非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置研究

傅金林

（海南合豐運(yùn)維科技有限公司，海南 洋浦 578000）

1 緒論

1.1 目的和意義

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，一切事物皆可視為數(shù)據(jù)，各大行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全及數(shù)據(jù)傳輸安全性要求越來(lái)越高。DCS 作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和安全性非常重要，對(duì)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)傳輸安全有嚴(yán)格的要求，不容有半點(diǎn)紕漏。某些其他系統(tǒng)為了獲取DCS 系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，需要與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行通訊，若通訊采用物理連接的方式，對(duì)DCS 系統(tǒng)會(huì)存在病毒、黑客等安全問(wèn)題，為解決該安全問(wèn)題，我們對(duì)該安全性需求進(jìn)行了技術(shù)研究，發(fā)明一種主要針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域安全讀取DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的裝置，即非接觸式數(shù)據(jù)識(shí)別及傳輸裝置，以滿足DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)外傳輸?shù)陌踩孕枨?。該裝置已經(jīng)成功應(yīng)用到海南匯智石化精細(xì)化工有限公司的智慧消防安全物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)當(dāng)中，取得了顯著的效果。

1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容

本篇論文主要解決以下問(wèn)題。

（1）對(duì)DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑治觥?/p>

（2）非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置的設(shè)備連接說(shuō)明。

（3）非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置的識(shí)別傳輸方法說(shuō)明。

2 非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置的設(shè)備組成及連接

2.1 設(shè)備組成

非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置，包括工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)4，還包括圖像采集裝置1、圖像顯示裝置2 與中央主機(jī)3，所述中央主機(jī)3 內(nèi)設(shè)有圖像預(yù)處理模塊5、圖像數(shù)字識(shí)別模塊6、通信模塊7 以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)8，所述工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)與圖像顯示裝置2 信號(hào)相連，所述圖像采集裝置1 與中央主機(jī)3、其他系統(tǒng)4 依次信號(hào)相連；

圖1 非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置的硬件連接

硬件設(shè)備具體連接如圖1 所示。

2.2 設(shè)備間的連接

（1）所述圖像采集裝置1 用于采集圖像顯示裝置2 的光學(xué)圖像信息，并發(fā)送至所述圖像預(yù)處理模塊5。（2）所述圖像預(yù)處理模塊5 用于將圖像采集模塊采集的光學(xué)圖像信息進(jìn)行圖像的預(yù)處理，從而獲得二值化的圖片。（3）所述圖像數(shù)字識(shí)別模塊6 可對(duì)圖像預(yù)處理模塊5 獲得的二值化圖片進(jìn)行數(shù)字識(shí)別。（4）所述存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)8 可存儲(chǔ)數(shù)字字符模板以及數(shù)字識(shí)別結(jié)果。（5）所述通信模塊7 用于與中央主機(jī)3 與其他系統(tǒng)4 之間的通信連接。（6）所述圖像采集裝置1 采用接口為USB 3.0 的工業(yè)CCD 圖像傳感器，具有拍攝精度高、光譜范圍強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，所拍攝的圖片滿足高質(zhì)量圖像處理算法的要求，所述圖像顯示裝置2 包括液晶顯示屏與顯示主機(jī)，所述顯示主機(jī)與工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)信號(hào)相連，所述圖像采集裝置1 設(shè)置于所述圖像顯示裝置2 的正上方，即所述工業(yè)CCD 圖像傳感器放置于液晶顯示屏的正上方，便于工業(yè)CCD 圖像傳感器采集液晶顯示屏所顯示的圖像信息。（7）所述顯示主機(jī)與所述工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)信號(hào)相連，顯示主機(jī)上運(yùn)行有組態(tài)軟件，所述組態(tài)軟件可將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)需向其他系統(tǒng)4 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做成標(biāo)準(zhǔn)的排列順序，并在液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。（8）所述圖像采集裝置1 與中央主機(jī)3內(nèi)的圖像預(yù)處理模塊5、圖像數(shù)字識(shí)別模塊6 依次信號(hào)相連，所述圖像數(shù)字識(shí)別模塊6 分別與通信模塊7 信號(hào)相連，所述圖像預(yù)處理模塊5 可對(duì)圖像采集裝置1 所獲得的圖像進(jìn)行灰度處理及增強(qiáng)、濾波降噪和水平較正、二值化等處理，最終得到二值化的圖片，所述圖像數(shù)字識(shí)別模塊6 可對(duì)所獲得的二值化圖片進(jìn)行字符分割獲得單個(gè)字符，并對(duì)單個(gè)字符進(jìn)行字符歸一化處理，歸一化處理后的單個(gè)字符通過(guò)基于模板匹配的OCR 算法進(jìn)行識(shí)別匹配，選最佳匹配作為結(jié)果，模板匹配的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，當(dāng)字符較規(guī)整時(shí)對(duì)字符圖像的缺損、污跡干擾適應(yīng)力強(qiáng)且識(shí)別率相當(dāng)高。（9）所述存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)8 包括數(shù)字字符模板庫(kù)以及結(jié)果庫(kù)，所述數(shù)字字符模板庫(kù)內(nèi)存有可對(duì)單個(gè)字符進(jìn)行對(duì)比為字符模板，工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)所傳輸?shù)耐ǔ榘ㄐ?shù)點(diǎn)后兩位的阿拉伯?dāng)?shù)字信息，因此在數(shù)字字符模板庫(kù)時(shí)只需建立建立數(shù)字“0”至數(shù)字“9”的字符模板，以及符號(hào)“.”的字符模板，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)字符的識(shí)別，其識(shí)別結(jié)果被統(tǒng)一保存在結(jié)果庫(kù)中，方便工作人員查看以及備份。

