瓦斯抽放系統(tǒng)中工業(yè)指針儀表自動(dòng)識(shí)別及傳輸技術(shù)

金樹軍

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

煤礦智能化建設(shè)隨著“十四·五”的來臨，加快了建設(shè)步伐，但是目前煤礦系統(tǒng)中存在大量工業(yè)儀表，這些儀表的讀數(shù)以及工作狀態(tài)需要指定人員巡檢，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。以瓦斯抽放為例，雖然目前國內(nèi)外均有瓦斯抽放系統(tǒng)，但是針對(duì)抽放端電機(jī)端的動(dòng)作，目前只能根據(jù)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來判斷，這樣會(huì)出現(xiàn)當(dāng)工具端故障不工作時(shí)，無法正確判斷當(dāng)前抽放是否工作，而且相對(duì)于各類開關(guān)、指示燈等的狀態(tài)識(shí)別，指針式儀表（如常用壓力表、電壓/流表等）的讀數(shù)更加復(fù)雜和困難。采用人工巡檢方式，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且因?yàn)檠矙z周期長，短期出現(xiàn)的故障、報(bào)警無法及時(shí)獲取以及處理[1]。

大量更換現(xiàn)有工業(yè)儀表為具備通信功能的儀表，不僅需要大量的儀表購置費(fèi)及施工等費(fèi)用，還會(huì)影響煤礦正常生產(chǎn)工作，這是各個(gè)煤礦生產(chǎn)企業(yè)不可以接受的。為此，設(shè)計(jì)了無需先停止瓦斯抽放系統(tǒng)工作再更換現(xiàn)有儀表的傳感器，采用了圖像識(shí)別[2]技術(shù)，采集工業(yè)儀表表盤后，就地實(shí)時(shí)識(shí)別讀數(shù)，可通過CAN總線[3]接入現(xiàn)有的中煤科工集團(tuán)沈陽研究院生產(chǎn)的瓦斯抽放系統(tǒng)中。

1 儀表讀數(shù)傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)

儀表讀數(shù)傳感器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，由攝像頭圖像采集模塊、ARM主控模塊、CAN總線模塊、參數(shù)存儲(chǔ)模塊、紅外模塊等構(gòu)成。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram

主控制模塊作為傳感器的核心部件，負(fù)責(zé)圖像處理與識(shí)別及整體控制，選擇NXP廠商的ARM Cortex-A7內(nèi)核Imx6ul芯片，主頻高達(dá)528 MHz，包括1個(gè)集成的電源管理單元，外擴(kuò)256MB的DDR3L，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)、指令處理能力以及較低功耗，目前大量應(yīng)用汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域，外設(shè)資源較全。

圖像采集模塊采用200萬像素低功耗的CMOS攝像頭，內(nèi)置影像串流處理器，實(shí)時(shí)JPEG編碼器以及整合微控制器，支持自動(dòng)聚焦、光學(xué)縮放等?？紤]井下光源以及設(shè)備震動(dòng)對(duì)視覺采集處理的影響，設(shè)計(jì)攝像頭工裝將攝像頭與被測儀表固定于一個(gè)空間，提供白色LED照明并保證同頻震動(dòng)。

存儲(chǔ)模塊與紅外模塊分別負(fù)責(zé)參數(shù)保存以及用戶輸入，由于Cortex-A7架構(gòu)的規(guī)定，芯片內(nèi)部不集成FLASH，系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)Nand Flash具有512 MB做存儲(chǔ)。紅外解碼使用通用型ir2100解碼芯片，自動(dòng)識(shí)別RC5、RC6 Mode0、NEC等多種編碼格式，無需外圍電路，使用UART接口與各類單片機(jī)通信，簡單方便。

通信模塊使用CAN 2.0B協(xié)議總線，Imx6ul內(nèi)部具有2路CAN FD，設(shè)計(jì)中使用1路CAN控制器搭配1路CTM1051收發(fā)器[4]，使用標(biāo)準(zhǔn)幀負(fù)責(zé)與監(jiān)控分站通信。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 軟件架構(gòu)

