雙4K顯示輸出，引入USB 3接口和全吞吐量千兆以太網(wǎng)，提供了CSI攝像頭接口、DSI顯示接口、MicroSD卡槽、PoE供電針以及40針的GPIO接口。本系統(tǒng)實現(xiàn)過程選用搭載2 GB LPDDR4 SDRAM內(nèi)存。樹莓派硬件主平臺及其外殼見圖2。

以樹莓派4作為主平臺，本系統(tǒng)額外配置了圖像采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊，分別通過CSI攝像頭接口和GPIO接口搭載到主平臺上。各模塊的供電、時鐘等都由主平臺統(tǒng)一支持和管理，其中電源采用AC 5 V輸入，能夠很好地滿足在對用電安全性要求較高的燃氣表數(shù)字讀取等應用場景。

2)圖像采集模塊。由于很多數(shù)字儀表安裝在管道井等光照條件較差的環(huán)境，因此本系統(tǒng)在圖像采集模塊的高清攝像頭基礎上搭載了2個紅外補光燈。補光燈能夠根據(jù)周圍光照環(huán)境自動調(diào)節(jié)光照度補償值，實現(xiàn)補光強度自適應，從而實現(xiàn)不同光照條件下都能獲得較好的數(shù)字儀表圖像采集效果，并通過高速緩存?zhèn)鬏敶鎯Ω哔|(zhì)量圖像信息。圖像采集模塊外觀具體見圖3。

3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊。雖然硬件主平臺提供了包括以太網(wǎng)、USB等高速數(shù)據(jù)傳輸接口，但是本系統(tǒng)為了應對工業(yè)界目前常用的RS 485 Modbus總線傳輸需求，在40針GPIO接口上加裝了TTL轉(zhuǎn)RS485模塊和RS485轉(zhuǎn)串口UART電平互轉(zhuǎn)芯片，具體見圖4，能夠?qū)崿F(xiàn)自動流向控制和自動雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)以機器學習為核心，該部分需要實現(xiàn)儀表盤實時/定時拍照、圖像預處理、數(shù)字部分自動截取、字符分割、數(shù)字識別[11]、結(jié)果輸出寫寄存器等主要功能，從而實現(xiàn)數(shù)字儀表從圖像到數(shù)字并傳送到云端。

1)流程圖。數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分的流程如圖5所示。

2)軟件核心模塊設計。a.圖像獲取和預處理：實時/定時啟動圖像采集模塊，根據(jù)光照條件動態(tài)補光，拍攝數(shù)字儀表圖像并緩存在本地。然后，對獲取的圖像進行降噪、高斯濾波、銳化、二值化操作，從而得到效果最佳的數(shù)字儀表二值化圖像[11]。b.數(shù)字部分自動截取：數(shù)字儀表圖像包括整個表盤以及其他干擾圖像，需要自動截取獲得數(shù)字部分。本系統(tǒng)采用一個開運算和一個閉運算的方式，對圖像進行膨脹和腐蝕處理，去掉較小區(qū)域，同時填平小孔，彌合小裂縫，將圖像中的矩形區(qū)域凸顯出來。然后，根據(jù)矩形寬高比等特征排除干擾部分[12]，得到儀表讀數(shù)的數(shù)字部分。c.字符自動分割：根據(jù)設定的閾值和圖片直方圖，找出波峰，利用找出的波峰并分隔圖片。得到每個字符的波峰后，再根據(jù)每組波峰的寬度分割數(shù)字部分圖像，得到每個字符的圖像。d.機器學習模型訓練和數(shù)字識別：在獲取一定數(shù)量字符圖像的基礎上，采用機器學習訓練SVM模型，得到字符模板。然后將分割后的每個圖像逐個與已訓練好的模板進行匹配，得到識別結(jié)果。每一輪圖像識別后都會將得到的字符存儲在本地并持續(xù)更新訓練模板庫，從而逐漸提高圖像識別的準確率。最后，將數(shù)字識別結(jié)果通過功能碼寫入指定地址的寄存器，本地數(shù)字采集器可以通過RS485 Modbus總線輪詢讀取不超過32個數(shù)字儀表讀數(shù)。

