數(shù)字式萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定裝置的研制和應(yīng)用

顧杲，卲彭飛，魯瑛

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司客戶(hù)服務(wù)中心，浙江紹興312000）

數(shù)字式萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定裝置的研制和應(yīng)用

顧杲，卲彭飛，魯瑛

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司客戶(hù)服務(wù)中心，浙江紹興312000）

針對(duì)傳統(tǒng)萬(wàn)用表檢定工作人工檢定模式存在的工作效率低、測(cè)量數(shù)據(jù)易人為干預(yù)和安全隱患等狀態(tài)，研究和設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別和檔位智能切換技術(shù)的數(shù)字式萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定裝置，并在實(shí)際計(jì)量檢定工作中進(jìn)行應(yīng)用，極大地提高了檢定工作效率和計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化程度。

萬(wàn)用表；自動(dòng)檢定；圖像處理；智能切換

0 引言

萬(wàn)用表是電力系統(tǒng)常用的儀表之一，應(yīng)用非常廣泛，它的測(cè)量精度準(zhǔn)確與否，輕則關(guān)系檢修施工的質(zhì)量，重則關(guān)系到設(shè)備、人身安全。因此，必須加強(qiáng)萬(wàn)用表的日常維護(hù)、維修和定期檢定工作，保證其在合格范圍之內(nèi)。

傳統(tǒng)的萬(wàn)用表檢定工作是由檢定人員完成接線后，控制標(biāo)準(zhǔn)電源逐點(diǎn)、逐檔升流、升壓至測(cè)量點(diǎn)，人工隨各點(diǎn)、各檔讀取萬(wàn)用表顯示值和標(biāo)準(zhǔn)源示值，輸入計(jì)算機(jī)的電子表格，計(jì)算各點(diǎn)、各檔測(cè)量誤差，最后完成檢定證書(shū)。由于萬(wàn)用表測(cè)量功能全、檔位多，依據(jù)JJG 124－2005《電流表、電壓表、功率表及電阻表檢定規(guī)程》的要求，受人工作業(yè)影響，檢定工作效率低，數(shù)據(jù)人為干預(yù)易引發(fā)檢定質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)檢定過(guò)程需要經(jīng)常接、拆線，以及調(diào)整各檔位量程，存在安全隱患，比如對(duì)高電壓、大電流等量程檢定時(shí)，可能會(huì)因接線錯(cuò)誤造成表計(jì)損壞，嚴(yán)重的將對(duì)檢定人員人身安全構(gòu)成威脅。

近年來(lái)隨著電網(wǎng)的發(fā)展、檢修施工工作的需要，萬(wàn)用表檢定量也在逐年增加，如2012年國(guó)網(wǎng)紹興供電公司共送檢萬(wàn)用表428只，原檢定工作一直采用傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式，已難以滿(mǎn)足各送檢單位即檢即用的要求，制約著檢定工作的效益。為此，開(kāi)發(fā)了數(shù)字式萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定裝置，極大地提高了萬(wàn)用表檢定工作效率，也為計(jì)量工作集約化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了條件。

1 檢定裝置構(gòu)成

數(shù)字式萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)檢定裝置）通過(guò)生產(chǎn)計(jì)劃和選定的檢定方案，借助智能切換裝置在不變更接線的情況下自動(dòng)切換不同的電壓、電流測(cè)量量程，以及采用圖像采集裝置自動(dòng)獲取和識(shí)別萬(wàn)用表顯示數(shù)值，供檢定系統(tǒng)進(jìn)行誤差處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定。

檢定裝置由萬(wàn)用表全自動(dòng)檢定系統(tǒng)平臺(tái)和檢定硬件機(jī)構(gòu)組成，其中檢定系統(tǒng)平臺(tái)由參數(shù)設(shè)置、智能切換、表計(jì)檢定、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護(hù)5個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 檢定系統(tǒng)平臺(tái)框架

硬件機(jī)構(gòu)由高精度的萬(wàn)用表檢定裝置（提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）、圖像采集裝置、PC機(jī)和被檢儀表4個(gè)部分組成（如圖2所示）。PC機(jī)根據(jù)被檢儀表要求啟動(dòng)設(shè)定的檢定方案，控制檢定裝置按不同量程、不同檢定點(diǎn)輸出相應(yīng)的電流、電壓和電阻值至待檢定的萬(wàn)用表，圖像采集裝置通過(guò)攝像頭獲取萬(wàn)用表測(cè)量的數(shù)值圖像，經(jīng)USB口傳送至PC機(jī)，PC機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析處理獲得測(cè)量結(jié)果，再進(jìn)行誤差計(jì)算，自動(dòng)形成檢定報(bào)告。

檢定系統(tǒng)軟件模塊由信息管理模塊、設(shè)備檢定模塊、設(shè)備管理模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊4個(gè)主要部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖2 檢定裝置的硬件結(jié)構(gòu)

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

軟件采用Microsoft Windows XP Professional SP3操作平臺(tái)；程序語(yǔ)言C；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)SQL Server；運(yùn)行環(huán)境Windows All。管理系統(tǒng)操作界面見(jiàn)圖4，業(yè)務(wù)流程見(jiàn)圖5。