軟件的穩(wěn)定、可靠是保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的關(guān)鍵，軟件使用Linux 4.15版本操作系統(tǒng)開發(fā)，此系統(tǒng)開源、結(jié)構(gòu)清晰合理，適用于工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。軟件使用的線程數(shù)量要合理，各個(gè)模塊之間需保證低內(nèi)聚高耦合的軟件工程思想[5]，要合理使用內(nèi)部資源，防止出現(xiàn)線程死鎖、饑餓等問題發(fā)生。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主線程1個(gè)，接收線程1個(gè)，數(shù)據(jù)上傳線程1個(gè)，狀態(tài)改變上傳線程1個(gè)，圖像識(shí)別線程1個(gè)，人機(jī)交互線程1個(gè)等共計(jì)6個(gè)線程。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure diagram

主線程負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)配置以及建立其他子線程；周期性上傳圖像識(shí)別的數(shù)據(jù)及傳感器自身狀態(tài)由數(shù)據(jù)上傳線程來實(shí)現(xiàn)；狀態(tài)上傳線程優(yōu)先級(jí)最高，屬于實(shí)踐觸發(fā)任務(wù)，非周期性執(zhí)行，只有當(dāng)傳感器狀態(tài)改變時(shí)觸發(fā)。接收處理線程將上層設(shè)備的指令加入共享內(nèi)存，為了保證數(shù)據(jù)不丟幀，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，不在接收函數(shù)處理，將數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)隊(duì)列后，觸發(fā)信號(hào)量通知處理任務(wù)，處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議規(guī)定會(huì)存放到共享內(nèi)存后通知相應(yīng)的任務(wù)來取數(shù)據(jù)。人機(jī)交互線程屬于觸發(fā)性任務(wù)，實(shí)現(xiàn)井下礦工對(duì)傳感器標(biāo)定工作，與普通礦用傳感器不同，視覺傳感器對(duì)環(huán)境要求高，所以需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)標(biāo)定視覺提高識(shí)別率。

圖像識(shí)別線程實(shí)現(xiàn)對(duì)被測儀表的圖像采集以及數(shù)據(jù)識(shí)別工作，識(shí)別流程圖如圖3，圖像信息的獲取是對(duì)被研究對(duì)象的調(diào)查和分析后得到數(shù)據(jù)和材料，對(duì)圖像識(shí)別來說是將實(shí)物、圖片、底片以及文字圖形等用光電掃描設(shè)備轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理，通過對(duì)原始圖像的輸入，可以進(jìn)行相應(yīng)的加工、整理、分析、歸納等操作實(shí)現(xiàn)去偽存真，以粗取精，提煉出能反映和可計(jì)算的實(shí)物本質(zhì)的特征量。采用OpenCV視覺處理圖與典型儀表識(shí)別算法共同完成，其中OpenCV視覺圖負(fù)責(zé)完成圖像信息獲取及處理等工作，判決與輸出提取由具體算法實(shí)現(xiàn)。

圖3 識(shí)別流程圖Fig.3 Identification flow chart

另外，由于接入瓦斯抽放系統(tǒng)，作為系統(tǒng)子模塊，要通過設(shè)計(jì)特定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)即插即用，無需人為設(shè)定類型，并且減少井下升級(jí)傳感器的難度，需要設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程更新升級(jí)[6]功能，丁遠(yuǎn)等《基于ARM的IAP遠(yuǎn)程升級(jí)技術(shù)在煤礦監(jiān)控分站中的應(yīng)用》對(duì)Boot－Loader原理以及IAP實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的講解。對(duì)傳感器強(qiáng)實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)，可參考文獻(xiàn)[7]。

2.2 儀表識(shí)別算法

圖像識(shí)別是從工業(yè)儀表圖像中對(duì)表盤示數(shù)進(jìn)行識(shí)別，算法流程圖如圖4。

圖4識(shí)別算法圖Fig.4 Recognition algorithm chart

算法流程如下：

1）加載系統(tǒng)參數(shù)，包括量程、各類算法所需參數(shù)值等。

2）讀取攝像頭圖像數(shù)據(jù)I，并轉(zhuǎn)換成算法所需的Mat數(shù)據(jù)格式。

3）使用高斯濾波算法[8]，對(duì)灰度圖lg進(jìn)行去噪、光滑處理。原始圖像可能包含有攝像頭拍攝時(shí)產(chǎn)生的斑點(diǎn)、噪點(diǎn)，同時(shí)畫面中還可能存在我們不感興趣的線段等。通過使用高斯濾波算法，可以對(duì)圖像進(jìn)行模糊處理，得到處理后的圖像lga。

