一種實時紅外監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

唐琪，李慧，李國偉（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

一種實時紅外監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

唐琪，李慧，李國偉
（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

通過分析當前電力設(shè)備紅外監(jiān)測的不足，提出了研制一種新型在線紅外監(jiān)測系統(tǒng)來對電力設(shè)備進行紅外監(jiān)測和診斷。該系統(tǒng)以Filr公司的A615紅外攝像頭作為紅外圖像采集模塊，以平板電腦作為圖像數(shù)據(jù)的處理模塊，以4G網(wǎng)絡(luò)作為圖像數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸媒介，以PC作為遠程顯示和診斷終端。然后對采集處理端進行了軟件設(shè)計，并針對無線4G網(wǎng)絡(luò)傳輸將H.264協(xié)議運用到紅外數(shù)據(jù)的壓縮算法中，從而實現(xiàn)了遠程、實時的紅外診斷功能。

紅外監(jiān)測；處理器；自組網(wǎng)；圖像壓縮；H.264；無線通訊

電力系統(tǒng)中大多數(shù)運行的電氣設(shè)備會由于故障導致設(shè)備運行溫度的異常變化，因此檢測電力設(shè)備溫度或熱場分布可為設(shè)備故障診斷提供依據(jù)。而紅外測溫故障診斷技術(shù)為測量這種溫度異常提供了一種方便直觀的檢測方法，因此在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。電力部門已普遍采用手持式和便攜式紅外熱像儀器進行巡視和試驗，個別變電站也安裝了紅外熱像在線監(jiān)測系統(tǒng)。便攜式的紅外測試儀結(jié)構(gòu)輕巧、使用方便、價格較低、使用較為廣泛，但便攜式的紅外測試只能周期性的進行，不能實時對設(shè)備工作狀態(tài)進行監(jiān)控并診斷設(shè)備的故障性質(zhì)，這往往會造成監(jiān)視延誤而引起損失。而紅外成像在線監(jiān)控系統(tǒng)一般安裝變電站場地的構(gòu)架上，它的監(jiān)測范圍固定，投入及維護成本高，普及率低。而電力生產(chǎn)過程中，存在狀態(tài)異常的設(shè)備、重載設(shè)備、保供電設(shè)備、關(guān)鍵設(shè)備或昂貴的設(shè)備等特殊設(shè)備，為確保電網(wǎng)的可靠供電，需要對這類設(shè)備進行連續(xù)實時紅外測溫。但是這類設(shè)備范圍包括了輸、變、配一次、二次設(shè)備、設(shè)備類型多樣、電壓等級跨度大、在電網(wǎng)中的地理分布較隨機、空間安裝高度及可測距離差別較大、監(jiān)測時限不確定、監(jiān)測頻率一般要求較高。便攜式紅外測試設(shè)備不能連續(xù)實時測量，在線式紅外監(jiān)測儀器成本高、不能靈活選擇檢測范圍。因此設(shè)計一種新型的紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)，克服當前紅外監(jiān)測手段的不足，實現(xiàn)便攜化且保證其圖像顯示和診斷的實時性對電力設(shè)備安全運行具有重要作用[1-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個在線監(jiān)測系統(tǒng)可劃分為紅外圖像采集單元、紅外圖像處理單元、終端顯示單元。采集單元和處理單元可置于現(xiàn)場測試設(shè)備處，終端顯示單元則置于遠方。系統(tǒng)之所以在圖像采集處理單元和終端顯示單元間采用4G無線網(wǎng)絡(luò)進行通訊，是由現(xiàn)場環(huán)境所決定。因為本系統(tǒng)要求能靈活的監(jiān)測各種電力設(shè)備，所以采集單元和處理單元必須能在現(xiàn)場靈活移動，因此如果采用有線方式同終端通訊，則必須在每個可能監(jiān)測的設(shè)備處都鋪設(shè)網(wǎng)線，這是現(xiàn)場條件所不運行的，因此系統(tǒng)采用無線方式進行遠程通訊。

圖1 紅外監(jiān)測系統(tǒng)

