鄧津港，劉 宇

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452；2.中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

1 概述

近年來，伴隨著工藝監(jiān)控及傳感器技術(shù)的更新迭代，系統(tǒng)的控制及監(jiān)測水平大幅提升，指針式儀表性能可靠、不依賴電源等優(yōu)勢，使其在工藝流程中依然具有重要地位。海洋石油生產(chǎn)系統(tǒng)具有生產(chǎn)環(huán)境惡劣、運行時安全系數(shù)要求高等特點，對指針式儀表的維護和校驗具有極高的要求，常見指針式儀表主要包括壓力表、溫度計、流量計及各類分析儀表等。但是，由于指針式儀表完全依靠內(nèi)部接卸結(jié)構(gòu)運行，并無電信號輸出，所以一般情況下無法實現(xiàn)檢驗過程的自動化，導致傳統(tǒng)檢驗模式下的檢驗流程的弊端愈發(fā)凸顯，主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）壓力儀表的檢驗方式主要以人工操作為主，檢驗過程的自動化程度不高，檢驗效率較低且檢驗結(jié)果和精度易受人為主觀因素影響。組織具備資質(zhì)的技術(shù)人員攜帶資質(zhì)設(shè)備前往裝置現(xiàn)場進行檢驗施工，根據(jù)國家檢定規(guī)程對相應壓力儀表進行檢驗，通過手動編輯檢驗報告、陸地逐級審核、發(fā)送至甲方和生產(chǎn)平臺，大量的時間消耗在報告編輯、陸地審核及報告?zhèn)魉偷耐局?，大大延長了檢驗項目的施工周期并且變相增加了項目成本。

（2）傳統(tǒng)的手工記錄方式也給檢驗數(shù)據(jù)的提取應用、標準化管理和后臺分析帶來了障礙。以紙質(zhì)形式存在的數(shù)據(jù)，很難引入大數(shù)據(jù)分析算法，更談不上獲取更多有價值的信息，多年積累的檢驗數(shù)據(jù)不但不能發(fā)揮應有的作用，還造成了沉重的存儲負擔。

針對傳統(tǒng)模式下的儀表檢驗業(yè)務(wù)的運行弊端，本文設(shè)計了一種自動檢驗裝置對一般壓力表進行檢驗，實現(xiàn)壓力的精準控制、示數(shù)的自動讀取及儀表檢驗流程的自動化。

2 裝置硬件架構(gòu)的設(shè)計

2.1 總體硬件架構(gòu)

該套裝置的硬件架構(gòu)如圖1所示，由啟動壓力發(fā)生器根據(jù)用戶的設(shè)定條件，自動產(chǎn)生一定的氣壓，該氣體壓力在一定的范圍內(nèi)波動，向壓力控制器提供氣源，壓力控制器為高精度壓力控制設(shè)備向儀表檢驗臺提供穩(wěn)定、精確的壓力輸出，在實現(xiàn)穩(wěn)定精確的壓力控制效果的基礎(chǔ)上，配置工業(yè)攝像機對表盤情況進行拍攝，基于圖像識別技術(shù)獲取儀表示數(shù)，將儀表示數(shù)與壓力控制器的標準輸出進行比對，從而實現(xiàn)儀表的全過程校驗。工控機作為自動檢驗裝置的控制核心，主要負責完成壓力控制指令的發(fā)送、圖像識別算法的運行及整個檢驗流程的控制，并對檢驗數(shù)據(jù)進行存儲和計算，通過設(shè)定的通信接口和通信協(xié)議將檢驗數(shù)據(jù)傳送給檢驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 儀表檢驗裝置整體架構(gòu)

