CN113049060A - 一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法，它包括:一、输入大量卷尺刻度图像，利用图像识别技术识别卷尺刻度和指针区域，反复进行模型训练；二、对0~9刻度数据单独分组，对卷尺10~99刻度数据进行排序，采用K‑Means聚类方法获取阈值，再利用阈值法对数据分组，将程序识别结果转换为真实刻度；三、根据相邻刻度的像素个数，计算像素间真实距离，再根据卷尺刻度与指针间的像素个数，计算储罐液位高度计量结果。本发明可利用图像识别技术识别刻度数据，并显示储罐液位高度，可在恶劣天气条件下计量储罐液位，减少人为因素造成的储罐液位计量误差。
Description
技术领域：
本发明涉及的是石油石化行业油品储罐液位计量方法，具体涉及的是一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法。
背景技术：
在石油与天然气领域，油品储罐液位是油田生产和集输过程中非常重要的参数，精确计量储罐液位是正确计量储油量、确定储存和计算输量的重要措施，对于保证正常生产和设备安全至关重要，否则会出现抽空或溢油“冒顶”等重大安全事故。
目前，储罐液位计量按其测试方法可分为接触式和非接触式两种。但是，现有计量方法一般都存在人工读数主观因素影响大、计量结果精度不高等问题。因此，提出一种能够自动读取储罐液位数据，减少人为因素造成的误差，提高计量精度的方法具有重要的现实意义。
发明内容：
本发明的一个目的是提供一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法，这种基于图像识别技术的储罐液位计量方法用于解决现有技术中，油品储罐液位计量时需要人工读数，造成计量结果存在误差的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于图像识别技术的储罐液位计量方法包括如下步骤：
一、输入大量卷尺刻度图像，利用图像识别技术识别卷尺刻度和指针区域，反复进行模型训练；
卷尺刻度图像利用储罐液位测量装置获得，储罐液位测量装置包括外壳、人工交互模块、供电模块、卷尺模块、传感器模块、微处理器，人工交互模块包括校零开关、电源开关；供电模块包括聚合物电芯、电源开关指示灯、电源显示屏和充电接口；卷尺模块包括卷尺、重锤、正反转马达和可变焦距高清摄像头；传感器模块包括光电液位传感器、高精度电容式传感器以及LED警报灯、蜂鸣器；微处理器包括人工交互电路和液位传感器电路；
卷尺、正反转马达和可变焦距高清摄像头设置于外壳内，正反转马达驱动卷尺转动，卷尺的自由端从外壳伸出与重锤固定连接，重锤的底面设置两个安装孔，两个安装孔内分别安装光电液位传感器和高精度电容式传感器，重锤沿长度方向设置中心孔，中心孔通过两个水平孔分别与两个安装孔相通，卷尺采用杜邦ETFE涂层，且卷尺背面置入两根电线和两根信号线，两根电线和两根信号线从卷尺自由端伸出的部分进入中心孔后分成两组，每组有一根电线和一根信号线，两组分别经水平孔与光电液位传感器和高精度电容式传感器连接；可变焦距高清摄像头置于卷尺正上方，可变焦距高清摄像头与卷尺之间设置指针，拍摄卷尺刻度并传输给计算机；校零开关、马达正转开关、马达反转开关、电源开关设置于外壳上，电源开关指示灯、电源显示屏、充电接口LED警报灯、蜂鸣器均设置于外壳上；
二、对0～9刻度数据单独分组，对卷尺10～99刻度数据进行排序，采用K-Means聚类方法获取阈值，再利用阈值法对数据分组，将程序识别结果转换为真实刻度；
三、根据相邻刻度的像素个数，计算像素间真实距离，再根据卷尺刻度与指针间的像素个数，计算储罐液位高度计量结果。
上述储罐液位测量装置获得卷尺刻度图像的方法：
步骤一、测量前，按下校零开关，进行校零，保证准确度；
