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移動(dòng)攝像+視頻識(shí)別在泵站數(shù)字孿生工程中的運(yùn)用

2024-06-09 02:42:01王羿潤(rùn)單吉強(qiáng)宋學(xué)功
水電站機(jī)電技術(shù) 2024年4期
關(guān)鍵詞:泵站運(yùn)維狀態(tài)

王羿潤(rùn),單吉強(qiáng),宋學(xué)功

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心壽光管理站,山東 濰坊 262700)

0 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展,泵站數(shù)字孿生工程成為現(xiàn)代水利工程中的重要組成部分,數(shù)據(jù)底板在數(shù)字孿生中承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、同步和交互等關(guān)鍵任務(wù),為數(shù)字孿生的建立和運(yùn)行提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支持。它是數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)全生命周期管理和優(yōu)化的基礎(chǔ),對(duì)于提高物理實(shí)體的運(yùn)行效率、降低成本和風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。只有足夠豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),所構(gòu)建的孿生工程才有實(shí)際意義,孿生工程的細(xì)節(jié)應(yīng)該豐富到能相當(dāng)程度地替代現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查。怎樣豐富采集端數(shù)據(jù),讓數(shù)據(jù)底版這個(gè)基礎(chǔ)更加夯實(shí),傳統(tǒng)辦法是增加傳感器,用大量的傳感器來獲取各類設(shè)備和系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。然而,傳統(tǒng)傳感器的安裝、維護(hù)和數(shù)據(jù)處理等工作往往繁瑣且耗時(shí),給運(yùn)維帶來了不小的挑戰(zhàn)。近年來,視頻識(shí)別技術(shù)的迅猛發(fā)展為解決這一問題提供了新的思路。視頻識(shí)別技術(shù)通過分析視頻圖像中的內(nèi)容,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、分類和跟蹤,從而取代傳統(tǒng)傳感器在運(yùn)維中的部分功能。本文將詳細(xì)探討視頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合可移動(dòng)攝像機(jī)在運(yùn)維中的應(yīng)用,并分析其相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢(shì),以及面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 視頻識(shí)別技術(shù)的原理

視頻識(shí)別技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理的技術(shù),通過對(duì)視頻圖像的分析和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻中的目標(biāo)物體、動(dòng)作以及環(huán)境的識(shí)別和理解。泵站數(shù)字孿生工程中的視頻識(shí)別技術(shù)主要包括目標(biāo)檢測(cè)、行為識(shí)別和異常檢測(cè)等。

在視頻識(shí)別技術(shù)中,首先需要對(duì)視頻進(jìn)行預(yù)處理,然后,針對(duì)視頻中的每一幀圖像,通過特征提取算法提取出圖像的特征描述。接下來,利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)提取到的特征進(jìn)行訓(xùn)練和分類。常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法包括支持向量機(jī)(SVM)、隨機(jī)森林(Random Forest)、深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)等。這些算法可以學(xué)習(xí)和建立模型,將輸入的特征與預(yù)定義的目標(biāo)類別進(jìn)行匹配和分類。最后,通過目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、行為識(shí)別等技術(shù),對(duì)視頻中的目標(biāo)進(jìn)行定位、追蹤和識(shí)別[1]。

2 增加監(jiān)測(cè)設(shè)備的困境

在建設(shè)泵站數(shù)字孿生工程中,當(dāng)需要增加監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí),面臨的困境如下:

(1)在泵站內(nèi),電氣設(shè)備的數(shù)量并非越多越好。首先,過多的設(shè)備會(huì)增加維護(hù)和維修的工作量。每個(gè)設(shè)備都需要定期檢查、維護(hù)和保養(yǎng),以確保其正常運(yùn)行。如果設(shè)備數(shù)量過多,維護(hù)人員將不得不花費(fèi)更多的時(shí)間和精力來處理這些任務(wù),從而增加了運(yùn)維的負(fù)擔(dān)。其次,設(shè)備的損壞率是一個(gè)不可忽視的因素。即使是最可靠的設(shè)備,也存在一定的故障概率。當(dāng)設(shè)備數(shù)量增加時(shí),故障的概率也會(huì)相應(yīng)增加。如果泵站內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備過多,那么維修和更換設(shè)備的頻率將大大增加,導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間的增加和生產(chǎn)效率的下降。此外,過多的設(shè)備還會(huì)增加能源消耗和成本支出。每個(gè)設(shè)備都需要耗電,如果設(shè)備數(shù)量過多,將導(dǎo)致能源消耗的增加。同時(shí),購買和安裝額外的設(shè)備也需要投入大量的資金。因此,在設(shè)計(jì)泵站時(shí),需要進(jìn)行合理的設(shè)備規(guī)劃和布局,考慮到維護(hù)工作量、設(shè)備損壞率以及能源和成本的因素。選擇適當(dāng)數(shù)量的設(shè)備,并確保其質(zhì)量可靠,可以最大程度地提高泵站的效率和可靠性,同時(shí)降低運(yùn)維負(fù)擔(dān)和成本支出。

