CN106454242A - 输电铁塔多故障巡回识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种装置和技术，其灵敏地监视、监听、多方面感知输电铁塔空间范围内不同专业信息，同时边监测、边识别，使得能及时发现塔上设备异常、发现设备潜在的故障，可以及时预警或报警；装置由主处理器、专业信息处理器、可转动摄像头、多个专业传感器和音频探测器、无线连接的多个绝缘子泄漏信息探测器、远程无线通信单元组成；本发明的装置用摄像头、音频探测器（或MIC）、不同专业传感器综合探测作用、协调配合发挥作用，同时在检测信息时自动分辨方向查找、自动搜索、转动跟踪、特别边监视边识别还自动分析，以期尽早、尽量发现异常；装置专用在各种输电线路铁塔，满足电力行业人们广阔认知铁塔环境、协助电力行业专业在线监测管理，促进电网运行向智能化方向发展。

Description

输电铁塔多故障巡回识别装置

一 技术领域

本发明专利属于智能电网中信息检测、信息处理、信息识别技术领域，特别是对输电铁塔所在空间区域多类设备进行视频监视、图像识别、音频监听、以及多种相关的专业信息监测，并且边监测、边处理、边识别，使及时发现所监测铁塔上多种设备发生的视频异常、音频异常、某类专业性异常或异物，使推动对输电铁塔输电线路运行安全的保障。

二 背景技术

输电铁塔支撑着高电压绝缘子、输电导线等设备运行，这些设备故障直接关系着电网安全、还关系到社会的用电安全；所以必须对它们紧密地关注，力争出现故障能最快发现、尽量防患事故于未然。

总结多少年来电力行业对输电铁塔自顶向下不同部位的安全点和拟关注的内容主要如下：

1塔上部分——输电绝缘子及绝缘子与导线的连接点，着重关注输电绝缘子污秽、破裂、闪络、雷击；

2塔前塔后输电导线部分——由近向远分成三截区间，着重关注线上振动、舞动、风偏、有无挂接物；

3塔前塔后输电走廊地面部分——由近向远分片，着重关注线下跨越物、树木、公路、铁路过车情况；

4塔基周围部分——着重关注塔基4周有无活动对象及其活动情况、塔基变形、水土流失情况；

对所有这些设备及受外部影响而产生的故障，现行常规办法之一是人工转动摄像头监视，这样难以及时捕捉到故障发生；之二是24小时不停录像事后查看，那就做不到及时发现故障更不能及时处理该故障。

通过检索专利信息了解到：申请人戴林、夏冰心申请号为201110239238.6的专利《一种无线遥控智能球》，只是解决用无线向球形摄像机发出执行指令或短信而远程遥控球形摄像机工作；同是他们申请号为201110239239.0的专利《一种自动跟踪智能球及其监控方法》，仅是通过红外感应发现区域中的人或物体，然后使球形摄像机去锁定拍摄物；前者无线遥控是一种常规控制方式，后者使用红外探测主要是对人作用，不能发现环境的特异，没有使用预置位方式识别准确和灵敏；戴林、夏冰心申请号为201120303574.8的专利《一种人机交互式语音控制智能球》，是实现无线声控的功能，这是人机交互，离不开人的行为，没有自动化。申请人王宣银申请号为200920114369.X的实用新型《多目全景红外锁定跟踪摄像系统》，用在教室观测范围内由红外摄像头跟踪目标进行监视，其没有给定预置位，在教室人多的情况下跟踪实际是盲目的无效的。申请人王宣银、张健、唐慧明申请号为00118546.2的专利《全方位目标自动搜寻智能球形摄像机》，将摄取的图像送到图像处理单元通过软件识别发出命令驱动步进电机转动，改变摄像头方向，实现自动搜寻和跟踪目标；它与本发明的区别在于第一它主要对人搜寻跟踪，第二它没有对最敏感最易出事的区域予以识别，这样没有固定对象、不设预置位、没有针对若干预置位目标明确地巡回监视，没有静态差异识别，盲目搜寻成功概率很低且不准确。

