圖像識別技術(shù)在牽引變電所設(shè)備巡檢中的應(yīng)用研究

張桂棠

0 引言

隨著現(xiàn)代鐵路智能化水平的提高，高速鐵路中的牽引變電所逐漸從有人值班發(fā)展為集中監(jiān)控、無人值班/守[1，2]。巡檢機(jī)器人和監(jiān)視攝像機(jī)在其中起到關(guān)鍵作用[3，4]。隨著巡檢機(jī)器人和監(jiān)視攝像機(jī)不斷投入到牽引變電所中，巡檢圖像數(shù)據(jù)不斷增加。目前，對于機(jī)器人或監(jiān)視攝像機(jī)拍攝的海量圖像多停留在人工識別階段，缺少智能化手段對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理并進(jìn)行信息的提取[5～8]。

牽引變電所一般配置監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理，子站監(jiān)控系統(tǒng)接收鐵路供電調(diào)度控制系統(tǒng)主站下發(fā)的巡檢命令，并將巡檢結(jié)果上送主站[9，10]。本文結(jié)合牽引變電所設(shè)備巡檢特點(diǎn)，提出圖像識別技術(shù)在牽引變電所設(shè)備巡檢中的實(shí)現(xiàn)方案，介紹圖像識別的關(guān)鍵技術(shù)，針對牽引變電所設(shè)備特點(diǎn)，重點(diǎn)研究對指針表、刀閘、旋鈕開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行圖像識別的建模方法，并對圖像識別服務(wù)的部署方法以及基于圖像識別的設(shè)備巡檢流程進(jìn)行說明。

1 圖像識別關(guān)鍵技術(shù)

圖像識別系統(tǒng)從圖像顏色特征、紋理特征、形狀特征及局部特征中獲取有應(yīng)用價(jià)值的信息[11，12]。目前常用的圖像識別技術(shù)一般分為樣本訓(xùn)練和圖像識別2個(gè)階段，其識別流程如圖1所示。

圖1 圖像識別流程

1.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理的目的是使圖像能夠更好地為圖像識別服務(wù)，以提高圖像識別的效果。牽引變電所內(nèi)設(shè)備的拍攝環(huán)境多為自然背景，拍攝圖像容易受外部干擾而產(chǎn)生噪點(diǎn)，需要進(jìn)行降噪處理，通常采用中值濾波法[13，14]。由于安裝位置或拍攝角度的原因，拍攝的圖像經(jīng)常有傾斜的問題，需要進(jìn)行傾斜角度處理[15，16]。

1.1.1 降噪處理

采用中值濾波對牽引變電所巡檢圖像進(jìn)行降噪處理。中值濾波對圖像中的噪點(diǎn)具有良好的濾除作用，特別是在濾除噪點(diǎn)的同時(shí)，能夠保護(hù)圖像數(shù)據(jù)信號邊緣，使之不被模糊。中值濾波的工作原理：首先按照數(shù)值大小對某一像素點(diǎn)領(lǐng)域內(nèi)的灰度值進(jìn)行排序，然后找出該序列中的中值，并將該值賦值于像素領(lǐng)域的中心點(diǎn)。假設(shè)有一像素矩陣x如式（1）所示，對矩陣元素進(jìn)行排序后得到中間值，記為azz，然后用azz代替矩陣中心點(diǎn)的值，得到矩陣y，如式（2）所示。

1.1.2 傾斜角度處理

圖像因?yàn)榘惭b、拍攝等因素會出現(xiàn)不同程度的傾斜，在圖像預(yù)處理階段采用Radon變換計(jì)算傾斜角度。Radon變換是一種積分變換，將定義在二維平面上的一個(gè)函數(shù)f(x,y)沿平面上的任意一條直線作線積分，如圖2所示。式（3）為沿任意角度θ進(jìn)行投影的計(jì)算式。

