一種利用嵌入式技術(shù)的SF6儀表圖像識(shí)別方法

溫云龍，邱天怡，李新海，曾新雄，孟晨旭

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局,廣東 中山 528401)

SF6是良好的氣體絕緣體，其被廣泛應(yīng)用于變電站電氣設(shè)備的氣體絕緣。電氣設(shè)備中的SF6氣體因設(shè)備老化銹蝕、沙眼等情況導(dǎo)致SF6氣體向外泄漏，SF6氣體的泄漏不僅導(dǎo)致電氣設(shè)備無法正常工作，而且對(duì)工作人員的人身健康造成危害，所以對(duì)SF6氣體充氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)尤為重要。

現(xiàn)階段對(duì)變電站內(nèi)SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷的檢測(cè)主要依靠人工巡視的方法來檢測(cè)SF6充氣設(shè)備氣體壓力表的壓力指數(shù)，再安排值班人員輪流定期監(jiān)測(cè)。主要過程是工作人員在巡視抄錄SF6壓力表計(jì)時(shí)，通過與之前記錄作對(duì)比；或后臺(tái)機(jī)打出“SF6壓力低”報(bào)警信號(hào)時(shí)得知有泄漏存在，但無法通過有效的手段發(fā)現(xiàn)其具體泄漏位置。當(dāng)發(fā)出多次報(bào)警信號(hào)，需要頻繁補(bǔ)氣時(shí)，才會(huì)通知試驗(yàn)班組對(duì)其進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)進(jìn)而消缺。這一方法存在以下問題：①人工檢測(cè)操作繁瑣，工作量大，工作效率低。②因受巡視人員技能水平等因素的影響，可能造成人工巡視無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷[1-2]。

為此有必要研發(fā)一款人工操作方便的SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷手持式圖像識(shí)別裝置，發(fā)現(xiàn)SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷，并及時(shí)消除故障，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。本文提出了基于嵌入式技術(shù)SF6儀表圖像識(shí)別單元研究，采用嵌入式單元與觸控顯示模塊、圖像采集模塊、WIFI通信模塊和USB接口模塊的雙向連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷的檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的裝置使用簡單方便，不受場(chǎng)地環(huán)境約束，裝置有變焦、自動(dòng)對(duì)焦功能，可遠(yuǎn)距離進(jìn)行圖像采集，大大提高了巡檢人員的安全性。SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷的智能圖像識(shí)別正確率達(dá)98%以上，可代替人工巡視判別該類缺陷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)備缺陷，可有效避免發(fā)生設(shè)備事故。

1 壓力儀表的識(shí)別分析與邏輯

SF6壓力儀表實(shí)物如圖1所示，表盤除了壓力數(shù)值外，還劃分了3個(gè)顏色區(qū)域(紅、綠、黃)，紅色區(qū)域代表發(fā)生泄漏，壓力下降；綠色區(qū)域代表壓力正常；黃色區(qū)域代表壓力過大。實(shí)際巡檢中，當(dāng)指針指向紅色區(qū)域發(fā)出泄漏報(bào)警時(shí)，專業(yè)人員應(yīng)采取檢漏、補(bǔ)漏、SF6氣體補(bǔ)充等一系列措施；當(dāng)指針指向黃色區(qū)域發(fā)出壓力過大報(bào)警時(shí)，專業(yè)人員應(yīng)減少SF6氣體充入。

圖1 SF6壓力儀表實(shí)物

根據(jù)以上儀表情況的應(yīng)對(duì)措施，本文提出對(duì)SF6壓力儀表圖像識(shí)別的邏輯設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 SF6壓力儀表圖像識(shí)別邏輯設(shè)計(jì)流程

2 嵌入式單元結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷圖像識(shí)別嵌入式單元由電源模塊、復(fù)位模塊、嵌入式單元、圖像采集模塊、觸控顯示模塊和USB接口模塊等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷圖像識(shí)別嵌入式結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)的嵌入式單元包括ARM模塊、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、AI計(jì)算模塊、4G通信模塊、SIM接口模塊和天線。

ARM模塊搭載ARM全新Cortex-A72架構(gòu)、六核64位高性能處理器，主頻高達(dá)2.0 GHz，集成四核Mali-T860 GPU,支持H.265HEVC和VP9、H.264編碼、4k HDR，擁有強(qiáng)大的硬解碼能力，可支持4k硬解，本文將圖像識(shí)別算法寫入嵌入式單元中，實(shí)現(xiàn)了圖像識(shí)別算法的可移植性問題。