紅外圖像采集單元采用的是紅外和可見光雙通道傳感器，這種設(shè)計便于在線顯示和診斷紅外圖像時與物體實際圖像加以對比。本系統(tǒng)要求紅外在線實時監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)紅外測溫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機結(jié)合，需要紅外傳感器具有較強的聯(lián)網(wǎng)能力，因此必須選用在線型的紅外熱像儀。而且，本系統(tǒng)要求可以實時傳輸和顯示視頻數(shù)據(jù)，而人眼的視覺停留時間是0.1 s，因此圖像幀頻不能少于10 Hz，本系統(tǒng)要求在線型紅外和可見光傳感器的采樣幀頻均不低于25 Hz，按照這個幀頻所傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)顯示出來具備很好的連貫性。同時考慮變電站實際使用情況，有時候可能會因為一枚鋼釘接觸不良而造成嚴重后果，所以要求紅外熱像儀可以在10米距離外準確測量到一枚高度為0.08米的鋼釘溫度，因此系統(tǒng)選用了選擇Filr公司的A615紅外熱像儀（640*480）。而為了清晰的與紅外圖像進行對比，本系統(tǒng)選用了1920*1080p的在線型可見光圖像傳感器。所選的兩種傳感器都內(nèi)置有并口轉(zhuǎn)TCP模塊，可以將所采集的圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳出，同時外部也可由網(wǎng)口來對兩種傳感器的運行模式進行設(shè)置。

紅外圖像處理單元以平板電腦為數(shù)據(jù)處理器，以網(wǎng)絡(luò)交換機來作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，以大容量儲存卡來臨時存放數(shù)據(jù)，以4G路由器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理單元和遠方的終端顯示單元的通訊。首先4G路由器接受遠程客戶端發(fā)出的控制指令 （包括圖像采集開啟，傳輸模式命令）然后通過交換機發(fā)送給平板電腦，處理成紅外和可見光傳感器TCP模塊可識別的指令格式后再回傳給交換機，最后分別將指令發(fā)送給紅外傳感器和可見光傳感器。兩種傳感器再根據(jù)指令的具體內(nèi)容采集圖像，并將圖像數(shù)據(jù)通過TCP模塊傳送給交換機，然后再傳送給平板電腦。由平板電腦對圖像進行壓縮和處理后，一方面由存儲卡就地保存，另一方面再將壓縮處理后的圖像數(shù)據(jù)傳送給交換機，并由4G路由器無線傳給遠程客戶端。最后圖像數(shù)據(jù)會在遠程客戶端以紅外和可見光圖像的形式予以顯示[7-8]。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

采集處理端紅外和可見光經(jīng)處理器壓縮編碼后的視頻流是通過的TCP/IP、UDP、RTMP協(xié)議進行傳輸和控制。紅外和可見光數(shù)據(jù)以二維數(shù)組 （時間-溫度）的形式被處理器壓縮編碼為視頻流并且打包成數(shù)據(jù)包的格式，通過RTMP協(xié)議發(fā)送給遠程，同時紅外小車可通過RTMP協(xié)議來接收遠程控制指令。各模塊的相互通訊是基于Windows操作系統(tǒng)下Windows socket軟件通訊技術(shù)。通訊設(shè)計中主要包括兩個傳輸類：CTcpSocket和CUdpSocket。通訊流程如圖2所示。

圖2 采集處理端線程通訊

在采集處理端，利用socket套接字封裝并發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，在成功建立套接字之后，根據(jù)共有的模式變量，選擇要進行的程序分支。就把壓縮好的視頻數(shù)據(jù)和同步源信息，序號信息，時間戳信息，溫度數(shù)據(jù)，封裝到一個簡化RTP包中，然后把RTP封裝成一個個UDP包，再應(yīng)用標準的socket套接字發(fā)出，如果停止，則終止編碼任務(wù)，并終止自身，關(guān)閉socket套接字，結(jié)束連接。

而TCP鏈路接收來自監(jiān)控端的命令并作相應(yīng)處理。首先建立Socket套接字，與客戶端建立TCP鏈路，如果連通，則開始接受從客戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)。監(jiān)控端的TCP命令包線程在執(zhí)行TCP套接字初始化后，開啟UDP線程等待無線終端發(fā)起的UDP的連接，接著就進入了多路復用初始化；通過對應(yīng)的宏對句柄集進行操作。操作完成后返回多路復用步驟，如果有命令消息，則將命令拼接成一定格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送，完成發(fā)送以后同樣發(fā)揮多路復用初始化步驟。