(2)在泵站數(shù)字孿生工程中,又確實(shí)需要大量詳實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來完整地反映泵站的狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生工程的基礎(chǔ),只有通過監(jiān)測(cè)到各個(gè)細(xì)節(jié)上的數(shù)據(jù)狀態(tài),才能準(zhǔn)確地建立數(shù)字模型并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的運(yùn)維管理。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)字孿生工程可以實(shí)時(shí)還原泵站的運(yùn)行情況,并進(jìn)行全面的分析和預(yù)測(cè)。例如,監(jiān)測(cè)泵站的電氣設(shè)備狀態(tài)可以提供關(guān)鍵的運(yùn)行參數(shù),如電流、電壓、功率等,從而評(píng)估設(shè)備的工作狀況和能效表現(xiàn)。監(jiān)測(cè)泵站的水位、流量和壓力等參數(shù)可以幫助了解水泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)措施。此外,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可以用于識(shí)別潛在的故障和預(yù)測(cè)設(shè)備的壽命。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析,可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常行為和趨勢(shì),提前采取維護(hù)措施,避免設(shè)備故障和停機(jī)時(shí)間的增加。同時(shí),基于歷史數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,還可以預(yù)測(cè)設(shè)備的壽命和維修周期,優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃,提高泵站的可靠性和運(yùn)行效率。因此,確保獲得詳實(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生工程的關(guān)鍵。通過合理布置監(jiān)測(cè)設(shè)備,并確保其準(zhǔn)確、可靠地采集數(shù)據(jù),可以為泵站的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和運(yùn)維管理提供有力支持,提高泵站的效率和可靠性。

3 解決困境的突破口

如何解決泵站數(shù)字孿生工程建設(shè)中的這個(gè)困境,困擾了技術(shù)工作者很久,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,終于找到了一個(gè)突破口,就是利用可以移動(dòng)的攝像機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多設(shè)備的監(jiān)測(cè),依次采集多個(gè)設(shè)備或機(jī)組的狀態(tài)信息。具體移動(dòng)方式有以下3 種:軌道攝像機(jī),定制巡檢機(jī)器人或智能眼鏡。每種方式都有各自的特點(diǎn):巡檢機(jī)器人,是較為理想的移動(dòng)平臺(tái),既能全面地巡視設(shè)備,又可以攜帶足夠的監(jiān)測(cè)設(shè)備,可以完美替代人工巡檢,但目前的機(jī)器人都是輪式的,對(duì)場(chǎng)地有較為苛刻要求;軌道式,則可以適應(yīng)更復(fù)雜的地形情況,但前期需要改造施工,而且拍攝角度也很受限;智能眼鏡場(chǎng)地適應(yīng)性較好,但需要人工佩戴,帶來的便利性有限。

這種移動(dòng)識(shí)別的方式具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①效率提升:使用視頻識(shí)別技術(shù)可以在同一時(shí)間段內(nèi)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)設(shè)備或機(jī)組的狀態(tài),從而提高工作效率。傳統(tǒng)的方法可能需要逐個(gè)檢查每個(gè)設(shè)備,而視頻識(shí)別可以一次性獲取多個(gè)設(shè)備的信息。②節(jié)省成本:通過使用一個(gè)攝像頭來監(jiān)測(cè)多個(gè)設(shè)備或機(jī)組,可以減少所需的設(shè)備數(shù)量和攝像頭數(shù)量,在有限的資金條件下選擇分辨率更高、功能更多的攝像頭(比如增加熱成像攝像頭),從而降低成本。此外,視頻識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè),減少人力資源的需求,進(jìn)一步降低成本。③重點(diǎn)監(jiān)測(cè):在開停機(jī)時(shí)、或發(fā)現(xiàn)設(shè)備、機(jī)組異常的情況下,移動(dòng)攝像頭可以提供重點(diǎn)部位的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。此類需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位置,在運(yùn)行過程中不會(huì)太多。開停機(jī)一定是一步一步進(jìn)行,不可能同時(shí)操作;設(shè)備異常往往也會(huì)及時(shí)修正,不會(huì)在異常情況下長(zhǎng)期工作。需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的部位是少數(shù),移動(dòng)攝像頭完全可以勝任。

