基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)設(shè)計分析

鄭業(yè)金，王爍焱，陳歡歡，高 媛

（山東棗礦中興電氣有限公司，山東 棗莊 277011）

0 引言

電網(wǎng)線路在電網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，且線路檢修效率與質(zhì)量會對系統(tǒng)運行安全性與穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，只有加強預警才能夠有效提升線路檢修效率，為此應根據(jù)研究結(jié)果分析如何在機器視覺的基礎(chǔ)上設(shè)計線路檢修流程自動預警系統(tǒng)。

1 機器視覺、線路檢修與自動預警概述

1.1 機器視覺

機器視覺技術(shù)是一門涉及人工智能、心理物理學、圖像處理、計算機科學以及模式識別等諸多領(lǐng)域的交叉學科，可以通過計算機模擬人的視覺功能并從客觀事物的圖像中提取關(guān)鍵信息，通過對信息的處理與分析進行相應的檢測與控制，具有功能多、信息量大、速度快等優(yōu)勢。在應用該技術(shù)時需要充分發(fā)揮機器視覺系統(tǒng)的作用，即通過電荷耦合器件（charge coupled device, CCD）等機器視覺產(chǎn)品獲取被攝取目標的圖像信號，隨后通過圖像處理系統(tǒng)獲取目標的形態(tài)信息并根據(jù)像素分布等情況獲取目標的特征，最后根據(jù)判別結(jié)果控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

1.2 線路檢修

線路檢修指的是對線路進行巡視、檢測與試驗并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題制定合適的方案，從而消除線路缺陷、預防線路出現(xiàn)事故、保障線路安全運行的過程。電網(wǎng)線路在運行過程中會受到運行環(huán)境、人為操作等諸多因素的影響，出現(xiàn)故障的可能性較大，而加強線路檢修可以及時發(fā)現(xiàn)線路的異常情況并且降低出現(xiàn)嚴重問題的概率[1]。

1.3 自動預警

預警即在問題發(fā)生前根據(jù)以往總結(jié)的規(guī)律或發(fā)現(xiàn)的前兆向相關(guān)人員發(fā)出緊急信號并報告危險情況，從而最大程度的減輕問題所造成的損失。自動預警指的是系統(tǒng)直接根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息以及分析結(jié)果發(fā)出預警信號，以便相關(guān)人員及時發(fā)現(xiàn)可能會出現(xiàn)的問題。

2 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)應用優(yōu)勢

2.1 有利于提高線路檢修效率

在傳統(tǒng)檢修手段等因素的影響下，線路檢修的效率較低。而在機器視覺的基礎(chǔ)上設(shè)計線路檢修流程自動預警系統(tǒng)可以通過機器視覺產(chǎn)品直接獲取線路的圖像信息并根據(jù)圖像信息的處理結(jié)果自動判斷線路是否存在異常情況，且能夠通過聲音預警、燈光預警等信號進行相應的提示，有利于讓線路檢修人員及時發(fā)現(xiàn)線路異常，為后續(xù)檢修奠定基礎(chǔ)[2]。

2.2 有利于保障線路運行安全性

若線路出現(xiàn)故障將會產(chǎn)生一些安全隱患并對電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴重影響，科學設(shè)計基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)可以進一步優(yōu)化線路檢修的流程以及方法，且可以為其他工作提供支持，有利于保障線路運行的安全性。

3 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件設(shè)計是自動預警系統(tǒng)設(shè)計的重點內(nèi)容，在設(shè)計過程中應綜合分析機器視覺的原理與特點以及自動預警系統(tǒng)的運行需求，之后優(yōu)化整體的硬件結(jié)構(gòu)。例如，可以將自動預警系統(tǒng)的硬件設(shè)計為三大模塊，即基礎(chǔ)模塊、中心模塊與關(guān)鍵模塊，將信息采集模塊、預警模塊與控制模塊納入基礎(chǔ)模塊中；將STM32F 微控制器、直接存儲器訪問（data memory access, DMA）DMA1、DMA2、DMA3、DMA4、DMA5 以 及 PIC16F877單片機納入中心模塊中；將數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）、按鍵、開關(guān)輸入模塊、開關(guān)輸出模塊以及中央處理器（central processing unit, CPU）模塊納入關(guān)鍵模塊中，從而完善硬件結(jié)構(gòu)、加大信息控制力度。

