融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監(jiān)測

林 鵬，陳 聰，徐盛秋，蔡富裕，廖 華

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州 318000）

在天氣轉(zhuǎn)涼，室外食物減少的情況下，小動(dòng)物會(huì)進(jìn)入變電站開關(guān)柜、配電室、電纜溝等地方取暖過冬。它們之所以能夠順利進(jìn)入這些變電區(qū)域內(nèi)，一方面是由于變電體系在修建過程中，存在的洞隙可供出入；另一方面是由于監(jiān)管不嚴(yán)，導(dǎo)致門窗閉合不嚴(yán)，小動(dòng)物可以順利進(jìn)入開關(guān)柜及配電室內(nèi)部[1-2]。配電站內(nèi)部的走線極為復(fù)雜，任何一根電纜及線路的損壞，都有可能導(dǎo)致大規(guī)模停電，甚至迫使整個(gè)電網(wǎng)體系陷入癱瘓狀態(tài)。而小動(dòng)物進(jìn)入開關(guān)柜及配電室后，不但會(huì)啃咬電纜造成電量外泄，還會(huì)損壞局部電力體系，引發(fā)停電事故或供電危機(jī)。

近年來，各大變電站體系主要采取感知哈希矩陣型檢測方法，監(jiān)測小動(dòng)物入侵行為。該方法在門、窗等特定位置放置動(dòng)力感應(yīng)探頭，且這些探頭之間始終保持串聯(lián)關(guān)系。利用探頭采集到的監(jiān)控信息雖然能夠同步傳輸至核心控制主機(jī)中，但混雜程度較高，采集到圖像的清晰度受損[3]。一部分人主張?jiān)谧冸娬就獠考釉O(shè)低壓電網(wǎng)，通過施加傳輸電流的方式，對(duì)小動(dòng)物起到警示作用。然而該方法的危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)較高，極易誤傷路過行人。為解決上述問題，該文引入了紅外傳感器設(shè)備，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種工作效率較高且更安全的變電站異物入侵在線監(jiān)測方法。

1 異物入侵行為采集

基于紅外傳感器設(shè)備，變電站異物入侵行為的采集主要由圖像融合、監(jiān)測區(qū)域劃分兩部分共同組成，具體處理方法如下。

1.1 紅外傳感器設(shè)備

在變電站體系中，紅外傳感器設(shè)備負(fù)責(zé)采集小動(dòng)物入侵行為圖像[4-5]。將采集到的信息參量，以數(shù)據(jù)流的形式反饋回核心監(jiān)測主機(jī)中，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

紅外傳感器設(shè)備常被置于變電站體系中的門、窗等位置處。在非通電情況下，該元件不具備監(jiān)測與應(yīng)用的能力。

1.2 入侵圖像融合

入侵圖像融合也叫紅外傳感圖像與小動(dòng)物入侵行為圖像的融合。為使變電主機(jī)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測異物入侵行為，在進(jìn)行圖像融合時(shí)，應(yīng)注重對(duì)紅外傳感器設(shè)備所采集圖像信息色度值水平的配比[6-7]。紅外傳感圖像色度值指監(jiān)測結(jié)構(gòu)采集到的圖像數(shù)據(jù)色溫差數(shù)值。一般來說，色溫差水平越高，則表示紅外傳感圖像的色度值越大。假設(shè)w表示監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位置信息，dˉ表示紅外傳感圖像的色溫差均值。聯(lián)立上述物理量，可將紅外傳感圖像與小動(dòng)物入侵行為圖像的融合標(biāo)準(zhǔn)條件表示為：

式中，p0表示色度值指標(biāo)的初始配比系數(shù)，pw表示位置信息為w時(shí)的色度值指標(biāo)配比系數(shù)。為使入侵圖像融合結(jié)果更貼近變電站異物入侵在線監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用需求，指標(biāo)w的單次取值結(jié)果不應(yīng)過大[8]。應(yīng)采取少量多次增加的方式，使其取值結(jié)果由初始值上升至最大值。

1.3 監(jiān)測區(qū)域劃分

在變電站體系中，小動(dòng)物入侵行為的發(fā)生位置并不固定。為獲得更為準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果，應(yīng)劃分入侵行為的所屬區(qū)域。若將已融合的紅外傳感圖像作為研究對(duì)象，則可認(rèn)為在平面直角坐標(biāo)系中，整個(gè)變電站體系由4 個(gè)基礎(chǔ)區(qū)域組成，且相鄰監(jiān)測區(qū)域的橫、縱坐標(biāo)并不能完全相同[9-10]。假設(shè)E1(x1,y1)、Q2(x2,y2)是兩個(gè)隨機(jī)選取的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，且它們不屬于同一個(gè)坐標(biāo)區(qū)域之中。規(guī)定H表示點(diǎn)E1、Q2之間的物理距離，聯(lián)立上述物理量，可將指標(biāo)H表示為：