圖2 Radon變換原理

1.2 圖像特征提取

計(jì)算機(jī)不能識別圖像，只能識別數(shù)字，為了使計(jì)算機(jī)能夠“理解”圖像，從而具有真正意義上的“視覺”，需要將圖像中的模擬信息轉(zhuǎn)為數(shù)字信息，從而得到圖像的數(shù)據(jù)描述，如數(shù)值、向量和符號等，該過程即為圖像特征提取。目前，圖像特征的提取分為兩種：一種是基于圖像專家人工設(shè)計(jì)的特征提取；二是基于深度學(xué)習(xí)自動學(xué)習(xí)的特征提取。目前牽引變電所巡檢圖像的識別采用第一種提取方法。

在牽引變電所中，需要重點(diǎn)巡檢的設(shè)備包括表計(jì)、刀閘、旋鈕開關(guān)、指示燈、空氣開關(guān)等。巡檢的內(nèi)容包括表計(jì)讀數(shù)是否在正常范圍、開關(guān)狀態(tài)是否正常、指示燈顯示是否正常、設(shè)備有無外觀缺陷、壓板投退狀態(tài)是否正常、旋鈕開關(guān)遠(yuǎn)方/就地是否指示正常等。表1列出了部分裝置的巡檢點(diǎn)位和巡檢內(nèi)容。

表1 牽引變電所部分巡檢點(diǎn)位示例

1.3 圖像特征分類

圖像特征分類是指針對各圖像所表征出來的特征，將屬于不同類別的圖像區(qū)分開來，歸入不同的類型庫。圖像特征分類的核心思想是模型識別。需要對牽引變電所的設(shè)備巡檢圖像建立不同的模型庫，如指針模型、油位計(jì)模型、指示燈模型、狀態(tài)識別模型、空氣開關(guān)模型、刀閘模型、缺陷匹配模型、壓板模型、旋鈕開關(guān)模型、數(shù)字字符模型等。

2 巡檢圖像建模

巡檢圖像建模步驟：（1）打開圖像；（2）根據(jù)巡檢圖像的不同特征選取關(guān)鍵識別區(qū)進(jìn)行特征提取；（3）進(jìn)行模型庫的分類存儲，將建立的圖像模型存儲于圖像庫，將建模數(shù)據(jù)存儲于csv格式的文件中，存儲的模型庫包括預(yù)處理過的圖片和提取的數(shù)據(jù)信息；（4）模型建立后，對新輸入的圖像進(jìn)行匹配識別，并輸出識別結(jié)果。下文重點(diǎn)介紹指針式表計(jì)、刀閘、旋鈕開關(guān)、壓板的圖像建模方法。

2.1 指針式表計(jì)建模

指針式表計(jì)建模的關(guān)鍵在于計(jì)算刻度線與指針之間的角度關(guān)系。首先根據(jù)表計(jì)圖像中的刻度關(guān)鍵點(diǎn)擬合刻度線的形狀，指針式表計(jì)刻度線開關(guān)可以歸納為圓形、扇形和其他形狀。針對不同形狀可采用3種擬合方法：描點(diǎn)擬合、描線擬合、手動擬合。一般圓形的刻度表盤采用描點(diǎn)擬合；扇形的刻度表盤如避雷器指針的表盤，采用描線擬合；對于描點(diǎn)擬合和描線擬合均無法適用的表盤，可采用手動擬合方法來確定圓心。

刻度線形狀擬合后，設(shè)置刻度范圍和刻度單位，之后設(shè)置指針顏色的RGB值，對于有告警功能的表計(jì)，設(shè)置報(bào)警上下限，至此一個(gè)指針表計(jì)模型已經(jīng)創(chuàng)建好。

2.2 刀閘建模

刀閘圖像識別的關(guān)鍵在于識別刀閘的開合狀態(tài)，其建模分為2個(gè)步驟：（1）根據(jù)圖片顯示設(shè)置刀閘的開/合狀態(tài)；（2）通過設(shè)置輔助線，標(biāo)記刀閘在該狀態(tài)下的圖像特征。

2.3 旋鈕開關(guān)建模

旋鈕開關(guān)識別的關(guān)鍵在于識別開關(guān)的旋轉(zhuǎn)角度以及在該角度下的開關(guān)狀態(tài)，首先采集旋鈕的中心點(diǎn)和箭頭中心點(diǎn)，以確定旋鈕方向，然后根據(jù)圖片信息設(shè)置旋鈕開關(guān)的當(dāng)前狀態(tài)和其余狀態(tài)。

