基于特征匹配的變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備識(shí)別

張?jiān)葡?，李智誠

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518022)

變電站的運(yùn)行以及維護(hù)[1]是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，是電力系統(tǒng)中最重要的工作，但利用人工對(duì)變電站進(jìn)行巡檢會(huì)大概率出現(xiàn)變電站故障[2]遺漏的情況，而通過機(jī)器人巡檢可有效降低這種情況的發(fā)生率，機(jī)器人巡檢[3]可直接獲取設(shè)備圖像，進(jìn)而減少因人員失誤帶來的誤差，同時(shí)可最大程度降低人員成本，目前機(jī)器人設(shè)備識(shí)別方法存在局限性，同時(shí)可靠性差，為進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人對(duì)設(shè)備的識(shí)別能力，現(xiàn)對(duì)機(jī)器人設(shè)備識(shí)別技術(shù)展開研究。

劉小波[4]等人首先構(gòu)建深度學(xué)習(xí)CRNN模型，粗略地對(duì)儀表數(shù)字區(qū)域進(jìn)行第一次識(shí)別，其次綜合attention機(jī)制，將模型進(jìn)行擴(kuò)展處理，進(jìn)一步對(duì)儀表設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，加強(qiáng)識(shí)別正確率，實(shí)現(xiàn)變電站巡檢機(jī)器人數(shù)字儀表設(shè)備識(shí)別。李全鵬[5]等人首先提取出儀表中的信息，并在中值濾波的基礎(chǔ)上完成信息去噪，其次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，最終在三次樣條插值法的基礎(chǔ)上分割出所有識(shí)別結(jié)果，并與固定閾值比較，生成最終識(shí)別結(jié)果，實(shí)現(xiàn)變電站巡檢機(jī)器人數(shù)字儀表設(shè)備識(shí)別。

以上兩種方法未對(duì)設(shè)備圖像進(jìn)行定位處理，導(dǎo)致在實(shí)際識(shí)別過程中將其他部位的數(shù)值視為設(shè)備數(shù)值進(jìn)行識(shí)別，存在設(shè)備識(shí)別準(zhǔn)確率低、設(shè)備識(shí)別效果差和指針定位精度低的問題。為了解決上述方法中存在的問題，提出基于特征匹配的變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備識(shí)別方法。

1 變電站設(shè)備圖像預(yù)處理

變電站利用機(jī)器人巡檢[6]后會(huì)直接獲取大量設(shè)備圖像，圖像中包含變電站相關(guān)數(shù)據(jù)，圖像的預(yù)處理[7]就是為了可以準(zhǔn)確定位到圖像內(nèi)的數(shù)字區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行去噪等處理提高設(shè)備數(shù)值識(shí)別精度，根據(jù)變電站的實(shí)際使用狀況對(duì)原始圖像進(jìn)行降噪等預(yù)處理，得出數(shù)字區(qū)域的精確位置后將設(shè)備內(nèi)數(shù)字進(jìn)行分割，以此簡(jiǎn)化數(shù)字特征匹配[8]和識(shí)別。

1.1 設(shè)備圖像定位

假設(shè)任意選取的兩幅設(shè)備圖像分別為Q1(x,y,t1)和Q2(x,y,t2)，其中t1和t2分別是兩幅圖像的初始時(shí)間，機(jī)器人獲取的每幅圖像中均含有一個(gè)待識(shí)別跟蹤的對(duì)象，將其標(biāo)記為l(xe,ye)，其中(xe,ye)為質(zhì)心坐標(biāo)。

假設(shè)圖像Q1和Q2的質(zhì)心分別為(xe1,ye2)和(xe2,ye2)，e1和e2均表示圖像的相應(yīng)坐標(biāo)位置。

在實(shí)際定位過程中，首先將t1時(shí)刻的顏色信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換并保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，其次將t2時(shí)刻的顏色信息轉(zhuǎn)換成t1相同的形式，并與空間內(nèi)的信息進(jìn)行比較，排除相同顏色信息，完善顏色信息，最終在橢圓檢測(cè)方法下對(duì)各個(gè)顏色區(qū)域信息進(jìn)行檢測(cè)，確定出目標(biāo)對(duì)象質(zhì)心位置(xe2,ye2)。

利用質(zhì)心(xe2,ye2)得出目標(biāo)對(duì)象的原始運(yùn)動(dòng)速度，其表達(dá)式為

(1)

式中：V為機(jī)器人對(duì)變電站巡檢時(shí)目標(biāo)對(duì)象的原始運(yùn)行速度，m/s；e1和e2為跟蹤目標(biāo)的質(zhì)心位置；Δt為時(shí)間的變化量，s。

