徐 波，葉愛民，張立群

（國(guó)網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌 330000）

工程技術(shù)

提升變電站巡檢機(jī)器人夜間識(shí)別質(zhì)量技術(shù)研究

徐 波，葉愛民，張立群

（國(guó)網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌 330000）

該文提出一種改進(jìn)的適合變電站巡檢機(jī)器人室外夜間工作環(huán)境的變電站可見光巡視技術(shù).本文基于江西500kV馬回嶺變電站的巡檢機(jī)器人項(xiàng)目進(jìn)行了相關(guān)研究，開發(fā)出一項(xiàng)機(jī)器人夜間可見光識(shí)別質(zhì)量技術(shù)，應(yīng)用后機(jī)器人將能夠在室外夜間環(huán)境下，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡檢，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的外觀檢查、油位和各類表計(jì)檢查、開關(guān)閘刀狀態(tài)判斷等功能.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試表明機(jī)器人在執(zhí)行夜間可見光巡視任務(wù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)變電站夜間巡視設(shè)備狀態(tài)識(shí)別率達(dá)到80%以上，完全滿足該變電站推進(jìn)無(wú)人值守的可見光巡視自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別的要求.

變電站；巡檢機(jī)器人；可見光巡視；智能圖像算法；識(shí)別率

夜間巡視檢查是變電運(yùn)維人員日常生活工作的主要內(nèi)容之一，內(nèi)容包括設(shè)備的外觀檢查、聲音判斷、油位和各類表計(jì)檢查、開關(guān)閘刀狀態(tài)判斷等，其目的是掌握變電站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和威脅變電站安全運(yùn)行的情況.由于白天聲、光等環(huán)境因素的影響，部分不明顯的設(shè)備放電和發(fā)熱巡視時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，必須通過(guò)夜間巡視來(lái)發(fā)現(xiàn)，才能有效保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行.

本文結(jié)合江西500kV馬回嶺機(jī)器人變電站巡檢機(jī)器人項(xiàng)目開發(fā)出一項(xiàng)變電站巡檢機(jī)器人夜間識(shí)別質(zhì)量技術(shù)，利用硬件及功能研發(fā)和視覺開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)變電站進(jìn)行夜間巡檢，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該技術(shù)在機(jī)器人運(yùn)用，能夠替代變電運(yùn)維人員完成對(duì)戶外設(shè)備的夜間巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行設(shè)備的異常、缺陷和故障，以便能夠及時(shí)處理，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠.

1 變電站巡檢機(jī)器人夜間可見光巡視技術(shù)

機(jī)器人夜間可見光巡視技術(shù)是基于無(wú)軌激光導(dǎo)航技術(shù)，利用機(jī)器人自身搭載可見光攝像機(jī)、通過(guò)各傳感器數(shù)據(jù)采集、軟件算法識(shí)別的基礎(chǔ)上，通過(guò)以下兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)夜間可見光巡視技術(shù)的突破：一、通過(guò)硬件及功能研發(fā)使機(jī)器人在夜間光線不足、環(huán)境復(fù)雜情況下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)夜間成像；二、通過(guò)視覺開發(fā)準(zhǔn)確對(duì)夜間拍攝相對(duì)模糊的圖片經(jīng)行分析、識(shí)別.運(yùn)維人員下發(fā)指令后巡檢機(jī)器人在戶外通過(guò)路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)最優(yōu)巡檢，采用能夠在低照度情況完成高質(zhì)量圖片采集任務(wù)的可見光攝像機(jī)，將被檢測(cè)設(shè)備的圖片數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)器人后臺(tái)；機(jī)器人后臺(tái)通過(guò)使用基于圖片流的智能圖像算法進(jìn)行處理，提高現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)、開關(guān)、閘刀等設(shè)備的識(shí)別率，完成變電站戶外設(shè)備夜間狀態(tài)的自動(dòng)校核巡視.

