工 業(yè) 智 能 巡 檢 系 統(tǒng)

□ 韓少恒

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

伴隨著我國對(duì)推進(jìn)人工智能向工業(yè)賦能的迫切要求,人工智能在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已逐漸深入工業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)領(lǐng)域,并呈現(xiàn)出由智能制造向智能運(yùn)維不斷延伸的態(tài)勢。

傳統(tǒng)的巡檢通過工人的視覺、聽覺、嗅覺等感官方式,主觀對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行讀數(shù),人工方式收集和記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)。這種人工巡檢的方式受環(huán)境、設(shè)備地理位置、人為干擾等因素影響大,同時(shí)存在數(shù)據(jù)格式不規(guī)范、不統(tǒng)一、人工成本高等問題,對(duì)于采集頻率、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求較高的場景,無法滿足要求。

隨著智能運(yùn)維和無人值守模式的推廣,智能化、自動(dòng)化、無人化巡檢成為了工業(yè)巡檢未來的主要研究方向。依托于可復(fù)用率高和低成本的成像采集設(shè)備或載體,采用先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行設(shè)備巡檢,通過智能化無人巡檢,可以有效避免人工巡檢的數(shù)據(jù)不規(guī)范、準(zhǔn)確性低、手段單一、數(shù)據(jù)采集不集中等問題,具有廣闊的發(fā)展空間。

在此基礎(chǔ)上,智能無人巡檢成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的課題,目前已有大量研究者提出了高效的儀表自動(dòng)識(shí)讀方法。隨著深度學(xué)習(xí)的普及,準(zhǔn)確率不斷提高,基于深度學(xué)習(xí)的儀表識(shí)讀算法成為目前解決這類問題的主流。此外,傳統(tǒng)算法和規(guī)則也在這方面貢獻(xiàn)著自己的力量。結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù),集數(shù)據(jù)采集、圖像識(shí)別、可視化展示與預(yù)警為一體的工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)能夠有效解決工業(yè)智能化巡檢場景中遇到的各種難題。

2 系統(tǒng)總體技術(shù)方案

2.1 技術(shù)路線

工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。現(xiàn)場設(shè)置固定攝像頭、傳感器終端,經(jīng)過采集服務(wù)傳輸采集到的圖片數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)到文件存儲(chǔ)介質(zhì)及數(shù)據(jù)庫。智能讀表模塊從文件存儲(chǔ)介質(zhì)中獲取圖片,調(diào)用儀表識(shí)別模型,將儀表讀數(shù)結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫。用戶交互界面實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫拉取最新存儲(chǔ)的儀表讀數(shù)、傳感器數(shù)據(jù),在大屏展示頁面實(shí)時(shí)刷新顯示。通過對(duì)監(jiān)測頁面的檢測設(shè)備圖表模塊設(shè)置告警閾值,對(duì)數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行監(jiān)測,超過特定范圍,則進(jìn)行告警提示。數(shù)據(jù)預(yù)警與告警規(guī)則設(shè)置模塊可用于對(duì)指定關(guān)鍵數(shù)據(jù)設(shè)置告警機(jī)制,當(dāng)數(shù)據(jù)關(guān)系或者數(shù)值達(dá)到指定狀態(tài)時(shí),觸發(fā)告警信息,發(fā)送至相關(guān)責(zé)任維修人員處。亦可用于對(duì)指定數(shù)據(jù)的健康狀態(tài)設(shè)置預(yù)警機(jī)制,數(shù)據(jù)趨勢或波動(dòng)范圍達(dá)到特定規(guī)則狀態(tài)時(shí),觸發(fā)預(yù)警信息,發(fā)送至運(yùn)維部門。也可以通過拖拽式圖表模塊,動(dòng)態(tài)生成歷史數(shù)據(jù)曲線、設(shè)備告警滾動(dòng)條等顯示信息。