進(jìn)而得出目標(biāo)對(duì)象在圖像中的最大運(yùn)行速度為

(2)

式中：Vmax為目標(biāo)對(duì)象在運(yùn)行過程中的最大速率,m/s；ΔK為圖像的寬度,m；H為圖像的高度,m。

通過加權(quán)動(dòng)態(tài)變化[9]確定目標(biāo)圖像的位置確定，圖像的加權(quán)系數(shù)計(jì)算公式為

α1+i=‖Vmax‖×‖V‖

(3)

式中：α1+i為第1+i幅圖像的加權(quán)系數(shù)。

通過目標(biāo)對(duì)象的原始運(yùn)行速率以及加權(quán)公式即可確定出設(shè)備圖像顏色區(qū)域的位置，即確定出目標(biāo)對(duì)象的實(shí)際位置，進(jìn)而確定出設(shè)備圖像的位置定位。

機(jī)器人在巡檢過程中會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩氐挠绊憣?dǎo)致圖像帶有一定的噪聲以及陰影等，因此對(duì)目標(biāo)圖像完成定位后需要進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行去噪以及圖像分割等處理，以此提高設(shè)備識(shí)別精度。

1.2 圖像分割、去噪以及二值化處理

為提取設(shè)備各區(qū)域特征，需對(duì)圖像進(jìn)行分割處理[10]，排除提取過程中的干擾因素，在分割過程中為降低分割難度可提前對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，在標(biāo)準(zhǔn)平均法的基礎(chǔ)上得出圖像的灰度值，其表達(dá)式為

m=0.30R+0.11B+0.59G

(4)

式中：m為圖像經(jīng)灰度化處理后的灰度值；B、G和R均為圖像相應(yīng)的顏色向量。

經(jīng)過灰度化處理的圖像均帶有均一值，可通過灰度圖像二值化方法消除干擾因素，最終僅保留有用數(shù)據(jù)。

圖像的二值化處理實(shí)質(zhì)就是在固定閾值的基礎(chǔ)上將圖像中的像素分類成黑色和白色兩種，由于電力系統(tǒng)的變電站常年在戶外，其周圍常年有其他異物的遮擋，而導(dǎo)致圖像的光照不均，在圖像中出現(xiàn)多塊陰影區(qū)域，而圖像的二值化剛好可以消除這種問題帶來的影響。

假設(shè)機(jī)器人巡檢儀器圖像的模板大小為(2n+1)×(2n+1)，令該圖像質(zhì)心坐標(biāo)為(x,y)，則圖像中各像素的相應(yīng)閾值為

(5)

式中：R(x,y)為各像素點(diǎn)的二值化閾值；m(x,y)為質(zhì)心的灰度值。

灰度圖像的二值化處理計(jì)算公式為

(6)

式中：U(x,y)為灰度圖像經(jīng)過二值化處理后各像素的強(qiáng)度。

由于二值化處理未能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行去噪，因此需要進(jìn)一步細(xì)化圖像，即提取圖像特征，利用特征表達(dá)圖像，最終獲取到帶有像素寬度的線條圖像。在細(xì)化圖像的方法中，擊中/不擊中變換算法具有細(xì)化速度快和效果好的優(yōu)點(diǎn)，從而選取該算法進(jìn)行圖像的細(xì)化，該算法的核心思想就是在部分固定結(jié)構(gòu)元素的基礎(chǔ)上不斷消除擊中變換的元素，從而消除目標(biāo)對(duì)象的噪聲，以此完成圖像的細(xì)化處理。

假設(shè)隨機(jī)選取的待細(xì)化圖像為O，其補(bǔ)集為O′，圖像中的結(jié)構(gòu)元素為P，P中包含P′和P″，三者之間的關(guān)系為

P=P′∪P″

(7)

式中：P′為圖像內(nèi)部的結(jié)構(gòu)元素；P″為圖像外部的結(jié)構(gòu)元素。

其中，擊中擊不中變換算法的計(jì)算公式為

O×P=(OΘP′)∩(O′ΘP″)

(8)

式中：Θ為形態(tài)學(xué)腐蝕計(jì)算符號(hào)。

在結(jié)構(gòu)元素P的基礎(chǔ)上將圖像O進(jìn)行細(xì)化，其計(jì)算公式為

O?P=O-(O×P)

(9)

圖像O的細(xì)化實(shí)質(zhì)就是刪除圖像O中被元素P擊中的元素，從而得到的圖像。

為方便運(yùn)算，假設(shè)結(jié)構(gòu)元素中有序列對(duì)，其表達(dá)式為

{P}={P1,P2…,Pi}

(10)

