CN103698001A - 一种基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法，第一步，选择好进行监测的系统硬件，系统硬件包括激光测距仪、工业摄像头、笔记本电脑、三角架、普通录像机，激光测距仪用于测量距离、仰角、与线路夹角；本发明方法通过分析现场拍摄的线路舞动视频录像，结合相应的标定参数，实现对线路舞动的精确监测。通过分析现场拍摄的线路舞动视频录像，结合相应的标定参数，实现对线路舞动的精确监测。

Description

一种基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法

技术领域

本发明涉及电力监测领域，尤其是针对输电线路舞动的监测方法。

背景技术

架空输电线路在运行过程中会因自然条件的作用而发生多种灾害事故，舞动就是其中危害较为严重的一种。舞动是指导线在一定自然条件下，覆冰形成非对称圆截面，在风的作用下产生一种低频、大振幅的自激振动。

舞动在振动形态上表现为在一个档距内只有一个或少数几个半波。输电线路舞动的发生通常取决于三方面的要素：导线不均匀覆冰、风激励和线路结构参数。一般来说，发生舞动线路的如下信息是非常重要的，应尽可能准确、翔实地观测、记录。例如舞动发生的日期、时间、气温、风速、风向、冰型、冰厚、线路参数（档距、分裂导线分裂数）、阶次、频率、振幅等。表征舞动特性的主要参数为振幅、频率和阶次。

舞动产生的危害是多方面的，轻者会发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。随着我国电网建设的发展，近年来我国架空输电线路舞动事故发生的频率和强度明显增加，舞动已成为当前我国威胁线路安全的最主要因素之一。

我国关于舞动的记载始于20世纪50年代。据资料统计，自1957年至2008年，我国东北、华北、华中、西北等地区输电线路发生舞动事故已超过80起，波及到各个电压等级的输电线路。其中辽宁22起、湖北21起、河南9起，这3个省份是舞动发生最频繁的地区。考虑到输电线路自身具有一定的抗舞动能力，轻微舞动并未造成严重事故，以及统计数据的不完整，实际发生的舞动次数应高于统计记录。尤其是2000年后，我国输电线路几乎每年都发生较严重的舞动事故，造成的经济损失较大。

近年来发达国家输电线路的发展基本处于停滞状态，因此有关线路的舞动记录不多，形成舞动的因素非常复杂，而各种因素又相互影响，构成了激发与扩展的复杂情况。归纳起来，对导线舞动的激发与扩展起主要作用的因素大致包括地形与地势，当地的气象条件、线路系统的结构与参数。由于上述特点，造成了舞动预测的困难性。

舞动发生时的相关数据对后续的舞动机理及相关影响因素分析、舞动防治起着至关重要的作用。由于舞动发生几率较低，不易被人们观测到，因此世界上不少国家建立了舞动试验线路，为舞动问题的深入研究和舞动治理提供基础数据。通过监测，可以掌握舞动发生的范围、频度、以及易于舞动的气象、地形条件，监测又是验证防舞动设计计算理论、确定防舞动方案以及防舞动效果的重要手段。

目前，导线舞动监测技术主要采用两种原理：一种是通过视频采集技术来实现对舞动监测；另一种是通过传感器采集输电导线舞动参数，然后通过计算机建模处理，分析计算线路舞动情况。关于输电线路舞动监测技术在国内外应用都还很不成熟，装置和系统存在诸多缺陷和问题，归纳起来主要有以下三个方面：

1) 传感器的布置问题，导线舞动在线监测系统的难点在于传感器的安装与数量的选择以及曲线拟和算法的选择，安装的传感器过多，可以得到更多的数据，曲线拟和就好，精度也越高，但相应的成本也越大，软件的计算量也随之加大，且安装过多的传感器还有可能破坏输电导线舞动的数学模型。反之成本降低了，但由于监测点有限，就不能精确地计算、拟和输电导线舞动的轨迹。