3.2 采集電路設(shè)計

在進行基于機器視覺的自動預警系統(tǒng)設(shè)計時需要選擇合適的數(shù)字圖像傳感器并科學設(shè)計采集電路。首先，可以選擇OV7620 這種分辨率高、集成度高且內(nèi)部含有A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字圖像傳感器。但進行線路檢修需要采集大量的圖像數(shù)據(jù)信息，對數(shù)字圖像傳感器的采集能力與存儲能力有較高的要求，因此在應用這種數(shù)字圖像傳感器時需要應用圖像緩存技術(shù)，通過這種技術(shù)手段擴展圖像數(shù)據(jù)存儲量、加快圖像輸出速度。其次，在明確數(shù)字圖像傳感器后需優(yōu)化采集電路，例如，應在采集電路中設(shè)置4 個SS14 二極管、4 個電阻以及1 個PWR2.5 接口；通過SCL 控制線使控制器對數(shù)字圖像傳感器進行預設(shè)與控制；提高電路模擬開關(guān)的信號輸出水平，使開關(guān)能夠在接收到預警信號時輸出水平同步信號并將信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?；當?shù)字圖像傳感器的觸發(fā)器輸出端轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r，使傳感器自動寫入行像素數(shù)據(jù)并獲取檢修圖像數(shù)據(jù)；當采集電路中同時出現(xiàn)兩個脈沖信號就說明一幀線路檢修圖像采集成功。

3.3 單片機設(shè)計

單片機屬于集成電路芯片，是通過超大規(guī)模集成電路技術(shù)將中央處理器、隨機存儲器等硬件設(shè)施集成到一塊硅片上的微型計算機系統(tǒng)，在自動預警系統(tǒng)中的應用價值較高。在進行基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)硬件設(shè)計時應科學選擇單片機并優(yōu)化具體設(shè)計。例如，在該系統(tǒng)中可以選擇PIC16F877 單片機，因為這種單片機將數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器等設(shè)備結(jié)合了起來，具有十分完善的功能，且具有40 個通道以及8 位分辨率。這種單片機的引腳以及I/O 端口相對較多，其中兩個引腳可以為輸入線路檢修數(shù)據(jù)提供接口，3 個引腳可以為輸出線路檢修數(shù)據(jù)提供接口，而I/O端口可以為線路檢修數(shù)據(jù)的輸入以及輸出提供電流并為固態(tài)繼電器提供驅(qū)動力。這種單片機也具有預警電路，可以通過聲音預警的方式進行提示，具有瞬時電壓范圍大、預警音響多、功耗低等優(yōu)勢。一旦電網(wǎng)線路出現(xiàn)異常情況，集成芯片的管腳就會直接輸出異常線路的電阻以及音頻信號的頻率，從而進行預警。因此，在設(shè)計過程中需要在單片機的輸入端中輸入經(jīng)過放大處理的線路預警信號，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行線路預警信號的分析與轉(zhuǎn)換，若分析結(jié)果為單片機的輸入端電壓小于輸出端電壓就說明電網(wǎng)線路處于正常運行狀態(tài)中，沒有出現(xiàn)短路或過載等問題；若分析結(jié)果為單片機的輸入端電壓大于輸出端電壓就說明電網(wǎng)線路處于異常運行狀態(tài)中，出現(xiàn)了短路或過載等問題[3]。

3.4 控制器設(shè)計

控制器在系統(tǒng)硬件中發(fā)揮著重要作用，而STM32F微控制器的結(jié)構(gòu)較為合理、功能較為完善，所以在該自動預警系統(tǒng)中選擇這一款控制器[4]。從具體結(jié)構(gòu)來看，STM32F 微控制器含有16 位ARM 內(nèi)核以及存儲容量為256kB 的閃存存儲器，且其內(nèi)部含有RS232 通信接口與外部時鐘，其中RS232 通信接口是與單片機相互連接的，可實現(xiàn)異常線路數(shù)據(jù)的傳輸?？傊?，STM32F 微控制器在運行過程中可有效接收由機器視覺系統(tǒng)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)與異常線路數(shù)據(jù)都存儲在閃存存儲器當中，線路檢修人員便可直接查看相關(guān)數(shù)據(jù)，增強線路檢修的準確性。但如果出現(xiàn)短路等異常情況，電網(wǎng)線路的瞬時電壓會達到7.8V，而這一電壓遠遠大于控制器芯片的瞬時電壓，且異常線路的電流也會在短時間內(nèi)從1.3A 上升為25A。在這種情況下若想有效控制異常線路就需要將微控制器與32 位雙向總線收發(fā)器連接起來，通過收發(fā)器將7.8V 的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V的電壓并通過采樣電阻將異常線路的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，之后將電壓信號輸送至控制器的輸出端，通過光耦實現(xiàn)隔離保護，最后再將控制器的外部時鐘頻率從18MHz 調(diào)整為36MHz 并通過手動復位這種方式對異常線路的電壓以及電流進行有效控制。

