基于深度學(xué)習(xí)的電力設(shè)備紅外圖像故障診斷方法

陳達(dá)，唐文虎，牛哲文

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641)

變電設(shè)備長期運(yùn)行中，可能產(chǎn)生各種各樣的內(nèi)生缺陷，變電站運(yùn)維人員普遍地運(yùn)用紅外測溫工具周期性對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視，盡早從設(shè)備運(yùn)行的異常狀況中預(yù)判故障，從而避免設(shè)備突然停運(yùn)。這種方式對(duì)運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)有一定要求，同時(shí)存在覆蓋不全面、工作效率低的缺點(diǎn)。在智能化改造過程中，無人機(jī)、巡檢機(jī)器人等智能設(shè)備也產(chǎn)生了大量巡檢圖片，卻缺乏相應(yīng)的智能分析能力；因此，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，從中診斷電力設(shè)備狀態(tài)，對(duì)于及時(shí)了解電力設(shè)備的運(yùn)行狀況，提高電力設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和管理水平具有十分重要的意義。

為了在紅外圖像上實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障診斷，一方面需要讀取準(zhǔn)確的溫度，另一方面需要對(duì)設(shè)備類型進(jìn)行準(zhǔn)確分類，結(jié)合這2種信息才有可能準(zhǔn)確判定設(shè)備狀態(tài)。文獻(xiàn)[1]基于歷史數(shù)據(jù)和層次分析法建立了柱上開關(guān)成套設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法，克服了層次分析法較為主觀的問題。在溫度測量方面，文獻(xiàn)[2]考慮了溫度隨測溫距離和風(fēng)速的變化，通過模擬試驗(yàn)得到了溫度修正系數(shù)。文獻(xiàn)[3]從外部故障和內(nèi)部故障2個(gè)角度分析了各類型設(shè)備產(chǎn)生熱故障的可能原因，并給出各種故障特征下具體的溫度判據(jù)。實(shí)際工作中，運(yùn)維人員一般按照DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》[4]要求，使用表面溫度法和相對(duì)溫差法來判定具體缺陷等級(jí)。

圖像分類中的特征構(gòu)建可分為2大類：傳統(tǒng)圖像特征和深度圖像特征。目前，基于傳統(tǒng)方法構(gòu)建特征的電力設(shè)備分類方法仍為主流。文獻(xiàn)[5]采用Hu不變矩作為特征，使用最近鄰分類器進(jìn)行分類，取得了較滿意的分類準(zhǔn)確率，該方法具有尺度縮放不變性，但依賴于預(yù)處理中圖像分割的效果，并且需要建立圖像數(shù)據(jù)庫。文獻(xiàn)[6]同樣基于Hu不變矩，應(yīng)用支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)實(shí)現(xiàn)了較高的分類準(zhǔn)確率。Hu不變矩中冗余信息較多，文獻(xiàn)[7]選擇了更優(yōu)的Zernike矩，在此基礎(chǔ)上使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，并將2種矩進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，以Zernike矩作為特征，分類準(zhǔn)確率略高于Hu不變矩，若樣本集過小，兩者差異不明顯。文獻(xiàn)[8]使用方向梯度直方圖特征描述圖像并用SVM分類，在設(shè)備三分類中取得較好的結(jié)果。文獻(xiàn)[9]使用相對(duì)溫差法對(duì)分割后的溫度區(qū)域進(jìn)行故障判斷，效果符合實(shí)際，但因?yàn)闆]有利用分類器，無法根據(jù)目標(biāo)不同針對(duì)性選用缺陷判定標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[10]使用SVM對(duì)紅外圖像中提取的顏色矩和形狀不變矩進(jìn)行多分類，但問題主要是樣本集過小。以上文獻(xiàn)中所考察圖片中無背景干擾元素，邊緣提取難度相對(duì)較小，整體效果依賴于特征提取有效性，沒有充分考慮到實(shí)際應(yīng)用中面臨的復(fù)雜環(huán)境對(duì)智能識(shí)別所形成的影響。文獻(xiàn)[11]專注于電纜終端，使用模板匹配的方法找出設(shè)備區(qū)域，在提取疑似過熱區(qū)域和參考區(qū)域后，進(jìn)行溫度參數(shù)的計(jì)算，但是電力設(shè)備種類眾多，有必要研究適合于多種設(shè)備診斷的分析軟件。

