核電廠應(yīng)急柴油機(jī)表盤數(shù)字化識(shí)別技術(shù)研究

周 勇，陳 星，朱鵬樹，梁永飛

（大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，深圳 518124）

核電應(yīng)急柴油機(jī)屬于核電站安全系統(tǒng)設(shè)備，對(duì)柴油機(jī)的監(jiān)測和巡檢工作必不可少。但由于核電站復(fù)雜的電磁環(huán)境，在核電應(yīng)急柴油機(jī)組增加一套電子式的參數(shù)采集裝置，需對(duì)機(jī)組進(jìn)行繁瑣的改造，且需要嚴(yán)格而復(fù)雜的審批論證過程[1-2]。因此，指針式儀表被廣泛應(yīng)用于核電站應(yīng)急柴油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)測量中。但目前，指針式儀表的讀取大多采用人工進(jìn)行，存在很多明顯的缺點(diǎn)。首先，長時(shí)間讀取容易由于疲勞造成人為誤差；其次，人工讀取速度相對(duì)比較慢，無法捕捉快速變化的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。因此，指針儀表的智能化識(shí)別成為了解決上述問題的唯一選擇。

目前，指針式儀表的智能化識(shí)別大多采用攝像機(jī)拍攝儀表圖像并進(jìn)行相應(yīng)處理獲取讀數(shù)。文獻(xiàn)[3]利用圓變換檢測指針和表盤的旋轉(zhuǎn)中心，再通過輪廓跟蹤算法確定指針中軸線的位置，通過圓心連線與指針中軸線的夾角確定儀表讀數(shù)。文獻(xiàn)[4]使用減影法將模板圖像與實(shí)際圖像相減得到單指針圖像，利用角度法得到指針示數(shù)。文獻(xiàn)[5]利用中心投影法先用變換找到儀表指針旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)，然后將指針圖像向旋轉(zhuǎn)中心投影來尋找指針位置。上述方法均存在模型適用范圍窄、預(yù)處理過程繁瑣、難以識(shí)別刻度非均勻的儀表等不足。此外，由于核電站應(yīng)急柴油機(jī)廠房時(shí)常需要工作人員進(jìn)行巡視，儀表可能被遮擋，造成識(shí)別結(jié)果不準(zhǔn)確。

針對(duì)上述問題，采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的指針式儀表讀數(shù)識(shí)別技術(shù)，能夠自適應(yīng)提取儀表特征及并讀取儀表示數(shù)，解決了傳統(tǒng)識(shí)別模型適用范圍窄，預(yù)處理過程繁瑣，難以識(shí)別刻度非均勻的儀表的問題；此外，研究了基于SIFT特征匹配的遮擋檢測技術(shù)，排除了儀表遮擋度識(shí)別結(jié)果的影響。基于這兩種技術(shù)，研發(fā)了一套核電站應(yīng)急柴油機(jī)指針式儀表快速數(shù)字化識(shí)別系統(tǒng)，并應(yīng)用于某核電站應(yīng)急柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和巡檢工作中。

1 指針式儀表示數(shù)快速數(shù)字化識(shí)別系統(tǒng)

指針式儀表示數(shù)智能識(shí)別系統(tǒng)以計(jì)算服務(wù)器為平臺(tái)，采用攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，通過網(wǎng)線與交換機(jī)，將圖像連續(xù)地傳輸至計(jì)算服務(wù)器，經(jīng)過對(duì)儀表盤圖像的預(yù)處理，以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別模型進(jìn)行計(jì)算識(shí)別，得到指針式儀表的讀數(shù)，并對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行保存。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

指針式儀表參數(shù)快速識(shí)別系統(tǒng)由攝像機(jī)、交換機(jī)、計(jì)算服務(wù)器和顯示器組成，其硬件組成如圖1所示。

攝像機(jī)用于拍攝儀表圖像，可根據(jù)現(xiàn)場的安裝情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保證采集圖像的質(zhì)量；交換機(jī)是計(jì)算服務(wù)器和攝像機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊中介；計(jì)算服務(wù)器是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理圖像、識(shí)別讀數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；顯示器作為人機(jī)交互終端，方便用戶操作本系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖Fig.1 Configuration of system hardware

1.2 主要功能

1.2.1 攝像機(jī)控制及自調(diào)節(jié)

本系統(tǒng)可以直接對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)進(jìn)行拍攝參數(shù)的調(diào)整。此外，系統(tǒng)提供了裝置自調(diào)節(jié)的功能，排除了由現(xiàn)場環(huán)境干擾（如廠房振動(dòng)、人為移動(dòng)）造成的不利影響。投入使用前，調(diào)整好攝像機(jī)拍攝角度，記錄標(biāo)志物在采集圖像中的相對(duì)位置，定期檢測標(biāo)志物在圖像中的相對(duì)位置，若檢測到標(biāo)志物位置發(fā)生較大偏移，則通過系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值調(diào)整攝像機(jī)的拍攝角度。標(biāo)志物如圖2方框所示。

