李 學(xué)

（中海油信息科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

儀器儀表作為石油石化行業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的終端單元，是工作人員監(jiān)測(cè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的“眼睛”，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性起關(guān)鍵的作用[1]。目前在石油石化行業(yè)，一些儀器儀表并沒(méi)有提供與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的接口，儀表抄表仍然使用傳統(tǒng)的人工抄表的方法，不可避免會(huì)存在以下問(wèn)題。1）實(shí)時(shí)性差：石油石化生產(chǎn)系統(tǒng)占地面積普遍較大，而儀表的位置大多情況下分布較遠(yuǎn)，人工抄表是依靠工作人員前往儀表現(xiàn)場(chǎng)抄表，完成一次全部抄表需要很長(zhǎng)時(shí)間，儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性較差。2）誤差大：人工抄表得到的結(jié)果易受多種因素影響，例如人眼的觀測(cè)距離、觀測(cè)角度、長(zhǎng)期重復(fù)性工作所帶來(lái)的視覺(jué)疲勞、視力下降以及抄表人員的工作認(rèn)真態(tài)度等，這些主觀、客觀因素會(huì)對(duì)抄表結(jié)果帶來(lái)誤差。3）效率低：人工抄表的工作效率極低，難以滿足當(dāng)前大量?jī)x表需要抄表的要求，并且人眼觀察能力有限，人工抄表的精度低。4）人力成本高：人工抄表技術(shù)含量較低，但需要占用大量時(shí)間和精力，如遇須實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表數(shù)據(jù)的情況時(shí)，則需要工作人員在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)值守，人力成本高。5）人員安全風(fēng)險(xiǎn)：在石油石化行業(yè)，儀器儀表大多部署在防爆區(qū)域，易產(chǎn)生有毒有害氣體，對(duì)工作人員的身體健康及生命安全造成危害。

因此，需要尋找一種高效準(zhǔn)確的抄表方法，來(lái)解決上述問(wèn)題。近些年，隨著模式識(shí)別、人工智能、圖像處理理論的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用研究進(jìn)展迅速，目前已成了一個(gè)相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控在石油石化行業(yè)生產(chǎn)單位中已成為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，幾乎每個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中都已建設(shè)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用于儀表自動(dòng)抄表是一種十分有效的方法，同時(shí)可以為企業(yè)節(jié)約人力成本。

1 需求分析

針對(duì)石油石化行業(yè)某終端處理廠對(duì)主裝置區(qū)、脫碳區(qū)日常巡檢要求，提高巡檢效率、降低人員巡檢難度，設(shè)計(jì)建設(shè)一套智能抄表系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)需求的分析歸納，總結(jié)了以下7點(diǎn)需求：1）對(duì)終端處理廠內(nèi)的指針式儀表和數(shù)顯Led儀表，系統(tǒng)能夠自動(dòng)讀識(shí)儀表數(shù)據(jù)。2）單臺(tái)攝像機(jī)能夠識(shí)別多個(gè)儀表數(shù)據(jù)。3）針對(duì)存在部分遮擋和非線性畸變的儀表，須有較高的準(zhǔn)確率。4）在系統(tǒng)監(jiān)控界面可以預(yù)覽全部?jī)x表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和告警提示，對(duì)任意儀表，可以使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊查看詳細(xì)信息，包括當(dāng)前數(shù)據(jù)值、報(bào)警閾值的上限和下限值。5）系統(tǒng)能夠查看儀表的報(bào)警記錄，包括時(shí)間、儀表名稱、報(bào)警信息、儀表照片、處理記錄和操作員。6）系統(tǒng)定時(shí)采集儀表數(shù)據(jù)并整理歸納，能夠按照人工巡檢抄表的報(bào)表模板自動(dòng)生成巡檢記錄。7）系統(tǒng)能夠查看任意儀表的歷史數(shù)據(jù)，能夠按照歷史數(shù)據(jù)查詢的起始和結(jié)束時(shí)間自動(dòng)形成曲線圖，便于工作人員分析處置。