2) 电源问题，对传感器来说，在信息接受方或发送终端都是需要电源的。现在设计的输电线舞动监测终端多采用太阳能蓄电池或自充电蓄电池系统为系统的电源。一种方案是自取电蓄电池系统,即利用市电供电或者直接把输电线的高压电变成所需电源对电池进行充放电；另一种是太阳能电池板充放电电源系统，该电源系统是一个独立的自给自足电源系统，不受市电或输电线路电源影响，但是太阳能蓄电池的转化效率较低，供电时间短,受天气影响较严重。

3) 数据传输问题，现有的传输技术有较多种，诸如无线传输、光纤传输、宽带传输、微波传输等，无线传输较为多见，但很容易出现数据丢包现象，光纤传输目前应用较少，但数据传输稳定可靠，而且几乎不受电磁干扰的影响，应用前景广阔，但价格较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法，实现舞动幅值、频率、阶次以及舞动动态轨迹和变化趋势的精确监测。

本发明的技术方案是： 

一种基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法，第一步，选择好进行监测的系统硬件，系统硬件包括激光测距仪、工业摄像头、笔记本电脑、三角架、普通录像机，激光测距仪用于测量距离、仰角、与线路夹角；

第二步，对摄像机进行标定，根据成像基本原理，进行标定的计算，解决摄像机拍摄得到的舞动图像尺寸与实际尺寸的对应问题，以得到用摄像机观测舞动的振幅，

第三步，进行舞动监测，

其中，第二步对摄像机进行标定过程如下：

用来拍摄的输电线路所在空间内任意一点的垂直位移标定系数K，

①                                                

，

其中，K——某一被测点的垂直位移标定系数；

b——CCD的像元尺寸，硬件参数，已知可查，单位：微米；

α——摄像机的仰角；

f——镜头的焦距，已知可查，单位：毫米；

D——摄像机到测量面的距离，单位：米；

其中，摄像机到测量面的距离D，

②，

d——被测点到摄像机的距离，单位：米，

β——被测点相对于摄像机的光轴之间的夹角；

其中，

③

，

x，y——被测点像素坐标，当被测点选定以后，(x，y)也就确定已知，

x₀，y₀——摄像机的中心点坐标，可查，

通过以上三个公式①②③，可以得到测量垂直位移的标定系数为：

④

，

公式④中d和α需要现场进行测量，测量过程如下：

获取摄像机到被测点的距离d：近距离的被测点，可以用激光测距仪测；远距离的被测点可以测量水平距离和仰角，激光测距仪可以测被测点的仰角，再用三角函数计算得到，

 获取摄像机的仰角α:激光测距仪可以直接测量得到摄像机的仰角。

所述第三步，舞动监测分为在线监测和离线监测，

在线监测需要将摄像头与笔记本电脑相连，将事先测量的距离、仰角、与线路夹角及相机参数输入数据库，在录像过程中自动追踪特征点的运动轨迹，并将各特征点信息综合，绘制舞动导线的三维运动轨迹，具体操作流程如下：

1）确定舞动监测对象，主要确定要监测的线路具体档距，全档监测还是半档监测，监测三相导线还是只监测一相导线；

2）选择摄像点，主要考虑到拍摄点与线路应用一定的距离以保证标定系数的精确性，但同时应保证线路特征点的清晰；

3）将摄像头与安装有视频分析软件的笔记本电脑相连，并固定于三角架上，

4）测量摄像头的仰角、摄像头与线路方向的夹角、及摄像头至各特征点的距离等参数，并录入视频分析软件数据库，

5）输入摄像头焦距、像元尺寸等参数，计算机自动计算出各特征点的标定系数；

6）开机自动监测，在摄像头录取舞动录像的同时，系统自动跟踪各特征点的像素变化轨迹，并根据标定系数计算出实际变化量，综合各特征点的运动轨迹绘制线路三维变化轨迹，从而得到舞动幅值、频率、阶次等参数，在监测过程中保证定点、定焦距录像；