圖2 標(biāo)志物位置記錄示意圖Fig.2 Position reference marked

1.2.2 識(shí)別模型配置

在系統(tǒng)投入使用之前，需根據(jù)現(xiàn)場儀表的實(shí)際情況對(duì)識(shí)別模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到良好的識(shí)別效果。該部分在本文關(guān)鍵技術(shù)部分詳細(xì)說明。

1.2.3 儀表圖像預(yù)處理與識(shí)別

該部分為系統(tǒng)的核心部分，包括儀表盤圖像的預(yù)處理以及儀表讀數(shù)識(shí)別。其工作流程如圖3所示。

圖3 儀表圖像預(yù)處理及識(shí)別流程Fig.3 Flow chart of images pretreatment and identification

圖像預(yù)處理的作用是將采集的原始圖像轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)圖片，包括儀表區(qū)域提取、灰度處理及圖片異常檢測，計(jì)算識(shí)別的作用是判斷儀表所屬類別，并經(jīng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系輸出讀數(shù)結(jié)果。該部分功能的詳細(xì)說明如下：

儀表提取 攝像機(jī)同時(shí)拍攝多個(gè)儀表盤，因此，在圖像采集的同時(shí)需要對(duì)圖像進(jìn)行儀表提取處理。根據(jù)初始化時(shí)對(duì)采集圖像的坐標(biāo)標(biāo)定，提取儀表盤圖像中的儀表。其示意圖如圖4所示。

圖4 儀表區(qū)域提取示意Fig.4 Image object extraction

灰度處理 將RGB圖轉(zhuǎn)化為灰度圖像，只保留指針和刻度相對(duì)位置信息，提高計(jì)算效率。

圖片遮擋檢測 采用SIFT特征匹配算法對(duì)度量儀表圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板的相似度，當(dāng)檢測出相似度低于閾值的圖片，該時(shí)刻的圖像視為被遮擋，則不進(jìn)行計(jì)算識(shí)別，以上個(gè)時(shí)刻的識(shí)別結(jié)果作為當(dāng)前識(shí)別結(jié)果。

模型計(jì)算識(shí)別 將圖片輸入訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型，得到儀表讀數(shù)結(jié)果。

1.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與結(jié)果查看

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括計(jì)算結(jié)果以及采集的圖像。將計(jì)算結(jié)果以及采集圖像保存到計(jì)算機(jī)本地，方便用戶進(jìn)行歷史結(jié)果查看，并根據(jù)所采集的儀表圖像進(jìn)行識(shí)別結(jié)果的驗(yàn)證對(duì)比。

2 指針式儀表快速識(shí)別系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像分類的儀表讀數(shù)識(shí)別模型

文獻(xiàn)[6]提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的儀表檢測及定位方法，能夠在變電站較為復(fù)雜的環(huán)境中檢測出儀表所在區(qū)域，證明說明卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠識(shí)別指針式儀表的特征。

由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在圖像處理方面具備自適應(yīng)特征提取，泛化能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[7]，考慮通過該模型對(duì)核電站應(yīng)急柴油機(jī)所配套多種類別的指針式儀表讀數(shù)進(jìn)行識(shí)別。與文獻(xiàn)[6]檢測定位方法不同的是，讀數(shù)識(shí)別本質(zhì)上是多分類任務(wù)，借助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類能力即可實(shí)現(xiàn)指針式儀表讀數(shù)識(shí)別。因此，設(shè)計(jì)一套基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的儀表讀數(shù)識(shí)別模型，并使用配置完善的模型進(jìn)行儀表讀數(shù)識(shí)別。

要準(zhǔn)確識(shí)別儀表量程內(nèi)的所有讀數(shù)，需要所有讀數(shù)（類別）的儀表圖像都參與到模型訓(xùn)練的過程。由于難以采集到所有不同讀數(shù)的圖像。因此，采用指針旋轉(zhuǎn)變換的方法，并生成所有類別的儀表圖像的方法。此外，在樣本生成過程中，考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的干擾（光照強(qiáng)度、陰影等），向樣本隨機(jī)添加干擾成分。經(jīng)過訓(xùn)練，得抗干擾能力強(qiáng)、具備非均勻刻度儀表讀數(shù)識(shí)別能力的模型，其流程如圖5所示。