2 實(shí)現(xiàn)原理

儀表讀數(shù)自動(dòng)識(shí)別過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)為儀表讀數(shù)自動(dòng)判別，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄表的目標(biāo)，現(xiàn)在大多通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方式實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù)的自動(dòng)判別。計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一種非接觸式的感知方式，通過(guò)光學(xué)成像器件獲取觀察對(duì)象的圖像，并對(duì)真實(shí)環(huán)境的圖像進(jìn)行解釋，從而得到信息結(jié)果。研究計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的目的是通過(guò)機(jī)器去觀測(cè)與分析圖像，期望達(dá)到模擬人眼識(shí)別的效果，同時(shí)利用機(jī)器不會(huì)產(chǎn)生類似于人的疲勞問(wèn)題，達(dá)到高效巡檢的目的。該文主要通過(guò)攝像機(jī)拍攝儀表的實(shí)時(shí)圖像，通過(guò)光纜將圖像發(fā)送至智能抄表系統(tǒng)，智能抄表系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)相關(guān)組合算法對(duì)圖像特征進(jìn)行提取和識(shí)別，獲得當(dāng)前儀表的讀數(shù)，將讀數(shù)值顯示在智能抄表系統(tǒng)中，并進(jìn)行自動(dòng)保存如圖1 所示[2]。

圖1 實(shí)現(xiàn)原理介紹

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 讀數(shù)過(guò)程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)讀數(shù)過(guò)程設(shè)計(jì)（圖2）：1）圖像采集。通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像機(jī)拍攝儀表的表盤(pán)圖像；2）圖像預(yù)處理。將采集的圖像進(jìn)行儀表圖像傾斜校正、圖像去噪、圖像的形體學(xué)處理和圖像二值化處理，得到較清晰的表盤(pán)。3）圖像特征提取。對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行特征分析、定位分割和數(shù)字特征提取。圖像特征分為儀表盤(pán)特征和數(shù)據(jù)特征，儀表盤(pán)特征提取訓(xùn)練用以識(shí)別并定位儀表，數(shù)據(jù)特征則用于智能識(shí)別儀表刻度數(shù)據(jù)。4）讀數(shù)識(shí)別。系統(tǒng)儀表分模擬儀表和數(shù)字儀表2種，其讀數(shù)識(shí)別方法和技術(shù)也不相同。模擬儀表：將指針儀表的指針角度轉(zhuǎn)換為數(shù)值； 數(shù)字儀表：將數(shù)顯LED儀表的數(shù)字圖像做圖片文字識(shí)別（OCR 識(shí)別），并轉(zhuǎn)換為數(shù)值。5）讀數(shù)錄入。進(jìn)行系統(tǒng)字體識(shí)別，并將識(shí)別的儀表數(shù)據(jù)按指定格式和精度存入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。6）數(shù)據(jù)展示。在系統(tǒng)中能夠查詢、顯示讀取的儀表數(shù)據(jù)，支持歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖表展示。

圖2 系統(tǒng)讀數(shù)過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)主要由前端采集子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)和后端識(shí)別子系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3.1.2.2 前端采集子系統(tǒng)

（1）從系統(tǒng)綜合能效比來(lái)看，相比于加裝中間換熱器的地下水源熱泵系統(tǒng)，地埋管地源熱泵系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢(shì)，空氣源熱泵系統(tǒng)次之，由此可知，加裝中間換熱器的地下水源熱泵系統(tǒng)作為該項(xiàng)目的冷熱源方案是最不節(jié)能的。

前端采集子系統(tǒng)主要是在終端處理廠主裝置區(qū)、脫碳區(qū)的生產(chǎn)系統(tǒng)儀表安裝部署的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，抄表系統(tǒng)利用通信接口協(xié)議控制攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)儀表，拍攝儀表表盤(pán)照片，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表數(shù)據(jù)的采集。

3.1.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)

終端處理廠預(yù)埋光纖，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把攝像機(jī)拍攝到的儀表實(shí)時(shí)視頻傳至中控室，后端識(shí)別子系統(tǒng)部署在中控室機(jī)房，使中控室能實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理、分析和識(shí)別。

3.1.2.4 后端識(shí)別子系統(tǒng)

