孟德欣

摘 要： 針對(duì)如何在塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中快速確定故障定日鏡的問題，通過對(duì)采集到的定日鏡場(chǎng)圖像進(jìn)行圖像二值化等預(yù)處理操作，利用形態(tài)學(xué)開閉運(yùn)算消除陰影、支架等無關(guān)信息，得到形態(tài)學(xué)去噪后的目標(biāo)圖像，提取每個(gè)定日鏡連通分量，并與定日鏡場(chǎng)正常圖像進(jìn)行灰度值比較，從而識(shí)別并標(biāo)注出灰度值異常的故障定日鏡。為檢驗(yàn)本算法，選取了定日鏡現(xiàn)場(chǎng)圖像為測(cè)試圖像進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)在定日鏡場(chǎng)故障診斷中具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 定日鏡場(chǎng)； 圖像處理； 二值化； 形態(tài)學(xué)； 故障診斷

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）11-01-03

Research on heliostat fault diagnose method based on morphological image processing

Meng Dexin

（Electronic Information Engineering Department Ningbo Polytechnic， Ningbo， Zhejiang 315800， China）

Abstract： In order to determine the problem of heliostat fault in the solar power tower system quickly， a method of heliostat fault diagnosis based on morphological image processing is proposed. Through processing by binarization operation on the solar power tower heliostat field image， eliminating the shadow and support details by using morphological opening and closing operation， each heliostat connected components are extracted， compared with gray value anomaly. The simulation experiment is carried on. The results illustrate that the fault diagnosis of heliostat field by morphological image processing technology has high accuracy and reliability.

Key words： heliostat field； image processing； binarization； morphology； fault diagnose

0 引言

在煤、石油和天然氣等不可再生的化石燃料日趨減少的情況下，人們對(duì)可再生的新能源開發(fā)和利用日益迫切。太陽能作為一種清潔的可再生能源，正日益成為人類使用能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。目前太陽能利用有光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換兩種方式。光電轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，這種發(fā)電方式效率低，成本高；光熱轉(zhuǎn)換的基本原理是將太陽輻射所產(chǎn)生的熱能加以利用。塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)利用眾多能夠獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡，將光線聚焦到固定在塔頂部的吸熱器上，并以熱能的形式帶動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來發(fā)電[1]。塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有集熱原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，適合大規(guī)模進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。

定日鏡作為塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)重要裝置，根據(jù)每天不同時(shí)刻太陽的位置，計(jì)算機(jī)控制中心自動(dòng)計(jì)算并調(diào)整定日鏡的角度，使得所有的定日鏡將陽光反射到吸熱器上。考慮到發(fā)電站往往由幾百個(gè)，甚至成千上萬個(gè)定日鏡組成定日鏡場(chǎng)的龐大規(guī)模，定日鏡工作過程中還需頻繁調(diào)整角度，極易發(fā)生故障，造成定日鏡的反射光不能有效匯集到吸熱器上，從而影響發(fā)熱效率。傳統(tǒng)的定日鏡故障診斷有人工巡檢和傳感器兩種方式。人工巡檢效率低，還易受到天氣、地理環(huán)境和技術(shù)水平等諸多因素的影響。傳感器方式自動(dòng)化、實(shí)時(shí)檢測(cè)定日鏡的方位角、高度角等狀態(tài)數(shù)據(jù)，但由于每個(gè)定日鏡都需安裝傳感器，成本較高。所以如何快速確定發(fā)生故障的定日鏡，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化高效的定日鏡故障診斷系統(tǒng)就成為太陽能工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)定日鏡的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)等方面，在故障診斷方法上沒有取得突破性進(jìn)展。如G.Sassi研究了利用控制電機(jī)自動(dòng)控制定日鏡，該裝置有傳感器控制、時(shí)鐘控制和程序控制等幾種方式，自動(dòng)跟蹤太陽的方法[2]。王成昱等人基于傳感器獲取定日鏡傳動(dòng)裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出齒輪剝落、齒輪磨損、齒輪擦傷、齒輪斷裂、齒面點(diǎn)蝕和齒面塑性變形等齒輪故障模式[3]。本文通過研究塔式太陽能發(fā)電站的攝像系統(tǒng)采集到的鏡場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)，利用形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)，提出一種定日鏡故障診斷方法，并以定日鏡現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可行有效，為我國(guó)太陽能發(fā)電站建設(shè)中定日鏡故障自動(dòng)檢測(cè)提供了一種新思路和技術(shù)手段。

