移動攝像+視頻識別在泵站數(shù)字孿生工程中的運用

王羿潤，單吉強，宋學(xué)功

（山東省調(diào)水工程運行維護中心壽光管理站，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、處理、同步和交互等關(guān)鍵任務(wù)，為數(shù)字孿生的建立和運行提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支持。它是數(shù)字孿生實現(xiàn)全生命周期管理和優(yōu)化的基礎(chǔ)，對于提高物理實體的運行效率、降低成本和風(fēng)險具有重要意義。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際意義，孿生工程的細節(jié)應(yīng)該豐富到能相當(dāng)程度地替代現(xiàn)場巡視檢查。怎樣豐富采集端數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)底版這個基礎(chǔ)更加夯實，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、維護和數(shù)據(jù)處理等工作往往繁瑣且耗時，給運維帶來了不小的挑戰(zhàn)。近年來，視頻識別技術(shù)的迅猛發(fā)展為解決這一問題提供了新的思路。視頻識別技術(shù)通過分析視頻圖像中的內(nèi)容，可以實現(xiàn)對目標(biāo)的識別、分類和跟蹤，從而取代傳統(tǒng)傳感器在運維中的部分功能。本文將詳細探討視頻識別技術(shù)結(jié)合可移動攝像機在運維中的應(yīng)用，并分析其相對于傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢，以及面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 視頻識別技術(shù)的原理

視頻識別技術(shù)是一種基于計算機視覺和圖像處理的技術(shù)，通過對視頻圖像的分析和處理，實現(xiàn)對視頻中的目標(biāo)物體、動作以及環(huán)境的識別和理解。泵站數(shù)字孿生工程中的視頻識別技術(shù)主要包括目標(biāo)檢測、行為識別和異常檢測等。

在視頻識別技術(shù)中，首先需要對視頻進行預(yù)處理，然后，針對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，利用機器學(xué)習(xí)算法對提取到的特征進行訓(xùn)練和分類。常用的機器學(xué)習(xí)算法包括支持向量機（SVM）、隨機森林（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)類別進行匹配和分類。最后，通過目標(biāo)檢測、目標(biāo)跟蹤、行為識別等技術(shù)，對視頻中的目標(biāo)進行定位、追蹤和識別[1]。

2 增加監(jiān)測設(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)測設(shè)備時，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)備會增加維護和維修的工作量。每個設(shè)備都需要定期檢查、維護和保養(yǎng)，以確保其正常運行。如果設(shè)備數(shù)量過多，維護人員將不得不花費更多的時間和精力來處理這些任務(wù)，從而增加了運維的負擔(dān)。其次，設(shè)備的損壞率是一個不可忽視的因素。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，故障的概率也會相應(yīng)增加。如果泵站內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備過多，那么維修和更換設(shè)備的頻率將大大增加，導(dǎo)致停機時間的增加和生產(chǎn)效率的下降。此外，過多的設(shè)備還會增加能源消耗和成本支出。每個設(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，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)計泵站時，需要進行合理的設(shè)備規(guī)劃和布局，考慮到維護工作量、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，同時降低運維負擔(dān)和成本支出。

（2）在泵站數(shù)字孿生工程中，又確實需要大量詳實的監(jiān)測數(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)測到各個細節(jié)上的數(shù)據(jù)狀態(tài)，才能準(zhǔn)確地建立數(shù)字模型并實現(xiàn)數(shù)字化的運維管理。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生工程可以實時還原泵站的運行情況，并進行全面的分析和預(yù)測。例如，監(jiān)測泵站的電氣設(shè)備狀態(tài)可以提供關(guān)鍵的運行參數(shù)，如電流、電壓、功率等，從而評估設(shè)備的工作狀況和能效表現(xiàn)。監(jiān)測泵站的水位、流量和壓力等參數(shù)可以幫助了解水泵系統(tǒng)的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)措施。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以用于識別潛在的故障和預(yù)測設(shè)備的壽命。通過對設(shè)備運行數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常行為和趨勢，提前采取維護措施，避免設(shè)備故障和停機時間的增加。同時，基于歷史數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)算法，還可以預(yù)測設(shè)備的壽命和維修周期，優(yōu)化維護計劃，提高泵站的可靠性和運行效率。因此，確保獲得詳實的監(jiān)測數(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，終于找到了一個突破口，就是利用可以移動的攝像機構(gòu)實現(xiàn)一對多設(shè)備的監(jiān)測，依次采集多個設(shè)備或機組的狀態(tài)信息。具體移動方式有以下3 種：軌道攝像機，定制巡檢機器人或智能眼鏡。每種方式都有各自的特點：巡檢機器人，是較為理想的移動平臺，既能全面地巡視設(shè)備，又可以攜帶足夠的監(jiān)測設(shè)備，可以完美替代人工巡檢，但目前的機器人都是輪式的，對場地有較為苛刻要求；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。

這種移動識別的方式具有以下幾個優(yōu)點：①效率提升：使用視頻識別技術(shù)可以在同一時間段內(nèi)同時監(jiān)測多個設(shè)備或機組的狀態(tài)，從而提高工作效率。傳統(tǒng)的方法可能需要逐個檢查每個設(shè)備，而視頻識別可以一次性獲取多個設(shè)備的信息。②節(jié)省成本：通過使用一個攝像頭來監(jiān)測多個設(shè)備或機組，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，視頻識別技術(shù)可以實現(xiàn)自動化監(jiān)測，減少人力資源的需求，進一步降低成本。③重點監(jiān)測：在開停機時、或發(fā)現(xiàn)設(shè)備、機組異常的情況下，移動攝像頭可以提供重點部位的實時狀態(tài)監(jiān)測。此類需要重點監(jiān)測的位置，在運行過程中不會太多。開停機一定是一步一步進行，不可能同時操作；設(shè)備異常往往也會及時修正，不會在異常情況下長期工作。需要重點監(jiān)測的部位是少數(shù)，移動攝像頭完全可以勝任。

