攝像直讀抄表在燃氣表智能化改造中的應用

新天科技股份有限公司   費戰波  董意德  吳寶寅

摘要：

   通過分析機械燃氣表和智能燃氣表應用現狀，總結智能燃氣表在使用過程中的一些問題和機械自動抄表改造的困難；分析了攝像數字識別技術的基本原理和實現方法，論證了攝像直讀抄表的現實可行性，提出了通過攝像直讀抄表及其他遠傳技術結合解決機械自動抄表改造問題的方案。

關鍵詞：

    自動抄表改造，攝像直讀抄表，數字識別技術

機械字輪式燃氣表是傳統的燃氣計量裝置，可靠性高，適應性強。時至今日雖然智能燃氣表得到了廣泛的應用，但機械字輪式燃氣表仍然大量存在于供氣系統中。機械字輪式燃氣表需要人工抄表，傳統的人工入戶進行表具原始數據抄錄，然后進行計算收費，也是目前仍在延用的抄表方式，但已經不能適應目前各燃氣公司的需要。目前國家推行一戶一表，抄表到戶、貿易結算到戶，這就意味著抄表工作量的加大、抄表人員費用的增加，加之人為數據誤差大、抄表周期長、收費周期長等客觀因素直接影響工作效率。另外，入戶抄表所帶來擾民、治安等問題不符合小區物業的管理要求，因此市場迫切需要一種先進、可靠代替人工進行抄表收費的工具。目前的智能燃氣表可以解決自動抄表問題，但需要對已經安裝機械表的供氣系統進行大規模改造，這個工作不是一朝一夕可完成的。常見的智能燃氣表有脈沖計數式、光電直讀式等計量方式，脈沖計數式燃氣表會存在一定的累積誤差，光電直讀式燃氣表存在進位誤判問題；且無論哪一種計量方式，計量結果都是以抽象的數據形式輸出的。

攝像抄表方式是通過圖像傳感器采集表盤字輪圖像，并通過圖像分析和數字識別得到抄表數的抄表方式。攝像式直讀表除了輸出抽象的抄表數據，更能輸出具體的表盤圖像信息，不存在累積誤差，圖像上有燃氣表表號和拍攝時間，可以防止出現收費糾紛。通過攝像方式采集表盤圖像的方式得到抄表結果的裝置，可以與基表在功能上完全分離，與基表沒有任何電氣上或流體上的接觸，僅需要機械上的安裝即可實現。非常適合在保證燃氣安全性的前提下，對傳統機械表進行智能化改造。

攝像直讀抄表是通過圖像傳感器進行字輪拍攝、圖像處理和數值識別，并通過適當的遠傳方式進行抄表數據和圖像遠傳的抄表方式。其關鍵技術包括圖像采集技術、數字圖像識別技術及遠傳技術，并通過適當的結構設計將電子裝置安裝到機械字輪基表上。

攝像直讀抄表通過微功耗CMOS圖像傳感器實現圖像采集，通過具有較高運算能力的微控制器和相應算法實現圖像處理和數字識別。攝像直讀抄表所使用的數字識別技術與現有數字識別技術有較大區別：現有數字（文字）識別技術主要識別固定形態字符，而抄表裝置所拍攝的表盤數字一直處于計量變化過程中，可能出現整字、雙半字、整字半字混合出現的情況，且受現場環境的影響可能出現水霧等情況。

