變電站巡檢機(jī)器人老舊表計(jì)識(shí)別性能提升

張 珂，王 靜，邵健偉，崔 魯，郭晉超，張 勇

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

變電站設(shè)備的精益巡視是保障變電站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。隨著設(shè)備管理體系朝著“智慧化、實(shí)時(shí)化、精益化”的轉(zhuǎn)型，以“人工例行巡視遠(yuǎn)程智能化替代”為代表的智能運(yùn)檢新模式正逐步從構(gòu)想走向現(xiàn)實(shí)。巡檢機(jī)器人是遠(yuǎn)程智能巡檢系統(tǒng)的核心組成部分，目前已在江蘇220 kV 及以上等級(jí)的變電站廣泛應(yīng)用。在模式識(shí)別、紅外熱成像、激光導(dǎo)航定位等技術(shù)的支持下，巡檢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)包括表計(jì)讀數(shù)、設(shè)備測(cè)溫、缺陷識(shí)別在內(nèi)的變電站運(yùn)維常見(jiàn)工作的替代[2]，可有效降低人工巡檢時(shí)長(zhǎng)，減少高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域停留時(shí)間，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性以及保障運(yùn)維人員的人身安全[3-6]。但在實(shí)際應(yīng)用中，巡檢機(jī)器人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)的巡檢過(guò)程中常常出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別、錯(cuò)誤識(shí)別等現(xiàn)象，表計(jì)識(shí)別準(zhǔn)確率低已嚴(yán)重制約遠(yuǎn)程智能巡檢系統(tǒng)的推廣。

在表計(jì)識(shí)別方面，國(guó)內(nèi)外主流方法有兩類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)傳統(tǒng)的圖像處理進(jìn)行指針識(shí)別獲取讀數(shù)，以基于霍夫(Hough)變換的模板匹配法為代表[7，8]，該類(lèi)方法計(jì)算量小，識(shí)別較可靠，已大量運(yùn)用于變電站表計(jì)識(shí)別領(lǐng)域，但存在識(shí)別魯棒性差，前期模板抓取、數(shù)據(jù)標(biāo)定工作量大，算法可移植性較差等缺陷；另一類(lèi)是采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)進(jìn)行表計(jì)識(shí)別，以目標(biāo)檢測(cè)算法(主要是yolo 與Faster-R-CNN)為代表，該類(lèi)算法的優(yōu)勢(shì)是識(shí)別精度較高，但識(shí)別準(zhǔn)確率依賴(lài)訓(xùn)練樣本集的標(biāo)注數(shù)量與質(zhì)量，定位準(zhǔn)確率較差，且尚未在變電站表計(jì)識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用。目前，變電站已投運(yùn)的巡檢機(jī)器人均采用基于Hough 變換直線(xiàn)檢測(cè)的模板匹配法，在算法改進(jìn)方面，文獻(xiàn)[9]增加了指針中心線(xiàn)通過(guò)表計(jì)中心等約束條件，提高了在惡劣光照條件下表計(jì)識(shí)別的準(zhǔn)確率；文獻(xiàn)[10]以模板匹配的方式實(shí)現(xiàn)表計(jì)與鏡頭的位置匹配，提高了表計(jì)識(shí)別算法的魯棒性；文獻(xiàn)[11]使用自適應(yīng)中值濾波算法對(duì)圖像預(yù)處理，提高了指針式表計(jì)的識(shí)別精度；文獻(xiàn)[12]提出了一種表計(jì)圖像掃描區(qū)域拓展方法，解決了表計(jì)液面干擾指針識(shí)別的問(wèn)題。

由于表計(jì)與巡檢機(jī)器人長(zhǎng)期投用，存在設(shè)備老化等問(wèn)題，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)中表計(jì)識(shí)別準(zhǔn)確率并不理想。上述文獻(xiàn)從改進(jìn)直線(xiàn)檢測(cè)算法的角度解決表計(jì)識(shí)別的不同細(xì)分領(lǐng)域的相關(guān)問(wèn)題，而未考慮表計(jì)觀(guān)察窗本身的老化模糊問(wèn)題；同時(shí)，變電站內(nèi)大量配置的巡檢機(jī)器人因配置時(shí)間早，受巡檢主機(jī)運(yùn)算能力制約，很難通過(guò)整體更換算法的方式來(lái)提升表計(jì)識(shí)別性能。因此，在當(dāng)前硬件水平及實(shí)際條件下，如何提升巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別的精度，就顯得尤為重要。