在傳統(tǒng)圖像檢測方法的局限性逐步顯現(xiàn)時(shí)，隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，其在圖像領(lǐng)域的突出表現(xiàn)受到眾多關(guān)注。在電力工業(yè)領(lǐng)域由于專業(yè)性較強(qiáng)，深度學(xué)習(xí)沒有得到充分重視，該交叉領(lǐng)域仍有大量待填補(bǔ)的空白。電力設(shè)備圖像數(shù)據(jù)集較少，場景復(fù)雜且不同設(shè)備相似度較高，一般的深度學(xué)習(xí)方法也由于數(shù)據(jù)不足無法得到充分訓(xùn)練。文獻(xiàn)[12]使用快速區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(faster region convolutional neural network,Faster-RCNN)模型提出了紅外輸變電設(shè)備異常發(fā)熱點(diǎn)目標(biāo)檢測方法，具備較好的檢測效果。文獻(xiàn)[13]使用隨機(jī)森林分類器來改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network,CNN)，較常規(guī)CNN平均識(shí)別準(zhǔn)確率高出約6.8%，但對(duì)于小樣本限制準(zhǔn)確率提升的問題沒有提出有效的解決辦法。文獻(xiàn)[14]使用3D建模生成大量訓(xùn)練集來對(duì)CNN進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，然后用小樣本真實(shí)數(shù)據(jù)集進(jìn)一步訓(xùn)練的方法來解決樣本短缺的問題，但其研究基于自然光圖像而非紅外圖像。目前較少有人將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于分析電力設(shè)備紅外圖像。近年來，遷移學(xué)習(xí)的出現(xiàn)使得模型能利用在通用圖像數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)到的特征，去識(shí)別現(xiàn)有小樣本電力設(shè)備數(shù)據(jù)集的目標(biāo)，從而規(guī)避了數(shù)據(jù)不足的問題[15]。

鑒于此，本文提出基于深度學(xué)習(xí)的變電設(shè)備紅外圖像故障診斷方法。首先選取輕量化的移動(dòng)網(wǎng)(MobileNet)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，將在自然場景下獲取的預(yù)訓(xùn)練權(quán)重用于初始化網(wǎng)絡(luò)；繼而凍結(jié)網(wǎng)絡(luò)除末端分類層外的所有神經(jīng)元，使用電力設(shè)備小樣本數(shù)據(jù)集微調(diào)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)末端的特征分類器，網(wǎng)絡(luò)具備對(duì)設(shè)備分類的能力，自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果選取缺陷溫度判據(jù)。另一方面，使用光學(xué)字符識(shí)別(optical character recognition,OCR)技術(shù)從圖像中獲得最高溫度及溫度范圍的具體數(shù)值，結(jié)合選取的缺陷判定溫度給出診斷結(jié)果。

1 基于深度學(xué)習(xí)的電力設(shè)備故障診斷系統(tǒng)

系統(tǒng)綜合運(yùn)用深度學(xué)習(xí)圖像分類方法、OCR溫度提取方法和故障診斷判據(jù)，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的自動(dòng)故障診斷。在維持足夠準(zhǔn)確率的前提下，系統(tǒng)能夠?qū)斎氲募t外圖像自動(dòng)歸類，并提取相應(yīng)的溫度信息，例如實(shí)測溫度、圖像溫度范圍等，結(jié)合相應(yīng)診斷規(guī)則給出結(jié)果進(jìn)行判斷。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1中：基于MobileNet的圖像分類器可直接獲取原始偽彩色紅外圖像輸入到MobileNet網(wǎng)絡(luò)中，自動(dòng)進(jìn)行特征學(xué)習(xí)而無需人工構(gòu)建特征，而且其特征更加抽象，表達(dá)能力更強(qiáng)，可直接輸出分類結(jié)果；在得到設(shè)備類別后，使用類別結(jié)果從故障診斷判據(jù)中尋找相應(yīng)故障溫度閾值，結(jié)合提取的溫度運(yùn)用表面溫度法或相對(duì)溫差法判斷，給出診斷結(jié)果。

