基于雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)的漂浮式水上光伏電站浮筒位移監(jiān)測(cè)的研究

楊志銀

(協(xié)鑫能源工程有限公司，蘇州 215100)

0 引言

根據(jù)Research And Markets發(fā)布的《2019年全球漂浮式太陽(yáng)能市場(chǎng)報(bào)告》顯示，2017年，全球漂浮式水上光伏電站的累計(jì)裝機(jī)容量為675.38 MW，預(yù)計(jì)到2024年該值將增至4127.567 MW，2018～2024年的年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為30.7%[1]。漂浮式水上光伏電站的實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 漂浮式水上光伏電站的實(shí)景圖Fig.1 Photo of floating water PV power station

漂浮式水上光伏電站裝機(jī)容量的增長(zhǎng)主要?dú)w因于土地資源日益受限，且水體對(duì)光伏組件具有冷卻效應(yīng)，可提高光伏組件的發(fā)電量；此外，得益于光伏行業(yè)中部分企業(yè)對(duì)與漂浮式水上光伏電站相關(guān)的光伏產(chǎn)品的研發(fā)投資不斷增加，再加上政府對(duì)于此類光伏電站給予的各種支持，預(yù)計(jì)此類光伏電站的市場(chǎng)需求還將繼續(xù)增加[1]。

但是漂浮式水上光伏電站的發(fā)展對(duì)浮筒的錨固技術(shù)要求很高。相較于地面光伏電站，漂浮式水上光伏電站會(huì)受到季風(fēng)、水位變化的影響，使浮筒發(fā)生位移，導(dǎo)致照射到光伏組件的太陽(yáng)入射角發(fā)生了改變，從而降低了光伏電站的發(fā)電量，且會(huì)影響錨固系統(tǒng)鋼纜的使用壽命，因此對(duì)漂浮式水上光伏電站的浮筒位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要。

2019年12月16日，中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司(下文簡(jiǎn)稱“山西院”)收到泰國(guó)發(fā)電管理局(EGAT)發(fā)出的中標(biāo)通知書，確認(rèn)山西院與泰國(guó)B.Grimm公司組成的聯(lián)合體成功中標(biāo)EGAT詩(shī)琳通大壩水面浮體光伏項(xiàng)目。EGAT詩(shī)琳通大壩水面浮體光伏項(xiàng)目是泰國(guó)目前最大的漂浮式水上光伏發(fā)電項(xiàng)目，也是泰國(guó)最大的“水電+光伏+儲(chǔ)能”綜合能源項(xiàng)目。該項(xiàng)目規(guī)劃的光伏發(fā)電裝機(jī)容量為58.5 MWp，位于泰國(guó)東北部烏汶府的詩(shī)琳通大壩，距曼谷約655 km。該項(xiàng)目所處水域的平均月最大風(fēng)力可達(dá)11級(jí)(風(fēng)速28.5～32.6 m/s)以上，具體如表1所示。

表1 詩(shī)琳通大壩的風(fēng)力水平Table 1 Wind level of Sirindhorn dam

業(yè)主方EGAT對(duì)該漂浮式水上光伏電站中浮筒的錨固方案非常重視，同時(shí)對(duì)浮筒在惡劣氣候環(huán)境下的位移、抖動(dòng)幅度提出了比較嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)要求，當(dāng)浮筒的位移及抖動(dòng)幅度超越警戒線時(shí)，需及時(shí)向運(yùn)維平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

目前針對(duì)大范圍的表面位移監(jiān)測(cè)多采用基于北斗/GPS位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，其中，普通定位傳感器的誤差約為10 m，但10 m的誤差遠(yuǎn)大于浮筒允許的位移范圍；而高精度定位傳感器的價(jià)格高昂，其對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的要求也較高，且其無(wú)法滿足漂浮式水上光伏電站對(duì)浮筒抖動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求。因此，行業(yè)內(nèi)暫無(wú)基于北斗/GPS位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的漂浮式水上光伏電站浮筒位移監(jiān)測(cè)的解決方案。

基于此，本文從進(jìn)行視頻監(jiān)控時(shí)的越界偵測(cè)、移動(dòng)偵測(cè)角度出發(fā)，提出了一種可應(yīng)用于漂浮式水上光伏電站的基于雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)的浮筒位移監(jiān)測(cè)方案，通過(guò)雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)可提高越界偵測(cè)、移動(dòng)偵測(cè)的精準(zhǔn)度，同時(shí)視頻攝像頭能實(shí)時(shí)記錄浮筒越界、移動(dòng)過(guò)程的圖像信息，便于光伏電站的運(yùn)維人員分析處理。

1 越界偵測(cè)及移動(dòng)偵測(cè)