當顯示單元的服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)包時，進入數(shù)據(jù)重組線程進行數(shù)據(jù)重組，為了減小系統(tǒng)開銷，UDP接收到的數(shù)據(jù)報設(shè)計為鏈表形式。當上層程序嘗試讀取數(shù)據(jù)來解碼時，就把該鏈表節(jié)點的有效數(shù)據(jù)按照順序自頭到尾地拷貝到解碼緩沖區(qū)。如果解碼程序因為其他原因較長時間沒有讀走數(shù)據(jù)，就銷毀前面的節(jié)點，即序列號最小的節(jié)點，而又不斷收到新的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生新的節(jié)點插入到鏈表中，這樣就可以保證緩沖區(qū)是最新的數(shù)據(jù)，從而保證了實時性。

2 紅外數(shù)據(jù)壓縮處理

由于電力系統(tǒng)非常龐大，紅外監(jiān)測的目標設(shè)備分布在各處，他們與終端顯示單元距離一般很遠。因此本系統(tǒng)采用的無線通訊方式為移動4G網(wǎng)絡(luò)，且能向下兼容。這樣一來雖可克服距離遠帶來的問題，但是如果想要實時的對重點設(shè)備進行紅外監(jiān)測，必須考慮通過無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，這不但關(guān)系著紅外和可見光圖像實時顯示是否流暢，還關(guān)系著投運成本是否經(jīng)濟。首先根據(jù)紅外和可見光傳感器的參數(shù)計算實時采集的數(shù)據(jù)流量大小。由于前端紅外傳感器的采樣幀頻在25 Hz以上，而一幀有640*480個像素點，每個像素點8 bit，采集處理端將傳感器的數(shù)據(jù)由RGB格式轉(zhuǎn)換了YUV格式，這樣數(shù)據(jù)量就擴大了約3倍。計算每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為1.5*8*640*480*25=176 Mbit而可見光采用的是1920*1080P分辨率，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量則為1 G以上。如此龐大的數(shù)據(jù)量如果不予壓縮而直接傳輸原始數(shù)據(jù)，所需移動帶寬非常龐大，流量費用也非常驚人。因此本系統(tǒng)將在采集處理端對數(shù)據(jù)進行壓縮。

H.264協(xié)議是當前視頻處理常用的壓縮編碼協(xié)議，比起其它壓縮技術(shù)H.264以其特有的編碼方式能夠在保證圖像質(zhì)量的情況下將圖像數(shù)據(jù)壓縮率提高一倍[9-10]。H.264協(xié)議已經(jīng)廣泛運用在多種視頻處理中，而本系統(tǒng)則不但用此協(xié)議處理可見光視頻數(shù)據(jù)，還創(chuàng)造性的將之應(yīng)用到紅外數(shù)據(jù)流的處理中。經(jīng)過該技術(shù)的處理可以使視頻數(shù)據(jù)大大壓縮，從而可適應(yīng)無線4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸，使整個紅外監(jiān)測系統(tǒng)達到實時的目的[11-12]。如圖3所示本系統(tǒng)所采用的H.264編碼器采用的是變換和預測的混合編碼法。首先圖像幀Gn以宏塊為單位被編碼器按幀內(nèi)預測的方式進行處理。它的預測值P由已編碼的參考圖像經(jīng)運動補償MC后得出，其中參考圖像以Gn-1表示。為了提高預測精度，提高壓縮比，實際的參考圖像在之前重建和濾波的幀中進行選擇。預測值P和當前塊相減后，產(chǎn)生一個殘差塊Dn，經(jīng)塊變換、量化后產(chǎn)生一組量化后的變換系數(shù)X，再經(jīng)熵編碼，與解碼所需的一些邊信息（如預測模式量化參數(shù)、運動矢量等）一起組成一個壓縮后的碼流。為了提供進一步預測用的參考圖像，編碼器具有重建圖像的功能。因此必須使殘差圖像經(jīng)反量化，反變換后得到的Dn’與預測值P相加，得到uGn（未經(jīng)濾波的幀）。為了去除編碼環(huán)路中產(chǎn)生的噪聲，提高壓縮圖像性能，編碼設(shè)計時設(shè)置了環(huán)路濾波器，濾波后的輸出Gn即重建圖像可用作參考圖像。