通過結(jié)構(gòu)元素的序列完成圖像的細(xì)化，直到序列中的每種元素全部對(duì)圖像完成細(xì)化后停止細(xì)化，以此實(shí)現(xiàn)圖像的細(xì)化，則根據(jù)結(jié)構(gòu)元素序列對(duì)圖像細(xì)化的計(jì)算公式為

O?{P}=(…((O?P1)?P2…)?Pn)

(11)

以此完成圖像的去噪以及灰度化處理，利用處理后的圖像在水平投影算法的幫助下完成圖像分割，進(jìn)而完成圖像的預(yù)處理。

2 變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備識(shí)別

在對(duì)設(shè)備識(shí)別[11]的過程中，Hough變換是機(jī)器人設(shè)備識(shí)別最常用的方法之一，其主要思想就是對(duì)定位出的圖像進(jìn)行數(shù)值識(shí)別，其主要作用是將圖像中的圓以及直線等形狀完整且準(zhǔn)確地提取出來，該算法的主要步驟就是通過映射圖像獲取共同特征以此生成以數(shù)個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的峰值，利用峰值對(duì)形狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)進(jìn)而完成分離。

此方法最關(guān)鍵的步驟就是得出目標(biāo)形狀中心點(diǎn)的位置，由于設(shè)備中所有形狀均通過設(shè)備中心點(diǎn)，因此將設(shè)備中心視為所有形狀的中心，運(yùn)用斜截式方程描述各個(gè)形狀，其公式為

y=cx+k

(12)

式中：(x,y)為中心點(diǎn)的坐標(biāo)；c為橫坐標(biāo)x的系數(shù)；k為線段的斜率。

在計(jì)算過程中必須保證所有形狀都通過中心點(diǎn)(x,y)，將其利用公式進(jìn)行表示為

k=-xc+y

(13)

在同心圓環(huán)搜索法[12]的基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識(shí)別錄入，假設(shè)設(shè)備中指針的中心即為圓心，選取不同的半徑繪制出數(shù)個(gè)同心圓，并記錄各個(gè)同心圓和指針間的交點(diǎn)，計(jì)算出指針斜率后完成設(shè)備讀數(shù)。

假設(shè)在儀表盤中共得出3個(gè)同心圓，令三個(gè)同心圓與其相應(yīng)指針的交點(diǎn)為D、F和G，在D、F和G三點(diǎn)間存在三組線段，分別為DF、FG和DG，其中D點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1)、F點(diǎn)坐標(biāo)為(x2,y2)和G點(diǎn)坐標(biāo)為(x3,y3)，進(jìn)而得出三個(gè)點(diǎn)相互之間線段的斜率，其表達(dá)式分別為

(14)

式中：k1為線段DF的斜率；k2為線段FG的斜率；k3為線段DG的斜率。

三個(gè)斜率的平均值表達(dá)式如式(15)所示：

(15)

而斜率的平均值又可用式(16)進(jìn)行描述：

k=tanβ

(16)

式中：β為關(guān)于零度基準(zhǔn)線的指針角度。

通過斜率的指針角度即可完成設(shè)備讀數(shù)。

在尺度空間極值的基礎(chǔ)上對(duì)讀數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，得出尺度空間以及二維圖像空間的極值，并利用擬合三維二次函數(shù)精確得出數(shù)字點(diǎn)的位置和尺度，進(jìn)而得出數(shù)值的特征向量。

由于經(jīng)過預(yù)處理后的圖像僅含有黑色和白色兩種像素，由于經(jīng)過分割處理后的圖像更簡(jiǎn)潔明了，為進(jìn)一步提高數(shù)值讀取精度，根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，將分割后的圖像進(jìn)行歸一化處理可降低小數(shù)點(diǎn)對(duì)結(jié)果帶來的影響，經(jīng)總結(jié)得出數(shù)字圖像的相關(guān)公式為

(17)

式中：Z(s)為實(shí)際讀數(shù)與真實(shí)數(shù)值之間的差異；M為每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的歸一化矩陣。

由于實(shí)際讀數(shù)與真實(shí)數(shù)值之間成反比，因此，當(dāng)Z(s)數(shù)值越大，即證明讀數(shù)越準(zhǔn)確。

將計(jì)算出的特征向量利用式(17)進(jìn)行匹配，得出數(shù)值最大的前兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)兩點(diǎn)之間的比小于固定閾值，則接收特征匹配點(diǎn)，以此類推，不斷得出樣本匹配點(diǎn)，即可完成設(shè)備的精確識(shí)別。