時(shí)鐘模塊為所述ARM模塊提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，為電子系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。

存儲(chǔ)模塊為ARM模塊、AI計(jì)算模塊提供數(shù)據(jù)的運(yùn)算和存儲(chǔ)；所述AI計(jì)算模塊搭載AI嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器NPU，為SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷圖像識(shí)別提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。

裝置使用4G通信模塊作為對(duì)外通信方式，在變電站進(jìn)行SF6充氣設(shè)備壓力巡檢時(shí)，通過4G通信模塊把識(shí)別的巡檢結(jié)果、拍攝圖像和SF6充氣設(shè)備壓力安全等級(jí)報(bào)告上傳至服務(wù)器進(jìn)行歸檔保存。

觸控顯示模塊與所述嵌入式單元雙向連接，觸控顯示模塊作為裝置的前端，采用高清電容觸控屏作為觸控顯示模塊的核心部分，用戶通過觸控顯示進(jìn)行功能的選擇和屬性信息編輯，分析數(shù)據(jù)信息閱覽等。

圖像采集模塊與所述嵌入式單元雙向連接，采用高清光學(xué)攝像頭作為所述圖像采集模塊的核心部件，為缺陷識(shí)別提供清晰的圖像，具有防抖動(dòng)、自動(dòng)對(duì)焦、可調(diào)長焦距等功能，巡檢人員通過所述觸控顯示模塊來調(diào)節(jié)高清光學(xué)攝像頭的焦距，可遠(yuǎn)距離對(duì)SF6充氣設(shè)備的SF6氣體壓力儀表進(jìn)行圖像采集，提高巡檢安全性。

復(fù)位模塊與所述嵌入式單元、電源模塊連接，防止嵌入式單元發(fā)出錯(cuò)誤指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作；復(fù)位模塊監(jiān)視電源模塊正常時(shí)的電源電壓，若電源有異常則會(huì)進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，令裝置各模塊供電電壓恢復(fù)正常狀態(tài)。

電源模塊主要由聚合物鋰電池和電壓轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，DC-DC轉(zhuǎn)換電路采用升降壓充電管理IC來控制聚合物鋰電池的充放電，同時(shí)具有輸入過壓保護(hù)、輸出過壓過流保護(hù)等功能，聚合物鋰電池輸出的電源電壓經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的3.3 V工作電壓，為裝置各個(gè)功能模塊提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠的工作電源，聚合物鋰電池上貼有溫度探頭，探頭埋于硅膠內(nèi)導(dǎo)熱，用于異常過熱時(shí)斷開電源模塊的電源輸出，起到過熱保護(hù)作用。

USB接口模塊與所述電源模塊、所述嵌入式單元連接，外部電源輸入電壓為5 V，外接電源從USB接口模塊輸入電源模塊，經(jīng)過電源模塊的電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的充電電壓，為聚合物鋰電池進(jìn)行充電；另外可通過USB接口模塊可將所述裝置拍攝的設(shè)備圖片信息、缺陷結(jié)果信息、巡檢記錄信息傳輸?shù)街髡痉?wù)器中進(jìn)行歸檔保存，亦可通過USB接口模塊把訓(xùn)練好的算法模型下載到本嵌入式單元中，使嵌入式單元上的缺陷識(shí)別算法保持最新狀態(tài)。

3 SF6儀表圖像識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)及試驗(yàn)分析

通過圖像采集模塊采集SF6充氣設(shè)備指針式儀表圖像，嵌入式單元對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪、二值化和邊緣檢測(cè)等預(yù)處理。利用霍夫圓變換實(shí)現(xiàn)SF6壓力儀表表盤圓形的精確定位,從表盤區(qū)域圖像中通過基于圓心約束的霍夫變換算法檢測(cè)刻度和指針并消除刻度直線，找到指針?biāo)诘闹本€并計(jì)算指針線角度，最后識(shí)別出當(dāng)前指針式儀表讀數(shù)和指針?biāo)陬伾珔^(qū)域，判斷SF6充氣設(shè)備是否異常，并生成巡檢報(bào)告，手持式SF6充氣設(shè)備壓力下降缺陷圖像識(shí)別裝置圖像識(shí)別原理如圖4所示[5-6]。

