CN101335465A - 电力开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力开关柜开关状态的实时图像采集处理识别装置。所述图像识别装置包括图像采集模块，图像处理识别模块，通信模块，非易失性存储器和随机存取存储器；所述图像识别装置与后台系统通过通信网络连结，并将开关状态信息传输或实时图像到所述后台系统。本发明图像采集处理识别过程都在终端装置中完成，仅需将处理识别后的圆盘旋转型开关状态信息发送到后台系统，也可根据后台系统需要传送实时视频。克服了现有视频监控系统，终端仅起到采集视频并通过有线或无线的方式传输到远端控制中心，进一步进行后台处理识别而产生的对通信带宽和设备成本的依赖。本装置还具有运行可靠，安装和维护灵活的优点。

Description

电力开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置

技术领域

本发明涉及电力配网监测领域基于图像识别的电力开关柜遥信系统，具体涉及对电力开关柜开关状态的实时监控的图像采集、处理、识别装置。

背景技术

在电力系统中，开关柜应用非常广泛，能够实时指示电力线路运行状态，对排除电力故障有一定的帮助。但由于电力系统分布区域广阔，在出现故障时无法在第一时间报告工作人员在哪一处发生故障，只能由人工一处一处检查电力机房开关柜状态，非常耗费时间与人力，效率低下。

目前如果要远程读取开关柜的状态就要将开关电路通过现场总线技术连接到处理器或者控制器单元，用处理器或者控制器来读取电力线路的状态，并通过有线或者无线的方式来把读取到的状态发送到远程的控制中心。这种实现方式存在一些不足：(1)可靠性上的不足。处理器单元是属弱电设备，而开关柜安装在高压线路上，存在一定的干扰和影响。(2)灵活性上的不足。传统的方式是处理器单元直接安装在开关柜上，然后通过总线连接出去，而且还需要弱电供应，这样就会占用开关柜的空间，尤其是有多路线缆时，就会占用很多空间。并且更换相应设备时还需要和高压电力设备接触，不够方便和灵活。(3)现有通常的视频监控系统，终端仅起到采集视频并通过有线或无线的方式传输到远端控制中心，进一步进行后台处理识别。这样需要较高通信带宽，对设备成本要求极高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对目前流行的电力故障监控系统的不足，提出了一种基于对电力开关柜开关圆盘旋转型开关状态实时图像识别装置，它可以实现对电力开关柜开关圆盘旋转型开关状态的远端实时自动监控。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于对电力开关柜开关圆盘旋转型开关状态实时图像识别装置，所述图像识别装置包括图像采集模块，图像处理识别模块，通信模块，非易失性存储器和随机存取存储器；所述图像识别装置与后台系统通过通信网络连结，并将开关状态信息传输或实时图像到所述后台系统；所述图像采集模块对开关柜上圆盘旋转型开关状态实时采集。所述图像处理识别模块对图像采集模块采集到的图像数据实时处理，提取并判别出当前圆盘旋转型开关状态特征。所述通信模块将图像处理识别模块处理得到的状态信息实时发送到所述后台系统，或根据用户指令决定读取所述随机存取存储器中的图像数据并传输到所述后台系统。所述非易失性存储器用于存储与图像处理识别相关的程序与数据参数，该存储器与图像处理识别模块传输交换数据。所述随机存取存储器与所述图像采集模块、图像处理识别模块和通信模块连结，用于图像识别装置运行过程中的实时数据缓存；图像采集模块将采集到的视频数据存储在随机存取存储器中，图像处理识别模块读取随机存取存储器中的图像数据并将处理过程中的中间数据存储在随机存取存储器中。所述后台系统通过通信网络可以接受配电系统中开关柜的当前圆盘旋转型开关状态信息，也可接受开关柜圆盘旋转型开关的实时图像画面，并对接受的信息进行相应处理。

优选的，所述图像采集模块包括图像采集单元和帧数据提取单元；该图像采集单元包括输出模拟视频信号的模拟摄像头和视频A/D转换单元，或者为直接输出数字视频信号的数字摄像头；所述帧数据提取单元用于对图像采集单元传递过来的数字视频数据，根据圆盘旋转型开关在画面中的位置参数信息进行有效数据区域的设置和提取。

作为优化方案，所述图像处理识别模块包括转化灰度图单元、中值滤波单元、对比度拉伸增强单元、二值化单元、图像形态识别单元。转化灰度图单元将采集到的彩色开关图像转化为灰度图像；中值滤波单元将灰度中存在的噪音点去除，避免了噪声点对图像识别带来的干扰；对比度拉伸增强单元使图像显示效果更加清晰，开关与背景区分效果更加明显；二值化单元将灰度图进行二值化，开关与背景进一步分离；图像形态识别单元采用灰度行程长度统计法，计算图像与三种开关状态的匹配程度，得出当前圆盘旋转型开关状态结论。