4）使用Hough圓擬合[9]算法，計(jì)算每個(gè)非零像素點(diǎn)的各個(gè)方向的梯度向量，對(duì)于在同一個(gè)圓上的像素點(diǎn)，它們的梯度向量最終相交于同一個(gè)點(diǎn)。對(duì)這些梯度向量的交點(diǎn)進(jìn)行投票，選出票數(shù)最高的點(diǎn)作為圓心（x，y），然后對(duì)半徑r進(jìn)行縮放，當(dāng)半徑r縮放到某個(gè)數(shù)值后，有足夠多的點(diǎn)在該圓上，即可確定半徑r。記錄下圓心P（x，y）與半徑r。

5）使用Canny邊緣檢測[10]算法，對(duì)于圖像lga進(jìn)行邊緣處理，得到邊緣圖像lgc。

6）使用Hough直線擬合算法，由于傳統(tǒng)的直角坐標(biāo)系垂直于x軸方向的直線斜率不存在，故而需要先對(duì)圖像的所有像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)來計(jì)算。對(duì)于圖像lgc所有像素點(diǎn)，計(jì)算經(jīng)過該點(diǎn)的直線的可能的斜率k和截距b，遍歷完圖像所有像素點(diǎn)后，對(duì)k-b進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選出出現(xiàn)次數(shù)足夠多的k-b。有了斜率k和截距b后就可以確定1條直線。

7）將提取到的所有直線與圓心P（x，y）進(jìn)行測距計(jì)算，得到直線與圓心P（x，y）的距離。

8）根據(jù)直線的起點(diǎn)、終點(diǎn)與圓心P（x，y）的距離，選出距離圓心最近的直線，該直線即為指針，記錄下該直線的起點(diǎn)S（x，y）和終點(diǎn)E（x，y）。

9）利用三角正切函數(shù)原理，根據(jù)直線起點(diǎn)S和終點(diǎn)E以及圓心P，計(jì)算指針直線與圓心的夾角α，并根據(jù)夾角α進(jìn)行量程換算，轉(zhuǎn)換成讀數(shù)n。

3 仿真試驗(yàn)

試驗(yàn)以中煤科工集團(tuán)沈陽研究院瓦斯抽放系統(tǒng)為試驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)下的每臺(tái)瓦斯抽放監(jiān)控分站可接16個(gè)傳感器。在實(shí)驗(yàn)室采用與現(xiàn)場井工礦一致的線纜布置搭建采煤工作面環(huán)境后，使用10臺(tái)設(shè)計(jì)的視覺傳感器，為了檢測系統(tǒng)通信能力，使用2臺(tái)甲烷傳感器，1單參數(shù)流量傳感器，1臺(tái)壓力傳感器，1臺(tái)溫度傳感器，1臺(tái)多參數(shù)傳感器做穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。使用Wireshark工具在PC端進(jìn)行以太網(wǎng)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測，使用CAN那根線分析設(shè)備對(duì)總線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在瓦斯抽放監(jiān)控分站軟件中的各個(gè)線程數(shù)據(jù)接口部分打印對(duì)應(yīng)的日志，隨機(jī)選取常用指針儀表5種，每種2款進(jìn)行識(shí)別讀數(shù)，設(shè)置2 s識(shí)別間隔，每種儀表采集100幅圖片，識(shí)別率可達(dá)到95%，符合識(shí)別要求，查看上位機(jī)數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤的指針儀表數(shù)據(jù)，符合錯(cuò)誤處理要求。

4 結(jié) 語

以瓦斯抽放系統(tǒng)為平臺(tái)，工業(yè)指針儀表為設(shè)計(jì)對(duì)象，提出并設(shè)計(jì)了一種采用攝像頭獲取儀表圖像，通過圖像識(shí)別技術(shù)得到儀表讀數(shù)并本地顯示和具備CAN總線傳輸?shù)墓I(yè)儀表自動(dòng)識(shí)別裝置，解決了瓦斯抽放現(xiàn)場中大量工業(yè)儀表需要人工巡檢，不具備數(shù)據(jù)通信能力，無法與現(xiàn)有瓦斯抽放系統(tǒng)通信等問題，達(dá)到了加快智慧礦山建設(shè)的目的。