CN112396104A - 一种基于机器学习的等离子体放电识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器学习的等离子体放电识别方法及系统，包括将采集到的放电图像分为训练集、验证集和测试集，并打上预设的放电种类标签，通过图片预处理统一每张放电图像的大小；使用训练集对带有预训练权重的卷积神经网络进行训练，使用验证集调整卷积神经网络的超参数并监控卷积神经网络是否过拟合，以决定是否停止训练；使用测试集验证调整后的卷积神经网络，计算误差；保存测试完成的卷积神经网络，用于识别等离子体放电类型。本发明能够充分发挥机器学习的优势，能够快速准确地提取图片特征，避免了人工提取特征的局限性。
Description
技术领域
本发明属于人工智能图像识别领域，更具体地，涉及一种基于机器学习的等离子体放电识别方法及系统。
背景技术
电力设备在长期运行过程中会发生局部放电现象，不同的放电类型对绝缘破坏的程度也不同，所以往往需要专门的巡检人员识别其放电种类并做出相应的措施。传统的局部放电类型识别研究需要人为对信号进行特征提取，例如利用不同的放电检测方法获取放电时的电压电流数据，再进行人工特征量的提取和相应算法的构建。但是此识别方法主要针对结构化数据，无法直接应用于局部放电图像，将造成数据的大量浪费。
随着无人机巡检、机器人巡检等智能化巡检方式的出现，工作人员的巡线效率和安全系数得到了极大地提升，但在数据处理方面，仍然是传统的人工肉眼观察拍摄得到图像，检查并标注缺陷信息的工作方式。该方式准确率与检测人员的经验息息相关，同时还存在着因为长期观测视觉疲劳导致漏检率上升的隐患。
如今新兴的机器学习技术就可以摆脱这种缺陷，它简化人为提取特征的步骤，而是直接对采集到的放电图像进行自动特征学习与模式识别的方法，契合当今电力巡检中海量图像高效率和智能化处理的需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于机器学习的等离子体放电识别方法及系统，旨在解决传统人工识别效率低的问题，且避免产生因长期观测视觉疲劳导致漏检率上升的隐患。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于机器学习的等离子体放电识别方法。
为了方便说明，首先引入如下概念：
卷积神经网络(CNN)：是一类包含卷积计算且具有深度结构的前馈神经网络，是机器学习的代表算法之一，其具有表征学习能力，能够按其阶层结构对输入信息进行平移不变分类。具体来讲，卷积神经网络是由许多神经网络层按照一定顺序组合而成：输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层。
输入层：是卷积神经网络的始端，用于输入图像的三维矩阵。
卷积层：是卷积神经网络的核心层，用于图像数据的特征提取。
池化层：用于减小图像数据的空间尺寸，即缩小图像三维矩阵的大小。
全连接层：其作用是将上一层中的每个神经元连接到下一层中，主要用于完成分类任务。
输出层：用于输出分类结果。
数据集：从各种渠道搜集到的放电照片共400余张，将每一类数据集图片按照6:2:2的比例分为训练集、验证集和测试集，其中训练集用于模型的训练，验证集主要用于模型参数的调整，测试集不参与模型的训练过程，主要用于测试模型性能的优劣。
基于机器学习的等离子体放电识别方法包括以下步骤：
将采集到的放电图像分为训练集、验证集和测试集，并打上预设的放电种类标签，通过图片预处理统一每张放电图像的大小；
使用所述训练集对带有预训练权重的卷积神经网络进行训练，训练集直接参与了模型调参的过程；但是神经网络中存在很多需要人工选择的参数，即超参数，该参数无法通过训练得到，所以使用所述验证集手动调整模型的超参数并监控模型是否过拟合，以决定是否停止训练；最后使用测试集验证模型的最终效果，只需将训练好的卷积神经网络在测试集上计算误差即可；保存训练完成的卷积神经网络，用于之后识别外来新图像中等离子体放电类型。经过实测，本数据集在该卷积神经网络模型中的测试准确率在98.5％以上。
带有预训练权重的卷积神经网络采用了迁移学习的思想，迁移学习是将预训练完成的模型及参数作为新模型训练的起点，通常这些预训练的模型在神经网络开发的时候已经花了大量的时间和计算资源，迁移学习就可以将这些已学习的参数直接迁移到相关的问题上，这对解决卷积神经网络在小样本条件下难以训练的问题有很大的帮助。进一步地，预处理用于增加训练数据，指对放电图像进行随机的翻转、旋转、裁剪以及随机设置图像的亮度、对比度、饱和度、色度，从而扩大数据集的容量。
进一步地，放电种类标签包括电弧放电、电晕放电、沿面放电、等离子体射流四种。
进一步地，卷积神经网络由多个神经网络层按照顺序组合而成：输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层；
输入层：是卷积神经网络的始端，用于输入放电图像的三维矩阵；
卷积层：是卷积神经网络的核心层，用于图像数据的特征提取；
池化层：用于减小图像数据的空间尺寸，即缩小图像三维矩阵的大小；
全连接层：其作用是将上一层中的每个神经元连接到下一层中，主要用于完成分类任务；
输出层：用于输出分类结果。
进一步地，卷积神经网络针对过拟合问题，在所述全连接层后追加节点数为1024的全连接层、ReLU激活函数、追加BN层和追加Dropout层；
ReLU激活函数：用于增加网络模型的非线性，使其适用于非线性模型；
BN层：用于进行归一化操作，从而减小了不同批次数据分布的差异性；
Dropout层：用于在卷积神经网络的训练过程中，暂时丢弃部分神经网络单元，增强卷积神经网络的泛化能力。