本发明则既适用于活动对象识别又适用于静止对象识别，尤其是使视音频与多种专业信息结合，边监视边识别；申请人李沅申请号为200720057052.8的实用新型《一种多功能监控智能球形摄像机》，集成了温度、湿度、气体、噪声、风速、粉尘等环境感应探测器，实现对多种环境条件的监测，并发出报警信号；其仅提供采集多种参数与视频一起传送显示，没有返回进行视频识别，没有设预置位，没有把采集信息与发生位置联系，更没有与视频联动和跟踪。

三 发明内容

本发明的目的是：为社会提供一种装置与技术，其灵敏地监视、监听、感知输电铁塔空间环境范围内不同专业应用所必须的信息，同时边监测、边跟踪、边识别、及时预警或报警；装置可用在各种输电线路铁塔，满足电力行业人们广阔认知铁塔环境、协助电力行业专业在线监测管理，尤其能及时发现异常、发现潜在的故障，促进电网运行向智能化方向发展。

本专利产品是输电铁塔监测故障识别处理装置，它由主处理器(10)、摄像头(11)、云台(12)、专业信息处理器(20)及8个专业传感器(21～28)和4个方向音频采集器(29～32)、短程无线传送单元(14)及远程无线通信单元(13)组成；其中主处理器(10)直接连接摄像头(11)摄取视频图像、直接连接云台(12)拖动摄像头转动、直接连接短程无线传送单元(14)收集6个采集绝缘子泄漏电流的无线传感器信息、直接连接远程无线通信单元(13)对远方通信；专业信息处理器(20)连接8个专业传感器获取本装置周围需要感知的信息，然后交与主处理器10联合分析识别；该装置同时具有视频信息、多种专业及音频信息检测与处理功能，在视频监视的同时可由专业及音频信息探测发现外部异常从而引导摄像头转动对其监视；主处理器综合记录这些信息并识别、报警，向远方管理后台传送，达到对输电铁塔空间多方位监测识别效果。

所述专利装置的云台(12)与摄像头(11)转动探测视频信息，特别能对上述多个预先确定的、特别需要关注的区域(分别设成预置位)自动巡回监视、逐一识别，每巡回到一个设定的预置位即自动识别该处有否出现异物、是否发生异常，使得能自动发现装置所在空间区域发生的上述多种事情。

所述预置位和相关识别处理具有以下特点：

①对输电铁塔多种设备和关键位置设置识别用预置位

具体对输电铁塔、塔上绝缘子、输电导线、铁塔塔身等设备在运行中容易发生故障而特别值得关注的部位预先设成预置位；本文举例一座铁塔承载两回输电线路，所以设有6串绝缘子、塔上前后输电导线各3截、塔下前后输电走廊各3片、塔基周围地面共4个预置位、塔身2个预置位，共计设有24个预置位。

②输电铁塔多类设备多预置位巡回监视识别

由于在任一时间塔上这些设备及预置位都有可能发生故障，所以必须同等地关注塔上这些设备和部位，关注所设预置位；关注办法就是使球型摄像机自动一遍又一遍地去逐个巡视这些预置位，每巡视到一个预置位都智能地识别其有否异常、有否变样。

③根据需要设置重点预置位成为守卫点、不同时间段可设不同守卫点

不同输电铁塔处在线路不同位置，其环境条件是有差异的，把塔上最要关心从而最要监视的设备或部位设成守卫点，只要球机一闲下来(没有被人工控制、没有进入自动巡视)就自动去监视该点，使得可以即时地抓住在该点发生的事情；例如在有些铁塔处污秽严重，绝缘子容易泄漏，可把这些绝缘子设为守卫点；有些铁塔处雷击发生频繁，宜于把空间最高相导线的绝缘子设作守卫点；在线路经历的风口处，导线受风容易发生振动、舞动，可把导线该处在发现大风的时间段设成守卫点；有些线下走廊有公路、铁路，比较耽心吊车、泵车的高度与导线弧垂发生矛盾，则把该线下走廊在白天繁忙时间段设成守卫点等等，使得到特别的关注。