圖1 算法流程圖Fig.1 Algorithm flowchart

1.1 基于深度學(xué)習(xí)的電力設(shè)備圖像分類

1.1.1 MobileNet算法

在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，終端設(shè)備的計(jì)算能力一般較弱，而性能強(qiáng)大的深度CNN 通常要求強(qiáng)大的計(jì)算資源。目前有2類思路解決該矛盾：一種是真正進(jìn)行模型部署時(shí)進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)或權(quán)重參數(shù)的精簡，使得我們以現(xiàn)實(shí)能接受的方式進(jìn)行模型推理；另一種則是設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜度更低、訓(xùn)練參數(shù)更少的網(wǎng)絡(luò)。

按照第二種思路設(shè)計(jì)的MobileNet V1由谷歌在2017年提出的，是一種適用于移動(dòng)端或者嵌入式設(shè)備的輕量級(jí)CNN[16]。該網(wǎng)絡(luò)的主要貢獻(xiàn)在于使用了深度可分離卷積的方法，使用1×1的卷積核，減少了一般網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)卷積層的卷積核數(shù)目。深度可分離卷積由深度卷積和點(diǎn)卷積組成，共同完成其他大型網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)卷積的功能，如圖2所示。

假設(shè)輸入通道的特征映射尺寸為(DF，DF，M)，若采用的標(biāo)準(zhǔn)卷積大小為(DK，DK，M，N)，其中M為輸入通道數(shù)，N為輸出通道數(shù)，DF為輸入特征映射的邊長，DK為深度卷積核的維度，則計(jì)算量為

圖2 深度卷積和點(diǎn)卷積Fig.2 Deep convolution and point convolution

(1)

在MobileNet中，標(biāo)準(zhǔn)卷積的過濾和轉(zhuǎn)換功能分別由深度卷積和點(diǎn)卷積實(shí)現(xiàn)。假設(shè)深度卷積尺寸為(DK，DK，1，M)，點(diǎn)卷積尺寸為(1，1，M，N)，綜合計(jì)算量為

(2)

為了提高知識(shí)的利用效率，避免反復(fù)訓(xùn)練，遷移學(xué)習(xí)技術(shù)可對(duì)不同但近似領(lǐng)域問題使用已經(jīng)獲得的知識(shí)進(jìn)行解答，核心是發(fā)現(xiàn)已有知識(shí)和新知識(shí)之間的抽象相似?，F(xiàn)有的知識(shí)稱為源域，而新獲取的知識(shí)稱為目標(biāo)域。源域和目標(biāo)域不同，但是有一定相關(guān)性。

本文中遷移學(xué)習(xí)的源域?yàn)镮mageNet大型圖像數(shù)據(jù)集[18]中所包含的自然場景圖像，目的域?yàn)殡娏υO(shè)備紅外圖像;因此，將在源域中訓(xùn)練所得的權(quán)重預(yù)置在MobileNet中，然后使用目標(biāo)域的訓(xùn)練集對(duì)模型分類器部分進(jìn)行微調(diào)。在微調(diào)完畢后，該網(wǎng)絡(luò)即可用于對(duì)測試集中的設(shè)備進(jìn)行分類。

1.1.2 數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)

由于小樣本數(shù)據(jù)集樣本過少，容易出現(xiàn)過擬合問題，模型容易趨向于記住訓(xùn)練集而失去泛化能力，導(dǎo)致最終結(jié)果較差；因此，在微調(diào)時(shí)，本文使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)處理訓(xùn)練集，即對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、縮放、旋轉(zhuǎn)、裁剪等操作，相當(dāng)于擴(kuò)充了更多訓(xùn)練樣本，之后再輸入到模型中，充分發(fā)掘和利用數(shù)據(jù)集信息。模型在多種條件下接受同個(gè)物體訓(xùn)練，明顯提高泛化能力[19]。圖3為數(shù)據(jù)增強(qiáng)的效果展示。