式中，λ表示由點(diǎn)E1指向點(diǎn)Q2的直線的斜率。設(shè)β表示紅外傳感器設(shè)備對(duì)于小動(dòng)物入侵行為的監(jiān)測權(quán)限。聯(lián)立式（1）-（2），可將監(jiān)測區(qū)域劃分表達(dá)式定義為：

式中，ΩS表示紅外傳感器設(shè)備所能覆蓋的監(jiān)測區(qū)域面積，ε表示基礎(chǔ)劃分權(quán)限。為保證變電站體系的安全運(yùn)行能力，避免小動(dòng)物入侵行為的發(fā)生，應(yīng)在已知紅外傳感圖像融合條件的基礎(chǔ)上，對(duì)已知監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)劃分。

2 變電站異物入侵的在線監(jiān)測方法

根據(jù)已知的異物入侵行為采集結(jié)果，按照樣本集合確定、監(jiān)測指標(biāo)選取、權(quán)重值計(jì)算的處理流程，實(shí)現(xiàn)融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監(jiān)測方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 樣本集合確定

樣本集合是指能夠容納所有監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)集空間。由于小動(dòng)物入侵行為具有迅速性與不確定性的特點(diǎn)，所以樣本集合的覆蓋空間必須足夠大，才有可能將所有監(jiān)測圖像信息都包含在內(nèi)[11-12]。設(shè)s1、s2、…、sn表示n個(gè)不同的小動(dòng)物入侵行為監(jiān)測圖像信息，在既定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，n個(gè)s指標(biāo)的物理數(shù)值水平不可能完全相等。?表示基于紅外傳感器設(shè)備的入侵圖像查詢系數(shù)，χ表示監(jiān)測圖像信息的度量條件，fmax表示變電站主機(jī)所能監(jiān)測到的小動(dòng)物入侵行為表現(xiàn)強(qiáng)度的最大值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將融合圖像與紅外傳感的變電站異物監(jiān)測樣本集合表示為：

一般情況下，樣本集合中所涉及的監(jiān)測圖像信息存儲(chǔ)數(shù)值量越大，變電站主機(jī)所能監(jiān)測到的小動(dòng)物入侵行為表現(xiàn)形式也就越多。

2.2 監(jiān)測指標(biāo)選取

在樣本集合空間中，監(jiān)測指標(biāo)并不是獨(dú)立存在的物理變量，而是一類能夠真實(shí)反映小動(dòng)物入侵行為表現(xiàn)能力的系數(shù)項(xiàng)指標(biāo)。由于紅外傳感圖像的清晰度水平較高，所以在選取監(jiān)測指標(biāo)時(shí)，必須注重對(duì)行為變量間相似性的分辨[13-14]。設(shè)j1、j2表示兩個(gè)不相等的小動(dòng)物入侵行為表現(xiàn)能力指標(biāo)，在既定樣本集合空間中，j1＜j2的不等式條件恒成立。r表示與變電站主機(jī)匹配的檢測指征值，?表示小動(dòng)物入侵行為特征的選取標(biāo)準(zhǔn)，D表示既定的紅外傳感圖像感應(yīng)系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4），可將變電站異物入侵在線監(jiān)測指標(biāo)的選取表達(dá)式定義為：

根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)選取結(jié)果，能夠確定已知樣本集合的實(shí)用性價(jià)值，在此基礎(chǔ)上，按照權(quán)重值表達(dá)式計(jì)算紅外傳感融合圖像中的小動(dòng)物入侵行為表現(xiàn)強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)既定數(shù)據(jù)信息指標(biāo)參量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

2.3 權(quán)重值計(jì)算

權(quán)重值指標(biāo)可用來衡量變電站主機(jī)監(jiān)測小動(dòng)物入侵行為的能力，對(duì)于已選取的監(jiān)測指標(biāo)而言，權(quán)重值指標(biāo)計(jì)算結(jié)果越大，表示變電站主機(jī)監(jiān)測小動(dòng)物入侵行為的能力也就越強(qiáng)[15-16]。規(guī)定c、v表示兩個(gè)隨機(jī)選取的小動(dòng)物入侵行為標(biāo)度值，對(duì)于已采集到的紅外傳感融合圖像而言，c≠v的不等式條件恒成立。bc表示標(biāo)度值為c時(shí)的監(jiān)測權(quán)重項(xiàng)指標(biāo)，bv表示標(biāo)度值為v時(shí)的監(jiān)測權(quán)重項(xiàng)指標(biāo)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（5），可將權(quán)重值計(jì)算式定義為：