④通过外部环境多种信息探测引导摄像头对其监视

摄像机对于温度、振动、风力、声音等信息是无法识别的，但引起这些信息的外部行为也可能引起铁塔设备故障，所以这些行为也是需要监视识别的；使用外部物理信息传感器探测这些外部信息再传递到摄像机，使发生联动则可捕捉到这些行为动作，这就是外联探测所能达到的效果。

例如：有人避开摄像头的监视，爬上铁塔拆卸金具、角钢，由引起振动的信息可以联动摄像头转过来监视该行为并报警；又如：线下走廊有公路或铁路时，常有超高吊车、泵车或火车经过，就有相应特点的声音发生，可对应该走廊位置方向安装语音探测器，一当这些车辆经过，该声音信息就会联动摄像头去监视该区域，录制到可能发生的各种外部现象或故障信息。

四 附图说明

图1本专利装置的组成结构图；

图2塔上预置位分布----该塔承载2回输电线路共6相输电导线与绝缘子，则确定6串绝缘子与所连接的根部导线各为一个预置位，图2中还示出塔身2个预置位；

图3塔前、塔后输电导线及地面输电走廊预置位分布----包括输电铁塔前档、后档输电导线远近不同各3个预置位，线下走廊地面前后各3个预置位；

图4塔基区域预置位分布----包括塔基前档(摄像机所在方向)及两侧地面共4个预置位；

图5本专利装置中识别软件处理流程。

五 具体实施方式

5.1输电铁塔巡回监视识别的预置位设置

对于输电线路及铁塔的监视识别可设置如表1的24个重点预置位来实施；(数量可以减少也可增多，视不同铁塔具体位置具体要求确定)，系统可使球形摄像机自动连续巡视识别各预置位；即按表1中预置位1～24的顺序逐个巡视，每巡视到一个预置位停留5秒钟，连续取出25副图片进行识别(每秒识别5副图片)，检查其中设备有无异常和变化，如有则报警且在该位置继续跟踪检查识别；如没有异常和变化，则跳到下一预置位检查和识别；如果各预置位都正常，则每个预置位都不耽误连续巡视，24个预置位巡回一遍约需120秒时间(2分钟)，这个速度能满足现场监视要求。

对于输电铁塔来说，塔上设备主要有：输电导线、绝缘子、塔身、塔基，还有输电铁塔间隔中的状况与外来靠近铁塔的车辆人员等；表1中特别列出这24个预置位的安排。

不同预置位离球形摄像机距离远近有不同，为了监视清楚，需要调节摄像镜头的焦距，所以对于每个预置位设置都要同时记录配合调节焦距的大小。

表1 24个重点预置位及异常识别(设该塔挂2回共6相输电导线,从上至下A、B、C三相)

