基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)刀閘狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)

朱明增 莫梓櫻 陳琴 盧君

【摘 ?要】由于刀閘開(kāi)關(guān)一般起隔離電路的作用，當(dāng)處于斷開(kāi)位置時(shí)，其刀閘觸頭在視覺(jué)上有明顯的斷開(kāi)點(diǎn)。因此，從視覺(jué)信息的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)刀閘圖像進(jìn)行識(shí)別，是直接檢測(cè)刀閘觸頭實(shí)際位置的一種解決思路。下面將根據(jù)這一思路，就一種接地刀閘的分合狀態(tài)進(jìn)行刀閘圖像識(shí)別的應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺(jué)技術(shù);刀閘狀態(tài);識(shí)別系統(tǒng)

1原理說(shuō)明

刀閘開(kāi)關(guān)是變電站最重要的電氣設(shè)備之一，其操作的正確與否直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全。傳統(tǒng)的“五防”中有四項(xiàng)與刀閘操作有關(guān)。誤操作對(duì)電力系統(tǒng)危害極大，輕則損壞設(shè)備，重則造成人身傷亡和大面積停電等重大事故。特別是涉及到多個(gè)變電站接地刀閘的誤操作事故，例如，帶接地刀閘合閘誤操作事故簡(jiǎn)稱帶地刀合閘，一般發(fā)生在線路停電檢修工作完畢后，一側(cè)變電站未斷開(kāi)接地刀閘，另一側(cè)變電站就合閘送電，或者是帶電合接地刀閘誤操作事故簡(jiǎn)稱帶電合地刀，一般發(fā)生在線路由運(yùn)行到檢修時(shí)，一側(cè)變電站的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)還在合閘供電狀態(tài)時(shí)，另一側(cè)變電站就合接地刀閘。

在可見(jiàn)斷口刀閘的情況下，當(dāng)處于斷開(kāi)位置時(shí)，刀閘觸頭在視覺(jué)上有明顯的斷開(kāi)點(diǎn)，這一斷開(kāi)點(diǎn)可以通過(guò)識(shí)別技術(shù)方便的識(shí)別。在可見(jiàn)斷口刀閘開(kāi)合閘不到位時(shí)，由于電路處于接通狀態(tài)，接觸電阻明顯增大并伴有強(qiáng)烈的電弧產(chǎn)生，會(huì)造成刀閘開(kāi)關(guān)劇烈升溫。這一點(diǎn)在刀閘的紅外熱像上有明顯的表現(xiàn)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別刀閘不到位很方便。在對(duì)不可見(jiàn)斷口刀閘的識(shí)別時(shí)，因?yàn)殡娐方油ǖ臒嵝?yīng)，會(huì)在刀閘表面形成一定的溫度分布，與刀閘未接通時(shí)或接通不到位時(shí)，表面溫度場(chǎng)的分布會(huì)完全不同，基于刀閘表面溫度場(chǎng)的在線監(jiān)測(cè)和分析，也可以自動(dòng)識(shí)別刀閘的開(kāi)合狀態(tài)。

本項(xiàng)目通過(guò)變電站現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集刀閘狀態(tài)，當(dāng)調(diào)度臺(tái)進(jìn)行刀閘遠(yuǎn)方遙控操作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤鎖定到對(duì)應(yīng)的刀閘，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別刀閘是分位還是合位。

2研究?jī)?nèi)容

2.1刀閘圖像的目標(biāo)提取與分割

要進(jìn)行刀閘圖像的識(shí)別，必須了解待識(shí)別刀閘的特征。下圖給出了某種刀閘結(jié)構(gòu)模型圖，由此分析刀閘圖像的特點(diǎn)以及識(shí)別的難點(diǎn)。特征可以是灰度邊緣特征、灰度區(qū)域特征、顏色特征、紋理特征，也可以是幾何形狀特征。由圖所示的一種常見(jiàn)的接地刀閘結(jié)構(gòu)圖形，可以看出，刀閘主要是由一些具有幾何形狀的部件組成。因此，這里幾何形狀特征顯得比較重要，但幾何特征通常屬于比較高層的特征，一般要通過(guò)進(jìn)行低層的圖像處理運(yùn)算來(lái)獲取。

2.2刀閘開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)的識(shí)別

對(duì)于上圖所示的刀閘開(kāi)關(guān)，從直觀上來(lái)說(shuō)，刀閘開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)的識(shí)別，其實(shí)就是判斷刀閘的動(dòng)觸頭和靜觸頭是否接觸，或者閘刀片邊緣直線是否與底座邊緣直線平行或近似平行。下面給出的前三種識(shí)別算法就是建立在這兩個(gè)直觀的概念上的。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1基于連通區(qū)域的識(shí)別算法

在空域性質(zhì)中已經(jīng)給出過(guò)連通成分和連通的概念。假設(shè)刀閘圖像己分割為二值圖，并且二值圖像只包括刀閘靜觸頭和動(dòng)觸頭部分。當(dāng)?shù)堕l閉合時(shí)，動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸，在二值圖像上的表現(xiàn)就是動(dòng)觸頭部分像素與靜觸頭部分像素連通，此時(shí)，二值圖像中的連通成分個(gè)數(shù)為。當(dāng)?shù)堕l斷開(kāi)時(shí)，動(dòng)觸頭與靜觸頭分離，在二值圖像上的表現(xiàn)就是動(dòng)觸頭部分像素與靜觸頭部分像素不連通，此時(shí)，二值圖像中的連通成分個(gè)數(shù)為。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算刀閘二值圖像中連通成分的個(gè)數(shù)就可以識(shí)別出刀閘的分合狀態(tài)。

