基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，只有加強(qiáng)預(yù)警才能夠有效提升線路檢修效率，為此應(yīng)根據(jù)研究結(jié)果分析如何在機(jī)器視覺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。

1 機(jī)器視覺、線路檢修與自動(dòng)預(yù)警概述

1.1 機(jī)器視覺

機(jī)器視覺技術(shù)是一門涉及人工智能、心理物理學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，可以通過計(jì)算機(jī)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(duì)信息的處理與分析進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)與控制，具有功能多、信息量大、速度快等優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)需要充分發(fā)揮機(jī)器視覺系統(tǒng)的作用，即通過電荷耦合器件（charge coupled device, CCD）等機(jī)器視覺產(chǎn)品獲取被攝取目標(biāo)的圖像信號(hào)，隨后通過圖像處理系統(tǒng)獲取目標(biāo)的形態(tài)信息并根據(jù)像素分布等情況獲取目標(biāo)的特征，最后根據(jù)判別結(jié)果控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

1.2 線路檢修

線路檢修指的是對(duì)線路進(jìn)行巡視、檢測(cè)與試驗(yàn)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(yù)防線路出現(xiàn)事故、保障線路安全運(yùn)行的過程。電網(wǎng)線路在運(yùn)行過程中會(huì)受到運(yùn)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(qiáng)線路檢修可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的異常情況并且降低出現(xiàn)嚴(yán)重問題的概率[1]。

1.3 自動(dòng)預(yù)警

預(yù)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(hào)并報(bào)告危險(xiǎn)情況，從而最大程度的減輕問題所造成的損失。自動(dòng)預(yù)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(yù)警信號(hào)，以便相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)出現(xiàn)的問題。

2 基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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(jī)器視覺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以通過機(jī)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(dòng)判斷線路是否存在異常情況，且能夠通過聲音預(yù)警、燈光預(yù)警等信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的提示，有利于讓線路檢修人員及時(shí)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(yùn)行安全性

若線路出現(xiàn)故障將會(huì)產(chǎn)生一些安全隱患并對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，科學(xué)設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以進(jìn)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(yùn)行的安全性。

3 基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合分析機(jī)器視覺的原理與特點(diǎn)以及自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行需求，之后優(yōu)化整體的硬件結(jié)構(gòu)。例如，可以將自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(yù)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(chǔ)器訪問（data memory access, DMA）DMA1、DMA2、DMA3、DMA4、DMA5 以 及 PIC16F877單片機(jī)納入中心模塊中；將數(shù)字信號(hào)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(jì)

在進(jìn)行基于機(jī)器視覺的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇合適的數(shù)字圖像傳感器并科學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)行線路檢修需要采集大量的圖像數(shù)據(jù)信息，對(duì)數(shù)字圖像傳感器的采集能力與存儲(chǔ)能力有較高的要求，因此在應(yīng)用這種數(shù)字圖像傳感器時(shí)需要應(yīng)用圖像緩存技術(shù)，通過這種技術(shù)手段擴(kuò)展圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yīng)在采集電路中設(shè)置4 個(gè)SS14 二極管、4 個(gè)電阻以及1 個(gè)PWR2.5 接口；通過SCL 控制線使控制器對(duì)數(shù)字圖像傳感器進(jìn)行預(yù)設(shè)與控制；提高電路模擬開關(guān)的信號(hào)輸出水平，使開關(guān)能夠在接收到預(yù)警信號(hào)時(shí)輸出水平同步信號(hào)并將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)數(shù)字圖像傳感器的觸發(fā)器輸出端轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，使傳感器自動(dòng)寫入行像素?cái)?shù)據(jù)并獲取檢修圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)采集電路中同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)脈沖信號(hào)就說明一幀線路檢修圖像采集成功。

3.3 單片機(jī)設(shè)計(jì)

單片機(jī)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(jī)存儲(chǔ)器等硬件設(shè)施集成到一塊硅片上的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值較高。在進(jìn)行基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)科學(xué)選擇單片機(jī)并優(yōu)化具體設(shè)計(jì)。例如，在該系統(tǒng)中可以選擇PIC16F877 單片機(jī)，因?yàn)檫@種單片機(jī)將數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)通道以及8 位分辨率。這種單片機(jī)的引腳以及I/O 端口相對(duì)較多，其中兩個(gè)引腳可以為輸入線路檢修數(shù)據(jù)提供接口，3 個(gè)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(dòng)力。這種單片機(jī)也具有預(yù)警電路，可以通過聲音預(yù)警的方式進(jìn)行提示，具有瞬時(shí)電壓范圍大、預(yù)警音響多、功耗低等優(yōu)勢(shì)。一旦電網(wǎng)線路出現(xiàn)異常情況，集成芯片的管腳就會(huì)直接輸出異常線路的電阻以及音頻信號(hào)的頻率，從而進(jìn)行預(yù)警。因此，在設(shè)計(jì)過程中需要在單片機(jī)的輸入端中輸入經(jīng)過放大處理的線路預(yù)警信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行線路預(yù)警信號(hào)的分析與轉(zhuǎn)換，若分析結(jié)果為單片機(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(jì)

