基于圖像識(shí)別的居民用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫明霞 ，荊 慧 ，袁 弘 ，李建祥

（1.聊城供電公司，山東 聊城 252000；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

在智能電網(wǎng)的建設(shè)過程中，對于電力用戶的用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)是非常關(guān)鍵的，通過用電信息采集系統(tǒng)可以及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地掌控用戶用電信息。 系統(tǒng)采集的用戶用電信息作為收費(fèi)依據(jù)，牽扯到千家萬戶的利益，系統(tǒng)的控制功能影響到客戶的停電送電［1］。

目前國內(nèi)居民用戶的用電信息采集大多采用遠(yuǎn)程集抄的方式，常用的采集方式有：GPRS采集器方式、載波采集器加載波集中器方式、微功率無線采集器加GPRS集中器方式［2］。但由于無線信號(hào)覆蓋、載波干擾、電表位置偏僻等各種原因，仍有大部分居民用戶的電表無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集抄，仍需要抄表員人工抄表完成每月的計(jì)量計(jì)費(fèi)工作，在農(nóng)村用戶中這種情況更為普遍。 而人工抄表受到人為因素的影響，容易帶來誤抄、估抄、漏抄等問題，嚴(yán)重影響電力企業(yè)和用戶的利益［3］。

從用電信息采集實(shí)用角度出發(fā)，利用掃描技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)一種居民用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)抄表員對居民電表信息的快速、準(zhǔn)確抄收，最大程度減少抄表員的工作量，徹底避免了誤抄、漏抄、估抄等問題，提高人工抄收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和工作效率，提升供電企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)思想

當(dāng)前人工抄表的工作方式通常為異區(qū)抄表，抄表人員對所分配區(qū)域中電表分布不熟悉，有可能導(dǎo)致漏抄的情況；在人工抄表的工作中常使用掌上電腦進(jìn)行記錄，通常提前將待抄收用戶的戶號(hào)信息傳入掌上電腦，抄表員在現(xiàn)場觀察電表表碼讀數(shù)后，將讀數(shù)記錄在相應(yīng)戶號(hào)下，在這個(gè)過程中，可能出現(xiàn)記錯(cuò)戶號(hào)、表碼讀數(shù)錯(cuò)誤、表碼記錄錯(cuò)誤等問題，還有可能因?yàn)槿饲橐蛩貙?dǎo)致的故意錯(cuò)誤。

根據(jù)供電企業(yè)的管理流程，電表在倉庫管理時(shí)使用資產(chǎn)編號(hào)條碼管理，在進(jìn)行現(xiàn)場安裝時(shí)完成電表資產(chǎn)編號(hào)與居民用戶戶號(hào)的對應(yīng)。供電企業(yè)每月的計(jì)量計(jì)費(fèi)一般按照用戶戶號(hào)進(jìn)行計(jì)算。因此在抄表員抄收表碼時(shí)，只需根據(jù)電表資產(chǎn)編號(hào)條碼即可確定該電表所屬用戶的戶號(hào)。同時(shí)隨著掌上電腦及智能手機(jī)的迅速發(fā)展，掌上電腦的處理速度、攝像頭分辨率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過幾年前的產(chǎn)品，甚至超過了普通計(jì)算機(jī)的CPU和普通數(shù)碼相機(jī)的分辨率。 結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件和實(shí)際工作方式，設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的用電信息采集系統(tǒng)。

一方面利用掌上電腦的條碼掃描技術(shù)和大容量存儲(chǔ)功能。在抄表員現(xiàn)場抄表時(shí)，通過條碼掃描電表資產(chǎn)編號(hào)條碼，獲取電表資產(chǎn)編號(hào)，并根據(jù)電表資產(chǎn)編號(hào)與用戶戶號(hào)的對應(yīng)關(guān)系，在掌上電腦中對居民戶號(hào)進(jìn)行快速查找，減少人工搜索和查找的工作量，降低出錯(cuò)概率。

另一方面使用掌上電腦高分辨率攝像頭和高性能CPU。在抄表員現(xiàn)場抄表時(shí)，使用掌上電腦攝像頭拍攝電表表碼，利用掌上電腦內(nèi)部高速運(yùn)算對電表表碼圖片進(jìn)行圖像識(shí)別，將識(shí)別出的電表表碼記錄在掌上電腦中。目前對儀表讀數(shù)的圖形識(shí)別技術(shù)已經(jīng)比較成熟，識(shí)別正確率超過97.9%［4］。