越界偵測(cè)是指在單個(gè)視頻攝像頭監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)置一條警戒區(qū)域線，即警戒線，若視頻中有物體跨越設(shè)置的警戒線，根據(jù)判斷結(jié)果聯(lián)動(dòng)報(bào)警。比如，針對(duì)一條道路進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，若在橫跨路面的位置設(shè)置1條警戒線，當(dāng)有車輛或行人穿越設(shè)定好的警戒線時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。目前常用的越界偵測(cè)方法有幀間差分法、背景減法和光流法等，這些方法都是通過(guò)從視頻序列中檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)越界報(bào)警的功能，但此類方法中視頻圖像所涵蓋的地域范圍較小，例如交通路口、倉(cāng)庫(kù)大門處的監(jiān)控圖像。針對(duì)越界偵測(cè)的區(qū)域邊界較大，特別是對(duì)于一些位于野外、地勢(shì)復(fù)雜的大面積區(qū)域，單個(gè)視頻攝像頭就無(wú)法滿足需求。

移動(dòng)偵測(cè)是指在單個(gè)視頻攝像頭監(jiān)控范圍內(nèi)對(duì)快速移動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)，例如對(duì)非法追跑、道路超速等現(xiàn)象進(jìn)行事件檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生快速移動(dòng)且超出預(yù)設(shè)警戒值時(shí)設(shè)備將發(fā)出報(bào)警，通知監(jiān)控主機(jī)有快速移動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生，向相關(guān)人員預(yù)警。

2 基于視覺的位移偵測(cè)

自然界中，人和動(dòng)物都是2只眼睛，這是自然生存競(jìng)爭(zhēng)的需要，僅1只眼睛無(wú)法對(duì)1個(gè)物體的距離進(jìn)行準(zhǔn)確定位，例如只睜1只眼睛進(jìn)行穿針就會(huì)很難成功，而雙眼卻可以分清物體的遠(yuǎn)近。雙攝像頭就是模擬人眼的應(yīng)用。當(dāng)人用2只眼睛觀察物體時(shí)，由于人的2只眼睛掃描物體的位置和角度不同，因而物體在兩眼視網(wǎng)膜的成像存在差異，產(chǎn)生了微小的水平像位偏差，即視差。視差是客觀存在的物理現(xiàn)象，是外部世界給予眼睛的深度信號(hào)，經(jīng)大腦綜合加工處理后，產(chǎn)生了能準(zhǔn)確感知三維空間各種物體深淺高低、前后遠(yuǎn)近及凸凹狀態(tài)的立體視覺功能[3]，從而達(dá)到了人和動(dòng)物可適應(yīng)環(huán)境、尋找食物、防衛(wèi)敵害、以求生存的目的。由于用2只眼睛觀察周圍環(huán)境比用1只眼睛更準(zhǔn)確和更精細(xì)，因此根據(jù)雙目視覺成像原理，選擇2個(gè)物理參數(shù)相同的攝像機(jī)，從不同的位置拍攝漂浮式水上光伏電站，從而獲取2張不同的三維投影圖像，再通過(guò)相應(yīng)的算法，即可以計(jì)算出漂浮式水上光伏電站的精確邊界，并可對(duì)所選出的參考點(diǎn)的移動(dòng)軌跡進(jìn)行偵測(cè)。

對(duì)于物體的位移，下文選取不同的參考點(diǎn)，分別從單目視覺和雙目視覺位移偵測(cè)原理出發(fā)，分析參考點(diǎn)的位移。

2.1 單目視覺位移偵測(cè)

基于單攝像頭的單目視覺位移偵測(cè)原理圖如圖2所示。圖中，f為攝像機(jī)透鏡的焦距，是可通過(guò)攝像機(jī)參數(shù)獲取的常數(shù)；z為成像平面與物體的垂直距離，可以通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定得出；P、Q 均為位移前的參考點(diǎn)；P′、Q′、Q′′均為位移后的參考點(diǎn)；P1、Q1分別為P、Q的鏡面成像點(diǎn)；P2為P′的鏡面成像點(diǎn)；Q2為Q′、Q′′的鏡面成像點(diǎn)。

圖2 單目視覺位移偵測(cè)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of monocular visual displacement detection

根據(jù)相似三角形原理可得到[4]：

由于參考點(diǎn)的實(shí)際位移大小與其位移前、后成像點(diǎn)的位置有關(guān)，因此可通過(guò)判斷P1到P2的位移大小偵測(cè)參考點(diǎn)P的實(shí)際位置變化[4]。

