基于图像识别的居民用电信息采集系统设计

孙明霞 ，荆 慧 ，袁 弘 ，李建祥

（1.聊城供电公司，山东 聊城 252000；2.山东鲁能智能技术有限公司，山东 济南 250002）

0 引言

在智能电网的建设过程中，对于电力用户的用电信息采集系统的建设是非常关键的，通过用电信息采集系统可以及时、完整、准确地掌控用户用电信息。 系统采集的用户用电信息作为收费依据，牵扯到千家万户的利益，系统的控制功能影响到客户的停电送电［1］。

目前国内居民用户的用电信息采集大多采用远程集抄的方式，常用的采集方式有：GPRS采集器方式、载波采集器加载波集中器方式、微功率无线采集器加GPRS集中器方式［2］。但由于无线信号覆盖、载波干扰、电表位置偏僻等各种原因，仍有大部分居民用户的电表无法实现远程集抄，仍需要抄表员人工抄表完成每月的计量计费工作，在农村用户中这种情况更为普遍。 而人工抄表受到人为因素的影响，容易带来误抄、估抄、漏抄等问题，严重影响电力企业和用户的利益［3］。

从用电信息采集实用角度出发，利用扫描技术和图像识别技术设计一种居民用电信息采集系统，实现抄表员对居民电表信息的快速、准确抄收，最大程度减少抄表员的工作量，彻底避免了误抄、漏抄、估抄等问题，提高人工抄收数据的准确性和工作效率，提升供电企业的服务质量。

1 设计思想

当前人工抄表的工作方式通常为异区抄表，抄表人员对所分配区域中电表分布不熟悉，有可能导致漏抄的情况；在人工抄表的工作中常使用掌上电脑进行记录，通常提前将待抄收用户的户号信息传入掌上电脑，抄表员在现场观察电表表码读数后，将读数记录在相应户号下，在这个过程中，可能出现记错户号、表码读数错误、表码记录错误等问题，还有可能因为人情因素导致的故意错误。

根据供电企业的管理流程，电表在仓库管理时使用资产编号条码管理，在进行现场安装时完成电表资产编号与居民用户户号的对应。供电企业每月的计量计费一般按照用户户号进行计算。因此在抄表员抄收表码时，只需根据电表资产编号条码即可确定该电表所属用户的户号。同时随着掌上电脑及智能手机的迅速发展，掌上电脑的处理速度、摄像头分辨率已远远超过几年前的产品，甚至超过了普通计算机的CPU和普通数码相机的分辨率。 结合现有技术条件和实际工作方式，设计了一种基于图像识别的用电信息采集系统。

一方面利用掌上电脑的条码扫描技术和大容量存储功能。在抄表员现场抄表时，通过条码扫描电表资产编号条码，获取电表资产编号，并根据电表资产编号与用户户号的对应关系，在掌上电脑中对居民户号进行快速查找，减少人工搜索和查找的工作量，降低出错概率。

另一方面使用掌上电脑高分辨率摄像头和高性能CPU。在抄表员现场抄表时，使用掌上电脑摄像头拍摄电表表码，利用掌上电脑内部高速运算对电表表码图片进行图像识别，将识别出的电表表码记录在掌上电脑中。目前对仪表读数的图形识别技术已经比较成熟，识别正确率超过97.9%［4］。

2 用电信息采集系统结构设计

供电企业用电信息采集工作由各区域供电部门负责，同时各区域供电部门还负责用户电表的新增、迁移、更换、拆除等工作，负责维护用电营销MIS中用户信息、电表信息等数据。 每个月各区域供电部门所辖范围内的用户信息和电表信息都会发生一定的变更，因此在每月抄表开始时必须从营销MIS系统中获取最新的用户、电表数据，并将最新的数据导入掌上电脑中。在抄表员使用掌上电脑完成现场数据采集后，将数据传回用电信息采集系统中。

根据供电企业的工作模式，设计用电信息采集系统结构如图1所示，划分为3层：营销MIS管理层、用电信息管理层以及用电信息采集层。 用电信息管理层从营销MIS管理层获取最新的用户和电表数据，并将采集到的电表表码数据回传至营销MIS管理层；用电信息管理层进一步分为服务端与客户端。 服务端布置在供电企业中心机房，各客户端工作站布置在各区域供电部门；用电信息采集层中，每个区域供电部门内配备多个掌上电脑，供多个抄表员使用，掌上电脑与各工作站之间的数据交互可以采用有线方式，也可以采用公用无线网络方式，即GPRS/CDMA/3G/4G网络。用电信息采集层从用电信息管理层获取用户和电表数据，并将采集到的电表表码数据回传至用电信息管理层。

营销MIS管理层为各供电企业中比较成熟的系统，用电信息管理层中各功能在其它论文中都已经多次论述。本研究的重点放在用电信息采集层的掌上电脑上。

图1 用电信息采集系统结构示意

3 掌上电脑功能设计

掌上电脑功能设计如图2所示，包括用户及电表信息管理、现场表码数据采集和表码数据回传。用户及电表信息管理完成掌上电脑中用户电表信息与用电信息管理层中用户电表信息的对比更新功能，保证掌上电脑中的用户电表信息为当前最新数据；表码数据回传功能将已采集的最新的用户电表表码值回传至用电信息采集层的功能。以上两种功能可通过有线方式完成，也可通过无线方式完成。