通過(guò)分析云臺(tái)拍攝虛焦、背光拍攝、拍攝角度偏差、表盤(pán)觀(guān)察窗老化模糊、模板表盤(pán)標(biāo)定誤差、比對(duì)模板抓取模糊等因素對(duì)表計(jì)識(shí)別精度的影響，提出巡檢機(jī)器人老舊表計(jì)識(shí)別性能提升方法并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所提出的方法可將表計(jì)識(shí)別的準(zhǔn)確率從54.4 %提升至95.2 %，具備實(shí)用價(jià)值。

1 表計(jì)識(shí)別原理介紹

1.1 巡檢機(jī)器人配置情況

某500 kV 變電站配置了國(guó)網(wǎng)智能科技股份有限公司的LER3000B 型巡檢機(jī)器人，于2013 年投運(yùn)，與表計(jì)識(shí)別相關(guān)的技術(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 巡檢機(jī)器人技術(shù)配置

1.2 巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別原理

LER3000B 型巡檢機(jī)器人采用基于Hough 變換的直線(xiàn)檢測(cè)法，其識(shí)別過(guò)程如圖1 所示[13]。

圖1 表計(jì)識(shí)別過(guò)程示意

2 常見(jiàn)問(wèn)題分析

該變電站于2001 年建成，其高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域需抄錄的表計(jì)為開(kāi)關(guān)六氟化硫壓力表、開(kāi)關(guān)油壓表、避雷器泄漏電流及避雷器動(dòng)作次數(shù)表，后兩者雖布置于同一表盤(pán)內(nèi)，但因識(shí)別過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，一般作為兩塊不同表計(jì)進(jìn)行識(shí)別。

巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別任務(wù)一般不安排在惡劣天氣下開(kāi)展的原因主要有：一方面，霧霾、揚(yáng)塵、暴雨等因素會(huì)導(dǎo)致視程與可見(jiàn)度下降，巡檢機(jī)器人無(wú)法清晰拍攝到表計(jì)的圖像，造成表計(jì)數(shù)值無(wú)法識(shí)別；另一方面，惡劣天氣本身也會(huì)造成巡檢機(jī)器人故障率上升，因此，在保證鏡頭分辨率與光學(xué)變焦能力達(dá)標(biāo)的情況下，巡檢機(jī)器人才會(huì)開(kāi)展相關(guān)任務(wù)。排除天氣因素，表計(jì)識(shí)別錯(cuò)誤主要由以下原因造成。

2.1 云臺(tái)拍攝虛焦

巡檢機(jī)器人拍攝工作流程為：巡檢機(jī)器人到達(dá)拍攝位置，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)被拍攝表計(jì)，使用初始伺服光學(xué)變焦倍率進(jìn)行一次粗聚焦，在此基礎(chǔ)上再微調(diào)光學(xué)變焦倍率，使得圖片焦距正確后拍攝表計(jì)圖片。在機(jī)器人投運(yùn)時(shí)，為保證遠(yuǎn)處表計(jì)的拍攝效果，初始伺服光學(xué)變焦倍率常常被維護(hù)人員設(shè)置成最大值，此時(shí)PID 自動(dòng)調(diào)焦功能一旦出現(xiàn)細(xì)微擾動(dòng)，將導(dǎo)致變焦能力超出鏡頭物理限制，調(diào)焦算法存在溢出值，光學(xué)變焦倍率將反復(fù)振蕩，在調(diào)焦時(shí)間達(dá)到最大值15 s 后，鏡頭自動(dòng)停止調(diào)焦并拍攝圖像，造成圖像失焦無(wú)法辨認(rèn)。

2.2 拍攝背光影響

室外變電站的一次設(shè)備大多處于自然環(huán)境中，不同時(shí)間段陽(yáng)光照射的角度對(duì)巡檢機(jī)器人拍攝照片的清晰度會(huì)產(chǎn)生影響。若在正午執(zhí)行巡檢任務(wù)，由于此時(shí)光線(xiàn)直射表計(jì)，被攝表計(jì)幾乎不存在背光，其表盤(pán)刻度、指針位置等細(xì)節(jié)比較清晰，利于巡檢機(jī)器人拍攝；而在清晨或黃昏執(zhí)行巡檢任務(wù)，光線(xiàn)可能從表計(jì)背面散發(fā)，被攝表計(jì)會(huì)因背光而變得較暗，其刻度、指針位置等細(xì)節(jié)也會(huì)隨之變得模糊，不利于巡檢機(jī)器人拍攝。