基于單攝像頭的單目視覺位移偵測(cè)系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)單，其實(shí)際應(yīng)用中的局限性較大，測(cè)量過(guò)程中需保持?jǐn)z像頭與待測(cè)平面垂直，稍有偏差就會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確度。比如圖2b中的參考點(diǎn)Q，當(dāng)單攝像頭位置固定后，若Q移動(dòng)到Q′，此時(shí)無(wú)法使用相似三角形原理計(jì)算其實(shí)際移動(dòng)距離，當(dāng)Q沿成像點(diǎn)Q1作反向延長(zhǎng)線移動(dòng)時(shí)，成像點(diǎn)位置不變，無(wú)法計(jì)算出Q到Q′′的距離，因此無(wú)法偵測(cè)出參考點(diǎn)的位置變化。

2.2 雙目視覺位移偵測(cè)[5]

選取漂浮式水上光伏電站浮筒外圍邊沿的一點(diǎn)S作為參考點(diǎn)，基于雙攝像頭的雙目視覺位移偵測(cè)原理圖如圖3所示。圖中，M光軸與N光軸分別為攝像機(jī)M和攝像機(jī)N的光軸。當(dāng)攝像機(jī)M、攝像機(jī)N同時(shí)觀測(cè)參考點(diǎn)S時(shí)，參考點(diǎn)S在左側(cè)攝像機(jī)(攝像機(jī)M)成像的像點(diǎn)為SM，在右側(cè)攝像機(jī)(攝像機(jī)N)成像的像點(diǎn)為SN。攝像機(jī)存在透鏡中心，攝像機(jī)M和攝像機(jī)N的透鏡中心點(diǎn)分別以CM和CN表示；CMSM為左側(cè)攝像機(jī)M的透鏡中心CM與像點(diǎn)SM確定的唯一射線，且參考點(diǎn)S必在該射線上；同理，CNSN為右側(cè)攝像機(jī)N的透鏡中心點(diǎn)CN和像點(diǎn)SN確定的唯一射線，且參考點(diǎn)S也必在該射線上；CMSM和CNSN這2條射線的交點(diǎn)即為參考點(diǎn)S的位置。攝像機(jī)M和攝像機(jī)N的成像中心OM、ON分別為M光軸、N光軸與成像平面的垂直交點(diǎn)；x1為SM與OM的距離；x2為SN與ON的距離；b為中間量，輔助計(jì)算，無(wú)實(shí)際意義；d為2個(gè)攝像機(jī)的透鏡中心之間的距離。因此，若攝像機(jī)參數(shù)已知，那么就可以利用相似三角形原理計(jì)算出參考點(diǎn)S的空間位置坐標(biāo)[5]。

圖3 雙目視覺位移偵測(cè)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of binocular visual displacement detection

由幾何理論可知：

將式(3)、式(4)聯(lián)立求解可得：

當(dāng)雙目視覺位移偵測(cè)系統(tǒng)中雙攝像頭的位置固定時(shí)，f和d為已知參數(shù)，此時(shí)z僅與x1-x2有關(guān)。

若只有單臺(tái)攝像機(jī)M且其位于參考點(diǎn)S的左側(cè)，則參考點(diǎn)S只能沿?cái)z像機(jī)M的透鏡中心點(diǎn)CM與像點(diǎn)SM唯一確定的射線CMSM移動(dòng)，像點(diǎn)SM不會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)x1的值不變，因此單攝像頭位移偵測(cè)系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)單，具有較大的應(yīng)用局限性。而雙目視覺位移偵測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)2臺(tái)固定位置的攝像機(jī)模擬人的雙眼對(duì)參考點(diǎn)S進(jìn)行位移偵測(cè)，當(dāng)S點(diǎn)的位置發(fā)生變化時(shí)，2臺(tái)攝像機(jī)中的像點(diǎn)至少有1個(gè)會(huì)發(fā)生變化(即x1、x2至少1個(gè)值會(huì)發(fā)生變化)，因此2臺(tái)攝像機(jī)的透鏡中心點(diǎn)和像點(diǎn)形成的2條射線CMSM、CNSN會(huì)發(fā)生改變且有唯一的交點(diǎn)，而該交點(diǎn)即為參考點(diǎn)S的新坐標(biāo)點(diǎn)。

3 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

利用雙目視覺位移偵測(cè)技術(shù)、智能傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、事件記錄、輔助決策功能的浮筒越界偵測(cè)、移動(dòng)偵測(cè)方案。利用閉路電視(CCTV)系統(tǒng)的專業(yè)分析軟件處理圖像信息，當(dāng)浮筒出現(xiàn)移動(dòng)、越界時(shí)記錄事件，并將圖形顯示和報(bào)警上傳至人機(jī)界面(OIS)。漂浮式水上光伏電站的CCTV系統(tǒng)的工作原理圖如圖4所示。

圖4 漂浮式水上光伏電站的CCTV系統(tǒng)的工作原理圖Fig. 4 Working principle diagram of CCTV system of floating water PV power station

