基于圖像識(shí)別技術(shù)的變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉甜甜，彭放，張婉，王小龍

（1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司大數(shù)據(jù)中心，北京 100000；2.福建億榕信息技術(shù)有限公司，福建 福州 350003）

圖像識(shí)別技術(shù)的主要功能在于可以利用計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)采集、傳輸、處理、分析等，以學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)算。變電站視頻信息分布較廣，形式分散，需要對(duì)其進(jìn)行聚合化處理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)考慮系統(tǒng)信息匹配程度以及信息識(shí)別準(zhǔn)確程度，采取連續(xù)性的節(jié)點(diǎn)控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)行情況、故障情況等相關(guān)內(nèi)容的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇

監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容為體系架構(gòu)的選擇，考慮到不同體系架構(gòu)之間的功能性與穩(wěn)定性之間的差異，結(jié)合實(shí)際的技術(shù)環(huán)境以及變電站運(yùn)行環(huán)境。選擇應(yīng)用C/S框架作為基礎(chǔ)系統(tǒng)框架。該硬件框架系統(tǒng)中主要包括三個(gè)主機(jī)系統(tǒng)、一個(gè)信息交換機(jī)以及一個(gè)視頻數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)設(shè)備，共同完成整體體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

主機(jī)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)框架中的主要作用是執(zhí)行指令，在執(zhí)行模式下運(yùn)行，可以將輸入數(shù)據(jù)信息以及輸出數(shù)據(jù)信息進(jìn)行穩(wěn)定化處理，使其在數(shù)量級(jí)上保持穩(wěn)定性。交換機(jī)的主要作用是支撐具體的信息傳輸功能，交換機(jī)位于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的核心區(qū)域，負(fù)責(zé)承載主機(jī)輸出的圖像信息，并具備信息處理功能，將主機(jī)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行整合，反饋到最終的數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)中，也就是圖1中的Servear主機(jī)。該結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主機(jī)，其主要作為系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)合體，承擔(dān)著數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及數(shù)據(jù)輸出功能，與儲(chǔ)存裝置和交換機(jī)裝置相連接，根據(jù)變電站系統(tǒng)的實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及處理，從而賦予系統(tǒng)基礎(chǔ)功能。

1.2 控件安裝設(shè)計(jì)

控件安裝設(shè)計(jì)賦予系統(tǒng)框架擴(kuò)展功能，用戶可登錄系統(tǒng)或者瀏覽器等進(jìn)行相關(guān)操作，支持不同系統(tǒng)之間的兼容性運(yùn)行，使得監(jiān)控效果更加良好。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用ActiveX控件實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，使得整體運(yùn)行效果更加優(yōu)化。控件安裝之后可以降低變電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中的壓力指標(biāo)，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)負(fù)載力，按照?qǐng)D像的類別、屬性等指標(biāo)進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的分類分析。

本文設(shè)計(jì)控件裝置執(zhí)行命令等級(jí)較高，可以滿足大多數(shù)的命令執(zhí)行需求，控件會(huì)隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行環(huán)境的變化，命令執(zhí)行節(jié)點(diǎn)也會(huì)有所增加，并具備一定的可插入信息屬性，數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系性更加緊密。ActiveX控件與C/S系統(tǒng)之間相互連接，監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行期間始終保持著聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)之間的信息也會(huì)基于瀏覽器的控件插件等實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)信息的重新排列以及重新整合，以定點(diǎn)連接的方式維系主機(jī)與監(jiān)控裝置之間的密切聯(lián)系。以該控件作為主要的硬件結(jié)構(gòu)，可以維系原本系統(tǒng)中圖像數(shù)量級(jí)的穩(wěn)定性，具備一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體設(shè)計(jì)控件結(jié)構(gòu)包括C/S結(jié)構(gòu)、瀏覽器、主機(jī)、獲取圖像、儲(chǔ)存、屬性分析、需求執(zhí)行、查詢等級(jí)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)信息九大模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信息的采集、傳輸、儲(chǔ)存、分析、處理，完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的功能需求。