2.3 拍攝點(diǎn)位角度偏差大

巡檢機(jī)器人的巡檢點(diǎn)位一般由工作人員進(jìn)行布置，一個(gè)巡檢點(diǎn)位往往需要對(duì)周?chē)?～3 個(gè)表計(jì)進(jìn)行拍攝。若工作人員規(guī)劃的巡檢點(diǎn)位不合理，將會(huì)導(dǎo)致拍攝的表計(jì)原始圖像角度偏差大，影響表計(jì)識(shí)別甚至無(wú)法識(shí)別。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拍攝角度偏差的影響進(jìn)行了測(cè)試，遙控巡檢機(jī)器人至現(xiàn)場(chǎng)50116 避雷器A 相泄漏電流表附近進(jìn)行拍攝，人為制造0°～75°的拍攝角度偏差，每個(gè)角度進(jìn)行10 次拍攝，并使用巡檢主機(jī)進(jìn)行識(shí)別，拍攝偏差角度與可識(shí)別率如圖2 所示。

圖2 拍攝偏差角度與可識(shí)別率

圖2 中的結(jié)果表明巡檢機(jī)器人鏡頭與表盤(pán)正面偏差超過(guò)30°后，識(shí)別成功率急劇下降。

2.4 表盤(pán)觀(guān)察窗老化模糊

隨著變電站投運(yùn)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，部分表計(jì)的表盤(pán)觀(guān)察窗老化模糊現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致其示數(shù)無(wú)法被清晰拍攝。此類(lèi)表盤(pán)觀(guān)察窗的材質(zhì)一般為丙烯酸塑料(有機(jī)玻璃)，老化后表面呈磨砂狀且發(fā)黃，巡檢機(jī)器人無(wú)法清晰拍攝表盤(pán)圖像，擴(kuò)大了表計(jì)的識(shí)別相對(duì)誤差。

2.5 模板表盤(pán)標(biāo)定誤差大

巡檢機(jī)器人在投運(yùn)之初會(huì)由工作人員對(duì)表計(jì)的表盤(pán)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，用以確認(rèn)表盤(pán)的刻度分布，方便算法正確識(shí)別指針指向位置的數(shù)值。若標(biāo)定粗糙，機(jī)器人識(shí)別的表盤(pán)刻度分布與實(shí)際分布不符，致使算法識(shí)別的指針數(shù)值和實(shí)際值存在偏差，造成數(shù)值識(shí)別錯(cuò)誤。

對(duì)某壓力表計(jì)人為制造-0.3～0.3 MPa 的標(biāo)定誤差，每組試驗(yàn)3 次，分3 天進(jìn)行，得到表計(jì)識(shí)別相對(duì)誤差與模板標(biāo)定相對(duì)誤差的關(guān)系(見(jiàn)圖3)，可見(jiàn)兩者之間存在強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系。

圖3 模板標(biāo)定相對(duì)誤差與表計(jì)識(shí)別相對(duì)誤差關(guān)系

2.6 算法內(nèi)置比對(duì)模板模糊

巡檢機(jī)器人在投運(yùn)之初會(huì)由工作人員對(duì)每一個(gè)表計(jì)抓取一個(gè)比對(duì)模板，每次巡檢時(shí)采用基于模板比對(duì)的直線(xiàn)檢測(cè)算法進(jìn)行識(shí)別，若表計(jì)用來(lái)比對(duì)的內(nèi)置模板模糊，將影響表計(jì)識(shí)別的準(zhǔn)確度。

參考如上壓力表計(jì)模板表盤(pán)標(biāo)定相對(duì)誤差的測(cè)試方法，設(shè)置觀(guān)察組與對(duì)照組，使用巡檢主機(jī)進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果如圖4 所示。可見(jiàn)，巡檢機(jī)器人識(shí)別算法內(nèi)置比對(duì)模板模糊會(huì)擴(kuò)大識(shí)別相對(duì)誤差，且誤差隨機(jī)分布。

圖4 表計(jì)識(shí)別相對(duì)誤差與算法內(nèi)置模板清晰情況

3 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域老舊表計(jì)識(shí)別性能提升

拍攝背光問(wèn)題可采用合理安排巡視時(shí)間來(lái)解決；拍攝點(diǎn)位角度偏差大可以通過(guò)重新規(guī)劃巡檢點(diǎn)位的手段解決；比對(duì)模板模糊的問(wèn)題則可以通過(guò)人工在后臺(tái)遙控機(jī)器人，手動(dòng)調(diào)焦抓取清晰模板的方式來(lái)解決；模板表盤(pán)標(biāo)定誤差大可重新人為進(jìn)行無(wú)差標(biāo)定，以降低表計(jì)識(shí)別的相對(duì)誤差。但拍攝虛焦、表盤(pán)觀(guān)察窗模糊等問(wèn)題則需要通過(guò)優(yōu)選光學(xué)變焦倍率、邊緣檢測(cè)區(qū)域橢圓全貼合標(biāo)注、小區(qū)域數(shù)據(jù)密集標(biāo)定等方法來(lái)解決。