圖4 SF6壓力儀表指針圖像識(shí)別流程

3.1 霍夫圓變換

霍夫圓變換把SF6壓力儀表的圓盤圖像從經(jīng)過預(yù)處理的圖像中提取出來，并確定SF6壓力儀表的表盤圓心和半徑，霍夫圓變換原理，如式(1)所示。

(x-a)2+(b-y)2=r2

(1)

式中：(a,b)為圓心坐標(biāo)；r為圓半徑；(x,y)在圖像中為像素坐標(biāo)。圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)應(yīng)參數(shù)空間的圖形。如果r確定，那么一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)空間的一個(gè)圓，那么r不確定，則對(duì)于每一個(gè)r都是一個(gè)圓。使用霍夫圓變換算法對(duì)SF6儀表進(jìn)行圓檢測(cè)，效果如圖5所示[7-8]。

3.2 指針線檢驗(yàn)

嵌入式單元對(duì)SF6壓力儀表的表盤圖像采用添加圓心約束的霍夫變換算法進(jìn)行圖像直線提取。儀表指針通過圓心這一特征，對(duì)每個(gè)有效像素點(diǎn)的直線標(biāo)記范圍進(jìn)行約束，其原理是在對(duì)有效像素點(diǎn) (x,y)進(jìn)行極坐標(biāo)空間 (ρ,θ0)累加之前，先利用圓心和像素點(diǎn)(x,y)所在直線計(jì)算出角度θx對(duì)θ0進(jìn)行約束，從而可排除不經(jīng)過圓心的直線，并達(dá)到減少累加次數(shù)的目的，通過霍夫變換提取直線后，可獲取到集中每條直線左右的2個(gè)端點(diǎn) (xi1,yi1)和(xi2,yi2)。

而消除刻度直線是正確定位儀表指針直線和指針方向后，根據(jù)刻度線遠(yuǎn)小于指針直線的特征對(duì)儀表刻度直線進(jìn)行過濾，通過設(shè)定一個(gè)長度閾值，當(dāng)直線的長度(由直線2個(gè)端點(diǎn)計(jì)算得到)小于此閾值時(shí)，將過濾掉SF6壓力儀表刻度直線，經(jīng)過濾后剩余的直線為指針直線。

找到指針?biāo)诘闹本€后，根據(jù)指針線的傾斜角識(shí)別出SF6壓力儀表的讀數(shù)。根據(jù)直線斜率公式，見式(2)。計(jì)算出指針直線的斜率，以圓心為原點(diǎn)的Y軸為基準(zhǔn)，根據(jù)斜率換算出指針線的傾斜角θi。嵌入式單元根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的Y軸對(duì)應(yīng)的SF6壓力儀表的壓力值py和每增加1°傾斜角增加的壓力值為p1，根據(jù)前文確定的指針方向，從而確定指針線所在的象限位置，當(dāng)指針線在第一和第四象限時(shí)，SF6壓力儀表的壓力值為p=py+θip1，當(dāng)指針線在第二和第三象限時(shí)，SF6壓力儀表的壓力值讀數(shù)為p=py-θip1。指針識(shí)別效果如圖6所示。

圖6 指針識(shí)別效果圖

3.3 刻度彩色區(qū)塊圖像特征提取

SF6壓力儀表盤圖像為RGB彩色格式圖像，嵌入式單元采用基于HSI彩色模型的算法對(duì)儀表RGB彩色格式圖像進(jìn)行處理，然后對(duì)彩色圖像分層提取SF6壓力儀表盤刻度彩色圖像特征。HIS彩色空間由一個(gè)垂直強(qiáng)度軸和位于該強(qiáng)度軸垂直平面內(nèi)彩色點(diǎn)的軌跡標(biāo)識(shí)，當(dāng)平面沿強(qiáng)度軸上下移動(dòng)時(shí)，由每個(gè)平面于立方體表面構(gòu)成的橫截面定義的邊界不是三角形就是六邊形，如圖7所示。圖7(a)所示，原色是按120°分隔的，二次色與原色相隔60°，這意味著二次色之間也相隔120°。圖7(b)顯示了相同的六邊形和任意一個(gè)彩色點(diǎn)。該彩色點(diǎn)的色調(diào)由來自某參考點(diǎn)的一個(gè)角度決定。通常，定義與紅軸的0°角指定為0色調(diào)，從這里開始色調(diào)逆時(shí)針增長。飽和度(距垂直軸間的距離)是從原點(diǎn)到該點(diǎn)的向量長度。HIS彩色空間的重要分量是垂直強(qiáng)度軸到一個(gè)彩色點(diǎn)的向量長度和該向量與紅軸的夾角[9-10]。