1.3 監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是變電站監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)的最基礎(chǔ)裝置，本設(shè)計(jì)應(yīng)用周界監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)理念，將其作為最底層的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，將其與控件進(jìn)行連接，構(gòu)建具有獨(dú)立屬性的監(jiān)控區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像、視頻信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在整體結(jié)構(gòu)以及控件結(jié)構(gòu)明確情況下，設(shè)置具備可更改功能的主控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的模塊劃分。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)等級(jí)比較多，系統(tǒng)支持大流量的圖像數(shù)據(jù)輸出，相關(guān)元件可以調(diào)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)圖像格式的處理以及轉(zhuǎn)化，使其以預(yù)設(shè)的傳輸形式支持具體的功能。本文監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，采用動(dòng)態(tài)化的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)設(shè)計(jì)5種圖像處理結(jié)構(gòu)，其中包括ZRRVV節(jié)點(diǎn)、RPU節(jié)點(diǎn)、SONET節(jié)點(diǎn)等。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能存在差異，所處的區(qū)域不同，共同協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的提取以及識(shí)別，發(fā)送相應(yīng)的指令。具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)位置以及能力優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分類表

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 圖像分類設(shè)計(jì)

基于硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具備自動(dòng)監(jiān)控以及自動(dòng)信息處理等功能，圖像的分類是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)功能體現(xiàn)，也是軟件系統(tǒng)應(yīng)用的必要內(nèi)容。軟件根據(jù)圖像的參數(shù)量對(duì)應(yīng)用區(qū)域進(jìn)行匹配，根據(jù)應(yīng)用的圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的圖像摳除處理，使得軟件系統(tǒng)的處理權(quán)值滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，使得監(jiān)控視頻所采集的圖像像素點(diǎn)具有一定的透明度，且處于平均水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像分類處理的目的。

處理后所顯示的視頻以及圖像等數(shù)據(jù)具備一定的數(shù)據(jù)表達(dá)功能，可以直觀顯示該區(qū)域內(nèi)的組織傳輸概率，節(jié)點(diǎn)組織的權(quán)值計(jì)算也比較科學(xué)。監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)在承擔(dān)相應(yīng)功能時(shí)權(quán)值的最終計(jì)算結(jié)果與圖像的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容比較接近，使得系統(tǒng)運(yùn)行過程中的節(jié)點(diǎn)控制具備相應(yīng)的連續(xù)性功能。在計(jì)算過程中設(shè)計(jì)系數(shù)最小值，計(jì)算公式中的變電站視頻輸入值，分別用小寫的m、n所表示，系數(shù)最大值分別用大寫的M、N所表示。計(jì)算好以上兩個(gè)物理量之后，利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行明確，期間所應(yīng)用公式如下：

式中，f表示系統(tǒng)運(yùn)行期間所應(yīng)用的監(jiān)控指標(biāo)，e表示系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置以及相關(guān)西撒胡指標(biāo)，j表示監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中的識(shí)別權(quán)值。

2.2 圖像處理設(shè)計(jì)