2.2 壓力發(fā)生器

壓力發(fā)生裝置主要是為壓力控制器等設(shè)備提供穩(wěn)定的高壓壓力設(shè)計的，不需要外接氣源，內(nèi)置電動造壓泵；雙路輸出，一路輸出正表壓，壓力可達7 MPa，一路輸出正空壓，真空度可達95 kPa以下，發(fā)生裝置壓縮介質(zhì)為潔凈空氣，吸氣流量超過12 L/min，裝置內(nèi)置高壓儲壓裝置，能穩(wěn)定且持續(xù)地提供輸出壓力。在輸出壓力模式下，當前實際壓力值低于設(shè)定的壓力下限值，設(shè)備自動開始控壓，當前實際壓力值高于設(shè)定的壓力值上限時，控壓自動停止，設(shè)備壓力輸出端始終提供一個設(shè)定低壓值到高壓值之間的壓力。在輸出真空模式下，當前實際壓力值高于設(shè)定的真空值上限時，設(shè)備自動開始抽真空，當前實際壓力值低于設(shè)定的壓力值下限時，抽真空自動停止，設(shè)備輸出始終提供一個設(shè)定真空低壓到真空高壓的壓力值。

2.3 壓力控制器

壓力控制器為本裝置的核心元件之一，在壓力發(fā)生器的配合下，完成壓力的高精度的穩(wěn)定控制。該設(shè)備內(nèi)置0.02級壓力模塊，可全自動輸出設(shè)定壓力、全自動且快速校準Hart、Profibus PA總線壓力儀表，內(nèi)置RS232及以太網(wǎng)等通信接口，可以配置多個壓力模塊根據(jù)壓力范圍自動切換。

2.4 工業(yè)攝像機及工控機

工控機完成整個檢驗流程的控制工作，發(fā)送相關(guān)指令控制壓力控制器的輸出壓力，同時采集來自攝像機的圖像信號，對圖像信號進行識別，獲取儀表當前的示數(shù)，將所得示值與壓力控制器輸出的標準值進行比對，獲取當前檢定點的示值誤差，通過一定的數(shù)據(jù)組合形成該被檢儀表的檢驗報告。從該儀表檢驗裝置整體架構(gòu)來看，決定該設(shè)備性能指標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有以下兩個。①高性能的壓力控制環(huán)節(jié)：主要由壓力發(fā)生裝置的穩(wěn)定供壓及壓力控制器的高性能控制性能決定，輸出壓力的穩(wěn)定性與準確性是該儀表裝置的性能基礎(chǔ)；②基于圖像識別的示值提取：通過數(shù)據(jù)的識別算法實現(xiàn)針對儀表指針、表盤刻度的識別，進而通過指針位置獲取當前的儀表讀數(shù)。

3 基于圖像識別的儀表示數(shù)讀取

3.1 工業(yè)攝像機的應用

工業(yè)攝像機作為代替人眼讀數(shù)的傳感設(shè)備，其性能是實現(xiàn)后續(xù)圖像分析功能的基礎(chǔ)，其拍攝視角如圖2所示，基于儀表尺寸規(guī)格較多，攝像機位置上下前后左右位置可以通過按鈕控制步進電機進行調(diào)節(jié)，其基本性能參數(shù)如下：①支持手動或自動調(diào)節(jié)增益、曝光時間、LUT、Gamma校正等；②運用千兆網(wǎng)接口，在沒有中繼的情況下，傳輸?shù)淖畲缶嚯x可到100 m，確保無延時地將獲取的照片傳輸至工控機；③板上緩存達到128 MB，實現(xiàn)可緩存多張圖片，可以用于圖像重傳或突發(fā)傳輸，確保每次拍攝的質(zhì)量符合要求；④兼容GenlCam標準及GigE Vision V2.0協(xié)議，無縫接入第三方軟件平臺，為圖像處理軟件的開發(fā)創(chuàng)造便利條件。