圖3 數(shù)據(jù)增強(qiáng)示例Fig.3 Data augmentation

由于收集更多的樣本存在困難，實(shí)驗(yàn)中將采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)擴(kuò)充訓(xùn)練集，參數(shù)設(shè)置為：

a)隨機(jī)左右翻轉(zhuǎn)，概率為50%；

b)隨機(jī)正負(fù)旋轉(zhuǎn)小于30°的角度；

c)隨機(jī)裁剪小于20%的圖像面積。

1.2 基于OCR的溫度提取及故障診斷方法

對(duì)于1張輸入紅外圖像，首先將其灰度化并舍棄圖像中自帶的各種標(biāo)識(shí)區(qū)域。在得出的區(qū)域內(nèi)，讀取最亮點(diǎn)的溫度作為該設(shè)備的實(shí)際溫度。

基于圖像灰度與物體的熱輻射呈對(duì)應(yīng)關(guān)系這一原理，可直接利用圖像對(duì)溫度場進(jìn)行檢測[20]。原理可以分為2大類：第1類是直接檢測法，它的本質(zhì)是全輻射測溫；第2類則是比色法，即借助比色條讀取溫度。本節(jié)將采用第2類方法，根據(jù)紅外圖像，找出最亮點(diǎn)并計(jì)算出該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值。

為了使用OCR技術(shù)獲取溫度數(shù)值，第1步要截取數(shù)字區(qū)域。本文所獲取的紅外圖像(320×240)中，溫度范圍及比色條位置固定，集中在右邊部分。因此考慮截取右上角的最高溫度以及右下角的最低溫度值。

本文在提取溫度數(shù)值上應(yīng)用TesseractOCR識(shí)別插件對(duì)所截取局部圖像進(jìn)行識(shí)別，所使用的TesseractOCR是一款由HP實(shí)驗(yàn)室開發(fā)、Google維護(hù)的開源OCR引擎[21]。在參數(shù)設(shè)定方面，使用—psm命令指定文本模式，選定為6，即單行文本；使用—oem命令指定OCR引擎，選定為0，即默認(rèn)原始引擎，因?yàn)閷?duì)于簡單數(shù)字來說，沒有必要使用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；同時(shí)，必須設(shè)置識(shí)別結(jié)果白名單，識(shí)別結(jié)果只允許為10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字。以上設(shè)置保證了準(zhǔn)確率能滿足使用要求，但小數(shù)點(diǎn)無法被識(shí)別，例如36.2會(huì)被認(rèn)為是362，因此將識(shí)別結(jié)果縮小為原本的十分之一輸出即可。

1.2.1 灰度-溫度擬合函數(shù)

對(duì)于每張圖像，處理過程在經(jīng)過灰度化后的圖像上進(jìn)行，分別讀取比色條最上端和最下端的灰度值作為圖像中的溫度范圍極值，和上述OCR識(shí)別的溫度數(shù)值組合成元組，然后使用數(shù)值方法進(jìn)行一次函數(shù)擬合。根據(jù)擬合函數(shù)可得知任意像素的灰度值所表示的實(shí)際溫度。

偽彩色和熱度之間的關(guān)系滿足換算公式[22]

I=(X-128)R/256+L.

(3)

式中：I為設(shè)備熱度；X為圖像亮度；R為熱像儀的范圍；L為熱像儀的熱平。由此可知，在R和L固定后，X和I呈線性關(guān)系。由于偽彩色和灰度之間同樣為線性關(guān)系，因此灰度和I也呈線性關(guān)系,即:

I0=I/(τ),

(4)

{t}℃=B/lg[(A/I0+1)/C]-273.15.