1 定日鏡故障診斷流程

塔式太陽能發(fā)電站通過在中央吸熱塔上安裝攝像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集定日鏡場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)。發(fā)生故障的定日鏡與正常工作的定日鏡相比其外觀會(huì)明顯不同，發(fā)生姿態(tài)的定日鏡由于不能自動(dòng)跟蹤太陽，其方向角、高度角等狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)異常，反映在采集圖像上就是正常工作的定日鏡灰度值較大，發(fā)生故障的定日鏡灰度值較小，亮度相對(duì)較暗[4]。計(jì)算機(jī)通過對(duì)鏡場(chǎng)圖像處理分析，從而確定是否有定日鏡發(fā)生故障及故障定日鏡的位置。

基于形態(tài)學(xué)圖像處理的定日鏡故障診斷方法的核心部分是圖像處理算法，即在采集圖像數(shù)據(jù)中，如何通過圖像處理技術(shù)，識(shí)別并標(biāo)注出故障定日鏡為維修調(diào)試人員提供參考。我們首先對(duì)采集圖像中進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像二值化以及利用先驗(yàn)知識(shí)獲取感興趣的定日鏡場(chǎng)目標(biāo)區(qū)域。考慮到定日鏡場(chǎng)圖像中的陰影、支架及控制電路等細(xì)節(jié)信息無關(guān)，利用形態(tài)學(xué)開閉運(yùn)算方法與于消除，獲得去噪后的定日鏡圖像，提取每個(gè)定日鏡連通分量，并與定日鏡場(chǎng)正常圖像進(jìn)行灰度值比較，找出灰度值異常的故障定日鏡并標(biāo)注出其位置，從而實(shí)現(xiàn)定日鏡的故障診斷。

本文提出的定日鏡故障診斷流程如圖1所示。

[終止][開始][采集定日鏡場(chǎng)圖像][獲取定日鏡目標(biāo)區(qū)域圖像][圖像二值化預(yù)處理][形態(tài)學(xué)開閉運(yùn)算消除陰影、支架等無關(guān)的細(xì)節(jié)信息][設(shè)別、標(biāo)注故障定日鏡][輸出故障定日鏡]

圖1 定日鏡故障的診斷流程

2 定日鏡圖像處理

2.1 圖像預(yù)處理

在定日鏡場(chǎng)圖像采集過程中，外部環(huán)境因素對(duì)圖像質(zhì)量將會(huì)產(chǎn)生極大的影響。如白天和晚上不同的光照條件，晴天和陰天不同氣候條件，以及背景復(fù)雜度等，直接影響形狀判別和故障診斷。所以，對(duì)圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理非常有必要。

圖像預(yù)處理包括圖像二值化以及獲取定日鏡目標(biāo)區(qū)域圖像等步驟。假設(shè)圖像G在[0，M]范圍內(nèi)有N個(gè)灰度級(jí)，則其直方圖定義為離散函數(shù)：

⑴

其中，k=1，2，…，N，lk表示[0，M]范圍內(nèi)的第k級(jí)亮度，mk表示灰度級(jí)為lk的圖像中的像素?cái)?shù)。對(duì)于unit8類圖像N個(gè)灰度級(jí)來說，范圍上限M值為255。

實(shí)際操作中，經(jīng)常需要?dú)w一化直方圖，即使用所有圖像元素h（lk）除以像素總數(shù)T，如下公式：

⑵

⑶

由概率論的有關(guān)知識(shí)可知，p（lk）表示灰度級(jí)lk出現(xiàn)的頻數(shù)。

在對(duì)圖像進(jìn)行歸一化直方圖分析的基礎(chǔ)上，圖像二值化的關(guān)鍵是確定閾值。從圖像背景中提取定日鏡對(duì)象的簡(jiǎn)單有效方法就是選取一個(gè)閾值t來分離，逐行掃描圖像，當(dāng)灰度值大于閾值t時(shí)即確定為定日鏡對(duì)象點(diǎn)，其余為背景點(diǎn)。在灰度直方圖分析的基礎(chǔ)上自動(dòng)確定圖像二值化的閾值，圖像的亮度和對(duì)比度會(huì)明顯增強(qiáng)，對(duì)于分割圖像有著重要作用。