序号	预置位编号	预置位部位	巡视识别内容	焦距变化
					1	预置位1	1回A相导线绝缘子	1回A相绝缘子有否悬挂物、有否闪络	焦距减小
2	预置位2	1回B相导线绝缘子	1回B相绝缘子有否悬挂物、有否闪络	焦距居中
					3	预置位3	1回C相导线绝缘子	1回C相绝缘子有否悬挂物、有否闪络	焦距增大
4	预置位4	2回A相导线绝缘子	2回A相绝缘子有否悬挂物、有否闪络	焦距减小
					5	预置位5	2回B相导线绝缘子	2回B相绝缘子有否悬挂物、有否闪络	焦距居中
6	预置位6	2回C相导线绝缘子	2回C相绝缘子有否悬挂物、有否闪络	焦距增大
					7	预置位7	前档线路近段	前档线路近段有否悬挂物	焦距减小
8	预置位8	前档线路中段	前档线路中段有否悬挂物	焦距居中
					9	预置位9	前档线路远段	前档线路远段有否悬挂物	焦距增大
10	预置位10	后档线路近段	后档线路近段有否悬挂物	焦距减小
					11	预置位11	后档线路中段	后档线路中段有否悬挂物	焦距居中
12	预置位12	后档线路远段	后档线路远段有否悬挂物	焦距增大
					13	预置位13	前档线下近段	前档线下公路近段有否吊车、泵车	焦距居中
14	预置位14	前档线下远段	前档线下公路远段有否吊车、泵车	焦距增大
					15	预置位15	前档线下山林	前档线下山林有否烟雾、火情	焦距减小
16	预置位16	后档线下近段	后档线下公路近段有否吊车、泵车	焦距减小
					17	预置位17	后档线下远段	后档线下公路远段有否吊车、泵车	焦距增大
18	预置位18	后档线下山林	后档线下山林有否烟雾、火情	焦距减小
					19	预置位19	塔身前向中部	塔身前向中部有否悬挂物(包括人)	焦距居中
20	预置位20	塔身前向下部	塔身前向下部有否悬挂物(包括人)	焦距增大
					21	预置位21	塔基前向1处	塔基前向1处有否活动对象	焦距增大
22	预置位22	塔基前向2处	塔基前向2处有否活动对象	焦距增大
					23	预置位23	塔基前向3处	塔基前向3处有否活动对象	焦距增大
24	预置位24	塔基前向4处	塔基前向4处有否活动对象	焦距增大

5.2对输电铁塔各预置位巡回监视与识别

(1)对本系统所有24个预置位图像制作24套梯度模板(以备后续识别时图像配准)

①规范化初始预置位图像灰度(对所有i＝1～24个预置位图像)：

提取初始预置位图像f_i(x,y)(表示第i副预置位图像，i＝1～24)，原图像用.bmp格式；

计算f_i(x,y)所有像素灰度平均值J＝1/XY∑f_i(x,y)；

像素灰度规范化计算：使f_i(x,y)/J×100，再取整，得F_i(x.y)，保存F_i(x.y)；

对F_i(x.y)进行梯度计算

保留梯度值较大的那些点(数量约10％以内)，使突出图像中主要轮廓；

②制作预置位图像轮廓模板M_i(x.y)：

对保留的点置1，其余置0，作为第i幅预置位图像的梯度模板M_i(x.y)；

对i＝1～24，制作出24个模板M₁(x.y)、M₂(x.y)......M₂₄(x.y)。

③预置位图像边框轮廓模板化和实体轮廓模板化

将上述轮廓图像模板再分成二种模板，一种是只记边框10个(数字可调整)像素宽度的边框轮廓模板M_j(x.y)，j＝1、2、3······24；第二种是只计原图减掉10个像素边框后剩余中心的大部分像素实图轮廓模板，第i预置位的实图轮廓模板为M_i(x.y)，i＝1、2、3······24；

(2)巡视识别过程中预置位配准以减少识别误差

①进入运行后使云台摄像机自动巡视到第i预置位(依据位置序号对应的方位角和镜头焦距远近变

位)；为了弥补摄像机经年运转带来的转动位置误差，特别采取以边框轮廓模板核对位置使精准匹配：

获取该位置当前图像，提取该图中像素规范化的轮廓图像，并二值化；又从中按10个像素边框分出边框轮廓模板Q_j(x.y)和实体轮廓模板Q _i(x.y)；

②使当前第j边框轮廓图像Q_j(x.y)与第(1)中对应预置位边框轮廓模板M_j(x.y)配准；

即计算当前第j预置位边框轮廓图像与前对应该预置位边框轮廓模板的差值E_j(x.y)＝Q _j(x.y)-M _j(x.y)；

③检查差值图E_j(x.y)中残余像素个数：若个数少于2％则认为转动已到达第j预制位，进入下一步具体实体图像识别；否则根据误差大小继续调整位置，配准过程如下：

以二值化的Q_j(x.y)匹准边框轮廓模板M_j(x.y),(配准误差点数在5％以内),按x+1/x-1/y+1/y-1循环移动M_j(x.y)，每移动1次计算1次Q_j(x.y)与M_j(x.y)对应像素乘积之和值，每次按4个方向中和值增加最多的方向移动，配准最好时Q_j(x.y)与M_j(x.y)对应像素乘积之和值最大，同时是E_j(x.y)＝Q _j(x.y)-M _j(x.y)最小。