圖2 工業(yè)攝像機拍攝范圍

3.2 圖像處理流程設(shè)計

通過圖像采集實現(xiàn)表盤示數(shù)的讀取是壓力儀表自動化檢驗裝置的核心環(huán)節(jié)之一，一般情況下，圖像處理軟件的流程設(shè)計如下：①圖像采集，通過高清工業(yè)攝像機獲取儀表的高質(zhì)量圖片數(shù)據(jù)，該步驟是確保實現(xiàn)示值識別的基礎(chǔ)；②圖像預處理，將圖片灰度化，并去除部分噪聲等，為下一步的圖像處理做好準備；③獲取有效區(qū)域，從完成預處理的圖片中獲取儀表盤等有效區(qū)域；④目標區(qū)域分割，采用圖像分割算法，實現(xiàn)儀表刻度盤等關(guān)鍵像素的分割；⑤目標檢測和識別，完成圓心、指針及刻度線等關(guān)鍵元素的識別；⑥后處理，根據(jù)已經(jīng)完成的識別任務(wù)，完成儀表示值的提??；⑦結(jié)果判定，對獲取的儀表示值進行處理和分析，形成儀表的判定結(jié)果。

根據(jù)以上的步驟，圖像處理流程中的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下。

（1）表盤量程檢測：通過圖像采集及儀表的基本參數(shù)指標獲取儀表的量程。壓力表量程檢測的重點在于能夠準確檢測或計算出滿量程位置的數(shù)值。提取滿量程位置圖像后，采用基于深度學習的數(shù)字識別方法對滿量程值進行識別，檢測數(shù)字區(qū)域；對數(shù)字進行分割，獲取單個數(shù)字；運用基于深度學習的數(shù)字識別算法，識別獲取單個數(shù)字；將單個數(shù)字進行后處理、拼接，得到滿量程數(shù)值，考慮到可能有遮擋、臟污、模糊等因素的干擾，在檢測過程中可增加一處感興趣區(qū)域，如量程中間區(qū)域，檢測出量程中間值的示數(shù)，通過計算得到最大量程。

（2）指針讀數(shù)檢測：通過對指針位置的識別判定獲取儀表的示數(shù)。獲取壓力表讀數(shù)有兩種方式，通過兩種方式計算出數(shù)值后，可對二者的結(jié)果進行融合，得到最終讀數(shù)。①檢測出指針指向位置，通過計算其與滿量程的占比后計算出數(shù)值，檢測指針并對其直線擬合，計算指針相對于零點的旋轉(zhuǎn)角度；計算指針旋轉(zhuǎn)角相對滿量程角度的占比，按比例計算出示數(shù)值［1］。②檢測出指針指向位置和表盤刻度，根據(jù)指針落在表盤刻線的區(qū)間計算示數(shù)值。

3.3 圖像識別算法設(shè)計

（1）圖像灰度化。由于工業(yè)照相機得出的表盤圖片都是彩色圖像，如果直接處理，算法比較復雜、處理速度慢，不能滿足壓力檢驗過程時效性的要求，因而有必要對數(shù)據(jù)進行灰度化處理，在保證保留圖像主要特征的前提下，節(jié)省存儲空間，提升圖像的處理速度。

（2）閾值提取。為了確保儀表盤示數(shù)的準確性，首先需要從倍鏡圖像中抽取儀表指針及刻度線。在實際操作中，表達圖像的質(zhì)量會在各種因素的影響下呈現(xiàn)不同的結(jié)果，主要影響因素如下：表盤玻璃會有反光，現(xiàn)場的光線環(huán)境會對圖像中的像素數(shù)據(jù)有影響；部分表盤玻璃有油污等物質(zhì)，造成表盤刻度不清晰；噪聲等干擾因素的出現(xiàn)，會導致圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量的降低。因此，需要選擇恰當?shù)拈撝颠M行二值化處理，在該套裝置中采取以迭代法求取圖像二值化的閾值，算法的流程設(shè)計如下：①取整個圖像中的像素的最大和最小灰度值Zmax和Zmin，令初始閾值為T0=（Zmax+Zmin）/2；②根據(jù)閾值的當前值Tk，將圖像分割為前景和背景兩個部分，再依據(jù)第一步的算法求出兩者的平均灰度值，分別記作T0和TB［2］；③求出新的閾值Tk+1=（T0+TB）/2；④如果Tk+1=Tk，則所得數(shù)值即為閾值，否則轉(zhuǎn)到第二步，迭代計算。

