CN107257161B - 一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，包括：刀闸遥控指令模块接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证。本发明还提供一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统。本发明可准确的定位绝缘子的位置和识别刀闸的状态，可运用于实时性要求较高的电力系统监控系统中，使用方便，准确性较高，通过该算法设计分析视频图像的结果可进行深化应用，使得系统内对刀闸校核手段更直观，更丰富。
Description
技术领域
本发明涉及变电站控制技术领域，具体涉及一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法及系统。
背景技术
随着经济和社会的发展，电力的要求越来越高，随着电网的不断发展，新技术的应用，变电站的操作越来越智能化，变电站需要更多刀闸来控制变电站的输电线路，因此掌握刀闸状态信息十分有必要。电力系统中监控电力线上的设备状态是最重要的一项工作，为了提高实时监控的效率，传统的人工监控技术已经被新技术所取代。计算机视觉和图像处理技术可以快速高效地检测出电力线上的缺陷，而且通过自动检测和识别输电线上的电力设备，可以大大降低人工成本。最近研究者们提出了许多在可见光图像中利用计算机视觉和图像处理技术来识别刀闸或绝缘子状态的算法。
毫无疑问正确检测绝缘子位置将有助于精确判断和分析刀闸的状态。现有的算法技术存在的问题有：1）一种算法利用改进的Otsu算法和数学形态学来分割绝缘子，但在复杂背景下该算法未能达到理想的效果；2）一种算法利用全局最小主动轮廓模型来分割绝缘子，该算法具有较好的分割效果，但是该算法使用的全局特征需要大量的计算时间，而基于局部特征的目标检测算法是更加有效的，许多目标检测算法都利用了局部特征；3）一种算法提出了一种基于自适应神经模糊推理系统的绝缘子检测方法，该方法利用k-means聚类获得所需集群、对沿行列和对角线都适当的所有像素点绘制最小矩形框、利用ANFIS获得绝缘子的定位，该方法在背景相对简单的情况下可以实现多个绝缘子的定位，但在复杂背景下它不能精确定位绝缘子的位置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法及系统。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，包括：
刀闸遥控指令模块接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；
图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；
提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；
根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；
根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证；
根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；具体包括：
对目标提取信息进行局部特征检测获取绝缘子的特征信息；
对特征信息与预设特征描述子比对进行特征匹配；
对匹配成功的特征确定绝缘子特征并获取绝缘子所在位置；
获取刀闸位置；
所述特征描述子是通过提供具有绝缘子的训练样本得到对绝缘子特征描述的特征描述子，通过对绝缘子的训练样本进行局部特征检测，得到训练样本的绝缘子特征，利用K-means算法生成包括特征描述子的视觉字典。
进一步地，所述图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；具体包括：
利用的高斯核滤波器对图像进行平滑操作；
利用直方图均衡化来增强图像的对比度；
利用阈值分割法获得二值图像实现前景和背景的分离；
利用形态学滤波器对二值图像进行侵蚀与膨胀操作，将内孔填充；
利用Canny算子来获得图像边缘。
进一步地，所述获取刀闸位置，具体包括：
对刀闸的两臂用直线段表示，通过改进的Hough变换来提取目标提取信息中的直线段；利用线检测算法从长到短的顺序进行直线检测获取刀闸位置信息。
进一步地，所述根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证，具体包括：
对刀闸位置进行判断，当刀闸位置处于绝缘子之间时，则判断刀闸为闭合状态；否则判断刀闸为断开状况；
将刀闸的闭合或断开状态反馈给前端系统；
前端系统根据指令与刀闸状态进行比对，进行校核。
一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统，包括：
刀闸遥控指令模块，接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；
图像采集模块，用于采集图像信息并对采集的图像信息进行预处理；
前端控制模块，提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；
刀闸状态判断模块，根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；