后端識(shí)別子系統(tǒng)為整個(gè)儀表識(shí)別系統(tǒng)的核心，包括智能分析服務(wù)器、中心管理服務(wù)器、監(jiān)控工作站和大屏顯示系統(tǒng)。智能分析服務(wù)器可以對(duì)儀表照片進(jìn)行預(yù)處理、分析、識(shí)別和讀取儀表的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；同時(shí)，智能分析服務(wù)器還支持訓(xùn)練樣本更新，再訓(xùn)練再學(xué)習(xí)，支持模型自動(dòng)更新。

3.1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1.3.1 總體框架

系統(tǒng)總體軟件框架設(shè)計(jì)，如圖4所示。1）應(yīng)用層。應(yīng)用層采用模塊化設(shè)計(jì)，按照使用習(xí)慣定義，包括儀表巡檢界面一張圖、報(bào)表自動(dòng)生產(chǎn)、歷史數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)、系統(tǒng)管理和報(bào)警管理。2）存儲(chǔ)層。對(duì)圖像智能識(shí)別結(jié)果進(jìn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)分庫(kù)分表技術(shù)，大幅度提升了系統(tǒng)的吞吐量及系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)高頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Redis緩存，提升系統(tǒng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)速度。3）傳輸層：系統(tǒng)各層間通信和數(shù)據(jù)傳輸基于消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（MQTT），采用分布式消息隊(duì)列Kafka和AMQ方式進(jìn)行。分布式消息隊(duì)列以生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式運(yùn)作，生產(chǎn)者往指定的消息隊(duì)列插入消息，消費(fèi)者實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)隊(duì)列消息。4）感知層。在感知層可以接入視頻并且通過(guò)視頻智能分析提取視頻有用信息。

圖4 軟件框架圖

3.1.3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1.3.2.1 儀表巡檢

某陸地終端處理廠所涉及的50個(gè)儀表，按照儀表真實(shí)的位置布局還原，最大程度上還原工作人員的巡查習(xí)慣。

3.1.3.2.2 報(bào)表管理

某陸地終端處理廠所涉及的50個(gè)儀表，按照儀表巡檢表模板定制報(bào)表管理功能，系統(tǒng)可按照現(xiàn)有巡檢模板自動(dòng)生成巡檢報(bào)告單。

3.1.3.2.3 歷史數(shù)據(jù)

生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，儀表記錄的大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到中系統(tǒng)，巡檢人員自定義起始/結(jié)束時(shí)間，根據(jù)儀表數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)識(shí)別有用信息并做出相應(yīng)的正確預(yù)測(cè)。

3.1.3.2.4 報(bào)警記錄

當(dāng)采集的儀表數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)置的上限或下限值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別為報(bào)警記錄，并在右上角發(fā)出報(bào)警提示，用戶可單擊查看報(bào)警詳細(xì)信息和記錄照片，并做人工確認(rèn)。

3.1.3.2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包括儀表配置、攝像機(jī)預(yù)置位配置、設(shè)備信息配置、數(shù)據(jù)模型管理以及用戶及權(quán)限配置等。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.2.1 儀表存在陰影或局部遮擋的情況

針對(duì)光照陰影的情況，通過(guò)光照平衡算法對(duì)采集圖像進(jìn)行處理；針對(duì)存在立桿局部遮擋儀表表盤(pán)的情況，擴(kuò)大儀表的數(shù)據(jù)集并通過(guò)圖像還原算法優(yōu)化采集儀表圖像，以提高儀表識(shí)別率和準(zhǔn)確度。系統(tǒng)在安裝攝像頭階段已經(jīng)考慮過(guò)遮擋情況，不存在完全遮擋儀表或儀表指針的情況，因此指針刻度完全可通過(guò)圖像還原算法計(jì)算得出。

3.2.2 非線性畸變校準(zhǔn)