在漂浮式水上光伏電站岸邊選擇視野開闊便于監(jiān)測(cè)的2個(gè)固定攝像機(jī)安裝點(diǎn)，這2臺(tái)攝像機(jī)的參數(shù)需相同且保持一定距離安裝。根據(jù)上述雙目立體成像原理，并通過(guò)相應(yīng)的算法計(jì)算得出漂浮式水上光伏電站浮筒的精確外圍邊界，以及所選擇的參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)后，在漂浮式水上光伏電站允許移動(dòng)的范圍內(nèi)對(duì)計(jì)算出的浮筒外圍精確邊界做相應(yīng)的放大處理，形成新的邊界，即形成用于越界偵測(cè)的警戒線。漂浮式水上光伏電站的浮筒越界偵測(cè)示意圖如圖5所示，圖中，紅線為警戒線；綠線區(qū)域?yàn)闃I(yè)主方提供的可用于建設(shè)電站的水域。

圖5 漂浮式水上光伏電站的浮筒越界偵測(cè)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of transboundary detection of buoys of floating water PV power station

需要說(shuō)明的是，由于部分漂浮式水上光伏電站建設(shè)在大型水庫(kù)，水位變化落差較大，針對(duì)這種情況，可以根據(jù)不同的水位測(cè)繪出多個(gè)警戒線，當(dāng)水位變化到視頻監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)設(shè)的水位范圍時(shí)，啟用相應(yīng)的警戒線作為越界偵測(cè)的判據(jù)。

在漂浮式水上光伏電站的外圍浮筒的邊緣處設(shè)置比較醒目的用作觀察的參考物作為標(biāo)記點(diǎn)，如圖5中所選擇的標(biāo)記點(diǎn)A～I(xiàn) ，當(dāng)圖中所選擇的標(biāo)記點(diǎn)移動(dòng)觸發(fā)警戒線時(shí)，CCTV系統(tǒng)會(huì)拍照記錄，并將圖形顯示和越界偵測(cè)報(bào)警上傳至OIS通知運(yùn)維值班人員。越界偵測(cè)方案的實(shí)施流程圖如圖6所示。

圖6 越界偵測(cè)方案的實(shí)施流程圖Fig. 6 Implementation flow chart of transboundary detection scheme

對(duì)于越界偵測(cè)方案的實(shí)施，在施工前的準(zhǔn)備階段需根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況分析、計(jì)算2個(gè)攝像頭的安裝高度和角度；而建模、生成越界警戒線為本方案的關(guān)鍵，需根據(jù)項(xiàng)目地的歷史水位數(shù)據(jù)設(shè)置多組越界警戒線定值；在模擬動(dòng)態(tài)測(cè)試階段要做到對(duì)各個(gè)特殊位置參考點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，當(dāng)參考物越界時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)可靠報(bào)警且已記錄越界過(guò)程畫面，并確保無(wú)越界行為時(shí)系統(tǒng)不誤報(bào)。

雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)除可應(yīng)用于漂浮式水上光伏電站的浮筒位移越界偵測(cè)，還可應(yīng)用于浮筒移動(dòng)偵測(cè)。當(dāng)水面風(fēng)浪較大時(shí)，設(shè)置在浮筒上的參考物隨浮筒大幅度快速擺動(dòng)，通過(guò)視頻監(jiān)控的快速移動(dòng)偵測(cè)功能，對(duì)參考物的移動(dòng)設(shè)置1個(gè)快速移動(dòng)靈敏度警戒值，當(dāng)風(fēng)浪較大、參考物抖動(dòng)超過(guò)設(shè)置的快速移動(dòng)靈敏度警戒值時(shí)，CCTV系統(tǒng)會(huì)拍照記錄，并將圖形顯示和快速位移(抖動(dòng))偵測(cè)報(bào)警上傳至OIS通知運(yùn)維值班人員。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)的漂浮式水上光伏電站浮筒位移監(jiān)測(cè)方法，從視頻監(jiān)控的角度出發(fā)，基于對(duì)視頻監(jiān)控的越界偵測(cè)、位移偵測(cè)功能深度開發(fā)，通過(guò)設(shè)置2臺(tái)位置固定的攝像機(jī)，利用雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)提高了位移監(jiān)測(cè)的精度，打破了單個(gè)攝像機(jī)應(yīng)用環(huán)境的局限性。雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術(shù)可應(yīng)用于偵測(cè)浮筒位移越界及浮筒移動(dòng)，并通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與OIS聯(lián)動(dòng)向運(yùn)維值班人員發(fā)出報(bào)警，使發(fā)生浮筒位移時(shí)運(yùn)維人員可及時(shí)處理，以降低經(jīng)濟(jì)損失。