2.2 巡檢管理

巡檢管理通過將儀表設(shè)備與前端圖表組件綁定,實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過設(shè)置設(shè)備參數(shù)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式,選擇可視化圖表展示方案組合,并可以保存為可視化模板。后續(xù)遇到同類場景時(shí),可以實(shí)現(xiàn)展示方案推薦匹配。根據(jù)儀表類型設(shè)置告警閾值,通過對(duì)數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍監(jiān)測,達(dá)到特定的規(guī)則范圍時(shí),觸發(fā)預(yù)警信息,發(fā)送到運(yùn)維部門,進(jìn)行告警提示。對(duì)于積累的歷史數(shù)據(jù),可以按照日、周、月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)生成報(bào)表,同時(shí)為數(shù)據(jù)分析部門提供數(shù)據(jù)接口,用于數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)警,提高數(shù)據(jù)的利用率。

2.3 智能讀表

智能讀表在系統(tǒng)中主要指儀表圖像識(shí)讀,包含三個(gè)模塊:表盤檢測模塊、文本檢測識(shí)別模塊、讀數(shù)模塊。表盤檢測模塊采用深度學(xué)習(xí)模型,對(duì)檢測出的表盤進(jìn)行裁剪,送入文本檢測識(shí)別模塊。讀數(shù)模塊通過對(duì)表盤水平二值化處理,計(jì)算得到指針讀數(shù)。智能讀表由深度學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)算法兩部分實(shí)現(xiàn),利用傳統(tǒng)算法結(jié)合儀表表盤特征進(jìn)行讀數(shù)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 功能模塊

工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)功能模塊如圖2所示,包括后臺(tái)任務(wù)管理、圖像識(shí)別、前臺(tái)管理界面。后臺(tái)采集服務(wù)收集現(xiàn)場攝像頭、溫度傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù),存入數(shù)據(jù)庫。后臺(tái)任務(wù)管理設(shè)置定時(shí)任務(wù),根據(jù)采集服務(wù)采集的設(shè)備類型,調(diào)用對(duì)應(yīng)的圖像識(shí)別服務(wù),實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的儀表圖像讀數(shù),并且在數(shù)據(jù)庫中寫入結(jié)果。前臺(tái)管理界面根據(jù)業(yè)務(wù)場景,定制化生成可視化顯示圖表,包括設(shè)置圖表類型、顯示風(fēng)格、背景顏色、圖表布局方案等。巡檢員、用戶、經(jīng)理等實(shí)時(shí)訪問可視化頁面,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備、儀表的可視化監(jiān)測。

3.2 后臺(tái)任務(wù)管理

后臺(tái)任務(wù)管理包括測點(diǎn)管理、報(bào)警管理、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,儀表實(shí)時(shí)讀數(shù),定時(shí)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、存儲(chǔ),并根據(jù)設(shè)備類型提供相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)查詢接口、報(bào)警閾值設(shè)置接口、采集頻率設(shè)置接口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送頻率設(shè)置接口,為后續(xù)生成可視化大屏展示頁面提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別包括傳統(tǒng)儀表識(shí)別、數(shù)字儀表識(shí)別、液位儀表識(shí)別服務(wù)。儀表識(shí)別算法由深度學(xué)習(xí)算法和傳統(tǒng)算法兩部分組成。其中,深度學(xué)習(xí)算法采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測算法,傳統(tǒng)算法包括數(shù)字檢測框提取、數(shù)字檢測框排序、數(shù)字編碼和規(guī)則計(jì)算。通過深度學(xué)習(xí)算法與傳統(tǒng)算法結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù),并封裝成接口,以調(diào)用的方式為其它功能模塊提供服務(wù)。