离线监测，

离线监测可先录取舞动视频，然后测量距离、仰角、与线路夹角，结合相机参数计算出标定系数，在利用软件追踪各特征点的变化轨迹，然后结合各特征点的标定系数得出舞动导线的三维变化轨迹。离线监测所需设备少，操作流程简单，特别适合于野外监测，操作流程如下：

1）确定舞动监测对象，主要确定要监测的线路具体档距，全档监测还是半档监测，监测三相导线还是只监测一相导线；

2）选择摄像点，主要考虑到拍摄点与线路应用一定的距离以保证标定系数的精确性，但同时应保证线路特征点的清晰；

3）将摄像及固定于三角架上进行定点、定焦录像；

4）录像录制后记录测量摄像头的仰角、摄像头与线路方向的夹角、及摄像头至各特征点的距离等参数；结合摄像机本身参数计算出各特征点的标定系数；

5）录制结束后，将录取的录像带入视频分析系统，获得各特征点的二维变化曲线，结合标定系数，得出各特征点的二维变化轨迹，并得出舞动线路的三维曲线，从而得到舞动幅值、频率、阶次等参数。

本发明方法通过分析现场拍摄的线路舞动视频录像，结合相应的标定参数，实现对线路舞动的精确监测。通过分析现场拍摄的线路舞动视频录像，结合相应的标定参数，实现对线路舞动的精确监测。通过在浙江大学土木实验室的舞动试验机上的实验室验证和在国家电网真型输电线路综合试验基地小型试验线路的现场验证，证明了该方法的有效性和可行性。通过该方法，可以得到线路舞动的幅值、频率和阶次参数，同时也可以得到线路舞动的动态轨迹。

附图说明

图1是本发明的在线监测流程图；

图2是本发明的离线监测流程图。

具体实施方式

本发明的方法通过分析现场拍摄的线路舞动视频录像，结合相应的标定参数，实现对线路舞动的精确监测。主要包括两个部分：系统硬件和系统软件。系统硬件包括激光测距仪（测量距离、仰角、与线路夹角）、工业摄像头和笔记本电脑、三角架、普通录像机等设备；系统软件包括特征选择、特征提取、图像匹配和图像跟踪等步骤。

用摄像机观测舞动的振幅，一个很重要的问题就是摄像机拍摄得到的舞动图像尺寸与实际尺寸的对应问题。因为用摄像机观测舞动时，由于观测点位置和摄像仪镜头角度不同，图像尺寸与实际尺寸的对应关系也会不同。因此，在每一次确定了观测点位置和镜头角度之后，都要对摄像机进行标定。根据成像基本原理，进行标定的计算，标定的主要目的是：将测量结果转换为实际的物理单位。

空间内任意一点的垂直位移标定系数K，

                                                 

K——某一被测点的垂直位移标定系数；

b——CCD的像元尺寸，硬件参数，已知，可查，单位：微米；

α——摄像机的仰角；

f——镜头的焦距，已知，可查。单位：毫米；

D——摄像机到测量面的距离。单位：米；

其中，

                        

                      

d——被测点到摄像机的距离，单位：米。

β——被测点相对于摄像机的光轴之间的夹角；

其中，

                    

               

x，y——被测点像素坐标，当被测点选定以后，（x，y）也就确定已知。

x₀，y₀——摄像机的中心点坐标。可查。

通过以上三个公式，可以得到测量垂直位移的标定系数为：

          

   

在上述计算公式里，只有d和α是未知的，即摄像机到被测点的距离和摄像机的仰角是未知的，需要现场进行测量。

获取摄像机到被测点的距离d：近距离的被测点，可以用激光测距仪测；远距离的被测点可以测量水平距离和仰角（激光测距仪可以测被测点的仰角），再用三角函数计算得到。

 获取摄像机的仰角α:配套的激光测距仪可以直接测量得到摄像机的仰角。仰角主要用于修正摄像机与垂直方向存在夹角的问题。

对经常发生舞动的区域，可以事先确定一个固定的测量位置，每次仪器都架设在这个位置进行测量。这样做的好处是：标定工作只做一次，以后再测量的时候，只需要把测量仪器架设在相同的位置，就不需要重新标定。在输电线路舞动监测中，测量距离一般都在百米以上，当每次架设仪器的位置相差几个厘米，甚至几十厘米的时候，带来的相对误差非常小，所以无需要求仪器每次架设的位置完全一致。