刀闸校核模块，根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证；
所述前端控制模块的输出端连接刀闸遥控指令模块，所述刀闸遥控指令模块的输出端连接图像采集模块，所述图像采集模块的输出端连接刀闸状态判断模块，所述刀闸状态判断模块的输出端连接刀闸校核模块；
所述根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；具体包括：对目标提取信息进行局部特征检测获取绝缘子的特征信息；对特征信息与预设特征描述子比对进行特征匹配；对匹配成功的特征确定绝缘子特征并获取绝缘子所在位置；获取刀闸位置；
所述特征描述子是通过提供具有绝缘子的训练样本得到对绝缘子特征描述的特征描述子，通过对绝缘子的训练样本进行局部特征检测，得到训练样本的绝缘子特征，利用K-means算法生成包括特征描述子的视觉字典。
进一步地，所述刀闸状态判断模块包括对图像采集模块采集的图像信息进行预处理的图像预处理模块、对刀闸和绝缘子的目标区域进行提取的提取目标区域模块、对绝缘子进行定位的绝缘子定位模块、对刀闸位置进行确定的刀闸位置模块、以及根据绝缘子和刀闸位置对刀闸状态进行判断的刀闸状态识别模块。
本发明有益效果是：
本发明通过图像预处理模块消除非线性亮度变化对绝缘子定位和刀闸状态识别的影响，首先对图像进行必要的预处理以去除噪声的污染；其次提取感兴趣的目标区域，该区域内应包含绝缘子和刀闸等目标信息；然后利用亮度序描述子来精确定位绝缘子，这是由于亮度序描述子对图像非线性亮度变化、尺度变换和旋转变化等具有一定的不变性；最后利用改进的Hough变换来确定刀闸的位置，并计算直线段间的角度来对闸刀状态进行识别；
通过接收和解析刀闸遥控指令启动图像采集程序对应刀闸的摄像机采集一帧图像，通过图像预处理去除一部分噪声，提取包含刀闸臂和绝缘子的目标区域，以缩小图像分析区域，根据绝缘子状态精确定位绝缘子位置，进一步定位刀闸位置，采用特定的算法分析出刀闸的状态，最后把算法分析的结果用于实际的遥控顺控操作中，实现辅助校核功能；
本发明可以较为准确的定位绝缘子的位置和识别刀闸的状态，可运用于实时性要求较高的电力系统监控系统中，使用方便，准确性较高，是一种较为简单快速的刀闸状态识别算法。通过该算法设计分析视频图像的结果可进行深化应用，使得系统内对刀闸校核手段更直观，更丰富。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法流程图；
图2为本发明提出的图像预处理模块的图像处理流程图；
图3，为本发明提出的绝缘子定位流程图；
图4为本发明提出的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统结构图；
图5本发明提出的所述刀闸状态判断模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
参见图1，为本发明提出的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法流程图。
如图1所示，一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，包括：
步骤101，刀闸遥控指令模块接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；
步骤102，图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；
步骤103，提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；
步骤104，根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；
步骤105，根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证。
本发明通过图像预处理模块消除非线性亮度变化对绝缘子定位和刀闸状态识别的影响，首先对图像进行必要的预处理以去除噪声的污染；其次提取感兴趣的目标区域，该区域内应包含绝缘子和刀闸等目标信息；然后利用亮度序描述子来精确定位绝缘子，这是由于亮度序描述子对图像非线性亮度变化、尺度变换和旋转变化等具有一定的不变性；最后利用改进的Hough变换来确定刀闸的位置，并计算直线段间的角度来对闸刀状态进行识别。本发明可以精确的定位绝缘子和识别刀闸的状态，适用于实时性要求较高的电力系统变电站。
参见图2，为本发明提出的图像预处理模块的图像处理流程图；
如图2所示，图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；具体包括：
步骤121，利用高斯核滤波器对图像进行平滑操作；
步骤122，利用直方图均衡化来增强图像的对比度；
步骤123，利用阈值分割法获得二值图像实现前景和背景的分离；
步骤124，利用形态学滤波器对二值图像进行侵蚀与膨胀操作，将内孔填充；
步骤125，利用Canny算子来获得图像边缘。