3.1 優(yōu)選初始伺服光學(xué)變焦倍率

巡檢機(jī)器人表計(jì)拍攝虛焦的原因是初始伺服光學(xué)變焦倍率設(shè)置過(guò)高導(dǎo)致。為得到最優(yōu)的初始伺服光學(xué)變焦倍率，選取站內(nèi)四種表計(jì)各8 個(gè)，采用步進(jìn)法設(shè)置不同的初始伺服光學(xué)變焦倍率進(jìn)行測(cè)算，觀(guān)察拍攝圖片的清晰度，得到的結(jié)果如圖5 所示?？芍跏妓欧鈱W(xué)變焦倍率設(shè)置為27 或28 時(shí)，清晰占比最高。

圖5 拍攝清晰占比與初始伺服光學(xué)變焦倍率關(guān)系

3.2 邊緣檢測(cè)區(qū)域橢圓全貼合標(biāo)注

巡檢機(jī)器人表計(jì)識(shí)別的準(zhǔn)確度依賴(lài)于前期模板的標(biāo)注，而機(jī)器人投運(yùn)初期，工作人員常常將表計(jì)模板的表盤(pán)邊緣標(biāo)注為圓型，且存在與表盤(pán)不貼合的現(xiàn)象。通過(guò)人為調(diào)整邊緣檢測(cè)算法標(biāo)注區(qū)域(根據(jù)實(shí)際情況標(biāo)注為圓形或橢圓等形狀)，使之完全貼合表盤(pán)邊緣，可有效降低表計(jì)識(shí)別相對(duì)誤差。某六氟化硫壓力表在不同邊緣檢測(cè)標(biāo)注方式下的識(shí)別結(jié)果如表2 所示。

表2 六氟化硫壓力表在不同邊緣檢測(cè)標(biāo)注方式下的識(shí)別結(jié)果

3.3 小區(qū)域數(shù)據(jù)密集標(biāo)定

針對(duì)表盤(pán)觀(guān)察窗存在老化模糊的問(wèn)題，在采取準(zhǔn)確聚焦、人為無(wú)差標(biāo)定等措施后，表計(jì)還會(huì)出現(xiàn)識(shí)別不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

根據(jù)Hough 直線(xiàn)檢測(cè)算法，數(shù)據(jù)標(biāo)注對(duì)表計(jì)識(shí)別有鉗位作用，因此，對(duì)六氟化硫壓力表正常運(yùn)行的0.6～0.8 MPa 區(qū)域進(jìn)行密集標(biāo)定，間隔從0.2 MPa 縮小至0.02 MPa。小區(qū)域密集標(biāo)定后，該壓力表計(jì)識(shí)別值與真實(shí)值一致。此外，老舊的表計(jì)還應(yīng)結(jié)合常規(guī)的檢修工作進(jìn)行逐步更換。

4 應(yīng)用測(cè)試

按照前述的三種方法改進(jìn)后，使用LER3000B型巡檢機(jī)器人對(duì)該500 kV 變電站第二串的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行表計(jì)識(shí)別應(yīng)用測(cè)試。

查閱巡檢任務(wù)報(bào)表，巡檢機(jī)器人對(duì)某六氟化硫壓力表自動(dòng)識(shí)別的示數(shù)為334.86 bar，真實(shí)值為336.00 bar，相對(duì)誤差為0.34 %，識(shí)別正確且精度較高；避雷器泄露電流表由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，表計(jì)表盤(pán)老化模糊，巡檢機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別值為1.64 mA，真實(shí)值為1.65 mA，相對(duì)誤差為0.61 %。兩次識(shí)別的相對(duì)誤差均小于1 %，識(shí)別正確且精度較高。

逐一對(duì)比此次巡檢報(bào)告數(shù)據(jù)，巡檢的總表計(jì)數(shù)為21 個(gè)，識(shí)別正確數(shù)為20 個(gè)，識(shí)別準(zhǔn)確率為95.2 %，相對(duì)誤差小于3 %。優(yōu)化后的表計(jì)識(shí)別準(zhǔn)確率相較優(yōu)化前的52.4 %有了較大提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)變電站巡檢機(jī)器人在老舊表計(jì)識(shí)別上的問(wèn)題，提出變電站高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域老舊表計(jì)識(shí)別性能提升方法。通過(guò)500 kV 變電站第二串高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的表計(jì)識(shí)別應(yīng)用測(cè)試，該方法對(duì)清晰表計(jì)與老舊模糊表計(jì)的識(shí)別相對(duì)誤差均小于3 %，表計(jì)識(shí)別準(zhǔn)確率從52.4 %提升至95.2 %，有效提高了巡檢機(jī)器人的工作效率，實(shí)現(xiàn)了表計(jì)人工抄錄工作的智能化替代，保障了人員和設(shè)備的安全。