在输电线路舞动故障巡视中，发现舞动情况后，可先进行录像，然后用激光测距仪测量出d和a，最后进行舞动轨迹及特性分析。

具体实施过程：

根据实际情况，舞动监测分为在线监测和离线监测。在线监测需要将摄像头与笔记本电脑相连，将事先测量的距离、仰角、与线路夹角及相机参数输入数据库，在录像过程中自动追踪特征点的运动轨迹，并将各特征点信息综合，绘制舞动导线的三维运动轨迹。离线监测可先录取舞动视频，然后测量距离、仰角、与线路夹角，结合线路参数计算出标定系数，在利用软件追踪各特征点的变化轨迹，然后结合各特征点的标定系数得出舞动导线的三维变化轨迹。

（1）    在线监测，如图1所示，

在线监测需要将摄像头与笔记本电脑相连，将事先测量的距离、仰角、与线路夹角及相机参数输入数据库，在录像过程中自动追踪特征点的运动轨迹，并将各特征点信息综合，绘制舞动导线的三维运动轨迹。具体操作流程如下：

1）确定舞动监测对象，主要确定要监测的线路具体档距，全档监测还是半档监测，监测三相导线还是只监测一相导线；

2）选择摄像点，主要考虑到拍摄点与线路应用一定的距离以保证标定系数的精确性，但同时应保证线路特征点的清晰；

3）将摄像头与安装有视频分析软件的笔记本电脑相连，并固定于三角架上。

4）测量摄像头的仰角、摄像头与线路方向的夹角、及摄像头至各特征点的距离等参数，并录入视频分析软件数据库。

5）输入摄像头焦距、像元尺寸等参数，计算机自动计算出各特征点的标定系数；

6）开机自动监测，在摄像头录取舞动录像的同时，系统自动跟踪各特征点的像素变化轨迹，并根据标定系数计算出实际变化量，综合各特征点的运动轨迹绘制线路三维变化轨迹，从而得到舞动幅值、频率、阶次等参数。在监测过程中保证定点、定焦距录像。

（2）    离线监测，如图2所示，

离线监测可先录取舞动视频，然后测量距离、仰角、与线路夹角，结合相机参数计算出标定系数，在利用软件追踪各特征点的变化轨迹，然后结合各特征点的标定系数得出舞动导线的三维变化轨迹。离线监测所需设备少，操作流程简单，特别适合于野外监测。操作流程如下：

1）确定舞动监测对象，主要确定要监测的线路具体档距，全档监测还是半档监测，监测三相导线还是只监测一相导线；

2）选择摄像点，主要考虑到拍摄点与线路应用一定的距离以保证标定系数的精确性，但同时应保证线路特征点的清晰；

3）将摄像及固定于三角架上进行定点、定焦录像；

4）录像录制后记录测量摄像头的仰角、摄像头与线路方向的夹角、及摄像头至各特征点的距离等参数；结合摄像机本身参数计算出各特征点的标定系数；

5）事后，将录取的录像带入视频分析系统，获得各特征点的二维变化曲线，结合标定系数，得出各特征点的二维变化轨迹，并得出舞动线路的三维曲线，从而得到舞动幅值、频率、阶次等参数。

Claims (2)

1.一种基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法，其特征在于：第一步，选择好进行监测的系统硬件，系统硬件包括激光测距仪、工业摄像头、笔记本电脑、三角架、普通录像机，激光测距仪用于测量距离、仰角、与线路夹角；