當(dāng)然使用視頻識(shí)別技術(shù)只能部分替代傳統(tǒng)的傳感器或監(jiān)測(cè)裝置。有些比較容易識(shí)別的參數(shù),比如手車位置、接地刀位置、壓板狀態(tài)、帶指示燈的開關(guān)狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)帶指針的電流電壓值、輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等等。如果再結(jié)合熱成像攝像裝置,則還可以監(jiān)測(cè)電路發(fā)熱狀態(tài)、以及旋轉(zhuǎn)部件的磨損情況。還有很多狀態(tài)則不適合使用視頻識(shí)別來監(jiān)測(cè),比如一次線路的各個(gè)電流電壓,一次線路的開關(guān)狀態(tài),前后池的水位等等,這些關(guān)鍵位置的狀態(tài)需要運(yùn)維人員或計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保不發(fā)生意外,這些用傳統(tǒng)的設(shè)備更合適。

可移動(dòng)的攝像裝置結(jié)合視頻識(shí)別技術(shù),監(jiān)測(cè)的是那些需要將其反映到數(shù)字孿生工程中,又無需實(shí)時(shí)跟蹤的狀態(tài)參數(shù)。這種技術(shù)可以看作是一個(gè)虛擬的值班人員,不斷巡視泵站。同時(shí),它還可以完整記錄巡查內(nèi)容,隨時(shí)供查閱。總之,可移動(dòng)的攝像裝置結(jié)合視頻識(shí)別技術(shù),可以用少數(shù)設(shè)備裝置對(duì)更大數(shù)量級(jí)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和狀態(tài)管理,充分利用視頻識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì),既提供了便利和效率,也提高了工作效率,降低了成本。

智能識(shí)別是這一應(yīng)用的核心和關(guān)鍵。目前很多自動(dòng)化水平較高的泵站攝像頭基本能覆蓋工作區(qū)域,一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的一到兩個(gè)攝像頭雖然不足以用來識(shí)別設(shè)備的各種參量,但也能提供相當(dāng)程度的信息。甚至很多較好位置的高清球機(jī)在逐一對(duì)焦的情況已經(jīng)可以識(shí)別部分機(jī)柜的開關(guān)狀態(tài)、指示燈狀態(tài)等。針對(duì)視頻的智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)該爭(zhēng)取做到以下3點(diǎn)。①識(shí)別范圍要爭(zhēng)取全面。計(jì)算機(jī)不但要識(shí)別出設(shè)備,還要識(shí)別設(shè)備的具體開關(guān)狀態(tài)、壓板情況、運(yùn)行指示燈的狀態(tài)等等,并可以把這些狀態(tài)直接儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫,從而在泵站數(shù)字孿生工程的展示中真實(shí)的反映出來。傳統(tǒng)的泵站即使已經(jīng)可以做到相當(dāng)程度的自動(dòng)化,但依然需要工作人員定期巡視檢查,智能識(shí)別需要包含的內(nèi)容,就是爭(zhēng)取覆蓋工作人員巡視時(shí)需要檢查的所有地方。②要確保識(shí)別準(zhǔn)確、可靠。圖像信息很容易受到干擾,比如不同的光照條件,或者被異物遮擋等情況。如果識(shí)別錯(cuò)誤,在孿生工程中以錯(cuò)誤的狀態(tài)顯示出來,反而會(huì)擾亂工作人員的判斷。③要能兼容一些意外情況。這些意外情況,就是并非預(yù)先的設(shè)定內(nèi)容,但發(fā)生在巡視的工作空間內(nèi)的情況。這些意外情況導(dǎo)致指定區(qū)域與以往的狀態(tài)存在差異,需要工作人員確認(rèn),比如地面有異常積水、有小動(dòng)物活動(dòng)、未復(fù)原的設(shè)備、設(shè)備有異常發(fā)熱點(diǎn)等等,可能會(huì)對(duì)安全運(yùn)行產(chǎn)生影響的情況。