（3）識別模塊設(shè)計。本軟件的核心模塊是模式識別，主要是完成對圓心、指針和指針角度、表盤刻度線的識別，主要利用Hough變換算法獲取圓心的識別［3］，指針則通過Candy邊緣檢測算子獲得圖像的邊緣信息，然后利用Hough直線檢測對指針直線進行識別。①基于Hough圓變換，檢測出整個圖片區(qū)域中所有的圓，通過過濾算法刨除像素點不符合圓形要求的圓，對剩余圓的圓心求平均值，再對求得的圓心進行調(diào)整，調(diào)整的范圍以檢測出圓的圓心為中心，長度為半徑的0.7倍的正方形調(diào)整區(qū)域，通過一次又一次的迭代運算調(diào)整，方可得到較為準確的表盤圓心。②利用Canny算子將經(jīng)過灰度化的圖像進行邊緣檢測，再通過Hough直線變換檢測出圖像中的所有直線，找出線段的端點至少有一個在圖片的中間區(qū)域，若只有一條直線，則該直線即為指針，若有兩條直線，則取原理圓心的點作為檢測直線的端點，以此獲取圖像中的指針像素［4］。③指針角度的計算，完成儀表指針、圓心及表盤刻度的提取之后，在壓力控制裝置未啟動、儀表指針處于零位的情況下獲取指針的位置，在壓力穩(wěn)定在某一點后，再次獲取表盤圖像，將兩個圖像進行比較，通過像素差異，基于已經(jīng)獲取的圓心坐標，結(jié)合響度分割算法，可以獲得在當前壓力下指針的選裝角度。

（4）儀表示數(shù)計算。在某一穩(wěn)定的標準壓力下，通過圖像識別程序，獲取表盤刻度線范圍角度、儀表指針旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合儀表的基本參數(shù)（如測量范圍等），通過以下公式可以計算出當前儀表的示數(shù)：

其中：P為計算出的儀表示值，Tmax為儀表的測量上限，Tmin為儀表的測量下限，為儀表刻度跨越的角度，為當前儀表指針的旋轉(zhuǎn)角度。

3.4 識別算法效果簡述

以測量范圍為0～16 MPa，誤差為1.6%FS，分度值為 0.5 MPa 的壓力表為例，其允許誤差為 0.256 MPa（為分度值的1/2），根據(jù)試驗結(jié)果可得出如下結(jié)論。

（1）識別精度較高，可以達到分度值的1/20。

（2）自壓力穩(wěn)定（0.01%的波動范圍內(nèi)）至完成識別過程，用時少于0.5 s，完全可以滿足批量檢驗的要求。

（3）該算法針對表盤污染、室內(nèi)光線變化等干擾因素具有一定的魯棒性，具備現(xiàn)場推廣的條件。

4 結(jié)語

經(jīng)過合理的管路搭配和機械設(shè)計，可以形成多工位的儀表檢驗裝置，實現(xiàn)有針對性的人員替代，不但可以大幅提升工作效率，降低勞動強度，還能減少人為主觀因素對檢驗結(jié)果和檢驗精度的影響，通過管理信息系統(tǒng)的建立實現(xiàn)整個檢驗業(yè)務(wù)的信息化優(yōu)化升級，但是現(xiàn)役儀表工作環(huán)境比較惡劣，表盤可能存在一定的污染，而且存在表盤雙刻度及非線性刻度等特殊情況，實現(xiàn)該裝置的全場景推廣，還需要對算法及壓力裝置進行進一步的探索和開發(fā)。