(5)

式(4)—(5)中：I0為實(shí)際的熱值；τ為透射率；為物理發(fā)射率，一般取0.9；t為溫度；A、B、C為熱像儀標(biāo)定曲線常數(shù),對(duì)于短波系統(tǒng)，C=1。根據(jù)灰度-溫度擬合函數(shù)，本文取去除文字部分后的圖片中灰度值最大點(diǎn)為熱點(diǎn)，計(jì)算對(duì)應(yīng)溫度作為設(shè)備發(fā)熱溫度。

1.2.2 故障診斷判據(jù)

提取熱點(diǎn)溫度和溫度范圍數(shù)值后，系統(tǒng)根據(jù)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的分類結(jié)果選取診斷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像中設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)診斷。診斷標(biāo)準(zhǔn)以DL/T 664—2008為準(zhǔn)。診斷分析規(guī)則主要有表面溫度判斷法和相對(duì)溫差判斷法。部分設(shè)備的缺陷溫度見表1和表2。

表1 故障表面溫度判斷表Tab.1 Fault surface temperature judgment table ℃

表2 設(shè)備故障相對(duì)溫差判斷表Tab.2 Relative temperature difference judgement table of equipment faults %

以上溫度判斷標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置在診斷軟件中。使用時(shí)，軟件根據(jù)分類網(wǎng)絡(luò)輸出的分類結(jié)果，在內(nèi)置的溫度判斷表內(nèi)，讀取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的熱點(diǎn)溫度報(bào)警值和溫升報(bào)警值。如果設(shè)備實(shí)際熱點(diǎn)溫度超過熱點(diǎn)溫度報(bào)警值或超過基準(zhǔn)溫度與溫升值之和，軟件將該設(shè)備認(rèn)定為缺陷狀態(tài)，否則認(rèn)定為正常。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電力設(shè)備紅外圖像數(shù)據(jù)集

本文研究數(shù)據(jù)來源于深圳供電局有限公司變電管理二所紫荊巡維中心，紫荊巡維中心下轄12座變電站，包括:500 kV紫荊站、220 kV廷苑站、220 kV賢興站以及其他9座110 kV變電站。數(shù)據(jù)主要分為5大類:主變壓器(以下簡稱“主變”)本體、套管、避雷器、高壓開關(guān)柜、氣體絕緣開關(guān)(gas insulate switchgear ,GIS)設(shè)備。數(shù)據(jù)集每類有100張圖像，共計(jì)500張，圖像分辨率為320×240，如圖4所示。

所輸入的電力設(shè)備圖像為三通道偽彩色圖像，偽彩色即是通過指定灰度圖中每一灰度所對(duì)應(yīng)彩色而形成，因此和源域中自然場景彩色圖像格式一致。圖5所示為偽彩色圖像紅、藍(lán)、綠各通道分量提取圖像。

圖4 各類型設(shè)備紅外圖片F(xiàn)ig.4 Infrared images of different equipment

圖5 偽彩色圖片及各通道提取Fig.5 Pseudo-color images and channel extraction

根據(jù)用于不同目的，機(jī)器學(xué)習(xí)中的數(shù)據(jù)被切分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集以及測試集。訓(xùn)練集是用于模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)樣本；驗(yàn)證集是在訓(xùn)練過程中，不參與訓(xùn)練但中途評(píng)估模型所使用的樣本集，它可以用于對(duì)推測能力進(jìn)行初步評(píng)估，幫助調(diào)整模型的超參數(shù)；測試集用來評(píng)估最終模型的得分，但無法作為調(diào)整參數(shù)、選擇特征等算法的依據(jù)。本文從500張圖像中選擇10%作為驗(yàn)證集，10%作為測試集，其余80%為訓(xùn)練集。