(3)具体按预置位进行图像识别

①在上述预置位配准以后，在本位置中图像的实体轮廓模板Q _i(x.y)也已获得；

②接着计算当前第i预置位实体轮廓图像与前对应该预置位实体轮廓模板的差值E_i(x.y)＝Q_i(x.y)-M_i(x.y)；

③如果残余像素E_i(x.y)数量达到一定值且相对集中，或具有一定连续性且组成直线、或曲线或块状，则认为发现新轮廓或有异常，确定现行第i预置位图像中有异物或图像异常；

④一发现异常则继续对该预置位提取第2、3幅新图像，如2、3图像中又发现异常则在此位置继续监视或跟踪；同时通过远程无线通信单元(13)向管理后台发图像和报警信息；

⑤如未发现异常或后续图像2、3无异常，则使云台摄像机继续巡回转到下一预置位监视并识别。

⑥直到巡视完第24预置位，在没有“终止巡视”指令情况下才重新巡回第一预置位，摄取其图像寻找异常(总是与初始化预置位轮廓图像计算差值)。

5.3输电铁塔上不同监视对象故障识别的不同处理

(1)对塔上绝缘子故障识别的处理——绝缘子在塔上位置固定、形体相比较偏小，对其预置位模板拟放大，使轮廓边缘清晰、颜色逼真；方便识别绝缘子破损、识别污秽程度和判断闪络；对绝缘子闪络识别拟与绝缘子泄漏电流检测相联系。

(2)对塔上输电导线故障识别的处理——导线与绝缘子接点位置固定，但导线离开塔越远则越不固定，常受风影响发生振动、偏斜、舞动等，引起导线故障发生；所以对导线故障识别要连续注意导线在图片中位置偏差大小，还与振动监测、风偏监测、弧垂监测相联系。

(3)对铁塔所在地面和周围故障识别的不同点——对铁塔周围和地面识别主要是识别活动对象，尤其是识别接近铁塔和攀爬铁塔的人，防止他们采取有损铁塔的行动；识别时充分注意铁塔轮廓特点以与活动人相区别；识别人可以与铁塔振动和人体红外探测结合。

5.4由外部信息探测引起对故障监视与识别

输电线路安全监视还有一个很重要的问题：由于输电线路在野外大跨度连接，每座铁塔间隔距离比较远，塔上摄像头实际很难面面监视周全，就是说当前摄像头如果在监视东边方向，这时西边出事或出现异常该摄像头实际是监视不到的；要解决这个问题，就要结合外部探测，使所探测信号及时联动驱动球形摄像机转到该位置去监视。

从另一个方面来说，对于铁塔振动、导线温度、人体红外、环境声音等信息，单凭摄像头监视是发现不了的，但它们对于铁塔、线路运行又是一种影响因素，有必要探测，从而洞察输电设备的运行状态，所以值得增加相应传感器进行探测，探测得到的信号经过摄像机对外I/O线连接输入，可以引起摄像机联动监视、报警。

本专利装置中的专业信息处理器(20)连接多个专业传感器(振动21、红外22、风力23、雷击24、温度25、湿度26、漏电27)和东西南北4个方向的音频传感器，探测本装置安装点周围不同性质的专业信息；获取当前某个专业传感信息最异常及所对应的预置位，主处理器(10)立即驱动云台带动摄像头对准该传感器所对应的预置位监视，提取该位置视频，还提取该异常信息，远程发送到管理后台以评判该处发生异常的现象和原因，防患事故于初始萌芽状态。

本专利装置具有同时检测视频、音频、传感信息的功能，若它们同时有多个发生异常，则装置首先处理和报告视频信息异常、其次处理和报告音频信息的异常、再其次处理和报告传感器检测信息的异常；这个优先次序是基于视频、音频、传感信息的轻重缓急而确定的；并且每次对连带发生的多种信息都配套予以记录、并做协同分析。