2 檢定裝置的主要功能

2.1 檢定過(guò)程的管理

通過(guò)萬(wàn)用表檢定系統(tǒng)，生成計(jì)劃管理，創(chuàng)建檢定方案，確定其檢定項(xiàng)目、檢定點(diǎn)、量程范圍等，并根據(jù)檢定方案進(jìn)行檢定，完成標(biāo)準(zhǔn)量的自動(dòng)錄入，自動(dòng)進(jìn)行誤差計(jì)算和修約，自身通過(guò)判斷，自動(dòng)存檔生成檢定報(bào)告，并可按照不同的條件進(jìn)行表計(jì)的查詢(xún)。

2.2 測(cè)量量程檔位的自動(dòng)切換

通過(guò)智能轉(zhuǎn)換器可以選擇針對(duì)不同測(cè)量對(duì)象量程等，在不換接線的情況下，可自動(dòng)切換萬(wàn)用表開(kāi)關(guān)，測(cè)量交（直）流電壓、電流和電阻等。

圖4 管理系統(tǒng)界面

圖5 業(yè)務(wù)流程

2.3 圖像的獲取與識(shí)別

通過(guò)圖像采集裝置的攝像頭SDK進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集與顯示，抓拍被檢萬(wàn)用表顯示數(shù)字的圖像，對(duì)圖像進(jìn)行濾波、二值化和規(guī)格化等圖像處理后提取數(shù)字特征，通過(guò)模板匹配、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識(shí)別算法，與先前數(shù)字樣本特征庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，完成圖像數(shù)字和符號(hào)識(shí)別，并在系統(tǒng)中自動(dòng)錄入該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，代替人工通電檢查萬(wàn)用表記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的單調(diào)重復(fù)過(guò)程。

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字圖像的處理

按檢定系統(tǒng)設(shè)置的檢定方案，PC機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出值，連續(xù)步進(jìn)，自動(dòng)定位上升誤差、下降變差等參數(shù)，通過(guò)圖像識(shí)別儀，讀出被檢萬(wàn)用表液晶顯示屏上數(shù)值，并在系統(tǒng)中自動(dòng)錄入該點(diǎn)的數(shù)據(jù)。檢定系統(tǒng)采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)代替人工操作，自動(dòng)完成數(shù)字和符號(hào)識(shí)別。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種典型的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[1]，它包含輸入層、隱藏層及輸出層，隱層可以為一層或多層，每層上的神經(jīng)元稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)或單元，它們由可修正的權(quán)值互連[2]。其基本思想是：根據(jù)訓(xùn)練樣本和期望輸出來(lái)設(shè)置合適的權(quán)值，不斷的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)連接的權(quán)值，使誤差達(dá)到實(shí)際的要求。

3.2 液晶顯示的數(shù)字讀取

3.2.1 數(shù)字圖像的獲取

一般的圖像識(shí)別，圖像往往處于靜止?fàn)顟B(tài)，但萬(wàn)用表測(cè)量的數(shù)據(jù)在動(dòng)態(tài)改變，工業(yè)相機(jī)拍到的數(shù)字圖像有可能不全。通過(guò)觸發(fā)相機(jī)同步拍攝功能，并采用高2個(gè)等級(jí)的建標(biāo)檢定裝置，解決了可能出現(xiàn)的圖像不全問(wèn)題。

工業(yè)攝像頭獲得的圖像區(qū)域較大，萬(wàn)用表顯示屏的灰度值較高且構(gòu)成矩形區(qū)域，利用這個(gè)特點(diǎn)，將圖像區(qū)域定位到萬(wàn)用表數(shù)字顯示屏區(qū)域，同時(shí)根據(jù)萬(wàn)用表顯示，建立定位符（可識(shí)別彩色點(diǎn)的標(biāo)記，在送檢萬(wàn)用表上貼有色標(biāo)記或其他有意義的顏色紋理），解決了液晶屏顯示數(shù)值圖像的定位問(wèn)題[3]。

萬(wàn)用表液晶顯示屏上除了顯示數(shù)字外，還有其他的符號(hào)（如V，-，Ω等），這些符號(hào)相對(duì)顯示數(shù)字來(lái)說(shuō)很小。由于待檢儀表信息已提前錄入管理系統(tǒng)，萬(wàn)用表當(dāng)前的輸出單位和類(lèi)型系統(tǒng)已默認(rèn)，因此圖像預(yù)處理過(guò)程可把它們剔除掉，提高識(shí)別率[4]。

3.2.2 數(shù)字圖像的特征參數(shù)提取

為解決不同萬(wàn)用表顯示的數(shù)字大小不同，且有動(dòng)態(tài)改變問(wèn)題，檢定系統(tǒng)進(jìn)行了處理：對(duì)每個(gè)數(shù)字，歸一化為16×8個(gè)像素后平均分成8份（見(jiàn)圖6a），統(tǒng)計(jì)每一份中黑色像素的百分比得到8個(gè)特征參數(shù)；統(tǒng)計(jì)水平方向中間2行和豎直方向中間2列（見(jiàn)圖6b的粗實(shí)線）的黑色象素點(diǎn)的百分比得到4個(gè)特征參數(shù)；最后統(tǒng)計(jì)所有黑色象素點(diǎn)的百分比作為第13個(gè)特征參數(shù)，構(gòu)成數(shù)字樣本特征庫(kù)，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入訓(xùn)練樣本[5]。