2.2 深度學(xué)習(xí)圖片分類結(jié)果

圖6為訓(xùn)練集與驗(yàn)證集準(zhǔn)確率曲線。

圖6中：以交叉熵作為損失函數(shù)，當(dāng)交叉熵波動(dòng)小于設(shè)定閾值時(shí)，判定模型收斂。由于所使用的預(yù)訓(xùn)練模型中初始權(quán)重較合適，訓(xùn)練集準(zhǔn)確率在100步內(nèi)迅速達(dá)到了94%，同時(shí)驗(yàn)證集準(zhǔn)確率為80%，說明以自然場景為源域的知識(shí)是可以有效遷移應(yīng)用到變電設(shè)備的紅外場景中的；在訓(xùn)練至3 000步時(shí)，訓(xùn)練集準(zhǔn)確率基本穩(wěn)定在99%，驗(yàn)證集穩(wěn)定在90%，此時(shí)基本收斂，即訓(xùn)練集和測試集的準(zhǔn)確率不再隨訓(xùn)練步數(shù)的增加而增加，趨近于穩(wěn)定值。最終測試準(zhǔn)確率為80.6%。

圖6 訓(xùn)練集與驗(yàn)證集準(zhǔn)確率曲線Fig.6 Accuracy curves of training set and validation set

在上述實(shí)驗(yàn)中，訓(xùn)練集和驗(yàn)證集準(zhǔn)確率相差較大，測試集準(zhǔn)確不高。在訓(xùn)練集準(zhǔn)確率趨近100%時(shí)，驗(yàn)證集準(zhǔn)確率只有90%，模型出現(xiàn)了明顯的過擬合問題；所以按照前文所提的參數(shù)，使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，其訓(xùn)練結(jié)果如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)增強(qiáng)后訓(xùn)練集與驗(yàn)證集準(zhǔn)確率曲線Fig.7 Accuracy curves of training set and validation set after data augmentation

由圖7可知：在訓(xùn)練至3 000步時(shí)，訓(xùn)練集準(zhǔn)確率約為98%，驗(yàn)證集準(zhǔn)確率約為91%，最終在相同測試集上新模型達(dá)到95.7%的分類準(zhǔn)確率，相比于數(shù)據(jù)增強(qiáng)前測試集分類準(zhǔn)確率80.6%提高了近15%。該結(jié)果表明，數(shù)據(jù)增強(qiáng)充分發(fā)掘了訓(xùn)練集中所含信息，并緩解了過擬合問題。

將測試集分類結(jié)果按照類別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以精確率、召回率2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。精確率是預(yù)測結(jié)果中正確數(shù)量占比，召回率是全部樣本中的正例有多少被預(yù)測正確。結(jié)果見表3。

表3 分類準(zhǔn)確率及召回率評(píng)價(jià)表Tab.3 Evaluation table of classification accuracy and recall rate %

由3表可知：該網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同類型設(shè)備分類準(zhǔn)確率有所不同，其中較為準(zhǔn)確的是主變本體、避雷器及套管，而GIS設(shè)備分類準(zhǔn)確率較低。其原因?yàn)椋孩僖运蠫IS設(shè)備作為1個(gè)類型進(jìn)行分類過于寬泛，有必要將GIS設(shè)備按照電壓等級(jí)或者具體設(shè)備繼續(xù)細(xì)分，如分為500 kV的GIS開關(guān)、220 kV 的GIS開關(guān)、GIS出線套管、GIS刀閘等。②由于場地、視角及拍攝角度限制，巡檢人員對(duì)于除GIS設(shè)備外的其他4種設(shè)備類型拍攝角度較為固定，圖像特征較為明顯且統(tǒng)一；而對(duì)于GIS設(shè)備，巡檢人員可選擇的拍攝角度較多，訓(xùn)練集中包含由各個(gè)角度拍攝的圖像，相同數(shù)量樣本下學(xué)習(xí)難度較大，需進(jìn)一步增加樣本數(shù)量。

2.3 不同模型方法比較及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，以三層CNN作為比較基準(zhǔn)，對(duì)比經(jīng)遷移學(xué)習(xí)、未經(jīng)遷移學(xué)習(xí)的MobileNet以及使用遷移學(xué)習(xí)方法的InceptionV3網(wǎng)絡(luò)。InceptionV3網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)層數(shù)與MobileNet接近，但并未采用輕量化設(shè)計(jì)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有網(wǎng)絡(luò)所使用訓(xùn)練集均使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法。三層CNN的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