式（6）中，M表示核心監(jiān)測指標(biāo)，表示異物入侵行為的表現(xiàn)特征。至此，完成相關(guān)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在確保不出現(xiàn)其他干擾條件的情況下，實(shí)現(xiàn)融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監(jiān)測方法的順利應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

為突出說明融合圖像與紅外傳感在線監(jiān)測方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D2 所示原理對(duì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。其中，與實(shí)驗(yàn)監(jiān)測設(shè)備相連的控制主機(jī)搭載融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監(jiān)測方法，與對(duì)照組監(jiān)測設(shè)備相連的控制主機(jī)搭載感知哈希矩陣檢測方法。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試原理示意圖

令小動(dòng)物在變電站外部自由活動(dòng)，當(dāng)其進(jìn)入監(jiān)測主機(jī)的感知范圍內(nèi)后，控制核心記錄元件，復(fù)原小動(dòng)物入侵行為圖像。復(fù)原圖像分辨率能夠反映主控設(shè)備監(jiān)測變電站異物入侵行為的能力。一般來說，復(fù)原圖像的分辨率水平越高，主控設(shè)備的監(jiān)測能力也就越強(qiáng)，此時(shí)變電站體系的安全運(yùn)行能力能夠得到較好地促進(jìn)。

復(fù)原圖像分辨率由長度像素?cái)?shù)X、寬度像素?cái)?shù)Y兩個(gè)指標(biāo)共同組成，在單位監(jiān)測區(qū)域中，X指標(biāo)與Y指標(biāo)的取值結(jié)果越大，則表示復(fù)原圖像的分辨率水平越高，反之則越低。

表1 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組長度像素?cái)?shù)X的具體變化情況。

表1 長度像素?cái)?shù)X

分析表1 可知，隨著單位監(jiān)測區(qū)域面積的增大，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組長度像素?cái)?shù)指標(biāo)均呈現(xiàn)不斷增大的數(shù)值變化趨勢，但實(shí)驗(yàn)組起始數(shù)值明顯高于對(duì)照組。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組長度像素?cái)?shù)均值為324.5 DPI，與實(shí)驗(yàn)組指標(biāo)均值298.6 DPI 相比，上升了25.9 DPI。

表2 反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組寬度像素?cái)?shù)Y的具體變化情況。

表2 寬度像素?cái)?shù)Y

分析表2 可知，與長度像素?cái)?shù)相比，寬度像素?cái)?shù)指標(biāo)的數(shù)值水平相對(duì)較低。對(duì)于實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)而言，當(dāng)單位監(jiān)測區(qū)域面積等于2.5 m2、4.0 m2時(shí)，其寬度像素?cái)?shù)指標(biāo)的取值結(jié)果相對(duì)較大，達(dá)到了75 DPI；當(dāng)單位監(jiān)測區(qū)域面積等于1.5 m2、2.0 m2、2.5 m2、3.5 m2時(shí)，其寬度像素?cái)?shù)指標(biāo)的取值結(jié)果相對(duì)較大為67 DPI，但依然小于實(shí)驗(yàn)組的最大值。

綜上可知，當(dāng)控制主機(jī)搭載融合圖像與紅外傳感的在線監(jiān)測方法后，其所獲圖像的長度像素?cái)?shù)、寬度像素?cái)?shù)指標(biāo)數(shù)值水平明顯提高，可以使圖像保持較高的分辨率水平。因此，可認(rèn)為該方法既能維持變電站體系的安全運(yùn)行能力，也可以抑制小動(dòng)物入侵行為的出現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值。

4 結(jié)束語

在小動(dòng)物入侵檢測方法中，傳統(tǒng)感知哈希矩陣型檢測方法的應(yīng)用能力相對(duì)有限，不但不能保證復(fù)原圖像的分辨率水平，也不能對(duì)變電站體系的安全運(yùn)行起到促進(jìn)性影響。該研究的方法準(zhǔn)確劃分了監(jiān)測區(qū)域，又通過在樣本集合中計(jì)算權(quán)重值指標(biāo)的方式，分析所選取監(jiān)測指標(biāo)的有效性。從實(shí)用性角度來看，小動(dòng)物入侵行為復(fù)原圖像的分辨率水平大幅提升，能夠在防止小動(dòng)物入侵行為出現(xiàn)的同時(shí)，維護(hù)變電站體系的安全運(yùn)行能力。