基于图像识别的配网设备铭牌参数抄写仪设计与应用

Posted 2021-06-04 中国高新科技期刊

摘要：文章以图像识别为基本理论支撑，通过软硬件设计实现对手持配电网设备铭牌参数抄写仪器的开发，并探讨其具体有效性，给出实际应用中的注意事项，旨在为后续配电网设备管理与施工提供参考。

关键词：图像识别；配电网；铭牌参数；抄写 

电力施工是一个较为复杂的系统工程，在实际施工与后续的维养过程中需要对设备的种类、型号、具体应用及状态进行记录与掌握，以便在需要时能够进行快捷查询。而在实际操作中，大量设备处于野外，铭牌信息较为复杂，这就使得记录与查询工作相对困难。为了进一步解决这一问题，提高现场记录与查询效率，本文拟开发一套手持设备铭牌参数抄写设备，并对其具体应用进行分析。

1 传统抄写的困境与问题

配电网设备管理是较为复杂的系统工程，在实际的施工过程中，对于配电网的设备管理依旧处于初级阶段，部分环节依旧采用人工手动管理的方式来进行。具体则要求现场施工人员通过对铭牌的读取来达到手动记录的形式予以登记。

此种模式显然存在3 方面问题：

①部分设备铭牌安装在高处，现场人员在读取过程中需要攀爬等操作，容易产生触电、坠落等意外事故。

②铭牌参数内容相对复杂，以变压器为例， 其铭牌参数项目包括了4 大类、19 项内容。这些内容的现场读取与登记费时费力，不仅增加了工作人员的工作强度， 更延缓了施工及管理效率。与此同时，采用人工手动登记的方式来进行设备管理，在现场登记之外还需要进行后台的誊抄，容易产生错误，纸质记录也容易随着时间的延长而丢失，不利于有效管理体系的建立。

③铭牌参数的手动登记无法形成有效的数字化管理体系，在数字化建设的当下注定被时代与实际施工需求所淘汰。同时，由于手动登记记录的时效性等问题，现场无法对数据进行有效的调取，对于现场施工的指导价值显著不足。

2 手持铭牌参数识别设备的设计

具体的设备设计包括了硬件设计与软件设计两个方面， 其中硬件设计较为简单。其基本原理在于对图像的摄入以及分析，基于此，硬件设备包括了 4 个方面：

①摄像头，主要用于图像的拍摄，为后续的图像识别提供必要素材；

②识别模块，采用 564L 以上的单片机作为编程程序的载体，负责对摄像头输入的图像进行处理；

③储存模块，采用 256m 储存颗粒对处理后的信息进行储存，并作为信息调取的查询服务器；

④交互模块，包括了显示器，用于操作人员操作以及USB 交互系统，通过计算机与其他设备进行数据交互。

在硬件设计的基础上，需要进一步对软件进行设计与完善。其中软件的逻辑框架如图1 所示。

图1 软件设计逻辑示意图

从图1 中不难看出，图像输入后需要经过调整、处理以及校正3 个基本过程，该过程后可以形成有效的信息数据包，并根据识别出的设备类型提供模板库进行按项目储存。储存后的铭牌参数通过显示设备予以显示，在确认无误后进行保存，如果存在错误则可以进行必要的手动更改，从而对结果进行校准后予以保存。

在具体的软件模块设计中，图像调整与图像处理较为关键，具体实现方式如下：在图像调整模块中，利用双三次插值算法，找出图像中待求像素点像素值的影响因子，根据影响因子获取目标图像对应的像素值，通过源代码编程处理，达到图像缩放的目的。假如每个待求像素点为x ，由其相邻左右各2 个像素进行加权，求得其像素值：（x）=（fxk）u（s）；同时调用BiCubic 基函数在像素点插入同等位点2 点的条件下对上述公式中的u（s）进行求解，从而形成新的像素矩阵。

