多傳感融合全景智能監(jiān)控裝置技術(shù)研究

韓 猛，吳有超，李 明，秦曉敏，艾慶華

（北京智芯半導(dǎo)體科技有限公司，北京 102299）

0 引 言

電網(wǎng)的安全運行除了依托各種監(jiān)測設(shè)備外，更需要人工的巡檢與運維。但人工巡檢耗費大量人力、物力，巡檢的時效性成為其安全運行的瓶頸。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控裝置可通過視頻方式遠(yuǎn)程巡檢，在一定程度上減輕了巡線人員的工作壓力，但由于其功耗較高，采用太陽能時通常需配備大容量的電池，這又使其成本居高不下。而采用感應(yīng)取電方式往往需要斷電安裝，操作復(fù)雜，大量視頻傳輸也增加了傳輸成本，增加了視頻查看人員的工作量，種種弊端又限制了其大規(guī)模推廣[1]。

對于那些需監(jiān)控的線路隱患點，急需采用一種新型運維管理模式，實時掌握設(shè)備情況，有效彌補傳統(tǒng)運維管理模式的不足，提升對特殊情況下的線路監(jiān)控及管理工作。通過省級輸電線路智能管控平臺的部署，結(jié)合先進(jìn)智能監(jiān)測設(shè)備、匯集狀態(tài)信息進(jìn)行輸電線路設(shè)備運行狀態(tài)評估，發(fā)現(xiàn)輸電線路運行隱患并借助巡檢系統(tǒng)及時進(jìn)行信息交互及故障處理，是提高輸電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平的切實需要，也是發(fā)展智能電網(wǎng)的需要。

多傳感融合全景智能監(jiān)控裝置通過感應(yīng)取電工作，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對圖像、振動、角度、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，具備人工智能識別能力，并與監(jiān)控主站交互，將數(shù)據(jù)上傳到智能監(jiān)測設(shè)備的智能運營管控平臺，完成對輸電線路狀態(tài)的全面監(jiān)控和故障預(yù)警。

多傳感融合的智能監(jiān)控系統(tǒng)一般由傳感器、數(shù)據(jù)融合處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸與接收模塊等組成[2]。智能監(jiān)測終端硬件主機由攝像頭主控板、傳感板和電源板組成，天線置于主機內(nèi)。裝置的核心部件是攝像頭主控板，負(fù)責(zé)圖像拍攝、處理與傳輸、與上下級通信等，同時接收傳感器板上傳的多傳感器數(shù)據(jù)。電源板采用感應(yīng)取電+超級電容的方式為系統(tǒng)提供電源。傳感器板采集各傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)上傳給攝像頭主控板。硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置硬件架構(gòu)示意圖

此項目涉及的關(guān)鍵技術(shù)有多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、圖像識別技術(shù)、感應(yīng)取電供電技術(shù)和裝置的外殼設(shè)計技術(shù)等，以下逐一介紹。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

1.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)原理

傳感器數(shù)據(jù)融合的定義可以概括為把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術(shù)對其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層融合。

一般情況下，使用多傳感融合的方式，即采用2種或多種技術(shù)手段共同進(jìn)行檢測，可達(dá)到優(yōu)勢互補、提升識別效率的目的[3]。

多傳感器數(shù)據(jù)融合相比單一傳感器信息有如下優(yōu)點，即容錯性、互補性、實時性、經(jīng)濟(jì)性更佳，所以逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，已適用于自動化技術(shù)、機器人、海洋監(jiān)視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。

鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，這是必然的趨勢，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。

1.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的實現(xiàn)

1.2.1 此項技術(shù)的設(shè)計難點

（1）傳感器種類多，本設(shè)備采集的參數(shù)有圖像、導(dǎo)線溫度、三軸加速度、環(huán)境溫濕度等。由于傳感器的原理和接口不盡相同，設(shè)計過程需要考慮各種傳感器的差異。

（2）傳感器數(shù)量多，本設(shè)備傳感器的基本配置為視頻傳感器、導(dǎo)線測溫傳感器、溫濕度傳感器、加速度傳感器等，由于結(jié)構(gòu)空間有限，傳感器布局也要配合算法等因素。因此，單位體積內(nèi)傳感器的密度較大，傳感器各信號間易產(chǎn)生干擾。

（3）將眾多傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，根據(jù)物理意義和應(yīng)用場景，分析判斷環(huán)境狀態(tài)，其多模態(tài)傳感器算法需要設(shè)計和驗證。