步骤二、开始测量时，按下马达正转开关，卷尺在正反转马达的机械能和重锤的位能作用下，沿着竖直方向自动下放，当置于重锤下端的光电液位传感器检测到气-液界面时，马达正转电路断开，气-液界面LED警报灯和气-液界面蜂鸣器电路连通，发出报警；与此同时，可变焦距高清摄像头电路连通，拍摄检测气-液界面时卷尺的刻度；
步骤三、继续测量时，按下马达正转开关，卷尺在正反转马达的机械能和重锤的位能作用下，沿着竖直方向自动下放，当置于重锤下端的高精度电容式传感器检测到油-水界面时，马达正转电路断开，油-水界面LED警报灯和油-水界面蜂鸣器电路连通，发出报警；与此同时，可变焦距高清摄像头电路连通，拍摄检测油-水界面时卷尺的刻度；
步骤四、改变储罐液位，每改变一次液位，重复步骤一至步骤三，得到大量卷尺刻度图像。
上述方案中进行模型训练的方法：输入大量卷尺刻度图像，制作初始训练数据集，利用SSD目标检测算法模型训练，预测新数据集并对结果进行修正，将修正后数据补充到数据集，重复进行模型训练。
进一步的是，对卷尺10～99刻度图像两侧边界存在单数以及存在奇异点，刻度漏识别，进行容错性处理，保证储罐液位高度计量结果准确性。
进一步的是，对分组后刻度数据进行稳定性处理，去除不连续的数据，排除室外计量可能存在错误图像识别的干扰，保证储罐液位高度计量结果准确性。
进一步的是，通过定义像素比例尺，将像素距离转化为真实距离，采用均值法计算测试结果，提高储罐液位计量的精度。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明可利用图像识别技术识别刻度数据，并显示储罐液位高度，可在恶劣天气条件下计量储罐液位，减少人为因素造成的储罐液位计量误差。
2、本发明利用像素计算储罐液位高度，能够实现储罐液位刻度智能识别，计量精度高。
3、利用图像识别技术实现储罐液位刻度智能读取，可避免恶劣天气条件下人工读数不便或因主观因素造成的数据误差，提高工作效率和计量精确度。
附图说明：
图1为本发明储罐液位测量装置的结构示意图。
图2为本发明一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法0～9单数刻度图像分组示例。
图3为本发明一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法10～99刻度图像数字聚类分组示例。
图4为本发明一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法10～99刻度图像两侧存在单数容错性处理示例。
图5为本发明一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法10～99刻度图像存在奇异点容错性处理示例。
图6为本发明一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法刻度图像稳定性处理示例。
图中：1-可变焦距高清摄像头；2-卷尺；3-校零开关；4-马达正转开关；5-马达反转开关；6-电源开关；7-正反转马达；8-电源开关指示灯；9-气-液界面LED警报灯；10-油-水界面LED警报灯；11-气-液界面蜂鸣器；12-油-水界面蜂鸣器；13-电源显示屏；14-把手；15-充电接口；16-聚合物电芯；17-重锤；18-光电液位传感器；19-高精度电容式传感器；20-外壳；21-涨紧轮。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
这种基于图像识别技术的储罐液位计量方法，利用SSD目标检测算法模型识别卷尺刻度和指针区域并训练目标函数；并利用数字聚类分组将程序识别结果转换为真实刻度，获取卷尺刻度和指针中心的像素坐标，并对可能存在的特殊情况进行具体处理；再利用像素比例尺，采用均值法计算真实刻度，具体如下：
一、输入大量卷尺刻度图像，利用图像识别技术识别卷尺刻度和指针区域，反复进行模型训练；利用SSD目标检测算法模型训练大量测试结果图像，对特征提取网络产生的边界框中存在的目标类别实例进行评分，再开展非极大值抑制(NMS)过程识别卷尺刻度和指针区域。