图2 掌上电脑功能划分

现场表码数据采集功能包括条码扫描、电表导航、用户搜索、拍照识别、红外采集、GPS记录、手工录入、未采集提醒功能。条码扫描通过对现场电表资产条形码的扫描识别，搜索获取用户户号；电表导航可以根据以往记录的电表GPS坐标信息，对待采集的电表进行导航指引；用户搜索提供指定户名、户号、电表资产号搜索用户的功能；拍照识别通过对电表表码示数进行拍照和图像识别，完成电表表码的采集；红外采集可实现对距离较远的电表通过红外方式采集电表表码；GPS记录功能在每次记录电表表码时，记录当前电表的GPS坐标，并通过多次记录提高电表GPS坐标的准确性；手工录入提供对无法拍照识别的表码手工录入的功能；未采集提醒功能提醒抄表员对当前采集小区未记录表码的用户信息。

4 表码数据图像识别

电表表码数据图像识别功能是本研究的核心功能之一，图像识别的准确性直接关系到数据采集的准确程度。 现场用户电表存在多个厂家，不同时期的电表，电表表码的显示也各有不同。总的来说，目前电表表码显示主要为字段式液晶显示、数码管显示、无指针仪表显示3种。 针对3种不同的表码显示方式，结合现有数字图像识别算法，采用SVM及KNN 算法进行表码图像识别［5-8］。

要顺利完成表码数字的图像识别，首先要求表码部分的图像清晰，符合图像识别的要求。因此要求抄表员现场拍摄时必须正确拍摄照片。现场抄表员通常文化程度不高，很多人根本不了解图像识别，无法保证拍摄照片的质量，因此必须在掌上电脑的应用软件中进行设置，以保证表码照片的拍摄符合标准。 根据图像识别的步骤，首先进行表码区域的定位，然后确定数字位置。 因此在掌上电脑应用软件的表码拍照功能中，增加了表码区域定位框功能，如图3、图4所示，以保证抄表员拍摄的表码照片满足识别要求。

图3 液晶表码区域定位框

图4 表盘表码区域定位框

表码区域确定后，进一步分割数字区域，利用行间间隔将各数字行分割开来，如图5所示，然后将表码区域中的单个数字分割出来。字切割是利用每行字符中字符之间的间隙将各个数字分割开来，如图6所示。

图5 水平分割的表码区域

图6 分割后的单个数字

然后对分割后的数字进行特征提取，并进一步进行数字识别，完成整个表码的识别过程。为保证表码数字的图像识别准确可靠，每次识别过程分别采用多种算法同时进行识别，并比对识别结果，如结果一致则程序认可识别结果，否则提示抄表员进行判断，由抄表员选择正确结果或再次拍照识别。通过这种方式，可以进一步提高表码数字的识别准确率。

5 系统实现

目前各供电企业中用电信息采集系统基本都已经部署，因此对于系统结构中的营销MIS管理层与用电信息管理层可使用已有采集系统中功能模块，仅对用电信息采集层的掌上电脑进行实现即可。

为提高掌上电脑应用软件的通用性，对于用电信息采集层的软件本研究分别研发了3套版本，分别为Windows Phone版本、iPhone版本以及Android版本。3套版本可以覆盖目前常见的掌上电脑和智能手机终端，提高软件的适应性。

经过现场实际运行统计，现场抄表员使用掌上电脑进行抄表工作，整体抄表时间比以往手工抄收普遍节省30%～50%，拍照后表码图像识别时间小于200 ms，98%的电表一次拍照即可准确识别，其余电表可在二次拍照后准确识别。

6 结语

本文从系统架构、掌上电脑功能和图像识别几个方面对基于图像识别的用电信息采集系统构建、重点功能、系统实现等方面进行详细阐述。 通过扫描技术和图像识别技术的引入，实现对现有抄表员抄表工作的升级。同时扫描技术和图像识别技术的应用，提供了快速、准确、可靠的抄表方式，并且减少了人工抄收带来了各种弊端，提升了管理水平，提高了供电企业的工作效率和服务质量。

［1］杨晓薇.浅谈电力用户用电信息采集系统及应用［J］.中国新技术新产品，2013（10）：186-186.

［2］操吴兵，彭扬劼.农村低压用电信息采集系统建设方案［J］.农村电工，2013（7）：33-34.

［3］孙燕飞.基于用电信息采集系统的抄收管理［J］.科技信息，2013（20）：478-479.

［4］曾仲杰，潘晴，徐如意，等.基于字符切割拼接的字段式液晶数字识别［J］.计算机工程与应用，2013，49（12）：110-112.

［5］黄剑华，丁建睿，刘家锋，等.基于局部加权的Citation-kNN算法［J］.电子与信息学报， 2013（6）：627-632.

［6］季厌浮，张绍兵.无指针式仪表表盘数字识别方法的研究 ［J］.自动化仪表，2008，29（2）：25-32.

［7］李文博.一种基于SVM的数字仪表显示值识别方法［J］.现代电子技术，2011，34（4）：195-197.

［8］张海波，段会川，张曙光，等.一种数字仪表显示值的快速识别方法［J］.计算机工程与应用，2005，41（4）：223-226.