（4）電和磁可以通過電路和磁路對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輸電線路的工作環(huán)境比較惡劣，電場和磁場的變化在系統(tǒng)有關(guān)電路或?qū)Ь€中感應(yīng)出干擾電壓，從而影響系統(tǒng)正常工作。

這就需要從軟件和硬件兩個方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計。軟件方面可以采用指令冗余、攔截技術(shù)、軟件“看門狗”技術(shù)、系統(tǒng)故障處理、自恢復(fù)程序設(shè)計、數(shù)字濾波、RAM數(shù)據(jù)保護(hù)與糾錯等技術(shù)；硬件方面，可以采用抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能等方法。細(xì)致周到地分析干擾源，將硬件與軟件抗干擾相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設(shè)計穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。

1.2.2 主要傳感器的選型和設(shè)計要點

（1）圖像傳感器

圖像傳感器（攝像頭）需要采用星光級高清攝像頭，從而實現(xiàn)白天和夜間24小時拍攝的功能。攝像頭的接口需采用MIPI接口。

（2）加速度傳感器

加速度傳感器需要采用小型化三軸加速度傳感器。由于加速度傳感器在靜止放置時受到重力作用，因此會有1g的重力加速度。利用該性質(zhì)，通過測量重力加速度在X/Y軸上的分量，可以計算出在垂直平面上的傾斜角度。應(yīng)用加速度傳感器可以測量振動加速度，對加速度積分一次可得速率，對速率積分一次可得位移，因此可以測量出振動的頻率和幅度。

（3）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選型要點：測量范圍、響應(yīng)時間、體積小型化。

（4）導(dǎo)線溫度傳感器

導(dǎo)線溫度傳感器選型要點：測量范圍、響應(yīng)時間，及結(jié)構(gòu)上需要有可以緊固的裝置。對結(jié)構(gòu)上的設(shè)計需求是由于傳感器的探頭需要與被測溫導(dǎo)線緊密接觸，以便準(zhǔn)確測溫。

1.2.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法

信息融合過程中，初始融合算法在近似過程中繼承擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的1階和2階截斷誤差，對目標(biāo)的局部估計產(chǎn)生較大影響，這個問題可以通過Sigma點濾波器或離散差分濾波器來解決[4]。在多傳感器數(shù)據(jù)融合過程中運用主元分析法分析狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果。采用主元分析技術(shù)，在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用的基礎(chǔ)上，獲取各類設(shè)備的實時運行信息，選擇若干個輸電線路設(shè)備參數(shù)，例如高壓側(cè)溫度、導(dǎo)線拉力、低壓側(cè)溫度、鐵塔桿件應(yīng)力、接地電阻和絕緣子風(fēng)偏等，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型，在本地及時判斷輸電線路的運行狀態(tài)，有效提高輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、實時性與穩(wěn)定性，保證輸電線路運行安全可靠[5]。

2 圖像識別技術(shù)

2.1 圖像識別技術(shù)的原理

圖像識別技術(shù)是人工智能的重要領(lǐng)域。它指對圖像進(jìn)行對象識別，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象的技術(shù)。

圖像識別基本過程如圖2所示。

圖2 圖像識別基本過程示意

信息的獲?。和ㄟ^傳感器將光或聲音等信息轉(zhuǎn)化為電信息；

預(yù)處理：包括A/D轉(zhuǎn)換、二值化、圖象平滑、變換、增強、恢復(fù)、濾波等；

特征抽取和選擇：在模式識別中，需要進(jìn)行特征的抽取和選擇，例如，一幅64×64的圖象可以得到4 096個數(shù)據(jù)，測量空間的原始數(shù)據(jù)通過變換獲得在特征空間最能反映分類本質(zhì)的特征，這就是特征提取和選擇的過程；

分類器設(shè)計：分類器設(shè)計的主要功能是通過訓(xùn)練確定判決規(guī)則；

分類決策：在特征空間中對被識別對象進(jìn)行分類。

2.2 圖像識別技術(shù)的實現(xiàn)

攝像頭主控板負(fù)責(zé)圖像的拍攝、處理和上傳。攝像頭主控板由可供二次開發(fā)的4G模塊、獵鷹模塊和攝像頭擴(kuò)展模塊及外設(shè)組成。

可供二次開發(fā)的4G模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的運行，包括拍攝照片、與AI獵鷹模塊交互、上傳圖片、接收指令等。