二、对0～9刻度数据单独分组，对卷尺10～99刻度数据进行排序，采用K-Means聚类方法获取阈值，再利用阈值法对数据分组，将程序识别结果转换为真实刻度；对10～99刻度图像两侧边界只存在单个数值和奇异点等特除情况，需进行容错性处理；并对分组后的数据进行连续性检测，去除不连续的数据。
三、根据相邻刻度的像素个数，计算像素间真实距离，再根据卷尺刻度与指针间的像素个数，计算储罐液位高度计量结果。采用均值法计算像素比例尺，并利用均值法转换为测试结果，显示储罐液位高度。
如图1所示，卷尺刻度图像利用储罐液位测量装置获得，储罐液位测量装置包括外壳20、人工交互模块、供电模块、卷尺模块、传感器模块、微处理器，人工交互模块包括校零开关3、电源开关6；供电模块包括聚合物电芯16、电源开关指示灯8、电源显示屏13和充电接口15；卷尺模块包括卷尺2、重锤17、正反转马达7和可变焦距高清摄像头1；传感器模块包括光电液位传感器18、高精度电容式传感器19以及LED警报灯、蜂鸣器；微处理器包括人工交互电路和液位传感器电路；
卷尺2、正反转马达7和可变焦距高清摄像头1设置于外壳20内，正反转马达7驱动卷尺2转动，卷尺2的自由端从外壳20伸出与重锤17固定连接，外壳20与重锤17之间设置涨紧器21，卷尺2通过涨紧器21涨紧，重锤17的底面设置两个安装孔，两个安装孔内分别安装光电液位传感器18和高精度电容式传感器19，重锤沿长度方向设置中心孔，中心孔通过两个水平孔分别与两个安装孔相通，卷尺2采用杜邦ETFE涂层，且卷尺2背面置入两根电线和两根信号线，两根电线和两根信号线从卷尺自由端伸出的部分进入中心孔后分成两组，每组有一根电线和一根信号线，两组分别经水平孔与光电液位传感器18和高精度电容式传感器19连接；可变焦距高清摄像头1置于卷尺2正上方，可变焦距高清摄像头1与卷尺2之间设置指针，拍摄卷尺刻度并传输给计算机；校零开关3、马达正转开关4、马达反转开关5、电源开关6设置于外壳20上，电源开关指示灯8、电源显示屏13、充电接口15、LED警报灯、蜂鸣器均设置于外壳20上，外壳20具有把手14。
人工交互模块的校零开关3实现装置计量前的校零功能；电源开关6控制正反转马达正转、反转和停止；OLED计量结果显示器显示计量结束后目标检测算法模块提供的计量结果。
供电模块的聚合物电芯为装置提供电能；电源开关指示灯显示装置的工作状态；电源显示屏13显示聚合物电芯16的剩余电量，提醒及时充电；充电接口15提供为聚合物电芯充电的端口。
卷尺模块的卷尺2为0～99cm刻度制，最小刻度为1mm，用于测试储罐气-液界面和油-水界面高度，卷尺2采用杜邦ETFE涂层，且背面置入四根用于传感器供电及信号传输的铜线；重锤17与卷尺2一端连接，给卷尺2提供重力，保障卷尺2下放过程中竖直向下的方向；正反转马达7与卷尺2另一端连接，给卷尺2提供正转和反转动力，实现卷尺2下放和回收功能，即利用正反转马达7的机械能和重锤17的位能自动下放和回收卷尺2；重锤17下端内置光电液位传感器18和高精度电容式传感器19，智能检测气-液界面和油-水界面；可变焦距高清摄像头1置于卷尺2上方，测试储罐气-液界面和油-水界面处时，拍摄卷尺刻度。
传感器模块的光电液位传感器18检测气-液界面；高精度电容式传感器19检测油-水界面；LED警报灯和蜂鸣器在气-液界面或油-水界面同时激活，实现报警功能。
控制电路模块的人工交互电路通过校零开关3实现校零控制电路的闭合、断开；电源控制开关实现马达正转和反转控制电路的闭合、断开。
控制电路模块的液位传感器电路通过光电液位传感器18检测气-液界面，实现马达正转控制电路断开以及LED警报灯、蜂鸣器和可变焦距高清摄像头电路闭合；通过高精度电容式传感器19检测油-水界面，实现马达正转控制电路断开以及LED警报灯、蜂鸣器和可变焦距高清摄像头电路闭合。
上述储罐液位测量装置获得卷尺刻度图像的方法：