2 用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供電企業(yè)用電信息采集工作由各區(qū)域供電部門負(fù)責(zé)，同時(shí)各區(qū)域供電部門還負(fù)責(zé)用戶電表的新增、遷移、更換、拆除等工作，負(fù)責(zé)維護(hù)用電營銷MIS中用戶信息、電表信息等數(shù)據(jù)。 每個(gè)月各區(qū)域供電部門所轄范圍內(nèi)的用戶信息和電表信息都會(huì)發(fā)生一定的變更，因此在每月抄表開始時(shí)必須從營銷MIS系統(tǒng)中獲取最新的用戶、電表數(shù)據(jù)，并將最新的數(shù)據(jù)導(dǎo)入掌上電腦中。在抄表員使用掌上電腦完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)傳回用電信息采集系統(tǒng)中。

根據(jù)供電企業(yè)的工作模式，設(shè)計(jì)用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，劃分為3層：營銷MIS管理層、用電信息管理層以及用電信息采集層。 用電信息管理層從營銷MIS管理層獲取最新的用戶和電表數(shù)據(jù)，并將采集到的電表表碼數(shù)據(jù)回傳至營銷MIS管理層；用電信息管理層進(jìn)一步分為服務(wù)端與客戶端。 服務(wù)端布置在供電企業(yè)中心機(jī)房，各客戶端工作站布置在各區(qū)域供電部門；用電信息采集層中，每個(gè)區(qū)域供電部門內(nèi)配備多個(gè)掌上電腦，供多個(gè)抄表員使用，掌上電腦與各工作站之間的數(shù)據(jù)交互可以采用有線方式，也可以采用公用無線網(wǎng)絡(luò)方式，即GPRS/CDMA/3G/4G網(wǎng)絡(luò)。用電信息采集層從用電信息管理層獲取用戶和電表數(shù)據(jù)，并將采集到的電表表碼數(shù)據(jù)回傳至用電信息管理層。

營銷MIS管理層為各供電企業(yè)中比較成熟的系統(tǒng)，用電信息管理層中各功能在其它論文中都已經(jīng)多次論述。本研究的重點(diǎn)放在用電信息采集層的掌上電腦上。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 掌上電腦功能設(shè)計(jì)

掌上電腦功能設(shè)計(jì)如圖2所示，包括用戶及電表信息管理、現(xiàn)場表碼數(shù)據(jù)采集和表碼數(shù)據(jù)回傳。用戶及電表信息管理完成掌上電腦中用戶電表信息與用電信息管理層中用戶電表信息的對比更新功能，保證掌上電腦中的用戶電表信息為當(dāng)前最新數(shù)據(jù)；表碼數(shù)據(jù)回傳功能將已采集的最新的用戶電表表碼值回傳至用電信息采集層的功能。以上兩種功能可通過有線方式完成，也可通過無線方式完成。

圖2 掌上電腦功能劃分

現(xiàn)場表碼數(shù)據(jù)采集功能包括條碼掃描、電表導(dǎo)航、用戶搜索、拍照識(shí)別、紅外采集、GPS記錄、手工錄入、未采集提醒功能。條碼掃描通過對現(xiàn)場電表資產(chǎn)條形碼的掃描識(shí)別，搜索獲取用戶戶號(hào)；電表導(dǎo)航可以根據(jù)以往記錄的電表GPS坐標(biāo)信息，對待采集的電表進(jìn)行導(dǎo)航指引；用戶搜索提供指定戶名、戶號(hào)、電表資產(chǎn)號(hào)搜索用戶的功能；拍照識(shí)別通過對電表表碼示數(shù)進(jìn)行拍照和圖像識(shí)別，完成電表表碼的采集；紅外采集可實(shí)現(xiàn)對距離較遠(yuǎn)的電表通過紅外方式采集電表表碼；GPS記錄功能在每次記錄電表表碼時(shí)，記錄當(dāng)前電表的GPS坐標(biāo)，并通過多次記錄提高電表GPS坐標(biāo)的準(zhǔn)確性；手工錄入提供對無法拍照識(shí)別的表碼手工錄入的功能；未采集提醒功能提醒抄表員對當(dāng)前采集小區(qū)未記錄表碼的用戶信息。