3 非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置的識(shí)別傳輸方法

3.1 識(shí)別傳輸方法

非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別傳輸方法;首先是建立數(shù)字字符模板庫(kù)，通過(guò)顯示待傳輸數(shù)據(jù)采集待識(shí)別圖像并進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行字符分割，并和數(shù)據(jù)字符模板庫(kù)進(jìn)行模板匹配獲得單個(gè)字符，然后再進(jìn)行字符組合將結(jié)果傳輸至其他系統(tǒng)。

包括下列步驟：

S1 建立數(shù)字字符模板庫(kù)，所述模板庫(kù)內(nèi)含有數(shù)字“0”至數(shù)字“9”的字符模板，以及符號(hào)“.”的字符模板。

S2 通過(guò)組態(tài)軟件將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按順序進(jìn)行排列，并在圖像顯示裝置2 進(jìn)行顯示。

S3 通過(guò)圖像采集裝置1 采集圖像顯示裝置2 上待識(shí)別圖像，并進(jìn)行圖像預(yù)處理，獲得二值化圖像。

S4 對(duì)所述二值化圖像進(jìn)行字符分割，獲得含有單個(gè)數(shù)字字符的區(qū)域圖像。

S5 將所述含有單個(gè)數(shù)字字符區(qū)域圖像與所述數(shù)字字符模板庫(kù)進(jìn)行匹配對(duì)照，從而獲得對(duì)應(yīng)的單個(gè)數(shù)字字符。

S6 將所獲得單個(gè)數(shù)字字符按照識(shí)別順序進(jìn)行組合，并將其最終識(shí)別結(jié)果傳輸給其他系統(tǒng)4。

3.2 圖像預(yù)處理方法

A裝置中，所述預(yù)處理方法包括采用平均值法獲得灰度圖像，采用LOG 邊緣檢測(cè)方法進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)可完全凸顯所需識(shí)別的圖像區(qū)域。

B裝置中，所述預(yù)處理方法包括采用中值濾波器進(jìn)行濾波降噪，中值濾波器可以應(yīng)用的范圍非常廣泛，它克服了線性濾波器如最小均方濾波、均值濾波等使圖像邊緣模糊的不良影響，既可以有效去除圖像中的不同的噪聲，又能夠保護(hù)圖像的邊緣和輪廓。

C裝置中，所述預(yù)處理方法包括采用全局閾值法進(jìn)行二值化處理，可將灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白二色的二值化圖像；采用垂直投影法對(duì)所述二值化圖像進(jìn)行字符分割，有效地克服了圖像過(guò)度分割與字符粘連的現(xiàn)象。

3.3 工作原理

工作時(shí)，通過(guò)組態(tài)軟件將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按順序進(jìn)行排列，并在圖像顯示裝置2 進(jìn)行顯示，通過(guò)圖像采集裝置1 采集圖像顯示裝置2 上待識(shí)別圖像，并通過(guò)中央主機(jī)3 內(nèi)的圖像預(yù)處理模塊5 進(jìn)行圖像圖像預(yù)處理，獲得二值化圖像，該二值化圖像通過(guò)圖像數(shù)字識(shí)別模塊6 進(jìn)行字符分割與字符識(shí)別，其識(shí)別結(jié)果一方面通過(guò)通信模塊7 傳輸至其他系統(tǒng)4，另一方面保存至結(jié)果庫(kù)中進(jìn)行備份，方便工作人員查看。

4 結(jié)語(yǔ)

研發(fā)提供的一種非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別裝置。

（1）可將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)所需對(duì)外傳輸?shù)臄?shù)據(jù)統(tǒng)一顯示在圖像顯示裝置上，方便人員查看，中央主機(jī)通過(guò)圖像采集裝置采集圖像顯示裝置上顯示的圖片，并讀取、識(shí)別界面圖片中的數(shù)據(jù)，同時(shí)將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行輸出傳輸至其他系統(tǒng)，大大提高了工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)向系統(tǒng)外進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，有效地杜絕了因黑客與病毒通過(guò)物理連接入侵工業(yè)DCS控制系統(tǒng)所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）該裝置提供的一種非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識(shí)別傳輸方法，其數(shù)字識(shí)別準(zhǔn)確率高，識(shí)別速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高，采用物理隔離的方式杜絕了由TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議脆弱性和部分操作系統(tǒng)的內(nèi)在隱患帶來(lái)的安全問(wèn)題。