將最終結(jié)果進(jìn)行記錄，并將其保存到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，以便工作人員獲取最詳細(xì)的變電站巡檢結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于特征匹配的變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備識(shí)別方法的整體有效性，現(xiàn)對(duì)所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行設(shè)備識(shí)別準(zhǔn)確率、設(shè)備識(shí)別效果和指針定位精度的測(cè)試。

3.1 儀表設(shè)備識(shí)別準(zhǔn)確率

變電站巡檢機(jī)器人主要作用就是快速準(zhǔn)確獲取變電站的相關(guān)數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確識(shí)別儀表設(shè)備中的結(jié)果，為得出最優(yōu)識(shí)別方法，可將識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性視為檢測(cè)指標(biāo)。

在相同環(huán)境下利用三種方法對(duì)任意十組儀表設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，記錄其識(shí)別準(zhǔn)確率，并將三種方法的結(jié)果進(jìn)行比較，得出最優(yōu)方法，其結(jié)果如表1所示。

表1 三種方法的儀表設(shè)備識(shí)別準(zhǔn)確率 %

將表1中的結(jié)果進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，任何實(shí)驗(yàn)下均是所提方法的結(jié)果準(zhǔn)確率最高，文獻(xiàn)[4]方法的準(zhǔn)確率較所提方法較差，但該方法仍有可取之處，而文獻(xiàn)[5]方法的結(jié)果實(shí)在差強(qiáng)人意，其準(zhǔn)確率過于低，所提方法之所以能保證儀表設(shè)備識(shí)別準(zhǔn)確率高是因?yàn)樵趦x表設(shè)備識(shí)別前對(duì)儀表設(shè)備圖像進(jìn)行定位處理，縮小識(shí)別范圍，排除識(shí)別干擾因素，降低錯(cuò)誤識(shí)別的概率，提高識(shí)別精度，以此提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

3.2 儀表設(shè)備識(shí)別效果

儀表設(shè)備識(shí)別過程中為降低圖像顏色等影響會(huì)對(duì)其進(jìn)行灰度化處理，灰度化處理后的圖像會(huì)在一定程度上增強(qiáng)識(shí)別效果，因此可通過對(duì)比儀表設(shè)備識(shí)別效果得出最優(yōu)識(shí)別方法。

在電力系統(tǒng)中隨機(jī)采集一張儀表設(shè)備圖像，對(duì)比在正常光照下的儀表設(shè)備識(shí)別效果，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 三種方法在正常光照下對(duì)圖像的識(shí)別效果

根據(jù)圖1可知，由于外界光照影響，原始圖像出現(xiàn)過度曝光的問題，經(jīng)過三種方法處理后均有所改善，可有效看出其中數(shù)值，但只有所提方法的數(shù)值識(shí)別最明顯，由此可得出所提方法為最優(yōu)儀表設(shè)備識(shí)別方法。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性，在反光條件下測(cè)試對(duì)比三種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法下反光狀態(tài)下的圖像識(shí)別效果

將圖2中各個(gè)方法的識(shí)別效果進(jìn)行對(duì)比，仍是所提方法的識(shí)別效果最佳，因此證明所提方法是真實(shí)有效的最優(yōu)識(shí)別方法。

3.3 儀表設(shè)備指針定位精度

在對(duì)儀表設(shè)備識(shí)別的過程中，最關(guān)鍵的步驟就是指針的定位，不同方法對(duì)指針的定位也不盡相同，但指針定位的精確度要求嚴(yán)格，稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差，利用三種方法對(duì)同一儀表盤的指針進(jìn)行定位，定位結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種方法的儀表設(shè)備指針定位結(jié)果

根據(jù)結(jié)果顯示，所提方法可有效定位指針的中心位置和斜率，因此其定位結(jié)果與真實(shí)指針位置完全重合，而其余兩種方法在定位過程中僅能準(zhǔn)確定位指針一端，無法精確定位指針位置，所以最優(yōu)識(shí)別方法為所提方法。

4 結(jié) 語

利用機(jī)器人進(jìn)行設(shè)備識(shí)別可有效降低人工成本，而通過特征匹配更能提高識(shí)別精度，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在采集設(shè)備圖像信息過程中會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)不準(zhǔn)確等問題，為解決這一系列問題，提出基于特征匹配的變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備識(shí)別方法，該方法首先對(duì)讀數(shù)圖像進(jìn)行預(yù)處理，其次在Hough變換算法下得出指針定位，生成讀數(shù)結(jié)果并錄入，實(shí)現(xiàn)變電站巡檢機(jī)器人設(shè)備識(shí)別，解決了設(shè)備識(shí)別準(zhǔn)確率低、設(shè)備識(shí)別效果差和指針定位精度低的問題，加強(qiáng)變電站安全性。