非接觸式DCS 數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)時代，一切事物皆可視為數(shù)據(jù)，各大行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)安全及數(shù)據(jù)傳輸安全性要求越來越高。DCS 作為工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和安全性非常重要，對網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)傳輸安全有嚴格的要求，不容有半點紕漏。某些其他系統(tǒng)為了獲取DCS 系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，需要與DCS 系統(tǒng)進行通訊，若通訊采用物理連接的方式，對DCS 系統(tǒng)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(shù)研究，發(fā)明一種主要針對工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域安全讀取DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的裝置，即非接觸式數(shù)據(jù)識別及傳輸裝置，以滿足DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)對外傳輸?shù)陌踩孕枨蟆Ｔ撗b置已經(jīng)成功應(yīng)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(lián)網(wǎng)建設(shè)當中，取得了顯著的效果。

1.2 本文主要研究內(nèi)容

本篇論文主要解決以下問題。

（1）對DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑治觥?/p>

（2）非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別裝置的設(shè)備連接說明。

（3）非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別裝置的識別傳輸方法說明。

2 非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別裝置的設(shè)備組成及連接

2.1 設(shè)備組成

非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別裝置，包括工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)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(nèi)設(shè)有圖像預(yù)處理模塊5、圖像數(shù)字識別模塊6、通信模塊7 以及存儲數(shù)據(jù)庫8，所述工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)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(tǒng)4 依次信號相連；

圖1 非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別裝置的硬件連接

硬件設(shè)備具體連接如圖1 所示。

2.2 設(shè)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(fā)送至所述圖像預(yù)處理模塊5。（2）所述圖像預(yù)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(yù)處理，從而獲得二值化的圖片。（3）所述圖像數(shù)字識別模塊6 可對圖像預(yù)處理模塊5 獲得的二值化圖片進行數(shù)字識別。（4）所述存儲數(shù)據(jù)庫8 可存儲數(shù)字字符模板以及數(shù)字識別結(jié)果。（5）所述通信模塊7 用于與中央主機3 與其他系統(tǒng)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(yè)CCD 圖像傳感器，具有拍攝精度高、光譜范圍強的優(yōu)點，所拍攝的圖片滿足高質(zhì)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(yè)DCS 控制系統(tǒng)信號相連，所述圖像采集裝置1 設(shè)置于所述圖像顯示裝置2 的正上方，即所述工業(yè)CCD 圖像傳感器放置于液晶顯示屏的正上方，便于工業(yè)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(yè)DCS 控制系統(tǒng)信號相連，顯示主機上運行有組態(tài)軟件，所述組態(tài)軟件可將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)需向其他系統(tǒng)4 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(nèi)的圖像預(yù)處理模塊5、圖像數(shù)字識別模塊6 依次信號相連，所述圖像數(shù)字識別模塊6 分別與通信模塊7 信號相連，所述圖像預(yù)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(shù)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(jié)果，模板匹配的主要特點是實現(xiàn)簡單，當字符較規(guī)整時對字符圖像的缺損、污跡干擾適應(yīng)力強且識別率相當高。（9）所述存儲數(shù)據(jù)庫8 包括數(shù)字字符模板庫以及結(jié)果庫，所述數(shù)字字符模板庫內(nèi)存有可對單個字符進行對比為字符模板，工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)所傳輸?shù)耐ǔ榘ㄐ?shù)點后兩位的阿拉伯數(shù)字信息，因此在數(shù)字字符模板庫時只需建立建立數(shù)字“0”至數(shù)字“9”的字符模板，以及符號“.”的字符模板，即可實現(xiàn)對字符的識別，其識別結(jié)果被統(tǒng)一保存在結(jié)果庫中，方便工作人員查看以及備份。

3 非接觸式DCS 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)識別傳輸方法;首先是建立數(shù)字字符模板庫，通過顯示待傳輸數(shù)據(jù)采集待識別圖像并進行預(yù)處理，進行字符分割，并和數(shù)據(jù)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(jié)果傳輸至其他系統(tǒng)。

包括下列步驟：

S1 建立數(shù)字字符模板庫，所述模板庫內(nèi)含有數(shù)字“0”至數(shù)字“9”的字符模板，以及符號“.”的字符模板。

S2 通過組態(tài)軟件將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(yù)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(shù)字字符的區(qū)域圖像。

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

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

3.2 圖像預(yù)處理方法

A裝置中，所述預(yù)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(qū)域。

B裝置中，所述預(yù)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(yīng)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(yù)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(zhuǎn)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(xiàn)象。

3.3 工作原理

工作時，通過組態(tài)軟件將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(nèi)的圖像預(yù)處理模塊5 進行圖像圖像預(yù)處理，獲得二值化圖像，該二值化圖像通過圖像數(shù)字識別模塊6 進行字符分割與字符識別，其識別結(jié)果一方面通過通信模塊7 傳輸至其他系統(tǒng)4，另一方面保存至結(jié)果庫中進行備份，方便工作人員查看。

4 結(jié)語

研發(fā)提供的一種非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別裝置。

（1）可將工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)所需對外傳輸?shù)臄?shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)，同時將識別結(jié)果進行輸出傳輸至其他系統(tǒng)，大大提高了工業(yè)DCS 控制系統(tǒng)向系統(tǒng)外進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕行У囟沤^了因黑客與病毒通過物理連接入侵工業(yè)DCS控制系統(tǒng)所帶來的安全風險。

（2）該裝置提供的一種非接觸式DCS 數(shù)據(jù)識別傳輸方法，其數(shù)字識別準確率高，識別速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高，采用物理隔離的方式杜絕了由TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議脆弱性和部分操作系統(tǒng)的內(nèi)在隱患帶來的安全問題。