3.4 前臺(tái)管理界面

前臺(tái)管理界面包括數(shù)據(jù)預(yù)警與告警規(guī)則設(shè)置等功能,用于對(duì)指定關(guān)鍵數(shù)據(jù)設(shè)置告警機(jī)制。當(dāng)數(shù)據(jù)關(guān)系或數(shù)值達(dá)到指定狀態(tài)時(shí),觸發(fā)告警信息,發(fā)送至相關(guān)責(zé)任維修人員處。亦用于對(duì)指定數(shù)據(jù)的健康狀態(tài)設(shè)置預(yù)警機(jī)制,數(shù)據(jù)趨勢或波動(dòng)范圍達(dá)到特定規(guī)則狀態(tài)時(shí),觸發(fā)預(yù)警信息,發(fā)送至運(yùn)維部門。通過將設(shè)備數(shù)據(jù)與圖表組件綁定,實(shí)現(xiàn)儀表、傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)大屏顯示,以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行歷史曲線的實(shí)時(shí)更新顯示。對(duì)于積累的歷史數(shù)據(jù),可以通過查詢接口方式接入企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng),以供后期數(shù)據(jù)分析、異常告警分析使用,提高數(shù)據(jù)利用率。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)使用微服務(wù)模式,用戶交互界面使用Vue前端框架方案模板庫,將采集、識(shí)別、展示模塊分為多個(gè)服務(wù),不同服務(wù)之間通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)通信,使用代理Nginx服務(wù)器實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用本地磁盤、數(shù)據(jù)庫、云端存儲(chǔ)、緩存混合方式,以滿足不同類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。展示頁面采用可配置、個(gè)性化拖拽式組件方式,用戶根據(jù)具體場景,個(gè)性化組合圖表組件,生成定制的可視化監(jiān)測頁面。對(duì)于特定場景的可視化頁面方案,可以保存到可視化方案模板庫。對(duì)于后期類似場景,可以從方案庫中選擇相似的顯示模板方案直接使用。

方案模板庫用于在一套完整的可視化組件編輯任務(wù)完成且組合成特定的數(shù)據(jù)大屏可視化方案后,存儲(chǔ)相應(yīng)的方案配置參數(shù),并使其可用于方案的發(fā)布與調(diào)用。業(yè)務(wù)人員進(jìn)行一次完整的數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面配置創(chuàng)建后,可直接保存這一顯示方案。多個(gè)方案之間可以按需調(diào)用切換,多個(gè)終端之間可以直接調(diào)用已發(fā)布存儲(chǔ)的方案。

5 結(jié)束語

筆者基于工業(yè)巡檢場景,構(gòu)建了一套工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)。在工業(yè)智能巡檢系統(tǒng)中,通過現(xiàn)場攝像頭、傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場儀表圖片、溫度信息等數(shù)據(jù),存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫。通過圖像識(shí)別服務(wù),將采集的儀表圖像輸入至儀表讀數(shù)模型,返回儀表讀數(shù)結(jié)果,保存至數(shù)據(jù)庫。前臺(tái)顯示界面通過設(shè)置特定場景的可視化圖表展示頁面,實(shí)時(shí)展示所采集到的設(shè)備數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過告警及預(yù)警設(shè)置模塊,監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化趨勢。對(duì)于超過設(shè)定閾值的設(shè)備,實(shí)時(shí)預(yù)警并發(fā)送信息至巡檢員。

通過工業(yè)智能巡檢系統(tǒng),有效解決了人工巡檢時(shí)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、準(zhǔn)確性差、實(shí)時(shí)性低等問題,保證數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面實(shí)時(shí)更新,使監(jiān)控維護(hù)人員能直觀高效掌握數(shù)據(jù)變化,節(jié)省人工巡檢時(shí)間,實(shí)現(xiàn)巡檢的智能化、快速化。在復(fù)雜的工業(yè)場景中,通過對(duì)多種格式類型的大量數(shù)據(jù)有效信息進(jìn)行提取,積累歷史數(shù)據(jù)供企業(yè)數(shù)據(jù)部門進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分析,可以提高數(shù)據(jù)的利用率?；谠O(shè)備數(shù)據(jù)構(gòu)建的工業(yè)智能巡檢系統(tǒng),能夠有效解決工業(yè)企業(yè)智能化、信息化的現(xiàn)實(shí)問題。