本发明中的图像预处理模块利用5*5的高斯核（其标准差为δ=1）滤波器对图像进行平滑操作以减少噪声影响；其次，利用直方图均衡化来增强图像的对比度，以消除反射光对绝缘子和刀闸定位的影响；再次利用阈值分割法获得二值图像以实现前景和背景的分离；再进一步利用形态学滤波器对二值图像进行侵蚀与膨胀操作，将内孔填充且使得边缘变的平滑且清晰。最后利用Canny算子来获得图像边缘，在图像边缘中选取最大面积的闭合区域作为目标区域，该区域应该包含绝缘子和刀闸等分析目标。
参见图3，为本发明提出的绝缘子定位流程图；
如图3所示，根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；具体包括：
对目标提取信息进行局部特征检测获取绝缘子的特征信息；
对特征信息与预设特征描述子比对进行特征匹配；
对匹配成功的特征确定绝缘子特征并获取绝缘子所在位置；
获取刀闸位置。
进一步地，所述特征描述子是通过提供具有绝缘子的训练样本得到对绝缘子特征描述的特征描述子，通过对绝缘子的训练样本进行局部特征检测，得到训练样本的绝缘子特征，利用K-means算法生成包括特征描述子的视觉字典。
在绝缘子特征描述子获取阶段，提取大量特征作为训练集，为了减少冗余的特征，首先利用聚类分析方法来选择代表性的特征即视觉字典，在特征匹配阶段，对任意输入图像均可以得到一系列特征描述子，注意其中包含许多非绝缘子特征描述子；再次将这些特征与图像中每个视觉单词进行匹配；最后采用Hessian-Affine区域检测算法来获取绝缘子的特征和绝缘子所在区域。
进一步地，所述获取刀闸位置，具体包括：
对刀闸的两臂用直线段表示，通过改进的Hough变换来提取目标提取信息中的直线段，
利用线检测算法从长到短的顺序进行直线检测获取刀闸位置信息。
进一步地，所述根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证，具体包括：
对刀闸位置进行判断，当刀闸位置处于绝缘子之间时，则判断刀闸为闭合状态；
否则判断刀闸为断开状况；
并将刀闸的闭合或断开状态反馈给前端系统；
前端系统根据指令与刀闸状态进行比对，进行校核。
绝缘子精确定位模块根据绝缘子的特性框定绝缘子，找到绝缘子的位置，通过局部特征检测特征描述子的生产和特征匹配等三个步骤实现；刀闸位置确认模块根据上步的绝缘子位置确认刀闸臂位置，把两根绝缘子间连接部分作为刀闸臂的具体位置；刀闸状态识别模块把一个或两个刀闸臂作为刀闸直线，根据刀闸直线是否存在于两绝缘子间判断刀闸的状态，存在则判刀闸为闭合状态，反之不存在则判刀闸为断开状态；刀闸状态识别模块把图像状态识别算法分析的刀闸状态反馈给刀闸操作的前端系统的刀闸校核模块进行比对，达到刀闸图像视频分析的深化应用，提高了变电站刀闸遥控操作的自动化水平。
参见图4和图5，其中图4为本发明提出的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统结构图；图5本发明提出的所述刀闸状态判断模块结构图；
如图4和图5所示，一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统，包括：
刀闸遥控指令模块202，接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；
图像采集模块203，用于采集图像信息并对采集的图像信息进行预处理；
前端控制模块201，提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；
刀闸状态判断模块204，根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置，
刀闸校核模块205，根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证；
所述前端控制模块201的输出端连接刀闸遥控指令模块，所述刀闸遥控指令模块202的输出端连接图像采集模块203，所述图像采集模块203的输出端连接刀闸状态判断模块204；所述刀闸状态判断模块的输出端连接刀闸校核模块205。
其中刀闸状态判断模块204包括对图像采集模块采集的图像信息进行预处理的图像预处理模块241、对刀闸和绝缘子的目标区域进行提取的提取目标区域模块242、对绝缘子进行定位的绝缘子定位模块243、对刀闸位置进行确定的刀闸位置模块244、以及根据绝缘子和刀闸位置对刀闸状态进行判断的刀闸状态识别模块245。
通过接收和解析刀闸遥控指令启动图像采集程序对应刀闸的摄像机采集一帧图像，通过图像预处理去除一部分噪声，提取包含刀闸臂和绝缘子的目标区域，以缩小图像分析区域，根据绝缘子状态精确定位绝缘子位置，进一步定位刀闸位置，采用特定的算法分析出刀闸的状态，最后把算法分析的结果用于实际的遥控顺控操作中，实现辅助校核功能。
刀闸遥控指令模块接收前端系统发过来的遥控指令，解析后启动图像采集程序对该刀闸对应的摄像机进行实时图像采集。图像采集模块按接收的命令从指定摄像机采集一帧数据流作为分析图像，对采集到的图像进行初步处理，主要处理图片的尺寸、像素等内容，把处理好的图像传给图像预处理模块。图像预处理模块实现图像的去噪，去除椒盐噪声，减少图像的噪声污染，降低图像分析影响。提取目标区域模块实现图像分析区域轮廓的框定，框定区域最大限度包含绝缘子和刀闸臂的范围。绝缘子精确定位模块根据绝缘子的特性框定绝缘子，找到绝缘子的位置，刀闸位置确认模块根据上步的绝缘子位置确认刀闸臂位置，把两根绝缘子间连接部分作为刀闸臂的具体位置；刀闸状态识别模块把一个或两个刀闸臂作为刀闸直线，根据刀闸直线是否存在于两绝缘子间判断刀闸的状态，存在则判刀闸为闭合状态，反之不存在则判刀闸为断开状态；刀闸状态验证模块把图像状态识别算法分析的刀闸状态反馈给刀闸操作的前端系统进行比对，达到刀闸图像视频分析的深化应用，提高了变电站刀闸遥控操作的自动化水平。