對(duì)攝像機(jī)部署安裝角度無(wú)法垂直于儀表表盤(pán)的情況，擴(kuò)大儀表的數(shù)據(jù)集并通過(guò)非線性畸變校準(zhǔn)算法對(duì)儀表圖像進(jìn)行三維對(duì)齊，以提高儀表識(shí)別率和準(zhǔn)確度。實(shí)現(xiàn)非線性畸變，須預(yù)先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)角度的儀表盤(pán)進(jìn)行建模，然后將非垂直角度的儀表圖片映射到標(biāo)準(zhǔn)模型，以此得到垂直角度的儀表圖片。圖像在三維對(duì)齊過(guò)程中，儀表盤(pán)和儀表指針做的非線性畸變是完全相同的，所以對(duì)齊后的指針刻度高度可信。

3.2.3 一機(jī)多表

一機(jī)多表是指針對(duì)1臺(tái)攝像機(jī)需要識(shí)別多個(gè)儀表，通過(guò)圖像建模建立儀表盤(pán)模型，識(shí)別圖中多個(gè)儀表，進(jìn)而讀取每個(gè)儀表刻度數(shù)據(jù)。一機(jī)多表同樣存在儀表表盤(pán)與攝像頭角度不垂直的情況，一機(jī)多表在讀取儀表數(shù)據(jù)時(shí)同樣需要進(jìn)行三維對(duì)齊處理。另外系統(tǒng)維護(hù)人員會(huì)將攝像頭位置和儀表位置錄入系統(tǒng)，用以驗(yàn)證一機(jī)多表情況下讀取的儀表數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否匹配。

3.2.4 模型自動(dòng)更新

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)并訓(xùn)練了大量數(shù)據(jù)模型用于模式識(shí)別，這些初始模型采用的訓(xùn)練樣本都是預(yù)先采集的，樣本數(shù)量有限且多為常規(guī)樣本，初始模型的識(shí)別能力有限，特別是針對(duì)非常規(guī)圖像的情況，例如遮擋位置或者偏斜角度未在訓(xùn)練樣本中出現(xiàn)過(guò)。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)維人員也會(huì)對(duì)識(shí)別結(jié)果適當(dāng)進(jìn)行人工干預(yù)，對(duì)識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。這些校正后的樣本會(huì)再次進(jìn)入樣本庫(kù)，數(shù)據(jù)模型會(huì)對(duì)新產(chǎn)生的結(jié)果和人工修正后的樣本進(jìn)行再訓(xùn)練再學(xué)習(xí)，自動(dòng)更新和升級(jí)模型。因此，系統(tǒng)運(yùn)行越久，訓(xùn)練樣本越多，識(shí)別能力越強(qiáng)。

3.3 測(cè)試記錄

基于上述外部條件和訓(xùn)練模型，在肉眼可辨的條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試100次，次數(shù)記錄見(jiàn)下表1，人工抄表及智能抄表對(duì)比見(jiàn)下表2。

表1 測(cè)試情況記錄表

表2 人工抄表與智能抄表的對(duì)比

準(zhǔn)確率為系統(tǒng)讀數(shù)識(shí)別精度控制在±5%以內(nèi)（±a%=（ΔXm/Xm）×100%），其中，ΔXm為最大絕對(duì)誤差，Xm為儀表的基本量程。

4 結(jié)論

在石油石化行業(yè)中，基于現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能抄表技術(shù)研究，該文有效地結(jié)合生產(chǎn)系統(tǒng)中視頻監(jiān)控系統(tǒng)和智能圖像識(shí)別技術(shù)，將圖像識(shí)別智能抄表技術(shù)首次應(yīng)用在石油石化行業(yè)，并且實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多表、非線性畸變和部分遮擋等復(fù)雜情況下儀表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確識(shí)別。顯著提升了儀表數(shù)據(jù)的及時(shí)性，降低了現(xiàn)場(chǎng)巡檢的工作難度和安全風(fēng)險(xiǎn)，改善了巡檢人員的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人工抄表向智能抄表的跨越。

此外，在研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)攝像機(jī)被環(huán)境、光線因素影響較大，存在無(wú)法自動(dòng)對(duì)焦導(dǎo)致畫(huà)面模糊而無(wú)法識(shí)別儀表數(shù)據(jù)的情況，后續(xù)在推廣應(yīng)用時(shí)，可針對(duì)畫(huà)面模糊的儀表采用AI智能數(shù)據(jù)分析算法，有效推算出當(dāng)前儀表數(shù)值。