將三層CNN以隨機(jī)權(quán)重作為初始點(diǎn)在相同數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，訓(xùn)練至100步左右網(wǎng)絡(luò)基本收斂，測試集準(zhǔn)確率為67.2%，低于基于MobileNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的95.7%；為了驗(yàn)證遷移學(xué)習(xí)對(duì)MobileNet的增強(qiáng)效果，在同樣的小樣本數(shù)據(jù)集上使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，但是不加載預(yù)訓(xùn)練權(quán)重(即不使用遷移學(xué)習(xí))，而是從隨機(jī)權(quán)重為初始點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知：即使使用數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，在較為簡單的三層CNN和未經(jīng)預(yù)訓(xùn)練的MobileNet上最多也只能達(dá)到約67%的分類準(zhǔn)確率，而使用本文方法所得結(jié)果的準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于其他2種方法。其原因在于樣本少導(dǎo)致信息量不足，充分訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)也不能學(xué)習(xí)到足夠的知識(shí)，無法達(dá)到令人滿意的效果。該實(shí)驗(yàn)證明了經(jīng)過預(yù)訓(xùn)練的MobileNet從其他大型圖像分類數(shù)據(jù)集中獲取的知識(shí)能有效運(yùn)用到電力設(shè)備紅外圖像分類中。

圖8 三層CNN結(jié)構(gòu)Fig.8 Three-layer CNN structure

表4 各結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of each structural network

將MobileNet與InceptionV3實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，MobileNet實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率略低1%，但平均分類時(shí)間僅有后者的十分之一左右，與理論值相近，體現(xiàn)出MobileNet輕量、計(jì)算量少的特征。該網(wǎng)絡(luò)易于應(yīng)用在算力較弱的終端設(shè)備中。

2.4 溫度計(jì)算結(jié)果分析

為了驗(yàn)證灰度-溫度擬合函數(shù)的準(zhǔn)確性，本節(jié)將原圖左上角顯示的最熱點(diǎn)溫度與灰度最大值計(jì)算所得溫度對(duì)比，進(jìn)行誤差分析。在計(jì)算誤差時(shí)，因攝氏溫度屬于區(qū)間屬性，不可直接用于誤差計(jì)算，需將攝氏溫度轉(zhuǎn)換為比率屬性的絕對(duì)溫度。實(shí)驗(yàn)在52張圖片上進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，總體誤差均值為-0.29%，誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為1.56%。在實(shí)際工程使用中，原圖所顯示熱點(diǎn)溫度可與計(jì)算溫度綜合使用，以便提高判定的準(zhǔn)確性。

3 電力設(shè)備紅外圖像故障診斷軟件開發(fā)

3.1 軟件診斷流程設(shè)計(jì)

本節(jié)分析診斷流程，并將以上所述的分類算法和溫度計(jì)算整合成為易于使用的軟件；同時(shí)，所使用的MobileNet計(jì)算量小，該軟件可輕松移植，部署在手機(jī)、紅外測溫儀或巡檢機(jī)器人上，直接快速診斷結(jié)果，為提高各終端的智能化水平打下基礎(chǔ)，提供借鑒。

軟件診斷流程包括圖像輸入、溫度提取及計(jì)算、設(shè)備分類、故障診斷判據(jù)選取以及最后的診斷。診斷流程圖如圖9所示。

根據(jù)本文所闡述算法，軟件根據(jù)設(shè)備類型，如套管、主變本體等，在內(nèi)置設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行文本匹配，從而獲取故障診斷判據(jù)中具體的溫度閾值和當(dāng)前環(huán)境溫度下允許的最大溫升，然后將計(jì)算所得最熱點(diǎn)溫度與溫度閾值和允許的最大溫升進(jìn)行比較，如果最熱點(diǎn)溫度大于該設(shè)備溫度閾值或允許最大溫升的任何一項(xiàng)，即判定為故障狀態(tài)，否則判定為正常狀態(tài)。