圖5 識(shí)別軟件模型配置Fig.5 Image identification software process

2.2 基于SIFT特征匹配的遮擋檢測

核電應(yīng)急柴油機(jī)廠房內(nèi)有時(shí)常有工作人員巡視儀表的運(yùn)行情況，這會(huì)導(dǎo)致表盤被遮擋，攝像頭拍攝的圖像中沒有完整的儀表圖像。工作人員遮擋情況如圖6所示，所拍攝被遮擋的儀表圖像如圖7所示。

圖6 工作人員遮擋儀表的情況Fig.6 Situation of staff blocking instruments

圖7 儀表被遮擋的圖像Fig.7 Image of dail instrument occlusion

為解決該問題，通過SIFT特征匹配方法來檢測所拍攝的儀表圖像是否被遮擋。SIFT算法的實(shí)質(zhì)是在不同的尺度空間上查找特征點(diǎn)，所查找的特征點(diǎn)都是一些十分突出，不會(huì)因光照、仿射變換和噪聲等因素而變換的穩(wěn)定特征點(diǎn)[8]，降低誤判可能性。

識(shí)別過程中，將儀表圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行對(duì)比，通過特征點(diǎn)數(shù)判斷所采集的儀表圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板的相似程度，若匹配的點(diǎn)數(shù)小于閾值，則判斷該儀表被遮擋。被遮擋的圖片檢測效果如圖8所示。

圖8 儀表遮擋檢測示意Fig.8 Pretreatment image of dail instrument occlusion

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

某核電站應(yīng)急柴油機(jī)組備配備30個(gè)指針式儀表，4個(gè)儀表柜。攝像頭通過支架吊裝在屋頂之上，分別對(duì)應(yīng)4塊儀表盤區(qū)域。攝像機(jī)連接著網(wǎng)線，連接至交換機(jī)，通過網(wǎng)線連至機(jī)箱。系統(tǒng)的安裝布局如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)安裝布局Fig.9 Installation of high definition camera

本系統(tǒng)在設(shè)備應(yīng)急柴油機(jī)組啟機(jī)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了測試。識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別應(yīng)急柴油機(jī)在啟機(jī)過程中的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用效果及相關(guān)分析如下。

3.1 應(yīng)用效果

將系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果與人工讀取的真實(shí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以一號(hào)、三號(hào)儀表柜的上油過濾器油壓表和二號(hào)、四號(hào)儀表柜的發(fā)動(dòng)機(jī)入水口壓力表作為示例，說明讀數(shù)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確性，如圖10～圖13所示。

圖10一號(hào)儀表柜的油壓識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of oil pressure identification results of instrument cabinet No.1

圖11二號(hào)儀表柜的水壓識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of hydraulic pressure identification results for instrument cabinet No.2

圖12三號(hào)儀表柜的油壓識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of oil pressure identification results of instrument cabinet No.3

圖13 四號(hào)儀表柜的水壓識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of hydraulic pressure identification results for instrument cabinet No.4

3.2 結(jié)果分析

后續(xù)對(duì)2臺(tái)設(shè)備上游過濾器油壓表和發(fā)動(dòng)機(jī)入水口壓力表讀數(shù)真實(shí)值與系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果的對(duì)比統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 數(shù)字化識(shí)別系統(tǒng)誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Error statistics of digital recognition system

本系統(tǒng)針對(duì)上油過濾器油壓表的識(shí)別結(jié)果平均誤差為0.083%，發(fā)動(dòng)機(jī)入水口壓力表的識(shí)別結(jié)果平均誤差為0.280%，二者的識(shí)別結(jié)果最大誤差為1%。分析表明，本系統(tǒng)讀數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確性能夠滿足核電站應(yīng)急柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和巡檢的需求。

4 結(jié)語

本文研究提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別算法的指針式儀表識(shí)別技術(shù)。研發(fā)了指針式儀表識(shí)別系統(tǒng)裝置，在現(xiàn)場進(jìn)行測試應(yīng)用，取得了滿意效果。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地識(shí)別核電站應(yīng)急柴油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。該技術(shù)為核電應(yīng)急柴油機(jī)可靠性管理提供了有效手段和數(shù)據(jù)分析依據(jù)；在核電站應(yīng)急柴油機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和巡檢工作中，可以代替人工讀數(shù)工作，提高了儀表讀數(shù)的效率和質(zhì)量，為核電站應(yīng)急柴油機(jī)的運(yùn)行管理提供了一種創(chuàng)新性的手段，同時(shí)，該技術(shù)為本行業(yè)及其他相關(guān)行業(yè)的指針式儀表數(shù)字化識(shí)別的研究與應(yīng)用提供了借鑒作用和指導(dǎo)意義。