2.4 壓板建模

壓板建模的關(guān)鍵在于判斷壓板的布局、數(shù)量以及各壓板的投/退情況，其建模分為 3個(gè)步驟：首先從左上角開始，依次按照順時(shí)針選取4個(gè)矯正點(diǎn)，確定壓板布局的范圍；然后根據(jù)壓板位置選取分割線，如圖3所示，為4行9列的布局形態(tài)；最后填寫狀態(tài)矩陣，矩陣的行、列數(shù)依據(jù)實(shí)現(xiàn)布局行、列數(shù)，壓板合位標(biāo)記為1，分位為標(biāo)記為0。圖3中的壓板圖像對應(yīng)的狀態(tài)矩陣如式（4）所示。

圖3 壓板建模展示圖

3 圖像識別技術(shù)在牽引變電所設(shè)備巡檢中的實(shí)現(xiàn)方案

為深度挖掘牽引變電所內(nèi)設(shè)備巡檢圖像的數(shù)據(jù)價(jià)值，提升設(shè)備缺陷發(fā)現(xiàn)能力，部分牽引變電所已經(jīng)在設(shè)備巡檢中初步應(yīng)用圖像識別技術(shù)。

以焦柳鐵路會同牽引變電所為例，在牽引變電所內(nèi)部署基于設(shè)備智能巡檢的子站監(jiān)控系統(tǒng)、視頻服務(wù)器和圖像識別系統(tǒng)。子站監(jiān)控系統(tǒng)用于接收鐵路供電調(diào)度控制系統(tǒng)主站下發(fā)的巡檢計(jì)劃，根據(jù)巡檢計(jì)劃要求通過連接視頻服務(wù)器對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行拍照巡檢，并將巡檢圖像存儲于指定目錄，通過圖像識別系統(tǒng)的建模工具對指定目錄的圖像進(jìn)行建模。首先點(diǎn)擊圖像列表，選擇需建模的圖像目錄，建模工具自動識別jpg格式和bmp格式的圖像，然后通過本文第 2節(jié)介紹的建模方法對不同類型設(shè)備進(jìn)行建模。已建的圖像模型將存儲于圖像識別模型庫中，參與建模的圖像將存儲于源圖像庫中，模型的數(shù)據(jù)信息存儲于圖像識別數(shù)據(jù)庫中，圖像數(shù)據(jù)越多，建模數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。

模型建立后，當(dāng)供電調(diào)度控制系統(tǒng)下發(fā)巡檢任務(wù)時(shí)，子站監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢功能模塊解析巡檢任務(wù)類型、巡檢周期、巡檢點(diǎn)位。根據(jù)巡檢周期和點(diǎn)位，通過視頻服務(wù)器控制攝像機(jī)轉(zhuǎn)至相應(yīng)的巡檢點(diǎn)位進(jìn)行巡視并拍照，同時(shí)發(fā)送調(diào)用指令啟用圖像識別服務(wù)。圖像識別系統(tǒng)將搜索圖像庫和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行圖像識別，并將識別結(jié)果顯示于子站監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面，或通過子站監(jiān)控系統(tǒng)將巡檢結(jié)果返回給供電調(diào)度控制系統(tǒng)主站。實(shí)現(xiàn)方案流程如圖4所示。

圖4 圖像識別技術(shù)在牽引變電所設(shè)備巡查中的實(shí)現(xiàn)流程

4 結(jié)語

本文介紹了圖像識別的關(guān)鍵技術(shù)，分析了指針表、刀閘、旋鈕開關(guān)、壓板的建模方法，提出了圖像識別技術(shù)應(yīng)用于牽引變電所設(shè)備巡檢中的實(shí)現(xiàn)方案。借助于圖像識別技術(shù)強(qiáng)大的識別能力，在巡檢過程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，節(jié)約了時(shí)間和人力成本，提高了巡檢效率。