摄像直读抄表在燃气表智能化改造中的应用

摄像直读抄表在燃气表智能化改造中的应用

新天科技股份有限公司   费战波  董意德  吴宝寅

摘要：

   通过分析机械燃气表和智能燃气表应用现状，总结智能燃气表在使用过程中的一些问题和机械自动抄表改造的困难；分析了摄像数字识别技术的基本原理和实现方法，论证了摄像直读抄表的现实可行性，提出了通过摄像直读抄表及其他远传技术结合解决机械自动抄表改造问题的方案。

关键词：

    自动抄表改造，摄像直读抄表，数字识别技术

机械字轮式燃气表是传统的燃气计量装置，可靠性高，适应性强。时至今日虽然智能燃气表得到了广泛的应用，但机械字轮式燃气表仍然大量存在于供气系统中。机械字轮式燃气表需要人工抄表，传统的人工入户进行表具原始数据抄录，然后进行计算收费，也是目前仍在延用的抄表方式，但已经不能适应目前各燃气公司的需要。目前国家推行一户一表，抄表到户、贸易结算到户，这就意味着抄表工作量的加大、抄表人员费用的增加，加之人为数据误差大、抄表周期长、收费周期长等客观因素直接影响工作效率。另外，入户抄表所带来扰民、治安等问题不符合小区物业的管理要求，因此市场迫切需要一种先进、可靠代替人工进行抄表收费的工具。目前的智能燃气表可以解决自动抄表问题，但需要对已经安装机械表的供气系统进行大规模改造，这个工作不是一朝一夕可完成的。常见的智能燃气表有脉冲计数式、光电直读式等计量方式，脉冲计数式燃气表会存在一定的累积误差，光电直读式燃气表存在进位误判问题；且无论哪一种计量方式，计量结果都是以抽象的数据形式输出的。

摄像抄表方式是通过图像传感器采集表盘字轮图像，并通过图像分析和数字识别得到抄表数的抄表方式。摄像式直读表除了输出抽象的抄表数据，更能输出具体的表盘图像信息，不存在累积误差，图像上有燃气表表号和拍摄时间，可以防止出现收费纠纷。通过摄像方式采集表盘图像的方式得到抄表结果的装置，可以与基表在功能上完全分离，与基表没有任何电气上或流体上的接触，仅需要机械上的安装即可实现。非常适合在保证燃气安全性的前提下，对传统机械表进行智能化改造。

摄像直读抄表是通过图像传感器进行字轮拍摄、图像处理和数值识别，并通过适当的远传方式进行抄表数据和图像远传的抄表方式。其关键技术包括图像采集技术、数字图像识别技术及远传技术，并通过适当的结构设计将电子装置安装到机械字轮基表上。

摄像直读抄表通过微功耗CMOS图像传感器实现图像采集，通过具有较高运算能力的微控制器和相应算法实现图像处理和数字识别。摄像直读抄表所使用的数字识别技术与现有数字识别技术有较大区别：现有数字（文字）识别技术主要识别固定形态字符，而抄表装置所拍摄的表盘数字一直处于计量变化过程中，可能出现整字、双半字、整字半字混合出现的情况，且受现场环境的影响可能出现水雾等情况。

数字图像识别技术处理过程分图像处理、数字自动定位和数字识别三部分：图像处理采用基于动态二值化和形态学滤波的方法，可最大限度消除不同光线环境和水雾、杂质的影响；数字自动定位用于在表盘图像中找到数字的位置，采用基于知识库和逻辑树判断方法，根据拍摄图片的特征选择知识库中相应的比对特征和判断方法，生成逻辑树进行自动定位处理。数字自动定位技术可克服结构误差、摄像头焦距误差，以及使用过程中震动造成的位移，通过算法自动得到字轮在图片中的位置，不必人工校准字轮识别区域，可减小安装调试工作量，并且保证终端长时间工作的稳定性。数字识别采用基于特征权重判断的字模滚动比对识别法，这种方法根据字模库中字模的特征权重与数字图片的特征进行滚动比对，通过判断特征权重的大小进行数字识别，用于识别出计量变化过程中任意位置的数字图片。为了方便识别不同字形字体的基表字轮，可采用标准化硬件模块结合远程数据库更新方式。标准化硬件模块通过通用结构安装在现场燃气表上，再通过现场通过手机蓝牙选择相应字模库，或通过GPRS远程更新字模库，使该装置识别算法与该型表一致。快速数字建模适用于现场的某新型出现的燃气表，可通过采集该型表的少量的图片即可快速生成该型表的识别算法和相关参数，再远程更新至该终端的字模库中，即可实现识别。随着摄像识别抄表的发展会使字模库逐渐丰富，渐渐涵盖大部分常见种类的燃气表。

处于方便现场改造的考虑，摄像抄表系统应采用电池供电方式和无线远传方式。摄像抄表系统构成包括无线扩频摄像抄表终端、物联网摄像抄表终端、集中器、智能表综合管理系统（服务器版、单机版）、手机APP软件等部分构成。无线扩频摄像抄表终端是通过无线扩频技术进行通信的图像识别抄表终端，需要结合集中器工作，主要用于小型入户燃气表；物联网摄像抄表终端是通过GPRS技术进行通信的图像识别抄表终端，可用过GPRS和互联网直接与后台管理软件通信，主要用于大型燃气表。系统结构如图1所示。

 

图1 摄像抄表系统

整个系统包含Internet、GPRS、无线、蓝牙四种通信介质，安装有智能表综合管理系统和数据库的服务器、PC机、手机等设备通过Internet（WLAN）接入系统，起到后台管理、数据存储、分析、自动计费等作用；Internet通过通信基站连接GPRS体系，物联网摄像抄表终端、集中器等设备具有GPRS通信功能，可通过移动基站将数据传输至Internet后台管理系统；无线扩频摄像抄表终端具有扩频无线通信功能，可通过集中器将数据传输至后台管理系统。另外集中器、物联网摄像抄表终端还具有蓝牙通信功能，可通过手机进行近程抄表操作，通过手机建立终端和Internet（WLAN）之间的数据关联。系统中每台服务器可采集数量众多的物联网摄像抄表终端和集中器，数据库中可存储大量数据；而每台集中器又可采集数量众多的无线摄像抄表终端，整个系统中采集表的数量相当可观。

摄像直读抄表终端所使用的图像识别技术，与现有其他领域的图形识别技术相比，具有自动定位功能和字模库快速建模等特点。其他数字识别场合往往需要设置数字所在图像中的位置，然后通过该位置坐标在图像中进行识别。由于结构、摄像头制造误差，或使用过程中的缓慢移位，一旦坐标发生偏差将无法正确识别。摄像直读抄表关键技术中包含字轮自动定位技术，在每次识别之前都会校正字轮在图像中的位置，保证识别的准确定。字模库快速建模可应对基表类型众多的情况。常规数字识别技术需要收集被识别字轮的大量图片（数万张），增加新表周期长、成本高。摄像直读抄表快速建模技术只需要0~9十个数字的数十张图片即可得到自动定位逻辑库和识别算法库，可迅速添加新表型。

未来随着微处理器技术的进一步发展，以及各种智能算法的进一步完善丰富，可能采用更加强大的处理器和新型算法来提高准确性，如采用基于神经网络的专家库来生成定位策略和识别策略，通过模糊逻辑评估反馈定位、识别结果。当专家策略库超过终端微处理器容纳能力时，可采用基于云计算的大数据专家库来解决。