數字圖像識別技術處理過程分圖像處理、數字自動定位和數字識別三部分：圖像處理采用基于動態二值化和形態學濾波的方法，可最大限度消除不同光線環境和水霧、雜質的影響；數字自動定位用于在表盤圖像中找到數字的位置，采用基于知識庫和邏輯樹判斷方法，根據拍攝圖片的特征選擇知識庫中相應的比對特征和判斷方法，生成邏輯樹進行自動定位處理。數字自動定位技術可克服結構誤差、攝像頭焦距誤差，以及使用過程中震動造成的位移，通過算法自動得到字輪在圖片中的位置，不必人工校準字輪識別區域，可減小安裝調試工作量，并且保證終端長時間工作的穩定性。數字識別采用基于特征權重判斷的字模滾動比對識別法，這種方法根據字模庫中字模的特征權重與數字圖片的特征進行滾動比對，通過判斷特征權重的大小進行數字識別，用于識別出計量變化過程中任意位置的數字圖片。為了方便識別不同字形字體的基表字輪，可采用標準化硬件模塊結合遠程數據庫更新方式。標準化硬件模塊通過通用結構安裝在現場燃氣表上，再通過現場通過手機藍牙選擇相應字模庫，或通過GPRS遠程更新字模庫，使該裝置識別算法與該型表一致。快速數字建模適用于現場的某新型出現的燃氣表，可通過采集該型表的少量的圖片即可快速生成該型表的識別算法和相關參數，再遠程更新至該終端的字模庫中，即可實現識別。隨著攝像識別抄表的發展會使字模庫逐漸豐富，漸漸涵蓋大部分常見種類的燃氣表。

處于方便現場改造的考慮，攝像抄表系統應采用電池供電方式和無線遠傳方式。攝像抄表系統構成包括無線擴頻攝像抄表終端、物聯網攝像抄表終端、集中器、智能表綜合管理系統（服務器版、單機版）、手機APP軟件等部分構成。無線擴頻攝像抄表終端是通過無線擴頻技術進行通信的圖像識別抄表終端，需要結合集中器工作，主要用于小型入戶燃氣表；物聯網攝像抄表終端是通過GPRS技術進行通信的圖像識別抄表終端，可用過GPRS和互聯網直接與后臺管理軟件通信，主要用于大型燃氣表。系統結構如圖1所示。

 

圖1 攝像抄表系統

整個系統包含Internet、GPRS、無線、藍牙四種通信介質，安裝有智能表綜合管理系統和數據庫的服務器、PC機、手機等設備通過Internet（WLAN）接入系統，起到后臺管理、數據存儲、分析、自動計費等作用；Internet通過通信基站連接GPRS體系，物聯網攝像抄表終端、集中器等設備具有GPRS通信功能，可通過移動基站將數據傳輸至Internet后臺管理系統；無線擴頻攝像抄表終端具有擴頻無線通信功能，可通過集中器將數據傳輸至后臺管理系統。另外集中器、物聯網攝像抄表終端還具有藍牙通信功能，可通過手機進行近程抄表操作，通過手機建立終端和Internet（WLAN）之間的數據關聯。系統中每臺服務器可采集數量眾多的物聯網攝像抄表終端和集中器，數據庫中可存儲大量數據；而每臺集中器又可采集數量眾多的無線攝像抄表終端，整個系統中采集表的數量相當可觀。

攝像直讀抄表終端所使用的圖像識別技術，與現有其他領域的圖形識別技術相比，具有自動定位功能和字模庫快速建模等特點。其他數字識別場合往往需要設置數字所在圖像中的位置，然后通過該位置坐標在圖像中進行識別。由于結構、攝像頭制造誤差，或使用過程中的緩慢移位，一旦坐標發生偏差將無法正確識別。攝像直讀抄表關鍵技術中包含字輪自動定位技術，在每次識別之前都會校正字輪在圖像中的位置，保證識別的準確定。字模庫快速建模可應對基表類型眾多的情況。常規數字識別技術需要收集被識別字輪的大量圖片（數萬張），增加新表周期長、成本高。攝像直讀抄表快速建模技術只需要0~9十個數字的數十張圖片即可得到自動定位邏輯庫和識別算法庫，可迅速添加新表型。

未來隨著微處理器技術的進一步發展，以及各種智能算法的進一步完善豐富，可能采用更加強大的處理器和新型算法來提高準確性，如采用基于神經網絡的專家庫來生成定位策略和識別策略，通過模糊邏輯評估反饋定位、識別結果。當專家策略庫超過終端微處理器容納能力時，可采用基于云計算的大數據專家庫來解決。