步骤一、测量前，按下校零开关3，连通控制电路，进行校零，保证准确度；
步骤二、开始测量时，按下马达正转开关4，卷尺2在正反转马达7的机械能和重锤17的位能作用下，沿着竖直方向自动下放，当置于重锤17下端的光电液位传感器18检测到气-液界面时，马达正转电路断开，气-液界面LED警报灯9和气-液界面蜂鸣器11电路连通，发出报警；与此同时，可变焦距高清摄像头电路连通，拍摄检测气-液界面时卷尺的刻度；
步骤三、继续测量时，按下马达正转开关4，卷尺2在正反转马达7的机械能和重锤17的位能作用下，沿着竖直方向自动下放，当置于重锤17下端的高精度电容式传感器19检测到油-水界面时，马达正转电路断开，油-水界面LED警报灯10和油-水界面蜂鸣器12电路连通，发出报警；与此同时，可变焦距高清摄像头电路连通，拍摄检测油-水界面时卷尺的刻度；
步骤四、改变储罐液位，每改变一次液位，重复步骤一至步骤三，得到大量卷尺刻度图像。
本发明提供了一种卷尺刻度和指针区域图像识别方法。输入大量卷尺刻度图像，利用SSD目标检测算法模型识别卷尺刻度和指针区域，对错误结果进行修正，并将修正后的数据补充到训练数据集，进行模型训练，重复此过程。
如图2所示，提供了一种0～9单数刻度图像分组示例。卷尺实际刻度范围为0～99，SSD目标检测算法模型识别刻度范围为0～9，因此，当图像显示0～9单数刻度时，将刻度数据单独分组，为{3，4，5，6，7，8}。
如图3所示，提供了一种10～99刻度图像数字聚类分组示例。当图像显示10～99刻度范围时，将程序识别结果按顺序排序，为{5，3，5，4，5，5，5，6，5，7，5，8}，采用阈值法，对数据进行分组，再利用K-Means聚类方法优化，可得到刻度为{53，54，55，56，57，58}。
如图4所示，提供了一种10～99刻度图像两侧存在单数容错性处理示例。当图像显示10～99刻度范围时，图像两侧边界会存在单个数值，为{1，92，93，94，95，9}，左侧1和右侧9为奇异值，数据分组时应去除单个数据，可得到刻度为{92，93，94，95}。
如图5所示，提供了一种10～99刻度图像存在奇异点容错性处理示例。当图像显示10～99刻度范围时，可能存在刻度漏识别现象，例如刻度93仅识别出刻度9，为{91，92，9，94，95，96}，数据分组时应去除单个数据和大于99的数据，可得到刻度为{91，92，94，95，96}。
如图6所示，提供了一种10～99刻度图像稳定性处理示例。实际计量过程存在诸多干扰，类似1和7以及6和9比较相似，可能存在错误识别情况，为{10，17，12，13，14，15}，数据分组时应对数据进行连续性检测，去除不连续数据，可得到刻度为{10，12，13，14，15}。
本发明提供了一种储罐液位计量结果计算方法。定义真实距离/像素距离为像素比例尺，采用均值法计算像素比例尺。
式中：r为像素比例尺；n为卷尺刻度数量；1＜i＜n-1为卷尺相邻刻度间距编号；li为相邻刻度间的真实间距；si为相邻刻度间的像素距离。
通过像素比例尺，将像素距离转化为真实距离，采用均值法计算储罐液位计量结果。
式中：p为储罐液位计量结果；n为卷尺刻度个数；ci为第i个卷尺刻度数值(i∈[0，n])；wi为指针和第i个卷尺刻度间的像素距离。
本发明利用SSD目标检测算法模型识别卷尺刻度和指针区域，对识别的数字进行聚类分组，并对特殊边界情况进行处理，获取刻度和指针的中心像素坐标，再根据相邻刻度之间的像素个数，计算储罐液位高度，可实现储罐液位刻度智能识别和计算，解决天气不利条件下人工读数不便或因主观因素引起的计量误差问题，提高储罐液位计量精确度。
Claims (6)
1.一种基于图像识别技术的储罐液位计量方法，其特征在于包括如下步骤：
一、输入大量卷尺刻度图像，利用图像识别技术识别卷尺刻度和指针区域，反复进行模型训练；