此外,視頻識(shí)別技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器在泵站運(yùn)維中還具有以下優(yōu)勢(shì):①非接觸式監(jiān)測(cè):傳統(tǒng)傳感器通常需要直接接觸被監(jiān)測(cè)對(duì)象,而視頻識(shí)別技術(shù)可以通過攝像頭對(duì)泵站進(jìn)行非接觸式監(jiān)測(cè)。這意味著不需要額外的物理傳感器設(shè)備,減少了安裝和維護(hù)的成本和工作量。②多維信息獲?。阂曨l識(shí)別技術(shù)可以提供豐富的多維信息,不僅可以獲取泵站的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo),還可以獲取圖像、視頻流等視覺信息。這些信息可以用于更全面地分析和監(jiān)測(cè)泵站的運(yùn)行情況,提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。此外,視頻識(shí)別技術(shù)還具有較高的靈活性,可以根據(jù)不同的運(yùn)維需求和場(chǎng)景進(jìn)行定制和調(diào)整,滿足不同運(yùn)維任務(wù)的要求。③實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警:視頻識(shí)別技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站的運(yùn)行狀態(tài),并通過算法和模型對(duì)圖像和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況、故障或風(fēng)險(xiǎn),并提供實(shí)時(shí)的預(yù)警和報(bào)警功能,幫助運(yùn)維人員快速做出反應(yīng)。從而能夠更快地采取措施進(jìn)行維修和保養(yǎng),提高了運(yùn)維的響應(yīng)速度和效率。④大數(shù)據(jù)分析和智能決策:視頻識(shí)別技術(shù)生成的數(shù)據(jù)量龐大,可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和挖掘,提取有價(jià)值的信息和模式[2]。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站運(yùn)行的智能決策和優(yōu)化,提高運(yùn)維效率和能源利用效率。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

目前的巡檢機(jī)器人,利用其攜帶的攝像裝置,已經(jīng)可以構(gòu)建一個(gè)斷續(xù)更新的虛擬場(chǎng)景,這種虛擬場(chǎng)景與數(shù)字孿生的展示形態(tài)是極度吻合的。

依托視頻識(shí)別技術(shù),在運(yùn)維領(lǐng)域用移動(dòng)攝像裝置替代部分監(jiān)測(cè)裝置仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn),包括以下2 個(gè)方面:①大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ):與傳統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)不同,視頻數(shù)據(jù)通常是大規(guī)模的,需要進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。處理和分析大規(guī)模視頻數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)資源,同時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)傳輸和同步的效率與穩(wěn)定性。②復(fù)雜環(huán)境下的識(shí)別準(zhǔn)確性:運(yùn)維場(chǎng)景常常存在復(fù)雜的環(huán)境條件,如光線變化、遮擋、噪聲等,這些因素可能影響視頻識(shí)別的準(zhǔn)確性。需要進(jìn)一步提升算法和模型的魯棒性,以適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)維需求。

隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展,視頻識(shí)別技術(shù)在泵站數(shù)字孿生工程中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。未來,視頻識(shí)別技術(shù)可以與其他數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合,如大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等[3],實(shí)現(xiàn)更加智能化和自動(dòng)化的泵站運(yùn)維管理。同時(shí),視頻識(shí)別技術(shù)還有望應(yīng)用于泵站的智能化控制系統(tǒng),通過對(duì)視頻圖像的分析和識(shí)別,實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站設(shè)備的自動(dòng)控制和優(yōu)化調(diào)整,提高泵站的運(yùn)行效率和能耗管理。

5 結(jié)語

可移動(dòng)攝像機(jī)結(jié)合視頻識(shí)別技術(shù)在泵站數(shù)字孿生工程中具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的意義,具備在運(yùn)維領(lǐng)域替代部分傳統(tǒng)傳感器的潛力。它既可以滿足泵站數(shù)字孿生工程對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的龐大需求,又不至于過分的增加運(yùn)維負(fù)擔(dān)。它可以為泵站的運(yùn)維管理提供全方位的支持,實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和安全管理等功能,提高泵站運(yùn)行的效率和可靠性。這種技術(shù)在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和隱私保護(hù)等方面仍面臨挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步研究和發(fā)展。通過克服技術(shù)挑戰(zhàn)、提高識(shí)別準(zhǔn)確性,視頻識(shí)別技術(shù)將為智能化運(yùn)維提供更多的可能性,并為泵站的運(yùn)維工作帶來更大的效益。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新,其在泵站數(shù)字孿生工程中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展,并為水利工程的發(fā)展帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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