第二步，对摄像机进行标定，根据成像基本原理，进行标定的计算，解决摄像机拍摄得到的舞动图像尺寸与实际尺寸的对应问题，以得到用摄像机观测舞动的振幅，

第三步，进行舞动监测，

其中，第二步对摄像机进行标定过程如下：

用来拍摄的输电线路所在空间内任意一点的垂直位移标定系数K，

①                                                

，

其中，K——某一被测点的垂直位移标定系数；

b——CCD的像元尺寸，硬件参数，已知可查，单位：微米；

α——摄像机的仰角；

f——镜头的焦距，已知可查，单位：毫米；

D——摄像机到测量面的距离，单位：米；

其中，摄像机到测量面的距离D，

②

，

d——被测点到摄像机的距离，单位：米，

β——被测点相对于摄像机的光轴之间的夹角；

其中，

③，

x，y——被测点像素坐标，当被测点选定以后，(x，y)也就确定已知，

x₀，y₀——摄像机的中心点坐标，可查，

通过以上三个公式①②③，可以得到测量垂直位移的标定系数为：

④

，

公式④中d和α需要现场进行测量，测量过程如下：

获取摄像机到被测点的距离d：近距离的被测点，可以用激光测距仪测；远距离的被测点可以测量水平距离和仰角，激光测距仪可以测被测点的仰角，再用三角函数计算得到，

 获取摄像机的仰角α:激光测距仪可以直接测量得到摄像机的仰角。

2.根据权利要求1所述的基于单目视觉分析方法的输电线路舞动监测方法，其特征在于：所述第三步，舞动监测分为在线监测和离线监测，

在线监测需要将摄像头与笔记本电脑相连，将事先测量的距离、仰角、与线路夹角及相机参数输入数据库，在录像过程中自动追踪特征点的运动轨迹，并将各特征点信息综合，绘制舞动导线的三维运动轨迹，具体操作流程如下：

1）确定舞动监测对象，主要确定要监测的线路具体档距，全档监测还是半档监测，监测三相导线还是只监测一相导线；

2）选择摄像点，主要考虑到拍摄点与线路应用一定的距离以保证标定系数的精确性，但同时应保证线路特征点的清晰；

3）将摄像头与安装有视频分析软件的笔记本电脑相连，并固定于三角架上，

4）测量摄像头的仰角、摄像头与线路方向的夹角、及摄像头至各特征点的距离等参数，并录入视频分析软件数据库，

5）输入摄像头焦距、像元尺寸等参数，计算机自动计算出各特征点的标定系数；

6）开机自动监测，在摄像头录取舞动录像的同时，系统自动跟踪各特征点的像素变化轨迹，并根据标定系数计算出实际变化量，综合各特征点的运动轨迹绘制线路三维变化轨迹，从而得到舞动幅值、频率、阶次等参数，在监测过程中保证定点、定焦距录像；

离线监测，

离线监测可先录取舞动视频，然后测量距离、仰角、与线路夹角，结合相机参数计算出标定系数，在利用软件追踪各特征点的变化轨迹，然后结合各特征点的标定系数得出舞动导线的三维变化轨迹；离线监测所需设备少，操作流程简单，特别适合于野外监测，操作流程如下：

1）确定舞动监测对象，主要确定要监测的线路具体档距，全档监测还是半档监测，监测三相导线还是只监测一相导线；

2）选择摄像点，主要考虑到拍摄点与线路应用一定的距离以保证标定系数的精确性，但同时应保证线路特征点的清晰；

3）将摄像及固定于三角架上进行定点、定焦录像；

4）录像录制后记录测量摄像头的仰角、摄像头与线路方向的夹角、及摄像头至各特征点的距离等参数；结合摄像机本身参数计算出各特征点的标定系数；

5）录制结束后，将录取的录像带入视频分析系统，获得各特征点的二维变化曲线，结合标定系数，得出各特征点的二维变化轨迹，并得出舞动线路的三维曲线，从而得到舞动幅值、频率、阶次等参数。

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