一種實(shí)時的基于多直線擬合的輸電線路導(dǎo)線弧垂觀測算法

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(1.廣州供電局有限公司,廣東廣州 510000;2.鄭州供電公司,河南鄭州 450006)

一種實(shí)時的基于多直線擬合的輸電線路導(dǎo)線弧垂觀測算法

彭紅剛1張?zhí)?蔡裕2

(1.廣州供電局有限公司,廣東廣州 510000;2.鄭州供電公司,河南鄭州 450006)

輸電線路導(dǎo)線弧垂是輸電線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)的一個重要參數(shù),也是在輸電線路日常巡線過程中觀測的重點(diǎn)。針對這種情況,本文提出一個基于智能視頻分析的輸電線路導(dǎo)線提取算法。首先,采用邊緣檢測技術(shù)獲取邊緣信息;然后運(yùn)用3個約束性質(zhì)級聯(lián),獲取經(jīng)過多段直線段擬合的導(dǎo)線方程,這也是本文的重點(diǎn);最后代入弧垂模型,得到弧垂。通過實(shí)驗(yàn)證明,本方法與傳統(tǒng)人工觀測導(dǎo)線弧垂相比,有安全、快速、維護(hù)簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

邊緣檢測 弧垂 靜力解 圖像分析

引言

架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，由于城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，電力系統(tǒng)網(wǎng)架的不斷完善，輸電線路跨越鐵路、高速公路、林區(qū)等重要設(shè)施的在所難免。輸電線路導(dǎo)線弧垂是輸電線路設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)的一個重要參數(shù)，也是在輸電線路日常巡線過程中觀測的重點(diǎn)。

隨著數(shù)字圖像處理的技術(shù)發(fā)展，智能視頻分析在輸電線路運(yùn)行維護(hù)中起著越來越重要的作用。通過智能視頻獲取導(dǎo)線位置，智能分析導(dǎo)線各種信息特征，得到弧垂是否異常，快速反饋信息，與人工巡線比較有著巨大優(yōu)勢。

1 導(dǎo)線弧垂分析

1.1 導(dǎo)線弧垂?fàn)顟B(tài)

導(dǎo)線上任意一點(diǎn)到懸掛點(diǎn)連線之間的鉛垂距離稱為導(dǎo)線在該點(diǎn)的弧垂，如圖1、2所示。導(dǎo)線具有充分柔性的性質(zhì)，在自重的作用線呈懸鏈曲線狀態(tài)，并且在水平懸鏈線模型分析導(dǎo)線弧垂?fàn)顟B(tài)最為精確[1]。

1.2 導(dǎo)線受力分析模型

懸鏈段微元體的平衡方程作為基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，可以得到含參數(shù)的解析解，從實(shí)際中測量得到待定參數(shù)，帶入解析解，就完成基本計(jì)算。

圖1 水平弧垂模型

圖2 非水平弧垂模型

由此，導(dǎo)線“懸鏈段”簡圖及其坐標(biāo)系如圖3左所示，取微元體如圖3右所示。假設(shè)導(dǎo)線均勻且具有充分的柔性，其不可伸長，導(dǎo)線的密度為，則沿線長自重的線載荷集度為，其中為索的橫截面積，g為重力加速度[2]。

圖3 懸鏈段及其微元體示意圖

圖4 圖像分析獲得的弧垂簡單示意圖

考慮臨界條件，可以得到索長、總索長、張力、垂度等獨(dú)立變量。當(dāng)導(dǎo)線檔距固定時，懸垂?fàn)顟B(tài)只要一個獨(dú)立變量，求解難度大大減少。然后選取頂部索曲線傾角，則可由公式確定懸索狀態(tài)。

圖5 實(shí)驗(yàn)一 用圖及檢測結(jié)果

其中n是曲線切線方向的正割值，那么導(dǎo)線的弧垂為

2 導(dǎo)線圖像分析

在圖像中，導(dǎo)線最基本特征是線的特征，在圖像分析領(lǐng)域，線的檢測的方式多種多樣，是一種成熟的智能分析技術(shù)。獲取圖像中導(dǎo)線位置是檢測的第一個，也是非常關(guān)鍵的一步。本文采用canny邊緣檢測算法生成邊緣圖像，然后進(jìn)行輪廓跟蹤獲取邊緣線段[3]。

2.1 平滑曲線的性質(zhì)