采用本发明，通过视频监控和图像识别的方式来读取圆盘旋转型开关状态，并将识别处理后的开关状态信息通过配网通信网络实时传送到后台系统，达到远程监控的目的。本发明将所有处理识别过程都在终端装置中完成，仅需将处理识别后的圆盘旋转型开关状态信息发送到远端工作人员手中，也可根据后台系统需要传送实时视频。克服了现有视频监控系统，终端仅起到采集视频并通过有线或无线的方式传输到远端控制中心，进一步进行后台处理识别而产生的对通信带宽和设备成本的依赖。

同时，由于监控采用摄像头在开关柜远处对其进行监控，和电力设备距离比较远，之间没有任何连接，从而能够保证系统可靠性。另外监控系统可以单独建立，位置可以自由选择，设备安装和维护都很灵活方便，和电力设备之间不会产生相互影响，并且安装和维护人员的安全也可以得到充分的保障。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是电力配网系统开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置结构框图。

图2是开关柜圆盘旋转型开关三种开关状态原始图。

图3是定位提取数据帧中圆盘旋转型开关的区域信息。

图4是截取开关柜某一时刻的开关状态，取图像灰度图。

图5是开关柜圆盘旋转型开关中值滤波后的效果图。

图6是图像对比度拉伸曲线图。

图7是开关柜圆盘旋转型开关对比度拉伸增强后效果图。

图8是开关柜圆盘旋转型开关图像二值化后效果图。

图9是开关柜圆盘旋转型开关图像像素点分布及识别算法处理过程演示图，图9(a)为模拟的二值化处理后的部分图像区域像素分布情况；图9(b)为沿-45°方向统计算法效果图，图9(c)为沿45°方向统计算法效果图，图9(d)为沿0°方向统计算法效果图。

具体实施方式

如图1为电力开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置结构框图。图像采集模块l包括图像采集单元和帧数据提取单元，图像采集单元集成输出模拟视频信号的模拟摄像头和视频A/D转换单元，视频A/D转换单元用于将模拟视频信号转换为数字视频信号；或者为直接输出数字视频信号的数字摄像头。开关柜上开关的状态图像经图像采集单元采集，送帧数据提取单元处理，帧数据提取单元根据开关在画面中的位置信息对图像采集单元传递过来的数字视频数据进行有效数据区域提取，所提取信号送图像处理识别模块2，图像处理识别模块2包括转化灰度图单元、中值滤波单元、对比度拉伸增强单元、二值化单元、图像形态识别单元。数据经转化灰度图单元、中值滤波单元、对比度拉伸增强单元、二值化单元、图像形态识别单元先后处理后送通信模块3，经通信模块3送后台系统。图像处理识别模块2与非易失性存储器4连接，非易失性存储器4存储与图像处理识别相关的程序与数据参数，该存储器与图像处理识别模块2传输交换数据。非易失性存储器5与图像采集模块1、图像处理识别模块2、通信模块3连接，用于图像识别装置运行过程中的实时数据缓存；图像采集模块1将采集到的视频数据存储在随机存取存储器5中，图像处理识别模块3读取随机存取存储器5中的图像数据并将处理过程中的中间数据存储在随机存取存储器5中。根据指令选择，通信模块3可直接读取随机存取存储器5中的图像采集模块1采集到的视频数据，并发送至后台系统。

如图2所示的电力开关柜开关实物图片，圆盘旋转型开关在不同工作状态会呈现出三种不同状态：悬空状态(a)，接地状态(b)，导通状态(c)。通过摄像头对开关柜圆盘旋转型开关状态进行实时采集。在摄像头安装过程中，根据圆盘旋转型开关在图像中位置信息调整帧提取参数，对视频数据流进行处理，定位分割出中心开关区域，如图3所示，对所拍摄的图像中，实际圆盘旋转型开关区域只有很小一部分，如线框8所示区域。对圆盘旋转型开关进行识别不需要处理整幅图片，只需要对线框8所示中间开关区域进行图像处理识别，这样减小了数据处理量，有利于加快数据处理速度。