圖9 故障診斷流程Fig.9 Fault diagnosis flow chart

3.2 軟件界面

本文使用的編程語言為Python，計(jì)算機(jī)視覺庫為OpenCV，深度學(xué)習(xí)框架為TensorFlow。圖10為軟件界面，通過界面下方的按鈕讀入待處理圖片，讀入的原圖顯示在圖中左上角；程序調(diào)用本文方法進(jìn)行分析，將結(jié)果顯示在右方。從圖10診斷結(jié)果可知：該設(shè)備為套管的概率為89.44%，從圖片中讀取的直接提取的溫度為42.7 ℃，實(shí)際的溫度為42.03 ℃?？梢娛褂帽疚姆椒蓽?zhǔn)確診斷設(shè)備類別，給出確信概率，也可準(zhǔn)確獲取圖片內(nèi)的溫度數(shù)值。

圖10 電力設(shè)備紅外圖像故障診斷軟件界面Fig.10 Infrared image fault diagnosis software interface

結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備類型和內(nèi)置故障診斷規(guī)則，可以知道套管的故障判定規(guī)則為表面溫度大于55 ℃或者溫升大于40 K。在本次分析中，從絕對(duì)溫度來看無論是原溫度還是校正溫度都小于55 ℃。將比色條中的最低溫25.5 ℃作為環(huán)境溫度，則表面溫度相對(duì)于環(huán)境溫度的溫升小于40 K。上述條件為“或”邏輯，綜合可知判定設(shè)備沒有故障，正常運(yùn)行。

在實(shí)際使用中，軟件可批量處理圖像，自動(dòng)將圖片文件重命名為“間隔名+設(shè)備類型+實(shí)際溫度”歸檔，并將溫度、設(shè)備類型及診斷結(jié)果等數(shù)據(jù)輸出為Excel報(bào)表，便于檢索和迅速發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備。

4 結(jié)束語

本文搭建了一種基于深度學(xué)習(xí)的電力設(shè)備故障診斷方法。首先，由于故障診斷溫度在不同設(shè)備類型上不一致，需要運(yùn)用圖像分類方法對(duì)設(shè)備類型進(jìn)行判斷，為了緩解數(shù)據(jù)集樣本較少的問題，本文選用經(jīng)過遷移學(xué)習(xí)的MobileNet作為深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備類型進(jìn)行分類。該網(wǎng)絡(luò)對(duì)比未使用遷移學(xué)習(xí)的MobileNet和三層CNN，分類準(zhǔn)確率均提高了約30%。為了進(jìn)一步緩解紅外圖像樣本不足的問題，本文模型使用了數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，提高了約15%分類準(zhǔn)確率，最終測試集準(zhǔn)確率達(dá)到95.7%，該結(jié)果證明了以一般場景作為源域所提取的圖像特征能有效遷移到紅外圖像目標(biāo)域。

在判斷出設(shè)備類型為套管、電容式電壓互感器、GIS設(shè)備、開關(guān)柜和主變本體其中某一類后，本文利用了紅外圖像中所包含的比色條及其溫度范圍，建立了圖像灰度值和實(shí)際溫度間的函數(shù)關(guān)系，從而可根據(jù)灰度值換算設(shè)備實(shí)際溫度。對(duì)擬合熱點(diǎn)溫度和實(shí)際溫度進(jìn)行誤差分析，誤差均值為-0.29%，誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為1.56%，滿足使用要求。之后可據(jù)設(shè)備類型選用相應(yīng)故障溫度判據(jù)，結(jié)合實(shí)際溫度與環(huán)境溫度判斷設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，所提方法可準(zhǔn)確高效地對(duì)設(shè)備故障與否實(shí)現(xiàn)判斷。最后對(duì)該方法使用圖形界面進(jìn)行了軟件封裝，便于運(yùn)維人員使用；另外該診斷流程也可嵌入到手機(jī)或巡檢機(jī)器人等終端中。下一步可考慮使用YoloV3網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)測，以期單獨(dú)提取1張圖片內(nèi)多相設(shè)備的各相溫度，從而更加準(zhǔn)確判斷故障。