當(dāng)然使用視頻識別技術(shù)只能部分替代傳統(tǒng)的傳感器或監(jiān)測裝置。有些比較容易識別的參數(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)場帶指針的電流電壓值、輔機的運行狀態(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別來監(jiān)測，比如一次線路的各個電流電壓，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)需要運維人員或計算機實時監(jiān)測，確保不發(fā)生意外，這些用傳統(tǒng)的設(shè)備更合適。

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

智能識別是這一應(yīng)用的核心和關(guān)鍵。目前很多自動化水平較高的泵站攝像頭基本能覆蓋工作區(qū)域，一個小區(qū)域內(nèi)的一到兩個攝像頭雖然不足以用來識別設(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在逐一對焦的情況已經(jīng)可以識別部分機柜的開關(guān)狀態(tài)、指示燈狀態(tài)等。針對視頻的智能識別技術(shù)應(yīng)該爭取做到以下3點。①識別范圍要爭取全面。計算機不但要識別出設(shè)備，還要識別設(shè)備的具體開關(guān)狀態(tài)、壓板情況、運行指示燈的狀態(tài)等等，并可以把這些狀態(tài)直接儲存到數(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)程度的自動化，但依然需要工作人員定期巡視檢查，智能識別需要包含的內(nèi)容，就是爭取覆蓋工作人員巡視時需要檢查的所有地方。②要確保識別準(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。如果識別錯誤，在孿生工程中以錯誤的狀態(tài)顯示出來，反而會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，比如地面有異常積水、有小動物活動、未復(fù)原的設(shè)備、設(shè)備有異常發(fā)熱點等等，可能會對安全運行產(chǎn)生影響的情況。

此外，視頻識別技術(shù)相對于傳統(tǒng)傳感器在泵站運維中還具有以下優(yōu)勢：①非接觸式監(jiān)測：傳統(tǒng)傳感器通常需要直接接觸被監(jiān)測對象，而視頻識別技術(shù)可以通過攝像頭對泵站進行非接觸式監(jiān)測。這意味著不需要額外的物理傳感器設(shè)備，減少了安裝和維護的成本和工作量。②多維信息獲取：視頻識別技術(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)測泵站的運行情況，提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。此外，視頻識別技術(shù)還具有較高的靈活性，可以根據(jù)不同的運維需求和場景進行定制和調(diào)整，滿足不同運維任務(wù)的要求。③實時監(jiān)測和預(yù)警：視頻識別技術(shù)可以實時監(jiān)測泵站的運行狀態(tài)，并通過算法和模型對圖像和視頻數(shù)據(jù)進行分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)異常情況、故障或風(fēng)險，并提供實時的預(yù)警和報警功能，幫助運維人員快速做出反應(yīng)。從而能夠更快地采取措施進行維修和保養(yǎng)，提高了運維的響應(yīng)速度和效率。④大數(shù)據(jù)分析和智能決策：視頻識別技術(shù)生成的數(shù)據(jù)量龐大，可以進行大數(shù)據(jù)分析和挖掘，提取有價值的信息和模式[2]。通過機器學(xué)習(xí)和人工智能算法，實現(xiàn)對泵站運行的智能決策和優(yōu)化，提高運維效率和能源利用效率。

4 技術(shù)挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

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

依托視頻識別技術(shù)，在運維領(lǐng)域用移動攝像裝置替代部分監(jiān)測裝置仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括以下2 個方面：①大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲：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，需要進行高效的數(shù)據(jù)處理和存儲。處理和分析大規(guī)模視頻數(shù)據(jù)需要強大的計算能力和存儲資源，同時還需要考慮數(shù)據(jù)傳輸和同步的效率與穩(wěn)定性。②復(fù)雜環(huán)境下的識別準(zhǔn)確性：運維場景常常存在復(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別的準(zhǔn)確性。需要進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，視頻識別技術(shù)在泵站數(shù)字孿生工程中的應(yīng)用將會進一步增強。未來，視頻識別技術(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)和云計算等[3]，實現(xiàn)更加智能化和自動化的泵站運維管理。同時，視頻識別技術(shù)還有望應(yīng)用于泵站的智能化控制系統(tǒng)，通過對視頻圖像的分析和識別，實現(xiàn)對泵站設(shè)備的自動控制和優(yōu)化調(diào)整，提高泵站的運行效率和能耗管理。

5 結(jié)語

可移動攝像機結(jié)合視頻識別技術(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)字孿生工程對監(jiān)測數(shù)據(jù)的龐大需求，又不至于過分的增加運維負擔(dān)。它可以為泵站的運維管理提供全方位的支持，實現(xiàn)設(shè)備智能檢測、環(huán)境監(jiān)測和安全管理等功能，提高泵站運行的效率和可靠性。這種技術(shù)在大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和隱私保護等方面仍面臨挑戰(zhàn)，需要進一步研究和發(fā)展。通過克服技術(shù)挑戰(zhàn)、提高識別準(zhǔn)確性，視頻識別技術(shù)將為智能化運維提供更多的可能性，并為泵站的運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)用將會進一步擴展，并為水利工程的發(fā)展帶來更多的機遇和挑戰(zhàn)。