1.1 硬件及功能研發(fā)

現(xiàn)階段變電站巡檢機(jī)器人的工作時(shí)間基本上全設(shè)定在白天，運(yùn)用常規(guī)攝像機(jī)在白天環(huán)境下保證優(yōu)質(zhì)的畫質(zhì)，以便軟件識(shí)別.但當(dāng)執(zhí)行夜間巡檢任務(wù)時(shí)，常規(guī)攝像機(jī)的夜間拍攝效果會(huì)受到環(huán)境光線不足等影響造成相片圖像模糊不清，通過(guò)更換夜間拍攝效果優(yōu)良的星光級(jí)攝像機(jī)，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備拍攝的照片不清晰、信息采集的源頭出發(fā)著手解決數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的這個(gè)難點(diǎn).

1.1.1 攝像機(jī)更新

針對(duì)變電站夜間巡視存在微弱燈光的情況，為保證巡檢機(jī)器人夜間拍攝效果，提升夜間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的拍攝效果，因此本項(xiàng)目通過(guò)采用先進(jìn)的星光級(jí)攝像機(jī)，達(dá)到提高照片拍攝效果.該相機(jī)能夠在0.005Lux的低照度情況完成高質(zhì)量圖片采集任務(wù)，支持ICR紅外濾片式自動(dòng)切換，自動(dòng)彩轉(zhuǎn)黑功能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量晝夜監(jiān)控聚焦速度快，聚焦準(zhǔn)確度高，變焦速度最快可達(dá)到3.7S.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，通過(guò)星光級(jí)相機(jī)的成像效果滿足夜間巡檢的需要.

1.1.2 云臺(tái)定制改造

由于采用星光級(jí)攝像機(jī)，故需要對(duì)其配套的云臺(tái)經(jīng)行定制改造，具體如下：

1.1.2.1 接口改變.由于需更換星光級(jí)的攝像機(jī)，故原有的云臺(tái)內(nèi)部走線槽、預(yù)留接口位置都需要重新設(shè)計(jì).云臺(tái)定制改造圖紙如下：

圖1 云臺(tái)定制改造圖紙

1.1.2.2 尺寸改變.由于星光級(jí)一體機(jī)的替代使用，導(dǎo)致原有云臺(tái)艙體無(wú)法搭載，需要對(duì)艙體內(nèi)空間尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)制造，具體參數(shù)更改如下：星光級(jí)一體機(jī)長(zhǎng)度比原一體機(jī)增加40mm.星光級(jí)一體機(jī)寬度比原一體機(jī)增加15mm.星光級(jí)一體機(jī)高度比原一體機(jī)增加12mm.艙體尺寸增大導(dǎo)致整體重量上升，重新設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)保證承重能力超過(guò)負(fù)荷安全線.

1.1.2.3 重量改變.星光級(jí)一體機(jī)采用特殊光學(xué)模組，與原有設(shè)計(jì)使用一體機(jī)相比星光級(jí)相機(jī)重量增加，重心與原有一體機(jī)不同，故更改艙體配重設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，擬將一體機(jī)向后偏移安裝，使其稱重能力不超過(guò)負(fù)荷安全線.由于相機(jī)倉(cāng)體重量增加，導(dǎo)致相機(jī)倉(cāng)與紅外倉(cāng)無(wú)法保持等重，故增加紅外倉(cāng)配重以保持云臺(tái)整體平衡.由于相機(jī)倉(cāng)與紅外倉(cāng)同時(shí)增加重量，導(dǎo)致原由云臺(tái)驅(qū)動(dòng)力無(wú)法滿足云臺(tái)各個(gè)角度旋轉(zhuǎn)的要求，故增加云臺(tái)旋轉(zhuǎn)扭矩和旋轉(zhuǎn)力使其能夠正常保證云臺(tái)各種動(dòng)作的需求.

1.1.3 裝設(shè)補(bǔ)光燈

由于原有補(bǔ)光燈為白色補(bǔ)光燈，匹配星光級(jí)一體機(jī)使用時(shí)，無(wú)法使一體機(jī)達(dá)到最優(yōu)成像效果，故將原白色補(bǔ)光燈改為紅外補(bǔ)光燈，不僅能使星光級(jí)一體機(jī)良好得成像，更能減少夜間巡視時(shí)產(chǎn)生的光污染.相比較普通的補(bǔ)光燈，紅外補(bǔ)光可以用于光線不足環(huán)境復(fù)雜的情況，反之當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有大量白光時(shí)，會(huì)有光污染（主要反光、刺眼）；紅外最大補(bǔ)光距離在200米，而白光最大補(bǔ)光距離僅在100米左右.