本专利装置预置位设置既确定所对应区域、又确定取景时镜头调节的焦距大小，还指定对该信息采集工作时间(只要该信息发生具有时间特点)，使卓有成效地发现并记录不同区域不同时间发生的不同异常。

在电力高压输电线路和输电铁塔的专业监视中，使摄像头巡回监视并识别每个预置位有否异常，每巡回一遍约需24～60秒钟(每秒钟至少可处理5幅图像)，这样，上述关心的这些预置位中任何一个出现异常都会被发现；

此外可通过监听声音来判知风向，引导摄像头转向监视输电导线的振动和舞动；通过监听第二声音来判知雷击，引导摄像头转向监视绝缘子是否被雷击；还可通过监测配套漏电传感器来提取绝缘子漏电情况、引导摄像头转向监视绝缘子有否闪络；通过振动传感器来提取塔身振动信息，以引导摄像头转向监视塔身金具、塔材是否正在被人偷盗拆卸；通过监测输电导线的倾斜角度来引导摄像头监视输电导线弧垂变化或发展。

在公路交叉处或事故多发路段的专业监视中，可设该路口多个分支为多个预置位，一方面通过对这些预置位自动巡回监视及时发现撞车撞人的交通事故或违章停车情况；另一方面通过音频监听发现不同方向的来车，引导摄像头主动监视这些来车的安全；还可通过超声波监测来提取路过车辆的车速信息以引导监视该车违章情况。

5.5守卫功能使实现对特别关注设备的紧密监视与识别

摄像机所谓守卫功能——就是当人们手动或自动控制其转动停止以后，摄像机自动返回监视某一个固定的位置，这个位置可用作最为需要紧密监视的位置。对于每一座输电铁塔在运行中总可以选定一个部位或设备作为最重要或最为关注点，例如铁塔间隔内存在有跨铁路、公路的大跨越，弧垂点比较低，容易受到较高车辆影响，可设其为守卫点，使球形摄像机一有空闲就去监视这个点，增大抓拍这些现象的可能性；又如可将某容易污染的铁塔绝缘子设成守卫点，使能较准确抓拍绝缘子闪络。

Claims (4)

1.一种输电铁塔故障巡回监测装置，其特征之一是：它由主处理器(10)、摄像头(11)与云台(12)、专业信息处理器(20)及8个专业传感器和4个方向音频采集器(21～32)、短程无线传送单元(14)及3个短程无线信息探测器、远程无线通信单元(13)组成；其中主处理器(10)直接连接摄像头(11)和云台(12)拖动摄像头转动、连接短程无线传送单元(14)收集周围环境信息、连接远程无线通信单元(13)对远方通信；专业信息处理器(20)连接各个专业传感器和音频采集器获取本装置周围必要的感知信息，然后交与主处理器10联合分析识别；该装置在视频监视的同时可由专业及音频信息探测外部异常而引导摄像头转动对其跟踪监视；主处理器综合记录这些信息并识别、报警，向远方管理后台传送。

2.所述装置第二个特征是：针对输电铁塔上不同设备、不同故障类型的特点设置多达24个预置位用于巡回识别，使识别更准确、发现输电铁塔故障更为及时有效。

3.一套对输电铁塔多预置位巡回监视、识别设备故障的技术，其技术特征是：

①预先对每个预置位图像像素灰度值规范化、对规范化的预置位图像制作边框梯度模板和实体梯度模板；在具体巡视每个预置位过程中对监视图像制作边框梯度图像和实体梯度图像用于下述配准和识别；

②基于边框梯度模板实现巡回时对预置位精准匹配；

③基于实体梯度图像模板进行监视图像中设备的故障识别。

4.所述的装置若视频、音频、传感信息同时有多个异常，则装置首先处理和报告视频异常、其次处理和报告音频异常、再其次处理和报告传感器信息异常；这个优先次序适应了视频、音频、传感信息的轻重缓急处理需要。