主流4G模塊一般只能有兩到三路攝像頭接口，由于本項目需要6個攝像頭，因此需要增加攝像頭擴(kuò)展模塊以滿足需要。

獵鷹模塊負(fù)責(zé)處理圖片，它采用了面向張量計算的達(dá)芬奇架構(gòu)，通過獨創(chuàng)的16×16×16的3D Cube設(shè)計，每個時鐘周期可以進(jìn)行4 096個16位半精度浮點MAC運算，以嵌入式功耗實現(xiàn)GPU服務(wù)器級別計算性能，為人工智能提供強大的算力支持，使前端具備邊緣計算能力，可自動識別塔吊、吊車、挖掘機等線路通道隱患及銷釘缺失、絕緣子爆串等桿塔本體缺陷并回傳告警圖片。當(dāng)4G智能模組拍攝完照片并且傳送之后，進(jìn)行照片分析，通過智能識別，將圖片標(biāo)記后返回給4G模塊。獵鷹模塊作為協(xié)處理器NPU進(jìn)行AI加速，與主處理器通過USB 3.0接口通信，雙處理器的配合使得高性能與低功耗達(dá)到均衡，提升了處理速度也降低了電池的負(fù)擔(dān)。因此能夠更好控制整機成本。

圖像識別流程如圖3所示。

圖3 圖像識別流程

圖像識別流程：定時抓拍識別過程由主拍照程序、主板圖像識別程序、圖像識別服務(wù)程序3個應(yīng)用軟件協(xié)作完成。首先由主拍照程序啟動定時抓拍，判斷當(dāng)前計時是否大于等于（抓拍間隔-1） min，是則退出循環(huán)并給獵鷹AI芯片上電，否則繼續(xù)判斷到是為止。再判斷當(dāng)前計時是否大于等于抓拍間隔，是則退出循環(huán)并拍照后發(fā)送圖片廣播，否則繼續(xù)判斷到是為止。然后由主板圖像識別程序轉(zhuǎn)發(fā)圖片給圖像識別服務(wù)程序，調(diào)用HiAI Engine封裝加載識別模型進(jìn)行圖片識別，由主板圖像識別程序返回識別結(jié)果，在非整點拍照的情況下若識別結(jié)果有告警信息則上傳該識別圖片至后臺，否則不上傳，若在整點拍照的情況下無論有無告警信息都上傳圖片至后臺，至此該次定時拍照流程結(jié)束。

圖像識別的準(zhǔn)確率測試是根據(jù)單位標(biāo)準(zhǔn)測試集進(jìn)行判定。圖像識別的測試結(jié)果見表1所列。

表1 對幾種故障/隱患類型識別的準(zhǔn)確率

3 感應(yīng)取電供電技術(shù)

3.1 感應(yīng)取電供電原理

CT型取電也被稱為電流型取電。它利用電磁感應(yīng)原理，正常情況下接地的地線上有電磁感應(yīng)電流，地線相當(dāng)于一個匝數(shù)為1的線圈，在架空地線上套一個可開合式纏有取能線圈的鐵芯，當(dāng)?shù)鼐€上有變化的交流電通過時，在取能線圈上就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，如取能線圈接通形成回路，則取能線圈上就會有電流流過，將此感應(yīng)電動勢進(jìn)行處理，就可為在線監(jiān)測設(shè)備提供電壓[6]，如圖4所示。

圖4 感應(yīng)取電原理

3.2 感應(yīng)取電供電的實現(xiàn)

感應(yīng)電源主要由互感器和電源板兩部分組成，原理框圖如圖5所示。

圖5 感應(yīng)電源原理框圖

3.2.1 電源板設(shè)計

交流電壓和電流通過雙向可控硅調(diào)整后進(jìn)入整流濾波電路，該模塊主要起到整流交流電壓、濾除有害波、穩(wěn)定電壓值的作用[7]。電源板原理如圖6所示。

圖6 CT取電電源板原理

瞬態(tài)抑制二極管TVS的選型要注意以下幾點：

（1）其反向變位電壓即工作電壓（VRWM）要大于或等于待保護(hù)電路電壓，否則TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路工作；

（2）TVS的最大鉗位電壓（VC）應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓；

（3）TVS由于其反向漏電流隨溫度的增加而增大，功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，故在選用TVS時應(yīng)考慮溫度變化對其特性的影響。

由于母線電流變化范圍較大，因此整流后的電壓也有較大的變化范圍，這就需要DC-DC（DC Converter）具有寬輸入電壓功能，使輸出的直流電壓穩(wěn)定。

電源板的輸出電壓為12 VDC；輸出功率要求當(dāng)CT環(huán)通過50 A電流時，輸出功率不小于5 W；符合EMC測試要求。

3.2.2 互感器設(shè)計

（1）電流互感器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)