3.2基于邊界閉合的識(shí)別算法

假設(shè)已經(jīng)通過(guò)邊緣提取算法得到了刀閘目標(biāo)的邊界輪廓，如果刀閘目標(biāo)中只包括動(dòng)觸頭和靜觸頭部分，那么在刀閘斷開(kāi)時(shí)目標(biāo)圖像中將有兩條封閉邊界分別對(duì)應(yīng)動(dòng)、靜觸頭，而在刀閘閉合時(shí)則只有一條封閉邊界動(dòng)、靜觸頭因接觸而連為一體。如果刀閘目標(biāo)中除了動(dòng)、靜觸頭，還包括有閘刀片、瓷瓶、底座，由于這些部件都存在一定的接觸關(guān)系，由圖一的刀閘結(jié)構(gòu)模型可知，在刀閘斷開(kāi)時(shí)，目標(biāo)圖像中只存在一條封閉邊界，且封閉邊界圍成的區(qū)域里面不存在孔而在刀閘閉合時(shí)，檢測(cè)到的外封閉邊界所圍成的區(qū)域里面還存在一條內(nèi)封閉邊界，即存在一個(gè)孔。因此，可以通過(guò)計(jì)算目標(biāo)圖像封閉邊界的條數(shù)和檢測(cè)是否存在孔來(lái)識(shí)別刀閘的分合狀態(tài)。

3.3基于Hough變換檢測(cè)直線的識(shí)別算法

通過(guò)檢測(cè)閘刀片邊緣直線是否與底座邊緣直線平行或近似平行來(lái)識(shí)別刀閘分合狀態(tài)?？梢詫⑴袛鄡蓷l直線是否平行改為計(jì)算兩條直線之間的夾角，當(dāng)兩條直線的夾角小于某一個(gè)值時(shí)就可以判定刀閘己閉合，這樣更符合實(shí)際情況。另外，為了圖像識(shí)別的需要，還可以在閘刀片和底座上各畫(huà)出一條明顯的直線標(biāo)志，使這兩條直線在刀閘閉合時(shí)盡量平行，這樣更有利于進(jìn)行檢測(cè)。

3.4基于多特征的模式匹配和模式分類的識(shí)別方法

突出刀閘圖像中的某一種特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別的。如果綜合這多個(gè)特征，還可增加其他一些特征參數(shù)，例如，矩、字符串描述符和前已提到的形狀數(shù)等等一些幾何特征描述參數(shù)，特別是像目標(biāo)邊界的角點(diǎn)、拐點(diǎn)等描述參數(shù)，將這些特征參數(shù)形戒模式矢量，利用模式識(shí)別的各種技術(shù)來(lái)進(jìn)行模式匹配和分類，這將大大增強(qiáng)其識(shí)別的可靠性和抗噪聲性。另外，前面的方法都是對(duì)靜態(tài)圖像的特征進(jìn)行分析識(shí)別的，還可以利用遙視系統(tǒng)拍攝下來(lái)的刀閘操作運(yùn)動(dòng)圖像的特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別，這樣就更接近于人的識(shí)別過(guò)程。顯然，以這種方式建立起來(lái)的系統(tǒng)基本上是一個(gè)通用的系統(tǒng)，不僅可以識(shí)別某種特定的刀閘狀態(tài)，而且還可以適應(yīng)目標(biāo)和環(huán)境發(fā)生一定變化的情況，當(dāng)然其實(shí)現(xiàn)的難度相當(dāng)大。

4系統(tǒng)抗干擾和實(shí)時(shí)性分析

在識(shí)別流程的各個(gè)階段，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)均會(huì)受到各種干擾。成像過(guò)程中的“退化”指由于成像系統(tǒng)這種因素的影響，使得圖像質(zhì)量降低。在成像系統(tǒng)中，引起圖像退化的原因很多，例如，成像系統(tǒng)的散焦，成像系統(tǒng)和設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，成像器材的固有缺陷以及外部干擾等。

綜合以上的研究?jī)?nèi)容，可以形成一個(gè)閘分合狀態(tài)識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)。按照?qǐng)D所示的流程圖形成的軟件模塊來(lái)達(dá)到識(shí)別的目的，并且根據(jù)識(shí)別要求和鏡頭安放位置等實(shí)際情況，來(lái)確定是否需要在系統(tǒng)中配置深度圖獲取裝置。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)刀閘的位置，當(dāng)調(diào)度臺(tái)進(jìn)行刀閘遠(yuǎn)方遙控操作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤鎖定到對(duì)應(yīng)的刀閘，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別刀閘是分位還是合位，從而快速確認(rèn)刀閘位置，縮短遙控操作時(shí)間。

改進(jìn)前：當(dāng)?shù)堕l遙控操作時(shí)，需要運(yùn)行值班員現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)刀閘位置，然后電話匯報(bào)值班調(diào)度員，此模式耗費(fèi)大量人力物力，且效率低。

改進(jìn)后：當(dāng)?shù)堕l遙控操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別刀閘位置，并通過(guò)弧光、水平位置等體征信息判斷刀閘是否動(dòng)作到位，是否有異常，將識(shí)別信息自動(dòng)發(fā)送到調(diào)度臺(tái)，效率高，可靠性高。

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（作者單位：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司賀州供電局）