平滑曲線用數(shù)學(xué)描述：在定義域內(nèi)，二階導(dǎo)數(shù)處處存在。另外，類似于割圓法求圓周律一樣，平滑的曲線依然可以分割成n條直線段，用這n條直線表示曲線。當(dāng)n越大，分割誤差越小。也有可能存在這樣一種情況：邊緣線有一部分屬于導(dǎo)線，那么邊緣線只有一部分滿足平滑曲線性質(zhì)，這一部分直線段依然滿足上述特征。

2.2 凹凸性

2.3 曲率連續(xù)性

同時滿足以上三個條件的邊緣線，可以認(rèn)定屬于輸電線路導(dǎo)線，然后進(jìn)行弧垂檢測。由于三個條件難易程度逐漸增加，因此，可以采用級聯(lián)的方式，依次添加條件進(jìn)行判定。

3 弧垂計(jì)算

有效獲取導(dǎo)線輪廓，獲得曲線的切線方向θ。因此，可以計(jì)算以下3個重要參數(shù)[4]，如圖4所示。

a) 導(dǎo)線兩懸掛點(diǎn)；

c) 切點(diǎn)(l，h)。

圖6 實(shí)驗(yàn)二 用圖及檢測結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以matlab作為工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對本文算法有效驗(yàn)證。分別作了多組實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)一

如圖5所示，左圖是原圖，右圖是邊緣檢測結(jié)果，紅色線段是在邊緣的基礎(chǔ)上，運(yùn)用2節(jié)的理論得到的導(dǎo)線。這里存在兩個問題：

a) 導(dǎo)線由兩個邊緣組成，呈雙邊緣特征；

b) 存在十字花，使得邊緣不連續(xù)。

4.1.1 雙邊緣

雖然邊緣是曲線，對于曲線來說，沒有“平行”這一個概念，但是從整體來上看，兩曲線“平行”可以這樣描述：兩邊緣上的任意對應(yīng)點(diǎn)對必須是等距的。如何描述兩邊緣的對應(yīng)點(diǎn)對呢？本文采用一個簡單的方式：一個邊緣的法線方向的直線與兩邊緣相交點(diǎn)就是對應(yīng)點(diǎn)對。

4.1.2 十字花

十字花使得邊緣不連續(xù)，那么采用一種思路是任意兩邊緣都有可能進(jìn)行合并連接，連接的準(zhǔn)則是：任意邊緣沿著切線方向?qū)ふ以诮嚯x找到一個點(diǎn)，這個點(diǎn)是另一個端點(diǎn)的邊緣，然后在從這個點(diǎn)沿切線方向反向找回來，如果能找到原來這個點(diǎn)，說明這兩條邊緣可以連接。

4.2 實(shí)驗(yàn)二

該實(shí)驗(yàn)相對簡單，如圖6所示，與第二個實(shí)驗(yàn)最大區(qū)別是導(dǎo)線不是被遮擋或者十字花的原因，造成邊緣中斷，在圖像中，桿塔使得左右兩邊的導(dǎo)線切線方向發(fā)生了改變，使得桿塔左右兩個邊緣線檢測為兩段導(dǎo)線，這個是符合實(shí)際要求的。

5 結(jié)論

本文提出一種全新輸電線路導(dǎo)線弧垂智能檢測算法，從已知的弧垂線模型出發(fā)，可以快速的、自動的測量真實(shí)的弧垂值。快速判定導(dǎo)線交叉跨越距離是否滿足規(guī)程要求，進(jìn)而提前預(yù)警。主要思路是采用先進(jìn)的智能視頻分析算法，獲取大量邊緣作為候選導(dǎo)線，然后利用導(dǎo)線特征性質(zhì)，排除大部分非導(dǎo)線的邊緣，得到有效邊緣；這樣就已經(jīng)可以得到導(dǎo)線方程，最后利用直線擬合精確定位導(dǎo)線，這也是本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)，最后根據(jù)懸鏈線模型計(jì)算出準(zhǔn)確的弧垂值。

[1]刑富沖.懸鏈線馳垂度的計(jì)算方法[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與分析,2004.34(11):98-101.

[2]高強(qiáng),文瑤.基于部分段圖像分析的電力線弧垂計(jì)算方法[J].電力建設(shè),2010.31(11): 38-42.

[3]Wiliam H.press,Saul A.Teukolsky.Numerical Recipes[M].The Art of Scientific Computing 3rd Edition,2007.

[4]Lindeberg,tony.Edge detection and ridge detection with automatic scale selection.International journal of computer vision [J].1998.30(2):117-154.

彭紅剛(1986—),男,湖北武漢人 ,本科,助理工程師,主要從事輸電線路運(yùn)行運(yùn)行維護(hù)工作