定日鏡場(chǎng)圖像閾值處理公式如下：

⑷

其中，f（x，y）為閾值處理后的圖像，當(dāng)采集圖像g（x，y）中的像素點(diǎn)取值大于閾值t時(shí)，賦值為1，反之賦值為0。

圖像二值化可以使得圖像變得簡(jiǎn)單，雖然圖像像素會(huì)有一定的損失，但這有利于圖像的進(jìn)一步處理，而且由于數(shù)據(jù)量的減小，更能凸顯感興趣的目標(biāo)區(qū)域，便于后續(xù)的圖像處理。

本文結(jié)合灰度直方圖，經(jīng)過對(duì)所要處理的圖像反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來確定閾值，具體閾值選取步驟如下。

⑴ 計(jì)算圖像灰度直方圖。

⑵ 為閾值設(shè)置初始化值T0。

⑶ 利用t0分割圖像，灰度值大于t0的像素集記為f1，灰度值小于t0的像素集記為f2。

⑷ 計(jì)算f1和f2各自的灰度均值M1，M2。

⑸ 計(jì)算新閾值t1，t1=（M1+M2）/2，代替t0。

⑹ 重復(fù)步驟⑶到步驟⑸，直到連續(xù)迭代過程中的閾值差Δt小于預(yù)先設(shè)定的參數(shù)C。

考慮到塔式太陽能發(fā)電站的攝像設(shè)備和定日鏡場(chǎng)的相對(duì)位置固定，則定日鏡場(chǎng)范圍、每個(gè)定日鏡大小及中心坐標(biāo)也在一定范圍內(nèi)，本文結(jié)合了定日鏡中心坐標(biāo)等先驗(yàn)知識(shí)確定定日鏡目標(biāo)區(qū)域。

2.2 形態(tài)學(xué)運(yùn)算消除陰影、支架等細(xì)節(jié)信息

形態(tài)學(xué)是一種基于集合論的數(shù)學(xué)方法，形態(tài)學(xué)圖像處理指用一定大小和形狀的結(jié)構(gòu)元素去探測(cè)圖像，獲取圖像連通性以及方向性等結(jié)構(gòu)信息。形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算有膨脹、腐蝕、開和閉運(yùn)算等。其中，膨脹和腐蝕時(shí)形態(tài)學(xué)圖像處理的基礎(chǔ)，許多形態(tài)學(xué)圖像處理算法都是基于這兩種最基本的運(yùn)算[5]。

設(shè)f表示二維離散空間的二值圖像，B表示結(jié)構(gòu)元素。使用結(jié)構(gòu)元素B對(duì)f進(jìn)行膨脹，記為fB，其定義為：

⑸

其中，是B的映像，點(diǎn)z對(duì)集合B的映像的平移記為（）z，從定義看出，膨脹表示在平移結(jié)構(gòu)元素B的過程中所有結(jié)構(gòu)元素的原點(diǎn)與f圖像中為1值的像素重疊的部分。

使用結(jié)構(gòu)元素B對(duì)f進(jìn)行腐蝕，記為，其定義為：

⑹

其中，fc為f的補(bǔ)集，從定義看出腐蝕表示在平移結(jié)構(gòu)元素B的過程中，所有結(jié)構(gòu)元素原點(diǎn)與f圖像中為1值的像素相重疊的部分，其中要求B不能與f圖像中為0值的背景像素有重疊。

在膨脹、腐蝕運(yùn)算的基礎(chǔ)上，開運(yùn)算的定義如下：

⑺

閉運(yùn)算的定義如下：

⑻

由式⑺、式⑻可知，開運(yùn)算是先腐蝕后膨脹，可以用來消除孤立點(diǎn)和毛刺，即與結(jié)構(gòu)元素相比尺寸較小的亮細(xì)節(jié)被去除。閉運(yùn)算是先膨脹后腐蝕，可以通過選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)元素填補(bǔ)細(xì)小的空洞，將相鄰目標(biāo)連接起來，即與結(jié)構(gòu)元素相比尺寸較小的暗細(xì)節(jié)被去除[6]。

