非接触式DCS 数据识别装置研究

傅金林

（海南合丰运维科技有限公司，海南 洋浦 578000）

1 绪论

1.1 目的和意义

物联网时代，一切事物皆可视为数据，各大行业对网络安全及数据传输安全性要求越来越高。DCS 作为工业生产过程控制系统，其稳定性和安全性非常重要，对网络及数据传输安全有严格的要求，不容有半点纰漏。某些其他系统为了获取DCS 系统相关数据，需要与DCS 系统进行通讯，若通讯采用物理连接的方式，对DCS 系统会存在病毒、黑客等安全问题，为解决该安全问题，我们对该安全性需求进行了技术研究，发明一种主要针对工业生产领域安全读取DCS 系统数据的装置，即非接触式数据识别及传输装置，以满足DCS 系统数据对外传输的安全性需求。该装置已经成功应用到海南汇智石化精细化工有限公司的智慧消防安全物联网建设当中，取得了显著的效果。

1.2 本文主要研究内容

本篇论文主要解决以下问题。

（1）对DCS 系统数据传输的安全性分析。

（2）非接触式DCS 数据识别装置的设备连接说明。

（3）非接触式DCS 数据识别装置的识别传输方法说明。

2 非接触式DCS 数据识别装置的设备组成及连接

2.1 设备组成

非接触式DCS 数据识别装置，包括工业DCS 控制系统与其他系统4，还包括图像采集装置1、图像显示装置2 与中央主机3，所述中央主机3 内设有图像预处理模块5、图像数字识别模块6、通信模块7 以及存储数据库8，所述工业DCS 控制系统与图像显示装置2 信号相连，所述图像采集装置1 与中央主机3、其他系统4 依次信号相连；

图1 非接触式DCS 数据识别装置的硬件连接

硬件设备具体连接如图1 所示。

2.2 设备间的连接

（1）所述图像采集装置1 用于采集图像显示装置2 的光学图像信息，并发送至所述图像预处理模块5。（2）所述图像预处理模块5 用于将图像采集模块采集的光学图像信息进行图像的预处理，从而获得二值化的图片。（3）所述图像数字识别模块6 可对图像预处理模块5 获得的二值化图片进行数字识别。（4）所述存储数据库8 可存储数字字符模板以及数字识别结果。（5）所述通信模块7 用于与中央主机3 与其他系统4 之间的通信连接。（6）所述图像采集装置1 采用接口为USB 3.0 的工业CCD 图像传感器，具有拍摄精度高、光谱范围强的优点，所拍摄的图片满足高质量图像处理算法的要求，所述图像显示装置2 包括液晶显示屏与显示主机，所述显示主机与工业DCS 控制系统信号相连，所述图像采集装置1 设置于所述图像显示装置2 的正上方，即所述工业CCD 图像传感器放置于液晶显示屏的正上方，便于工业CCD 图像传感器采集液晶显示屏所显示的图像信息。（7）所述显示主机与所述工业DCS 控制系统信号相连，显示主机上运行有组态软件，所述组态软件可将工业DCS 控制系统需向其他系统4 传输的数据做成标准的排列顺序，并在液晶显示屏上进行显示。（8）所述图像采集装置1 与中央主机3内的图像预处理模块5、图像数字识别模块6 依次信号相连，所述图像数字识别模块6 分别与通信模块7 信号相连，所述图像预处理模块5 可对图像采集装置1 所获得的图像进行灰度处理及增强、滤波降噪和水平较正、二值化等处理，最终得到二值化的图片，所述图像数字识别模块6 可对所获得的二值化图片进行字符分割获得单个字符，并对单个字符进行字符归一化处理，归一化处理后的单个字符通过基于模板匹配的OCR 算法进行识别匹配，选最佳匹配作为结果，模板匹配的主要特点是实现简单，当字符较规整时对字符图像的缺损、污迹干扰适应力强且识别率相当高。（9）所述存储数据库8 包括数字字符模板库以及结果库，所述数字字符模板库内存有可对单个字符进行对比为字符模板，工业DCS 控制系统所传输的通常为包括小数点后两位的阿拉伯数字信息，因此在数字字符模板库时只需建立建立数字“0”至数字“9”的字符模板，以及符号“.”的字符模板，即可实现对字符的识别，其识别结果被统一保存在结果库中，方便工作人员查看以及备份。

3 非接触式DCS 数据识别装置的识别传输方法

3.1 识别传输方法

非接触式DCS 数据识别传输方法;首先是建立数字字符模板库，通过显示待传输数据采集待识别图像并进行预处理，进行字符分割，并和数据字符模板库进行模板匹配获得单个字符，然后再进行字符组合将结果传输至其他系统。

包括下列步骤：

S1 建立数字字符模板库，所述模板库内含有数字“0”至数字“9”的字符模板，以及符号“.”的字符模板。

S2 通过组态软件将工业DCS 控制系统需传输的数据按顺序进行排列，并在图像显示装置2 进行显示。

S3 通过图像采集装置1 采集图像显示装置2 上待识别图像，并进行图像预处理，获得二值化图像。

S4 对所述二值化图像进行字符分割，获得含有单个数字字符的区域图像。

S5 将所述含有单个数字字符区域图像与所述数字字符模板库进行匹配对照，从而获得对应的单个数字字符。

S6 将所获得单个数字字符按照识别顺序进行组合，并将其最终识别结果传输给其他系统4。

3.2 图像预处理方法

A装置中，所述预处理方法包括采用平均值法获得灰度图像，采用LOG 边缘检测方法进行图像边缘检测可完全凸显所需识别的图像区域。

B装置中，所述预处理方法包括采用中值滤波器进行滤波降噪，中值滤波器可以应用的范围非常广泛，它克服了线性滤波器如最小均方滤波、均值滤波等使图像边缘模糊的不良影响，既可以有效去除图像中的不同的噪声，又能够保护图像的边缘和轮廓。

C装置中，所述预处理方法包括采用全局阈值法进行二值化处理，可将灰度图像转换为黑白二色的二值化图像；采用垂直投影法对所述二值化图像进行字符分割，有效地克服了图像过度分割与字符粘连的现象。

3.3 工作原理

工作时，通过组态软件将工业DCS 控制系统需传输的数据按顺序进行排列，并在图像显示装置2 进行显示，通过图像采集装置1 采集图像显示装置2 上待识别图像，并通过中央主机3 内的图像预处理模块5 进行图像图像预处理，获得二值化图像，该二值化图像通过图像数字识别模块6 进行字符分割与字符识别，其识别结果一方面通过通信模块7 传输至其他系统4，另一方面保存至结果库中进行备份，方便工作人员查看。

4 结语

研发提供的一种非接触式DCS 数据识别装置。

（1）可将工业DCS 控制系统所需对外传输的数据统一显示在图像显示装置上，方便人员查看，中央主机通过图像采集装置采集图像显示装置上显示的图片，并读取、识别界面图片中的数据，同时将识别结果进行输出传输至其他系统，大大提高了工业DCS 控制系统向系统外进行数据传输的安全性，有效地杜绝了因黑客与病毒通过物理连接入侵工业DCS控制系统所带来的安全风险。

（2）该装置提供的一种非接触式DCS 数据识别传输方法，其数字识别准确率高，识别速度快，数据传输效率高，采用物理隔离的方式杜绝了由TCP/IP 网络协议脆弱性和部分操作系统的内在隐患带来的安全问题。