1.2 視覺開發(fā)

本項(xiàng)目需研究一套夜間識(shí)別算法及一套晝夜多模塊自切換識(shí)別算法來(lái)更好地配合星光級(jí)攝像機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)夜間巡檢識(shí)別率達(dá)到80%的目標(biāo).

1.2.1 夜間識(shí)別算法

為了更好的完成夜間識(shí)別任務(wù)，故專門研究夜間識(shí)別算法，夜間識(shí)別算法主要由圖像金字塔算法和特征相似度算法：

1.2.1.1 圖像金字塔算法.由于夜間圖像在采集時(shí)受光線制約，圖像品質(zhì)不高信息缺失，且在傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)或不完整性容易造成圖像失真和黑斑，故將圖像分解成一系列不同分辨率空間圖像子集合，每級(jí)中只需應(yīng)用一次濾波算法即可提取特征，非常方便，可以區(qū)別暗背景中的亮成分與亮背景中的暗成分，極大的保存圖像信息，即用于光線不足環(huán)境復(fù)雜的情況，在圖像不清楚的情況下，仍能有效識(shí)別.將模板和待定位圖像分別執(zhí)行圖像匹配算法，分別得到分辨率連續(xù)減半的圖像序列，并在減半的高分辨率圖像中的像素結(jié)合為下一層低分辨率圖像中的一個(gè)像素.在每一級(jí)按照需提取目標(biāo)的大小和尺寸特征選擇結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素決定了形態(tài)濾波器的特性，計(jì)算原始圖像與濾波后圖像差得到濾波細(xì)節(jié)信息，通過(guò)計(jì)算采樣時(shí)丟失的圖像差信息和濾波細(xì)節(jié)，完成精確重構(gòu)原始圖像，從而完成圖像匹配恢復(fù).

1.2.1.2 特征相似度算法.在匹配定位時(shí)刻獲取的實(shí)時(shí)目標(biāo)場(chǎng)景相對(duì)于參考目標(biāo)場(chǎng)景,存在視點(diǎn)、方位和距離的不同，且由于夜間圖像的色彩信息缺失，形狀邊緣信息模糊，需將待匹配圖像序列進(jìn)行分析比對(duì).每一幅圖像都有自己的特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)表征圖像中比較重要的一些位置，通過(guò)找到匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)判斷圖像與模板是否一致，可以通過(guò)找到的匹配特征點(diǎn)進(jìn)行圖像校正，求出目標(biāo)在場(chǎng)景中的位置和旋轉(zhuǎn)角度和縮放比例，并得到圖像原本的色調(diào)和反差，從而更好的分析模型周邊色素點(diǎn)，克服尺度、旋轉(zhuǎn)、平移、仿射亮度變換帶來(lái)的影響，甚至是一定的透視變換，具有抗圖像幾何失真的能力，確定需識(shí)別的指針、數(shù)字、油位的位置.

1.2.2 晝夜多模塊自切換識(shí)別算法

為適應(yīng)白天、夜晚不同環(huán)境中的表計(jì)識(shí)別能力，利用時(shí)間、光線明暗、季節(jié)、地域等信息，采用一套決策置信值來(lái)判斷白天或是夜晚.在白天、夜晚切換時(shí)間段或是決策置信值較低（難以判斷是白天還是夜晚）時(shí)，采用白天、夜晚兩套模板分別進(jìn)行識(shí)別.從而實(shí)現(xiàn)不同模板切換技術(shù).

1.2.2.1 決策置信值.由于現(xiàn)場(chǎng)干擾信息太多，采集畫面發(fā)生變故，或現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況發(fā)生變化時(shí)，造成圖像信息值變化，故所有信息值均存在不確定性，需進(jìn)行條件約束，通過(guò)提取匹配特征點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能存在的信息設(shè)置條件約束，并對(duì)條件約束設(shè)置優(yōu)先級(jí),具有高優(yōu)先級(jí)的約束應(yīng)先滿足,之后再要求滿足較低優(yōu)先級(jí)的約束，從而確定畫面真實(shí)有效地信息.