卷尺刻度图像利用储罐液位测量装置获得，储罐液位测量装置包括外壳（20）、人工交互模块、供电模块、卷尺模块、传感器模块、微处理器，人工交互模块包括校零开关（3）、电源开关（6）；供电模块包括聚合物电芯（16）、电源开关指示灯（8）、电源显示屏（13）和充电接口（15）；卷尺模块包括卷尺（2）、重锤（17）、正反转马达（7）和可变焦距高清摄像头（1）；传感器模块包括光电液位传感器（18）、高精度电容式传感器（19）以及LED警报灯、蜂鸣器；微处理器包括人工交互电路和液位传感器电路；
卷尺（2）、正反转马达（7）和可变焦距高清摄像头（1）设置于外壳（20）内，正反转马达（7）驱动卷尺（2）转动，卷尺（2）的自由端从外壳（20）伸出与重锤（17）固定连接，重锤（17）的底面设置两个安装孔，两个安装孔内分别安装光电液位传感器（18）和高精度电容式传感器（19），重锤沿长度方向设置中心孔，中心孔通过两个水平孔分别与两个安装孔相通，卷尺（2）采用杜邦ETFE涂层，且卷尺背面置入两根电线和两根信号线，两根电线和两根信号线从卷尺自由端伸出的部分进入中心孔后分成两组，每组有一根电线和一根信号线，两组分别经水平孔与光电液位传感器（18）和高精度电容式传感器（19）连接；可变焦距高清摄像头（1）置于卷尺正（2）上方，可变焦距高清摄像头（1）与卷尺（2）之间设置指针，拍摄卷尺刻度并传输给计算机；校零开关（3）、马达正转开关（4）、马达反转开关（5）、电源开关（6）设置于外壳（20）上，电源开关指示灯（8）、电源显示屏（13）、充电接口ED警报灯、蜂鸣器均设置于外壳（20）上；
二、对0~9刻度数据单独分组，对卷尺10~99刻度数据进行排序，采用K-Means聚类方法获取阈值，再利用阈值法对数据分组，将程序识别结果转换为真实刻度；
三、根据相邻刻度的像素个数，计算像素间真实距离，再根据卷尺刻度与指针间的像素个数，计算储罐液位高度计量结果。
2.根据权利要求1所述的基于图像识别技术的储罐液位计量方法，其特征在于：所述的储罐液位测量装置获得卷尺刻度图像的方法：
步骤一、测量前，按下校零开关（3），进行校零，保证准确度；
步骤二、开始测量时，按下马达正转开关（4），卷尺（2）在正反转马达（7）的机械能和重锤（17）的位能作用下，沿着竖直方向自动下放，当置于重锤（17）下端的光电液位传感器（18）检测到气-液界面时，马达正转电路断开，气-液界面LED警报灯（9）和气-液界面蜂鸣器（11）电路连通，发出报警；与此同时，可变焦距高清摄像头电路连通，拍摄检测气-液界面时卷尺的刻度；
步骤三、继续测量时，按下马达正转开关（4），卷尺（2）在正反转马达（7）的机械能和重锤（17）的位能作用下，沿着竖直方向自动下放，当置于重锤（17）下端的高精度电容式传感器（19）检测到油-水界面时，马达正转电路断开，油-水界面LED警报灯（10）和油-水界面蜂鸣器（12）电路连通，发出报警；与此同时，可变焦距高清摄像头电路连通，拍摄检测油-水界面时卷尺的刻度；
步骤四、改变储罐液位，每改变一次液位，重复步骤一至步骤三，得到大量卷尺刻度图像。
3.根据权利要求2所述的基于图像识别技术的储罐液位计量方法，其特征在于：所述的进行模型训练的方法：输入大量卷尺刻度图像，制作初始训练数据集，利用SSD目标检测算法模型训练，预测新数据集并对结果进行修正，将修正后数据补充到数据集，重复进行模型训练。
4.根据权利要求3所述的基于图像识别技术的储罐液位计量方法，其特征在于：对卷尺10~99刻度图像两侧边界存在单数以及存在奇异点，刻度漏识别，进行容错性处理。
5.根据权利要求4所述的基于图像识别技术的储罐液位计量方法，其特征在于：对分组后刻度数据进行稳定性处理，去除不连续的数据，排除室外计量存在错误图像识别的干扰。
6.根据权利要求5所述的基于图像识别技术的储罐液位计量方法，其特征在于：通过定义像素比例尺，将像素距离转化为真实距离，采用均值法计算测试结果，提高储罐液位计量的精度。
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