實(shí)踐證明單獨(dú)使用腐蝕和膨脹算子一般得不到滿意的結(jié)果，采用開閉運(yùn)算構(gòu)成形態(tài)學(xué)組合算子，可以較好地即保持圖像細(xì)節(jié)特征的同時(shí)有效地抑制噪聲。開閉運(yùn)算具有等冪性，即通過選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)元素一次濾波操作即可以把噪聲去除干凈，重復(fù)多次運(yùn)算的效果等同于一次運(yùn)算，這也正是開閉運(yùn)算的特點(diǎn)[7]。本文采用開、閉運(yùn)算的組合算子來消除陰影、支架等細(xì)節(jié)信息，其定義如下：

⑼

定日鏡場(chǎng)目標(biāo)圖像中每個(gè)定日鏡都連通的，利用形態(tài)學(xué)開閉運(yùn)算操作可以提取定日鏡。

2.3 識(shí)別、標(biāo)注故障定日鏡

因攝像設(shè)備安裝在吸熱器所處的中央塔上，故在定日鏡場(chǎng)圖像中，正常的定日鏡圖像其灰度值都較大，而發(fā)生故障的定日鏡其灰度值則跟周圍的其余定日鏡存在明顯差異。實(shí)驗(yàn)中，首先獲取定日鏡正常狀態(tài)下分割圖，并在每一個(gè)定日鏡位置處計(jì)算其質(zhì)心。圖像中的每一個(gè)定日鏡連通分量的中心位置質(zhì)心確定后，則故障定日鏡的識(shí)別主要在定位到的定日鏡質(zhì)心一定范圍內(nèi)做處理，計(jì)算出定日鏡質(zhì)心周圍一定范圍內(nèi)的灰度值?？紤]到正常定日鏡的灰度值較高，而故障定日鏡的灰度值較低，通過計(jì)算質(zhì)心周圍一定像素的灰度差值，如果大于預(yù)先的設(shè)置值，則認(rèn)為是故障定日鏡；反之則認(rèn)為是正常狀態(tài)。

算法過程如下。

⑴ 初始化輸入定日鏡數(shù)s，灰度閾值Δc。

⑵ 計(jì)算定日鏡正常狀態(tài)圖像G中的每個(gè)定日鏡質(zhì)心Qk（k=1，2，…，S）。

⑶ 計(jì)算每個(gè)定日鏡質(zhì)心Qk周圍12*12區(qū)域內(nèi)的灰度均值Mk。

⑷ 將當(dāng)前處理圖像f與正常狀態(tài)圖像G相差，計(jì)算質(zhì)心Mk在f和G圖像中的灰度差，計(jì)算結(jié)果計(jì)為C=（Mk）f-（Mk）G（k=1，2，…，S）。

⑸ 輸出C>ΔC的質(zhì)心Qk。

⑹ 重復(fù)步驟⑶-⑸，直到k=S。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所述方法的有效性，本文在Matlab 2012軟件平臺(tái)上選取了DLR（德國(guó)宇航中心）的定日鏡場(chǎng)圖像進(jìn)行仿真[8]。實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示，其中原圖像分辨率為8182*3396的彩色圖像，將該圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，并選取了其中200*130大小的區(qū)域作為目標(biāo)圖像進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在原始圖像圖2（a）中選取2個(gè)定日鏡，在其上添加灰度噪聲模擬為故障定日鏡。結(jié)構(gòu)元素B的選取決定了定日鏡分割提取效果。結(jié)合定日鏡圖像的結(jié)構(gòu)特征，實(shí)驗(yàn)中選用尺寸為6*6的圓形結(jié)構(gòu)元素得到了滿意的實(shí)驗(yàn)效果。

從圖2可看出，利用該方法識(shí)別出故障定日鏡并在圖像中用紅色星號(hào)外加白色橢圓加以標(biāo)注，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文方法有效。

4 結(jié)束語

定日鏡是塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的重要裝置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障定日鏡并將其維修或更換，對(duì)提高發(fā)電效率有著重要意義。本文利用形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)對(duì)定日鏡場(chǎng)圖像進(jìn)行二值化、去噪和形態(tài)學(xué)分割等操作，實(shí)現(xiàn)了故障定日鏡的識(shí)別和標(biāo)注，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。本文方法可以避免人工巡檢的弊端，對(duì)保障太陽能發(fā)電站的可靠運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

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