通过此种方式能够达到提高图像像素点、提升对比度的根本目的。值得注意的是，在不考虑外部污染的情况下，设备铭牌参数图像均为黑白的显著分布，外部污染也多以灰色灰尘污染为主，此种方式能够有效提高图像的可识别效率。

在图像识别模块中：针对已调整分辨率的铭牌图片，对铭牌区域进行局部二值化，对二值化图像进行细化处理。假定每个像素点在参数空间对应曲线之间的交点（x，y），如果交于一点的曲线数量超过阈值，那么认为交点（ρ，θ）在图像空间对应1 条直线，同时遵循下述计算示例：ρ =xcosθ+ysinθ；利用Laplacian 边缘检测结果进行图像多边形轮廓检测，根据轮廓的几何关系、长宽比、面积尺寸、纹理特征等约束，剔除干扰区域，从而提取到有效的参数信息。

3 应用效果分析及其注意事项

为了进一步认证设计设备的有效性，本文利用手持设备对不同情况下的铭牌参数信息进行读取，后采用手动对比的方式确认其有效性。在有效性认证过程中采用了距离、角度两种维度的参照水平来进行，其具体结果如表1 所示。

条件	有效（例）	无效（例）	有效性（%）
1m+ 正向	100	0	100
1m+ 水平 45°	98	2	98
1m+ 垂直 45°	94	6	94
2m+ 正向	99	1	99
2m+ 水平 45°	96	4	96
2m+ 垂直 45°	90	10	90
3m+ 正向	92	8	92
3m+ 水平 45°	84	16	84
3m+ 垂直 45°	73	27	73
合计	826	74	91.7%

表1 设备有效性统计表

因在于配电网铭牌参数并非印刷形式，而是采用钢印的形式进行输入，钢印模式下对于光线及角度的要求更为苛刻，影响更为显著，这一有效性比例在实际工程中属于优秀范围。与此同时，这一规律在后续不同距离的识别中也表现出较为明显的趋势。对比不同的距离对识别的影响可以发现，识别的有效性随着距离的提升而降低。当距离为3m 时需要使用摄像头自带的光学放大功能，对于识别有效性的影响更为明显，其正向有效性降低到92%，垂直45° 的有效性更是低于75%。

这也进一步说明：该手持设备的有效识别距离在2m 范围之内，利用光学放大或者超出距离对识别的影响较为明显。这也是后续现场使用过程中需要予以注意的。与此同时，即使剔除3m 的超范围实验结果，其总体的有效性为96.2%。同时，这也说明：在实际的现场应用过程中需要尽可能采用1m 以内的正向拍摄来获取铭牌参数，如果超出这一距离则需要采用人工矫正的方式对数据进行修正，以达到提升准确性的目的。

4 结 语

从实际的应用需求出发，手持设备铭牌参数读取仪需要实现读取、查询等基础性功能，在硬件方面需要分为存储、摄像、数据分析、交互4 个模块。在软件层面上，则需要完成数据的调整、处理与校正。其中，数据的调整采用双三次差值算法来予以实现；数据的处理采用局部二值化来获得有效信息；数据的校正中值滤波的方式进行采集校正。经实际开发与应用，该设备的综合有效率在90% 以上，部分高尺寸铭牌的参数读取效率达到100%，符合实际工程需求。

作者简介：孙辉（1983-），男，浙江余姚人，国网浙江余姚市供电有限公司高级工程师，研究方向：电气工程及其自动化。

参考文献

[1] 王元峰，龙思璇，曾惜，等. 基于卷积神经网络的电网变压器铭牌识别技术研究[J]. 数字技术与应用，2020，38（7）：113-115.

[2] 石煌雄，胡洋，蒋作，等. 基于深度学习的电气铭牌可变区域识别方法的研究[J]. 云南民族大学学报( 自然科学版)，2020，29（4）：350-355.

[3] 李奇超，马波，伍弘，等. 设备铭牌字符识别系统的开发与实现[J]. 宁夏电力，2020（2）：53-57.