1.2.2.2 模板切換技術(shù).白天、夜間環(huán)境差距較大，僅靠單一模板無(wú)法滿足白天、夜間所有信息點(diǎn)，為適應(yīng)白天、夜晚不同環(huán)境中的設(shè)備狀態(tài)識(shí)別能力，采用白天、晚上各使用一套專用模板進(jìn)行識(shí)別，利用時(shí)間、光線明暗、季節(jié)、地域等信息，對(duì)各種觀測(cè)信息的合理支配與使用，以歷史值、識(shí)別得分為輸入，設(shè)計(jì)一種可信度評(píng)價(jià)規(guī)則來(lái)評(píng)價(jià)當(dāng)前兩次識(shí)別結(jié)果的可信度，取可信度高者為識(shí)別結(jié)果，從而不受時(shí)間的影響實(shí)現(xiàn)自由的切換晝夜模塊.

2 變電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

某500kV智能變電站是目前國(guó)際上首次采用機(jī)器人夜間可見光巡檢變電站一次設(shè)備的示范站，在變電站開關(guān)場(chǎng)地實(shí)施重點(diǎn)示范工程，場(chǎng)地南北約長(zhǎng)384米，東西約長(zhǎng)154米，配置1臺(tái)巡檢機(jī)器人，1個(gè)機(jī)器人房，巡視道路總長(zhǎng)約5694米，主變及35kV區(qū)域巡檢設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)137個(gè)，任務(wù)巡檢時(shí)間約1.5小時(shí)，巡視路線810米；220kV區(qū)域巡檢設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)249個(gè)，任務(wù)巡檢時(shí)間約3小時(shí)，巡視路線2012米；500kV區(qū)域巡檢設(shè)備觀測(cè)點(diǎn)194個(gè)，任務(wù)巡檢時(shí)間約3小時(shí)，巡視路線2872米，每天定時(shí)執(zhí)行一次全站夜間可見光巡檢任務(wù).現(xiàn)場(chǎng)巡檢機(jī)器人應(yīng)用成功，運(yùn)行良好.通過(guò)對(duì)2015年12月至2016年4月的現(xiàn)場(chǎng)變電站巡檢抽樣調(diào)研，主要目標(biāo)變電站設(shè)備識(shí)別率，已經(jīng)從不足10%達(dá)到80%以上，平均識(shí)別率達(dá)到82%，

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合機(jī)器人示范智能變電站建設(shè)實(shí)際工程，基于視覺開發(fā)的夜間識(shí)別算法及晝夜多模塊自切換識(shí)別算法的研究，提出并研發(fā)了巡檢機(jī)器人在變電站夜間可見光巡檢技術(shù)，使機(jī)器人夜間執(zhí)行可見光巡檢任務(wù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)表計(jì)讀數(shù)、開關(guān)分合位置判斷等功能且設(shè)備識(shí)別率提升至80%.更好的發(fā)揮智能巡檢機(jī)器人實(shí)效化使用，在減輕運(yùn)維人員夜間巡視工作量的同時(shí)，也為電力安全生產(chǎn)、事故響應(yīng)提供了堅(jiān)實(shí)的保證.從而減少事故的發(fā)生，利用巡檢機(jī)器人完成變電站設(shè)備的巡檢.為無(wú)人值守變電站的推廣應(yīng)用提供了創(chuàng)新型的技術(shù)檢測(cè)手段，提高了變電站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行水平.

〔1〕戚維明.質(zhì)量管理小組理論與方法[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2013.123-126.

〔2〕張銳娟.基于SURF的圖像配準(zhǔn)方法研究[J].紅外與激光工程,2009,38(1):160-165.

〔3〕戴中興.變電站應(yīng)用智能機(jī)器視覺的探索[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2012(27):6570-6572.

〔4〕張海波.一種數(shù)字儀表顯示值快速識(shí)別方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(4):223-226.

TP24

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1673-260X（2017）09-0034-02

2017-06-30