3 應用效果

3.1 安裝效果

迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)可實時采集并監(jiān)控包括水表、電表、燃氣表等各類數(shù)字儀表讀數(shù)，其采集間隔可根據(jù)需要適時調(diào)整。目前樣機已加裝在某燃氣管道的燃氣表上實時監(jiān)控采集燃氣讀數(shù)，并上傳至某能源管理公司采集器，為該地區(qū)能源科學調(diào)配和運行策略調(diào)整提供基礎數(shù)據(jù)。現(xiàn)場安裝圖見圖6，圖7。

3.2 數(shù)字識別和傳輸效果

迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)于2020年4月底安裝并投入使用，運行一個月無故障。通過運行一個月內(nèi)采集的數(shù)據(jù)與人工讀數(shù)比對結(jié)果，數(shù)據(jù)讀取準確率高，識別誤差小，并且傳輸時間短。說明系統(tǒng)數(shù)字識別和傳輸效果良好，完全可以滿足工程要求。

4 數(shù)字儀表的應用前景

4.1 直接經(jīng)濟效益

迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的直接經(jīng)濟效益主要包括兩部分：降低儀表監(jiān)控成本和節(jié)省改造費用。在系統(tǒng)僅需遠程監(jiān)控功能時，迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)與普通數(shù)字儀表可取代高價的智能化儀表，極大的降低初投資。系統(tǒng)成本計算過程見表1，一套完整的迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)成本約為400元，與近萬元的智能化儀表相比，大范圍、多節(jié)點推廣可產(chǎn)生很大的直接經(jīng)濟效益。另一方面，迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)可直接外掛在管道上，不需要原有管道系統(tǒng)停運，節(jié)省了管道改造過程的原材料費用和人工成本，并且可極大地縮短施工工期，產(chǎn)生很大的直接經(jīng)濟效益。

表1 迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)成本計算表

4.2 節(jié)能減排效益

迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能，主要用于為能源管理的可測量化、數(shù)據(jù)化和準確化提供重要的數(shù)據(jù)。其監(jiān)控結(jié)果直接影響到后續(xù)能源管理工作數(shù)據(jù)的準確性，進而影響運行策略的合理性，關系到能源是否科學調(diào)配和合理利用。因此，迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應用具備一定的節(jié)能減排效益。其節(jié)能減排效益體現(xiàn)在整個系統(tǒng)的節(jié)能性上，例如文獻[6]中實際案例計算，熱計量預付費能源監(jiān)控系統(tǒng)改造后，150萬m2的小區(qū)一個采暖季節(jié)省熱量約為4.7萬GJ，折合約1 713 t標煤，節(jié)能比例為10.6%，可見節(jié)能減排效益巨大。

4.3 社會效益

迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)成本較低，可在民用建筑和既有公用建筑中大量推廣，讓廣大用戶可實時監(jiān)控個人行為對能耗的影響，從而提高用戶自主用熱、用電、用水、用氣等節(jié)能意識，達到良好的社會效益。另一方面，系統(tǒng)節(jié)約的能源可用于發(fā)展新的產(chǎn)業(yè)，并可以較大地緩解近年來新增的能耗壓力，對企業(yè)、對社會都會產(chǎn)生良好的效益。

5 結(jié)語

本文主要開發(fā)并試制了一種基于機器學習的儀表監(jiān)控系統(tǒng)，基于其體系結(jié)構(gòu)框架和實現(xiàn)策略, 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集,信息收集和存儲以及狀態(tài)的可視化各個模塊的集合,基于數(shù)字學習的實現(xiàn)策略使該系統(tǒng)具有平臺適應性和監(jiān)控遠程性的優(yōu)點。通過已應用在現(xiàn)場的系統(tǒng)運行效果反饋，更是明確了該策略有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和節(jié)能減排效益的提高。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)科學技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)者、管理者對監(jiān)控系統(tǒng)的普適性和實時性有著進一步的要求?；诿阅銛?shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，生產(chǎn)管理者等用戶能夠監(jiān)控儀表數(shù)據(jù),設定數(shù)據(jù)超標警戒線,還能夠保存數(shù)據(jù)至本地數(shù)據(jù)庫用以進行機器學習。迷你數(shù)字儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)的普及應用將更好地滿足復雜多樣地現(xiàn)實場景地應用，更加合理化地實現(xiàn)建筑內(nèi)部能源的分配和管理。