4 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)軟件設(shè)計

在完成系統(tǒng)硬件設(shè)計工作后需要進行軟件設(shè)計，增強系統(tǒng)的完善性與功能性。

4.1 軟件運行流程設(shè)計

在進行軟件設(shè)計時應先明確軟件運行流程，該系統(tǒng)軟件運行流程設(shè)計如圖1 所示。

4.2 異常線路定位設(shè)計

異常線路定位是軟件運行中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在設(shè)計時應明確定位異常線路的原理。從實際情況來看，若假設(shè)有k 條線路、n 個疑似異常線路點，在電網(wǎng)系統(tǒng)中存在干擾與噪聲的環(huán)境中對這k 條線路進行異常判斷，假設(shè)所判斷出的異常線路點為m，在這種情況下對疑似異常線路點與判斷出的異常線路點進行對比分析并分別標注重疊與非重疊的線路點，隨后根據(jù)標注情況進行異常定位，該軟件可以通過定位函數(shù)進行異常線路的定位[5]。定位函數(shù)如式（1）所示。

式中：Wn——通過機器視覺系統(tǒng)所采集的異常線路像素點；δm——拍攝到的異常線路點的形態(tài)信息；x——線路異常點；yn+1——疑似異常線路點的誤差權(quán)值。

4.3 通信狀態(tài)判斷設(shè)計

一般情況下，需要根據(jù)服務器的顯示狀態(tài)判斷電網(wǎng)系統(tǒng)的通信狀態(tài)，即若服務器顯示正常則說明電網(wǎng)系統(tǒng)處于正常的通信狀態(tài)中，若服務器顯示中斷則說明電網(wǎng)系統(tǒng)的通信處于中斷的狀態(tài)中。但服務器會受到線路等諸多因素的影響，無法直接顯示電網(wǎng)系統(tǒng)的通信狀態(tài)，所以該自動預警系統(tǒng)需要根據(jù)式（2）進行通信狀態(tài)的判斷。

式中：Zn——電網(wǎng)系統(tǒng)通信狀態(tài)的判斷結(jié)果；Am——當異常線路點為m 時電網(wǎng)系統(tǒng)的通信狀態(tài)；Bk+1——在k條線路下電網(wǎng)系統(tǒng)的通信中斷狀態(tài)。

4.4 異常線路預警設(shè)計

若電網(wǎng)系統(tǒng)處于正常的通信狀態(tài)中，則該自動預警系統(tǒng)需要根據(jù)式（3）進行異常線路預警。

式中：T——異常線路預警結(jié)果；Zn——電網(wǎng)系統(tǒng)通信狀態(tài)的判斷結(jié)果；U——所采集的預警電壓。

在預警到異常線路后，線路檢修人員就要及時檢測異常線路的狀態(tài)并明確其具體故障，根據(jù)故障類型以及故障原因制定故障處理方案，避免造成嚴重后果。

5 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)實驗驗證

為了驗證基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)，在兩個變電站中進行了實驗。其中一個變電站的電容為10000pF，另一個變電站的電容為5000pF，在實驗時在兩個變電站之間設(shè)置了測量裝置且將實驗線路連接線的長度控制在了40m 左右。在完成實驗現(xiàn)場的布置工作后將電路電壓調(diào)整為了110kV，隨后利用絕緣子進行局部放電并利用基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)進行異常線路的定位。在分析后發(fā)現(xiàn)，第一個變電站在實驗的第0.45s 時開始產(chǎn)生故障波動，而設(shè)計的自動預警系統(tǒng)可以在0.45s 時檢測到線路的故障位置。第二個變電站在實驗的第0.27s 時開展產(chǎn)生故障波動，而自動預警系統(tǒng)可以及時檢測到線路的故障位置。這就說明在機器視覺的基礎(chǔ)上設(shè)計線路檢修流程自動預警系統(tǒng)可有效采集線路的數(shù)據(jù)信息并及時對線路故障進行預警，在實際工作中發(fā)揮著重要作用[6]。

6 結(jié)語

機器視覺是一種較為先進的技術(shù)手段，可以為線路檢修流程自動預警系統(tǒng)提供技術(shù)支持，所以應深入研究機器視覺的應用并根據(jù)實際情況做好自動預警系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計工作，完善系統(tǒng)的性能與功能，充分發(fā)揮這一系統(tǒng)在電網(wǎng)線路檢修中的作用，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。