圖3 H.264編碼流程

視頻和圖像數(shù)據(jù)將在終端顯示，所以H.264視頻解碼算法也是在終端顯示單元實現(xiàn)的。首先由編碼器的NAL輸出一個壓縮后的H.264壓縮比特流。經(jīng)熵解碼得到量化后的一組變換系數(shù)X，再經(jīng)反量化、反變換，得到殘差Dn’。利用從該比特流中解碼出的頭信息，解碼器就產(chǎn)生一個預測塊PRED，它和編碼器中的原始PRED是相同的。當該解碼器產(chǎn)生的PRED與殘差Dn’相加后，就產(chǎn)生uGn，再經(jīng)濾波后，最后就得到濾波后的Gn即最后的解碼輸出圖像[13-15]。

圖4 H.264解碼流程

本系統(tǒng)在具體實現(xiàn)H.264壓縮編碼時，可通過工程文件中所對應(yīng)的視頻編碼代碼進行調(diào)整，以實現(xiàn)對編碼之后的紅外和可見光的圖像和視頻壓縮比進行調(diào)整。本項目中，將壓縮比調(diào)整到140:1依然可以清晰的顯示出實際圖像。如此便將龐大的數(shù)據(jù)壓縮到與4G無線網(wǎng)絡(luò)帶寬適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸量，保證了系統(tǒng)的實時性和經(jīng)濟性。

3 系統(tǒng)功能驗證

完成了系統(tǒng)設(shè)計后，對系統(tǒng)功能進行了驗證。將采集處理單元置于某220 kV變電站中，通過遠程客戶端對采集處理單元進行遠程控制。首先連通4G無線網(wǎng)絡(luò)，通過Socket tools檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通訊情況，在確認系統(tǒng)通訊連接成功后，啟動采集處理端軟件進行紅外及可見光數(shù)據(jù)壓縮及推流。然后打開遠程的客戶端軟件，接收紅外和可見光視頻流并解碼顯示。結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)可以保證紅外和可見光視頻監(jiān)測的實時性。

圖5 實測結(jié)果

4 結(jié) 論

文首先分析了當前電力設(shè)備紅外監(jiān)測手段的不足，提出一種新型的可實時監(jiān)測的紅外監(jiān)測系統(tǒng)，接著本文針對電力設(shè)備運行的具體條件和測試的需求選取了適當?shù)墓δ茉⒃O(shè)計了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，又根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)顯示單元和采集處理端的距離選用了無線4G通訊方式，并且對軟件設(shè)計進行了闡述。然后說明了在采集處理端對數(shù)據(jù)進行壓縮的必要性，本文將H.264這種視頻協(xié)議運用到可見光及紅外兩種圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理上，將采集處理端的數(shù)據(jù)壓縮到140倍從而適應(yīng)了無線4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，并保證系統(tǒng)的實時性和經(jīng)濟性。本文最后對整個系統(tǒng)進行了功能驗證，證明了系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

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Research on key technology of a real time infrared monitoring system

TANG Qi，LI Hui，LI Guo-wei
（Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，F(xiàn)oshan 528000，China）

Through the analysis of the inadequacy of the current power equipment infrared monitoring，it puts forward a new online infrared monitoring system to the power equipment of infrared monitoring and diagnosis.The device uses A615 infrared camera of Filr company as infrared image acquisition module，and Pad as the image data processing module.The device uses 4G networks as a medium for transmitting the image data and control information，and uses PC as a remote display and diagnosis terminal.Then，the software design of the data acquisition and processing is carried out，and the H.264 protocol is applied to the infrared data compression algorithm for wireless 4G network transmission.

Infrared monitoring；processor；Ad hoc network；image compression；H.264；wireless communication

TN99

A

1674－6236（2017）07-0170-04

2016-03-02稿件編號：201603019

唐 琪（1983—），男，四川閬中人，碩士，工程師。研究方向：高壓試驗與研究。