4 表碼數(shù)據(jù)圖像識(shí)別

電表表碼數(shù)據(jù)圖像識(shí)別功能是本研究的核心功能之一，圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確程度。 現(xiàn)場用戶電表存在多個(gè)廠家，不同時(shí)期的電表，電表表碼的顯示也各有不同。總的來說，目前電表表碼顯示主要為字段式液晶顯示、數(shù)碼管顯示、無指針儀表顯示3種。 針對3種不同的表碼顯示方式，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)字圖像識(shí)別算法，采用SVM及KNN 算法進(jìn)行表碼圖像識(shí)別［5-8］。

要順利完成表碼數(shù)字的圖像識(shí)別，首先要求表碼部分的圖像清晰，符合圖像識(shí)別的要求。因此要求抄表員現(xiàn)場拍攝時(shí)必須正確拍攝照片。現(xiàn)場抄表員通常文化程度不高，很多人根本不了解圖像識(shí)別，無法保證拍攝照片的質(zhì)量，因此必須在掌上電腦的應(yīng)用軟件中進(jìn)行設(shè)置，以保證表碼照片的拍攝符合標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)圖像識(shí)別的步驟，首先進(jìn)行表碼區(qū)域的定位，然后確定數(shù)字位置。 因此在掌上電腦應(yīng)用軟件的表碼拍照功能中，增加了表碼區(qū)域定位框功能，如圖3、圖4所示，以保證抄表員拍攝的表碼照片滿足識(shí)別要求。

圖3 液晶表碼區(qū)域定位框

圖4 表盤表碼區(qū)域定位框

表碼區(qū)域確定后，進(jìn)一步分割數(shù)字區(qū)域，利用行間間隔將各數(shù)字行分割開來，如圖5所示，然后將表碼區(qū)域中的單個(gè)數(shù)字分割出來。字切割是利用每行字符中字符之間的間隙將各個(gè)數(shù)字分割開來，如圖6所示。

圖5 水平分割的表碼區(qū)域

圖6 分割后的單個(gè)數(shù)字

然后對分割后的數(shù)字進(jìn)行特征提取，并進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字識(shí)別，完成整個(gè)表碼的識(shí)別過程。為保證表碼數(shù)字的圖像識(shí)別準(zhǔn)確可靠，每次識(shí)別過程分別采用多種算法同時(shí)進(jìn)行識(shí)別，并比對識(shí)別結(jié)果，如結(jié)果一致則程序認(rèn)可識(shí)別結(jié)果，否則提示抄表員進(jìn)行判斷，由抄表員選擇正確結(jié)果或再次拍照識(shí)別。通過這種方式，可以進(jìn)一步提高表碼數(shù)字的識(shí)別準(zhǔn)確率。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

目前各供電企業(yè)中用電信息采集系統(tǒng)基本都已經(jīng)部署，因此對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的營銷MIS管理層與用電信息管理層可使用已有采集系統(tǒng)中功能模塊，僅對用電信息采集層的掌上電腦進(jìn)行實(shí)現(xiàn)即可。

為提高掌上電腦應(yīng)用軟件的通用性，對于用電信息采集層的軟件本研究分別研發(fā)了3套版本，分別為Windows Phone版本、iPhone版本以及Android版本。3套版本可以覆蓋目前常見的掌上電腦和智能手機(jī)終端，提高軟件的適應(yīng)性。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場抄表員使用掌上電腦進(jìn)行抄表工作，整體抄表時(shí)間比以往手工抄收普遍節(jié)省30%～50%，拍照后表碼圖像識(shí)別時(shí)間小于200 ms，98%的電表一次拍照即可準(zhǔn)確識(shí)別，其余電表可在二次拍照后準(zhǔn)確識(shí)別。

6 結(jié)語

本文從系統(tǒng)架構(gòu)、掌上電腦功能和圖像識(shí)別幾個(gè)方面對基于圖像識(shí)別的用電信息采集系統(tǒng)構(gòu)建、重點(diǎn)功能、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。 通過掃描技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有抄表員抄表工作的升級。同時(shí)掃描技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，提供了快速、準(zhǔn)確、可靠的抄表方式，并且減少了人工抄收帶來了各種弊端，提升了管理水平，提高了供電企業(yè)的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。

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