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(dòng)預(yù)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(chǔ)容量為256kB 的閃存存儲(chǔ)器，且其內(nèi)部含有RS232 通信接口與外部時(shí)鐘，其中RS232 通信接口是與單片機(jī)相互連接的，可實(shí)現(xiàn)異常線路數(shù)據(jù)的傳輸。總之，STM32F 微控制器在運(yùn)行過程中可有效接收由機(jī)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(chǔ)在閃存存儲(chǔ)器當(dāng)中，線路檢修人員便可直接查看相關(guān)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)線路檢修的準(zhǔn)確性。但如果出現(xiàn)短路等異常情況，電網(wǎng)線路的瞬時(shí)電壓會(huì)達(dá)到7.8V，而這一電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制器芯片的瞬時(shí)電壓，且異常線路的電流也會(huì)在短時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，之后將電壓信號(hào)輸送至控制器的輸出端，通過光耦實(shí)現(xiàn)隔離保護(hù)，最后再將控制器的外部時(shí)鐘頻率從18MHz 調(diào)整為36MHz 并通過手動(dòng)復(fù)位這種方式對(duì)異常線路的電壓以及電流進(jìn)行有效控制。

4 基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

4.1 軟件運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先明確軟件運(yùn)行流程，該系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程設(shè)計(jì)如圖1 所示。

4.2 異常線路定位設(shè)計(jì)

異常線路定位是軟件運(yùn)行中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確定位異常線路的原理。從實(shí)際情況來看，若假設(shè)有k 條線路、n 個(gè)疑似異常線路點(diǎn)，在電網(wǎng)系統(tǒng)中存在干擾與噪聲的環(huán)境中對(duì)這k 條線路進(jìn)行異常判斷，假設(shè)所判斷出的異常線路點(diǎn)為m，在這種情況下對(duì)疑似異常線路點(diǎn)與判斷出的異常線路點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析并分別標(biāo)注重疊與非重疊的線路點(diǎn)，隨后根據(jù)標(biāo)注情況進(jìn)行異常定位，該軟件可以通過定位函數(shù)進(jìn)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(jī)器視覺系統(tǒng)所采集的異常線路像素點(diǎn)；δm——拍攝到的異常線路點(diǎn)的形態(tài)信息；x——線路異常點(diǎn)；yn+1——疑似異常線路點(diǎn)的誤差權(quán)值。

4.3 通信狀態(tài)判斷設(shè)計(jì)

一般情況下，需要根據(jù)服務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)器會(huì)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(dòng)預(yù)警系統(tǒng)需要根據(jù)式（2）進(jìn)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(dāng)異常線路點(diǎn)為m 時(shí)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(yù)警設(shè)計(jì)

若電網(wǎng)系統(tǒng)處于正常的通信狀態(tài)中，則該自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)需要根據(jù)式（3）進(jìn)行異常線路預(yù)警。

式中：T——異常線路預(yù)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(yù)警電壓。

在預(yù)警到異常線路后，線路檢修人員就要及時(shí)檢測(cè)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(yán)重后果。

5 基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，在兩個(gè)變電站中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)變電站的電容為10000pF，另一個(gè)變電站的電容為5000pF，在實(shí)驗(yàn)時(shí)在兩個(gè)變電站之間設(shè)置了測(cè)量裝置且將實(shí)驗(yàn)線路連接線的長(zhǎng)度控制在了40m 左右。在完成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行局部放電并利用基于機(jī)器視覺的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行異常線路的定位。在分析后發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)變電站在實(shí)驗(yàn)的第0.45s 時(shí)開始產(chǎn)生故障波動(dòng)，而設(shè)計(jì)的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以在0.45s 時(shí)檢測(cè)到線路的故障位置。第二個(gè)變電站在實(shí)驗(yàn)的第0.27s 時(shí)開展產(chǎn)生故障波動(dòng)，而自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可以及時(shí)檢測(cè)到線路的故障位置。這就說明在機(jī)器視覺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)可有效采集線路的數(shù)據(jù)信息并及時(shí)對(duì)線路故障進(jìn)行預(yù)警，在實(shí)際工作中發(fā)揮著重要作用[6]。

6 結(jié)語

機(jī)器視覺是一種較為先進(jìn)的技術(shù)手段，可以為線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)提供技術(shù)支持，所以應(yīng)深入研究機(jī)器視覺的應(yīng)用并根據(jù)實(shí)際情況做好自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)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(yùn)行。