在对采集到的图像进行识别之前，需要对图像进行预处理。预处理效果的好坏是影响整个测试系统性能的主要因素，包括图像去噪、增强等。本装置主要采取中值滤波和对比度拉伸算法，使图像去除过多噪音，并使图像更加平滑。首先由转化为灰度图单元将截取的图像转化为灰度图，如图4所示，以便于后面的图像处理识别。然后由中值滤波单元对图4进行中值滤波处理，中值滤波处理是对一个滑动窗口内的诸像素灰度值排序，用其中值代替窗口中心象素的原来灰度值，它是一种非线性的图像平滑法，它对脉冲干扰级校验噪声的抑制效果好，在抑制随机噪声的同时能有效保护边缘少受模糊，图5为中值滤波后的效果图。为了有效区分开关与背景区域，需要图像对比度拉伸单元对图像进行增强处理，该增强处理采用图像对比度拉伸的算法，如图6所示，为图像对比度拉伸曲线，首先计算出图像中最大灰度值MAX，将图像中小于0.8MAX的像素点按曲线1变换，曲线1的斜率自己根据实际情况定，这里取0.8，对图像中大于0.8MAX的像素点按曲线2变换，变换后的最大值取220。通过对比度拉伸后，效果如图7所示，开关与背景很好的区分开。

对增强后的图像由二值化单元进行二值化处理，二值化处理过程采用大津法，又称为最大类间方差阈值分割法，它是在最小二乘法原理的基础上推导出来的，其基本思想是将图像的直方图以某灰度为阈值将图像分成两组并计算两组的方差，当被分成的两组之间的方差最大时，就以这个灰度值作为闭值分割图像，图8为处理后的二值化效果图。

最后，由图像形态识别单元对二值化处理后的图像进行状态识别，状态识别采用灰度行程长度统计法，通过统计图像中从任意像素点出发沿与三种开关状态相同的角度上连续N个灰度为1的出现的概率，比较沿这三种方向统计的概率值大小，最大者即认为状态匹配，这里N取略大于开关宽度的值。如图2所示，圆盘旋转型开关三种状态开关指向与垂直方向分别约为-45°，45°，0°，实际情况有些许偏差对效果影响不大。如图9(a)为模拟的二值化处理后的部分图像区域像素分布情况，灰度值为1的区域为开关指向线，可以看到此开关状态为悬空态。对图9(a)运用灰度行程长度统计法，取N＝4，图9(b)为沿-45°方向统计连续4个灰度为1的概率算法效果图，图9(c)为沿45°方向统计连续4个灰度为1的概率算法效果图，图9(d)为沿0°方向统计连续4个灰度为1的概率算法效果图，比较着这几种计算结果，很明显按-45。计算得到满足连续4个灰度为1的概率最大，所以可以判断当前开关状态为悬空态。

通信模块将计算得到当前圆盘旋转型开关状态实时发送到后台系统，通信模块也可以根据后台指令信息从随机存储器中读取当前图像画面，传输至后台供管理人员实时观测图像信息。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1、一种电力开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置，其特征在于，所述图像识别装置包括图像采集模块，图像处理识别模块，通信模块，非易失性存储器和随机存取存储器；所述图像识别装置与后台系统通过通信网络连结，并将开关状态信息传输或实时图像到所述后台系统；

所述图像采集模块对开关柜上圆盘旋转型开关状态实时采集；

所述图像处理识别模块对图像采集模块采集到的图像数据实时处理，提取并判别出当前圆盘旋转型开关状态特征；

所述通信模块将图像处理识别模块处理得到的状态信息实时发送到所述后台系统，或根据用户指令决定读取所述随机存取存储器中的图像数据并传输到所述后台系统；

所述非易失性存储器用于存储与图像处理识别相关的程序与数据参数，该存储器与图像处理识别模块传输交换数据；所述随机存取存储器与所述图像采集模块、图像处理识别模块和通信模块连结，用于图像识别装置运行过程中的实时数据缓存；

所述后台系统通过通信网络可以接受配电系统中开关柜的当前圆盘旋转型开关状态信息，也可接受开关柜圆盘旋转型开关的实时图像画面，并对接受的信息进行相应处理。

2、根据权利要求1所述的电力开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置，其特征在于，所述图像采集模块包括图像采集单元和帧数据提取单元；所述图像采集单元包括输出模拟视频信号的模拟摄像头和视频A/D转换单元，或者为直接输出数字视频信号的数字摄像头；所述帧数据提取单元用于对图像采集单元传递过来的数字视频数据，根据圆盘旋转型开关在画面中的位置参数信息进行有效数据区域的设置和提取。

3、根据权利要求1所述电力开关柜圆盘旋转型开关状态图像识别装置，其特征在于，所述图像处理识别模块包括转化灰度图单元、中值滤波单元、对比度拉伸增强单元、二值化单元、图像形态识别单元。

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