本发明一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核功能设计，该算法设计可以较为准确的定位绝缘子的位置和识别刀闸的状态，可运用于实时性要求较高的电力系统监控系统中，使用方便，准确性较高，是一种较为简单快速的刀闸状态识别算法。通过该算法设计分析视频图像的结果可进行深化应用，使得系统内对刀闸校核手段更直观，更丰富。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (6)
1.一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，其特征在于，包括：
刀闸遥控指令模块接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；
图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；
提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；
根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；
根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证；
所述根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；具体包括：
对目标提取信息进行局部特征检测获取绝缘子的特征信息；
对特征信息与预设特征描述子比对进行特征匹配；
对匹配成功的特征确定绝缘子特征并获取绝缘子所在位置；
获取刀闸位置；
所述特征描述子是通过提供具有绝缘子的训练样本得到对绝缘子特征描述的特征描述子，通过对绝缘子的训练样本进行局部特征检测，得到训练样本的绝缘子特征，利用K-means算法生成包括特征描述子的视觉字典。
2.根据权利要求1所述的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，其特征在于，所述图像预处理模块对采集的图像信息进行预处理；具体包括：
利用高斯核滤波器对图像进行平滑操作；
利用直方图均衡化来增强图像的对比度；
利用阈值分割法获得二值图像实现前景和背景的分离；
利用形态学滤波器对二值图像进行侵蚀与膨胀操作，将内孔填充；
利用Canny算子来获得图像边缘。
3.根据权利要求1所述的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，其特征在于，所述获取刀闸位置，具体包括：
对刀闸的两臂用直线段表示，通过改进的Hough变换来提取目标提取信息中的直线段；利用线检测算法从长到短的顺序进行直线检测获取刀闸位置信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核方法，其特征在于，所述根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证，具体包括：
对刀闸位置进行判断，当刀闸位置处于绝缘子之间时，则判断刀闸为闭合状态；否则判断刀闸为断开状况；
将刀闸的闭合或断开状态反馈给前端系统；
前端系统根据指令与刀闸状态进行比对，进行校核。
5.一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统，其特征在于，包括：
刀闸遥控指令模块，接收控制指令并控制图像采集模块获取图像信息；
图像采集模块，用于采集图像信息并对采集的图像信息进行预处理；
前端控制模块，提取目标区域模块对预处理的图像信息获得目标提取信息；
刀闸状态判断模块，根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；
刀闸校核模块，根据绝缘子定位和刀闸位置对刀闸状态进行识别并进行刀闸状态验证；
所述前端控制模块的输出端连接刀闸遥控指令模块，所述刀闸遥控指令模块的输出端连接图像采集模块，所述图像采集模块的输出端连接刀闸状态判断模块，所述刀闸状态判断模块的输出端连接刀闸校核模块；
所述根据目标提取信息确定绝缘子定位和刀闸位置；具体包括：对目标提取信息进行局部特征检测获取绝缘子的特征信息；对特征信息与预设特征描述子比对进行特征匹配；对匹配成功的特征确定绝缘子特征并获取绝缘子所在位置；获取刀闸位置；
所述特征描述子是通过提供具有绝缘子的训练样本得到对绝缘子特征描述的特征描述子，通过对绝缘子的训练样本进行局部特征检测，得到训练样本的绝缘子特征，利用K-means算法生成包括特征描述子的视觉字典。
6.根据权利要求5所述的一种基于状态识别算法的变电站刀闸遥控辅助校核系统，其特征在于，所述刀闸状态判断模块包括对图像采集模块采集的图像信息进行预处理的图像预处理模块、对刀闸和绝缘子的目标区域进行提取的提取目标区域模块、对绝缘子进行定位的绝缘子定位模块、对刀闸位置进行确定的刀闸位置模块、以及根据绝缘子和刀闸位置对刀闸状态进行判断的刀闸状态识别模块。
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