(a) 原圖

(b) 檢測(cè)效果圖

圖7 HIS彩色模型中的色調(diào)與飽和度

儀表RGB彩色格式圖像進(jìn)行處理是從RGB到HSI的彩色轉(zhuǎn)換給定一幅RGB彩色格式的SF6壓力表盤圖像，每個(gè)RGB像素的H分量可用式(3)得到：

飽和度分量由式(5)給出：

強(qiáng)度分量由式(6)給出：

假定RGB值已經(jīng)歸一化到區(qū)間[1,0]內(nèi)，且角度θ根據(jù)HIS空間的紅軸來度量。給定的RGB值在區(qū)間[0,1]內(nèi)，則其他2個(gè)HIS分量已經(jīng)在區(qū)間[0,1]內(nèi)。

對(duì)一幅彩色圖像分層的最簡單方法就是把某些感興趣的區(qū)域之外的顏色為參考顏色空間的中點(diǎn)。設(shè)感興趣的顏色設(shè)寬為W，中心在圓形顏色點(diǎn)，并被具有分量 (a1,a2, …,an)的立方體所包圍，則變換為

這些變換通過強(qiáng)迫所有其他顏色為參考顏色空間的中點(diǎn)，來突出圓形周圍顏色。利用彩色分層的原理對(duì)SF6壓力儀表表盤刻度顏色的分層過程中，把紅色區(qū)域特征、黃色區(qū)域特征和綠色區(qū)域特征分別分離出來[11-13]，效果如圖8所示。

(a)紅色區(qū)域

(b)綠色區(qū)域

(c)黃色區(qū)域圖8 SF6壓力儀表表盤刻度特征提取情況

3.4 試驗(yàn)分析

為了獲取不同狀態(tài)下SF6儀表的圖片樣本，本文將SF6儀表接通空氣壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)的充氣與放氣，調(diào)整指針角度，用嵌入式單元進(jìn)行拍照取樣并人工記錄數(shù)值。核對(duì)情況如表1所示。

表1 嵌入式單元SF6儀表圖像識(shí)別核對(duì)情況

在嵌入式單元SF6儀表圖像識(shí)別下，對(duì)SF6儀表的報(bào)警識(shí)別能夠達(dá)到98%以上，準(zhǔn)確率是有保障的，而且隨著樣本數(shù)量的增加，識(shí)別的正確率也逐步提升，而且人工核對(duì)過程中，識(shí)別報(bào)警失誤的儀表圖片都是因?yàn)橹羔標(biāo)肝恢脼閰^(qū)域交界邊緣，嵌入式單元沒有準(zhǔn)確判定所屬情況，這也是后續(xù)研究有待解決的問題。同時(shí)對(duì)壓力讀數(shù)誤差在允許范圍內(nèi)具有很好的識(shí)別效果。

4 結(jié)語

本文研究基于小型智能相機(jī)鏡頭的嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6儀表進(jìn)行拍攝和指針識(shí)別。通過使用嵌入式設(shè)備對(duì)SF6壓力儀表進(jìn)行拍攝，對(duì)圖像進(jìn)行去噪、二值化和邊緣檢測(cè)等預(yù)處理，利用霍夫圓變換實(shí)現(xiàn)SF6壓力儀表表盤圓形的精確定位,從表盤區(qū)域圖像中通過基于圓心約束的霍夫變換算法檢測(cè)刻度和指針并消除刻度直線，找到指針?biāo)诘闹本€并計(jì)算指針線角度，最后識(shí)別出當(dāng)前指針式儀表讀數(shù)和指針?biāo)陬伾珔^(qū)域，判斷SF6充氣設(shè)備是否異常，并生成巡檢報(bào)告。

在某220 kV變電站進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，SF6儀表指針識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)98%以上，達(dá)到應(yīng)用預(yù)期效果。能夠精確地在線識(shí)別SF6儀器的狀態(tài)，第一時(shí)間報(bào)警，最快對(duì)故障做出排查，減少對(duì)變電站與電網(wǎng)的損失。