圖6 數(shù)字處理

3.3 算法實(shí)際應(yīng)用

先用上述方法離線訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)變化，相機(jī)拍到的數(shù)字圖像有可能不全，管理系統(tǒng)軟件識(shí)別算法的誤差較大。對(duì)此種情況，算法會(huì)安排重讀圖像，再次計(jì)算，比較誤差，重復(fù)5次識(shí)別，誤差均超過(guò)約定誤差，則得到檢定結(jié)果不合格；若連續(xù)5次無(wú)法識(shí)別圖像數(shù)字，則提示“數(shù)碼相機(jī)識(shí)別有問(wèn)題”，本檢定點(diǎn)檢定失敗，需要人工輔助檢定、重新調(diào)整萬(wàn)用表、數(shù)碼相機(jī)的位置等操作后，重新檢定該點(diǎn)。

圖7 量程自動(dòng)切換電路

3.4 量程的自動(dòng)切換

目前萬(wàn)用表檢定過(guò)程中，需要多次改接線以適應(yīng)不同量程檔位精度等級(jí)的檢定，因此從安全性和可靠性方面，首先必須解決手工改接線帶來(lái)的安全可靠性問(wèn)題。在考慮對(duì)系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)源輸出裝置改動(dòng)不大的前提下，采用電子開(kāi)關(guān)切換技術(shù)和切換自適應(yīng)算法，設(shè)計(jì)了智能轉(zhuǎn)換器，量程自動(dòng)切換電路如圖7所示。

如果標(biāo)準(zhǔn)源輸出模塊的前級(jí)放大倍數(shù)固定，大量程與小量程測(cè)量精度就會(huì)不一致，甚至在某個(gè)量程無(wú)法測(cè)量。比如按照1 000 V檔設(shè)計(jì)，前級(jí)放大倍數(shù)為0．005，不能太大，否則放大器會(huì)飽和；此外在10 V檔時(shí)，最大輸出只有0．05 V，造成某些小信號(hào)無(wú)法測(cè)量。

由標(biāo)準(zhǔn)源的CPU采用自適應(yīng)量程轉(zhuǎn)換算法，保證前后級(jí)放大倍數(shù)協(xié)調(diào)。在前、后級(jí)放大器的反饋回路中，控制Max308電子開(kāi)關(guān)的使能端和輸入控制端，從而控制采集電路初級(jí)放大器和次級(jí)放大器的不同反饋電阻接通和斷開(kāi)，達(dá)到自動(dòng)切換量程目的。它可以選擇針對(duì)不同測(cè)量對(duì)象量程檔位等，在不改換接線的情況下，自動(dòng)切換標(biāo)準(zhǔn)源的輸出，如輸出交（直）流電壓、交（直）電流和電阻等。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字萬(wàn)用表自動(dòng)檢定裝置的研制和應(yīng)用，徹底改變目前傳統(tǒng)的檢定點(diǎn)設(shè)置復(fù)雜，檢測(cè)數(shù)據(jù)人工記錄、人工干預(yù)大、易出錯(cuò)，檢定效率低，存在安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。在行業(yè)中具有很大的推廣價(jià)值，如數(shù)字式測(cè)量?jī)x表及電阻箱等檢定工作中，都可以應(yīng)用這類(lèi)自動(dòng)檢定裝置。

[1]藺廣逢，范引娣，張媛，等．主成分分析與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別方法研究[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（2）∶53－55．

[2]朱正禮．基于三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的字符識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2006（10）∶93－95．

[3]孫航．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的指紋識(shí)別[J]．信息與電腦，2011（5）∶32－33．

[4]戴亞文，王三武，李金龍．基于圖像處理技術(shù)復(fù)雜儀表的自動(dòng)識(shí)別[J]．計(jì)量技術(shù)，2003（12）∶33－35．

[5]郭勇，吳樂(lè)南．行駛車(chē)輛的牌照識(shí)別系統(tǒng)[J]．測(cè)控技術(shù)與設(shè)備，2000（11）∶37－41．

（本文編輯：陸瑩）

Development and Application of Full-automatic Verification Device of Digital Multimeter

GU Gao，SHAO Pengfei，LU Ying
（Customer Service Centre of State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

Aiming at the fact that manual verification mode of traditional multimeter verification work is characterized by its low efficiency，human intervention of measured value and potential safety hazard，this papers investigates and designs a full-automatic verification device for the digital multimeter based on image recognition and intelligent gear switching technologies．The device is applied in metering verification，which greatly improves efficiency of verification as well as metering standardization and intelligence．

multimeter；automatic verification；image processing；intelligent switching

TM938．1+2∶TM930．9

：B

：1007－1881（2014）07－0024－04

2013-11-06

顧杲（1969-），男，浙江寧波人，高級(jí)技師，從事電測(cè)計(jì)量及技術(shù)管理工作。