灰度化處理是變電站應(yīng)用監(jiān)控系統(tǒng)的主要內(nèi)容，也是對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)際處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變電站視頻監(jiān)控圖像中的實(shí)際處理速度需要滿足監(jiān)測(cè)需求，可以通過圖像數(shù)據(jù)及時(shí)反饋相應(yīng)的內(nèi)容。該過程主要基于對(duì)待識(shí)別圖像的科學(xué)處理，設(shè)計(jì)選取一定程度的灰度化節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行分類處理，監(jiān)控器捕捉以及采集的圖像數(shù)據(jù)多為彩色，系統(tǒng)處理需要將其進(jìn)行灰度化處理，使其以黑白的形式展現(xiàn)出來。監(jiān)控視頻以及監(jiān)控圖像中的數(shù)據(jù)大都以三原色進(jìn)行相應(yīng)配比，使其色彩配比條件滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)的客觀需求。但其在傳輸過程中可能會(huì)受到變電站運(yùn)行過程中電子總量的影響，電子總量以逐漸提升化的方式呈現(xiàn)，異色節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于傳輸過程中電子總量變化，導(dǎo)致其原本的位置產(chǎn)生相應(yīng)的變化，甚至可能完全脫離。設(shè)計(jì)考慮到此問題，避免出現(xiàn)色彩趨近的情況出現(xiàn)，基于圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化原本的色彩配置關(guān)系，將其以黑白色彩的圖像形式展現(xiàn)出來，并結(jié)合圖像的權(quán)值數(shù)值優(yōu)化方式，使得最終呈現(xiàn)出的圖像內(nèi)容更加清晰，狀態(tài)更加良好。設(shè)計(jì)應(yīng)用以下公式實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的灰度化處理：

式中，f表示圖像以彩色方式呈現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)系數(shù)；k表示在灰度化狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)系數(shù)，在計(jì)算過程中聯(lián)合2.1中的公式內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻圖像的灰度化處理。公式中的ξ代表圖像識(shí)別系數(shù)，g表示系統(tǒng)灰度化處理期間的數(shù)據(jù)單位傳輸均值。

2.3 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

基于圖像識(shí)別技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員賦予其一定的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能以及數(shù)據(jù)分析功能，需要設(shè)計(jì)與之相匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)信息以及圖像數(shù)據(jù)的綜合管理，使得監(jiān)控系統(tǒng)整體運(yùn)行更加協(xié)調(diào)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)使得其具備數(shù)據(jù)記錄以及圖像參量記錄功能，通過一級(jí)主機(jī)儲(chǔ)存方式，將原本已經(jīng)進(jìn)行灰度化處理的圖像信息轉(zhuǎn)化為彩色的圖像，使得系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可以持續(xù)輸出相關(guān)圖像。

本文監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到監(jiān)控需求的連續(xù)性，并盡可能保障儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的完整性，使其以嵌套式的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的有序連接。具體而言，系統(tǒng)之中的儲(chǔ)存主機(jī)與底層之間的儲(chǔ)存主機(jī)相互連接在一起，系統(tǒng)在對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存處理過程中，傳輸機(jī)始終占據(jù)著信道進(jìn)行傳輸，并始終保持著常規(guī)水平。設(shè)計(jì)將防火墻系統(tǒng)與執(zhí)行設(shè)備之間進(jìn)行有序的連接，使得軟件與硬件之間有效的連接到一起，共同組成了監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。圖像識(shí)別技術(shù)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用的關(guān)鍵內(nèi)容，也是基礎(chǔ)內(nèi)容。

3 系統(tǒng)應(yīng)用性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在對(duì)軟件系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)之后，將其組合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，使其可以具備監(jiān)控功能以及圖像處理功能。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性以及應(yīng)用效率，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試，并應(yīng)用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)性能進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)選擇運(yùn)行狀態(tài)比較好的變電站作為研究對(duì)象，安設(shè)一定數(shù)量的視頻監(jiān)控裝置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組以及對(duì)照組，將兩組進(jìn)行同時(shí)開啟以及同時(shí)關(guān)閉的相應(yīng)操作。實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)所應(yīng)用的是本文設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)照組則應(yīng)用主機(jī)搭載的分布方式進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)安設(shè)，試驗(yàn)期間觀察兩組系統(tǒng)之間的指標(biāo)是否相同，是否存在一定程度變化，從而了解本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能。

3.2 指標(biāo)設(shè)計(jì)

指標(biāo)主要選擇應(yīng)用UDR指標(biāo)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，其主要作用是反饋監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是否可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的連續(xù)性識(shí)別，最終的識(shí)別結(jié)果是否存在一定的科學(xué)性。指標(biāo)的大小直接反饋了系統(tǒng)圖像識(shí)別性能的優(yōu)劣，指標(biāo)數(shù)值越大，則監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用所取得的最終識(shí)別結(jié)果越好，圖像識(shí)別準(zhǔn)確度越高，指標(biāo)數(shù)值越小，則圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用效果越差。具體實(shí)驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果內(nèi)容如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)UDR指標(biāo)對(duì)比表

