非接觸式DCS 數據識別裝置研究

傅金林

（海南合豐運維科技有限公司，海南 洋浦 578000）

1 緒論

1.1 目的和意義

物聯網時代，一切事物皆可視為數據，各大行業對網絡安全及數據傳輸安全性要求越來越高。DCS 作為工業生產過程控制系統，其穩定性和安全性非常重要，對網絡及數據傳輸安全有嚴格的要求，不容有半點紕漏。某些其他系統為了獲取DCS 系統相關數據，需要與DCS 系統進行通訊，若通訊采用物理連接的方式，對DCS 系統會存在病毒、黑客等安全問題，為解決該安全問題，我們對該安全性需求進行了技術研究，發明一種主要針對工業生產領域安全讀取DCS 系統數據的裝置，即非接觸式數據識別及傳輸裝置，以滿足DCS 系統數據對外傳輸的安全性需求。該裝置已經成功應用到海南匯智石化精細化工有限公司的智慧消防安全物聯網建設當中，取得了顯著的效果。

1.2 本文主要研究內容

本篇論文主要解決以下問題。

（1）對DCS 系統數據傳輸的安全性分析。

（2）非接觸式DCS 數據識別裝置的設備連接說明。

（3）非接觸式DCS 數據識別裝置的識別傳輸方法說明。

2 非接觸式DCS 數據識別裝置的設備組成及連接

2.1 設備組成

非接觸式DCS 數據識別裝置，包括工業DCS 控制系統與其他系統4，還包括圖像采集裝置1、圖像顯示裝置2 與中央主機3，所述中央主機3 內設有圖像預處理模塊5、圖像數字識別模塊6、通信模塊7 以及存儲數據庫8，所述工業DCS 控制系統與圖像顯示裝置2 信號相連，所述圖像采集裝置1 與中央主機3、其他系統4 依次信號相連；

圖1 非接觸式DCS 數據識別裝置的硬件連接

硬件設備具體連接如圖1 所示。

2.2 設備間的連接

（1）所述圖像采集裝置1 用于采集圖像顯示裝置2 的光學圖像信息，并發送至所述圖像預處理模塊5。（2）所述圖像預處理模塊5 用于將圖像采集模塊采集的光學圖像信息進行圖像的預處理，從而獲得二值化的圖片。（3）所述圖像數字識別模塊6 可對圖像預處理模塊5 獲得的二值化圖片進行數字識別。（4）所述存儲數據庫8 可存儲數字字符模板以及數字識別結果。（5）所述通信模塊7 用于與中央主機3 與其他系統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CCD 圖像傳感器，具有拍攝精度高、光譜范圍強的優點，所拍攝的圖片滿足高質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，所述顯示主機與工業DCS 控制系統信號相連，所述圖像采集裝置1 設置于所述圖像顯示裝置2 的正上方，即所述工業CCD 圖像傳感器放置于液晶顯示屏的正上方，便于工業CCD 圖像傳感器采集液晶顯示屏所顯示的圖像信息。（7）所述顯示主機與所述工業DCS 控制系統信號相連，顯示主機上運行有組態軟件，所述組態軟件可將工業DCS 控制系統需向其他系統4 傳輸的數據做成標準的排列順序，并在液晶顯示屏上進行顯示。（8）所述圖像采集裝置1 與中央主機3內的圖像預處理模塊5、圖像數字識別模塊6 依次信號相連，所述圖像數字識別模塊6 分別與通信模塊7 信號相連，所述圖像預處理模塊5 可對圖像采集裝置1 所獲得的圖像進行灰度處理及增強、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，所述圖像數字識別模塊6 可對所獲得的二值化圖片進行字符分割獲得單個字符，并對單個字符進行字符歸一化處理，歸一化處理后的單個字符通過基于模板匹配的OCR 算法進行識別匹配，選最佳匹配作為結果，模板匹配的主要特點是實現簡單，當字符較規整時對字符圖像的缺損、污跡干擾適應力強且識別率相當高。（9）所述存儲數據庫8 包括數字字符模板庫以及結果庫，所述數字字符模板庫內存有可對單個字符進行對比為字符模板，工業DCS 控制系統所傳輸的通常為包括小數點后兩位的阿拉伯數字信息，因此在數字字符模板庫時只需建立建立數字“0”至數字“9”的字符模板，以及符號“.”的字符模板，即可實現對字符的識別，其識別結果被統一保存在結果庫中，方便工作人員查看以及備份。

3 非接觸式DCS 數據識別裝置的識別傳輸方法

3.1 識別傳輸方法

非接觸式DCS 數據識別傳輸方法;首先是建立數字字符模板庫，通過顯示待傳輸數據采集待識別圖像并進行預處理，進行字符分割，并和數據字符模板庫進行模板匹配獲得單個字符，然后再進行字符組合將結果傳輸至其他系統。

包括下列步驟：

S1 建立數字字符模板庫，所述模板庫內含有數字“0”至數字“9”的字符模板，以及符號“.”的字符模板。

S2 通過組態軟件將工業DCS 控制系統需傳輸的數據按順序進行排列，并在圖像顯示裝置2 進行顯示。

S3 通過圖像采集裝置1 采集圖像顯示裝置2 上待識別圖像，并進行圖像預處理，獲得二值化圖像。

S4 對所述二值化圖像進行字符分割，獲得含有單個數字字符的區域圖像。

S5 將所述含有單個數字字符區域圖像與所述數字字符模板庫進行匹配對照，從而獲得對應的單個數字字符。

S6 將所獲得單個數字字符按照識別順序進行組合，并將其最終識別結果傳輸給其他系統4。

3.2 圖像預處理方法

A裝置中，所述預處理方法包括采用平均值法獲得灰度圖像，采用LOG 邊緣檢測方法進行圖像邊緣檢測可完全凸顯所需識別的圖像區域。

B裝置中，所述預處理方法包括采用中值濾波器進行濾波降噪，中值濾波器可以應用的范圍非常廣泛，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，又能夠保護圖像的邊緣和輪廓。

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

3.3 工作原理

工作時，通過組態軟件將工業DCS 控制系統需傳輸的數據按順序進行排列，并在圖像顯示裝置2 進行顯示，通過圖像采集裝置1 采集圖像顯示裝置2 上待識別圖像，并通過中央主機3 內的圖像預處理模塊5 進行圖像圖像預處理，獲得二值化圖像，該二值化圖像通過圖像數字識別模塊6 進行字符分割與字符識別，其識別結果一方面通過通信模塊7 傳輸至其他系統4，另一方面保存至結果庫中進行備份，方便工作人員查看。

4 結語

研發提供的一種非接觸式DCS 數據識別裝置。

（1）可將工業DCS 控制系統所需對外傳輸的數據統一顯示在圖像顯示裝置上，方便人員查看，中央主機通過圖像采集裝置采集圖像顯示裝置上顯示的圖片，并讀取、識別界面圖片中的數據，同時將識別結果進行輸出傳輸至其他系統，大大提高了工業DCS 控制系統向系統外進行數據傳輸的安全性，有效地杜絕了因黑客與病毒通過物理連接入侵工業DCS控制系統所帶來的安全風險。

（2）該裝置提供的一種非接觸式DCS 數據識別傳輸方法，其數字識別準確率高，識別速度快，數據傳輸效率高，采用物理隔離的方式杜絕了由TCP/IP 網絡協議脆弱性和部分操作系統的內在隱患帶來的安全問題。