電流互感器整體采用開合鉗式結(jié)構(gòu)設(shè)計，磁芯采用硅鋼片材質(zhì)，外表采用抗腐蝕工藝處理。

（2）取電線圈匝數(shù)設(shè)計

電流感應(yīng)取電模塊二次側(cè)繞組匝數(shù)確定原則如下：

（a）當(dāng)二次側(cè)輸出最大功率等于節(jié)點工作所需最小功率時，可求滿足節(jié)點工作要求的一次側(cè)繞組電流幅值最小值；

（b）當(dāng)一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點工作要求的最小值時，二次側(cè)繞組感應(yīng)電動勢幅值最大值應(yīng)高于系統(tǒng)節(jié)點設(shè)定最小值，可求二次側(cè)繞組的最小匝數(shù)；

（c）當(dāng)一次側(cè)繞組電流幅值為滿足節(jié)點工作要求最小值時，二次側(cè)繞組電流幅值應(yīng)高于設(shè)定最小值，可求二次側(cè)繞組最大匝數(shù)[8]。

4 裝置的外殼設(shè)計技術(shù)

4.1 裝置外殼設(shè)計關(guān)鍵點

結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計難點主要有以下幾個方面：

（1）本終端需要安裝固定在輸電線上，并通過感應(yīng)取電，因此對外形結(jié)構(gòu)有一定限制；

（2）由于終端安裝在輸電線上不能給輸電線帶來較大負(fù)擔(dān)，因此整機重量有限制；

（3）各傳感器的分布需要根據(jù)多傳感器融合算法進(jìn)行布局和安裝；

（4）內(nèi)部天線的位置要兼具功能性和抗干擾性；

（5）終端內(nèi)部空間有限，因此，對終端內(nèi)部電路板的布局、外形尺寸和裝配方式需要較精巧的設(shè)計；

（6）整機常年工作在戶外，環(huán)境惡劣，防護(hù)等級要求較高，需要IP65設(shè)計，這就需要進(jìn)行防水、防塵處理。

4.2 裝置外殼設(shè)計的實現(xiàn)

需要針對以上難點進(jìn)行針對性設(shè)計，可采用以下方式：

（1）一體機，整個設(shè)備采用開合式設(shè)計，利用鉸鏈把兩部分連接到一起，當(dāng)閉合時另一側(cè)利用卡扣閉合在一起，利用螺絲固定；

（2）與電線直接接觸的地方采用活動式塑膠卡槽環(huán)，可根據(jù)線徑尺寸的不同更換使用；

（3）整機滿足防護(hù)等級IP65的要求；

（4）避免閃絡(luò)、起暈的設(shè)計，外殼表面平滑、確定防暈結(jié)構(gòu)參數(shù)和選用良好的防暈材料；

（5）防鹽霧設(shè)計，結(jié)構(gòu)零件采用防銹防腐蝕材料；

（6）整體采用金屬外殼，天線部分開窗。

依據(jù)設(shè)計需求及硬件設(shè)計架構(gòu)，結(jié)構(gòu)總體設(shè)計和整體外觀效果如圖7和圖8所示。

圖7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖8 外觀效果

5 結(jié) 語

本文以多傳感融合全景智能監(jiān)控裝置技術(shù)研究項目為基礎(chǔ)，分別從多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、圖像識別技術(shù)、感應(yīng)取電供電技術(shù)、裝置外殼設(shè)計技術(shù)等方面介紹了各自的研究成果。結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將6個攝像頭的圖像融合，得到近360°的圖像信息，再與環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、導(dǎo)線的振動情況等數(shù)據(jù)融合，從而對輸電線路的狀態(tài)進(jìn)行更為全面的評估[9]。

（2）應(yīng)用圖像識別技術(shù)，使本裝置具備了邊緣計算能力，可自動識別塔吊、吊車、挖掘機等線路通道隱患及銷釘缺失、絕緣子爆串等桿塔本體缺陷，并根據(jù)單位標(biāo)準(zhǔn)測試集進(jìn)行測試，判斷準(zhǔn)確率可以滿足實際需要[10]。

（3）采用感應(yīng)取電供電技術(shù)，使裝置可以24小時實時工作，解決了太陽能板+蓄電池方案中戶外環(huán)境下電池壽命不穩(wěn)定，需要定期更換，太陽能電池板需要定期清潔擦拭，電池體積大，重量大等問題。

（4）裝置的外殼設(shè)計技術(shù)中，針對關(guān)鍵點進(jìn)行有效設(shè)計，使裝置可以適應(yīng)嚴(yán)酷的自然環(huán)境且安裝簡便快捷。