由表2可知，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組之間的UDR指標(biāo)數(shù)據(jù)差距比較大，且實(shí)驗(yàn)組的指標(biāo)數(shù)據(jù)呈持續(xù)性增長(zhǎng)的狀態(tài)，最終將超過常規(guī)指標(biāo)結(jié)果。對(duì)照組的指標(biāo)結(jié)果逐漸減小。在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)下，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行所取得的指標(biāo)數(shù)據(jù)存在明顯的差異，但如果系統(tǒng)處于理想的狀態(tài)下，指標(biāo)應(yīng)在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)保持穩(wěn)定。雖然實(shí)驗(yàn)組前期的指標(biāo)結(jié)果較小，但按照上升幅度后期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)指標(biāo)。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及常規(guī)系統(tǒng)的對(duì)比，基于圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。指標(biāo)數(shù)值呈現(xiàn)出持續(xù)上漲的趨勢(shì)，其對(duì)監(jiān)控圖像識(shí)別以及處理的結(jié)果逐漸加大，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以大幅度提高圖像識(shí)別處理的連續(xù)性，識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確程度也比較良好。

3.3 耗時(shí)對(duì)比

考慮到監(jiān)控在執(zhí)行圖像處理指令期間所需要耗費(fèi)的時(shí)間，通過時(shí)間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)可以了解不同系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)圖像處理的連續(xù)性性能，判斷系統(tǒng)是否具備對(duì)變電站的各節(jié)點(diǎn)之間的連續(xù)監(jiān)控。按照常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行分析，時(shí)間參數(shù)與系統(tǒng)的連續(xù)性之間成反比例關(guān)系，時(shí)間越短，說明系統(tǒng)運(yùn)行圖像處理的連續(xù)性越強(qiáng)，反之則越弱。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 監(jiān)控指令系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間對(duì)比表（min）

由表3中的耗時(shí)對(duì)比結(jié)果對(duì)系統(tǒng)圖像識(shí)別以及圖像處理的連續(xù)性性能進(jìn)行分析，在標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行狀態(tài)下執(zhí)行命令所需要耗費(fèi)的時(shí)間處于波動(dòng)變化，但變化范圍比較小，且時(shí)間數(shù)值適宜。

本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行命令所耗費(fèi)的時(shí)間大方向上有所降低，在前期所耗費(fèi)的時(shí)間變化較小，隨著圖像數(shù)據(jù)量的不斷提升，執(zhí)行命令所需要耗費(fèi)的時(shí)間也有所降低。對(duì)照組執(zhí)行監(jiān)控命令所需要耗費(fèi)的時(shí)間不斷增加，且在時(shí)間數(shù)值上比較實(shí)驗(yàn)組以及標(biāo)準(zhǔn)值較大。由此可知，本文基于對(duì)圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)組連續(xù)性比較強(qiáng)。

3.4 性能測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過耗時(shí)對(duì)比以及指標(biāo)對(duì)比之后分析本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的性能，圖像識(shí)別技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)之中的應(yīng)用具有一定科學(xué)性，可以支持變電站系統(tǒng)視頻檢測(cè)的連續(xù)性，各節(jié)點(diǎn)測(cè)試最終所耗費(fèi)時(shí)間也比較短，監(jiān)控效率比較高。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以融合ActiveX控件實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件監(jiān)測(cè)功能的優(yōu)化，在完善的硬件設(shè)備支持下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的科學(xué)處理。應(yīng)用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的連續(xù)性檢測(cè)，精準(zhǔn)度可以得到保障，指令傳輸時(shí)延效果低，資源消耗量也有所下降，是比較科學(xué)、有效的監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)其進(jìn)行推廣應(yīng)用。