本发明另一方面还提供了一种基于机器学习的等离子体放电识别系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；计算机可读存储介质用于存储可执行指令；处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的基于机器学习的等离子体放电识别方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明能够充分发挥机器学习的优势，能够快速准确地提取图片特征，避免了人工提取特征的局限性；本发明将机器学习与图像等离子体放电种类相结合，解决人工识别和传统方法效率低等问题，提高检修效率；同时，由于目前国内还没有建立专门的放电图片数据集，搜集的照片数目很难达到数万张，本发明提供的优化方案和迁移学习的思想，能够有效地提升该模型的识别效率。
附图说明
图1是本发明提供的基于机器学习的等离子体放电种类识别方法的流程图；
图2为本发明卷积神经网络的具体结构；
图3为本发明卷积神经网络模型Dropout层示意图；
图4为本发明优化后的卷积神经网络模型构架；
图5为本发明图像数据预处理的流程图；
图6为本发明预测四种放电图片得到的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
该发明是在：Inter Core i5-9600K CPU，3.7GHz主频，16GB内存，NVIDIA GeForceRTX 2060显卡，Python 3.7环境下完成的。软件开发平台包括Anaconda、CUDA10.0、Tensorflow2.0、编译器PyCharm。
本发明提供的基于机器学习的等离子体放电识别方法如图1所示，包括以下步骤：
将采集到的放电图像分为训练集、验证集和测试集，并打上预设的放电种类标签，通过图片预处理统一每张放电图像的大小；
使用所述训练集对带有预训练权重的卷积神经网络进行训练，训练集直接参与了模型调参的过程；但是神经网络中存在很多需要人工选择的参数，即超参数，该参数无法通过训练得到，所以使用所述验证集手动调整模型的超参数并监控模型是否过拟合，以决定是否停止训练；最后使用测试集验证模型的最终效果，只需将训练好的卷积神经网络在测试集上计算误差即可；保存训练完成的卷积神经网络，用于之后识别外来新图像中等离子体放电类型。经过实测，本数据集在该卷积神经网络模型中的测试准确率在98.5％以上。
本发明采用了典型卷积神经网络模型VGG16网络，如图2所示，该网络由13层卷积层追加3层全连接层组成，其中前两层全连接层输出节点数为1024，最后一层全连接层输出节点数为4，用于4种放电类型的分类。
本发明针对该模型容易出现的过拟合问题，提出了使用ReLU激活函数、追加BN层和Dropout层等优化方案。例如图3就显示了Dropout层在训练过程中，暂时丢弃部分神经网络单元的功能，这在很大程度上减弱了神经元节点之间的联合适应性。
经考虑，合适的优化顺序如图4所示：先利用ReLU函数减少网络模型参数的相互依存关系，再追加BN层减小不同批次数据分布的差异性，最后使用Dropout层，增强网络模型的泛化能力。
实施例
图1中，基于机器学习的等离子体放电种类识别方法，具体包括以下步骤：
(1)数据集：将数据集分为电弧放电、电晕放电、沿面放电、等离子体射流四种放电类别，将分好类别的数据集按照6:2:2的比例划分为训练集、验证集和测试集，读取数据集生成相应的csv文件。
(2)图片预处理：如图5所示，对图片进行数据解码，然后改变图像的大小，将图像数据缩放到神经网络可以接受的大小。再对图像数据进行随机的翻转、旋转、裁剪以及随机设置图像的亮度等，获取到更多的图像样本，扩大数据集的容量。最后，将所有的图像像素值进行标准化，使得像素值的变化范围位于0～1之间。
(3)训练：采用目前图像识别最常用的数据库ImageNet对网络模型进行训练，得到带有预训练权重的VGG16优化模型，然后利用训练集对该网络模型参数进行微调，之后利用验证集手动修正超参数，最后通过测试集测试模型的最终效果，从而得到适合本数据集的网络参数模型，用于预测图片中等离子体放电种类。
(4)预测：对将要预测的新图片(不包含在先前的数据集内)进行预处理，然后利用步骤3中训练完成的VGG16优化模型进行预测实验，输出原始图像并在下方显示出预测结果。图6给出了四张数据集中不存在的图片，经过模型预测，得到每张图片放电类型概率分布，并在下方输出预测结果。可见，四张图片均预测正确，且预测正确的放电类型概率分布远大于其他三种类型概率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于机器学习的等离子体放电识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
将采集到的放电图像分为训练集、验证集和测试集，并打上预设的放电种类标签，通过图片预处理统一每张放电图像的大小；
使用所述训练集对带有预训练权重的卷积神经网络进行训练，使用所述验证集调整卷积神经网络的超参数并监控卷积神经网络是否过拟合，以决定是否停止训练；使用所述测试集验证调整后的卷积神经网络，计算误差；保存测试完成的卷积神经网络，用于识别等离子体放电类型。
2.如权利要求1所述的等离子体放电识别方法，其特征在于，所述预处理用于增加训练数据，指对放电图像进行随机的翻转、旋转、裁剪以及随机设置图像的亮度、对比度、饱和度、色度，从而扩大数据集的容量。
3.如权利要求1所述的等离子体放电识别方法，其特征在于，所述放电种类标签包括电弧放电、电晕放电、沿面放电、等离子体射流四种。
4.如权利要求1所述的等离子体放电识别方法，其特征在于，所述卷积神经网络由多个神经网络层按照顺序组合而成：输入层、卷积层、池化层、全连接层和输出层；
输入层：是卷积神经网络的始端，用于输入放电图像的三维矩阵；
卷积层：是卷积神经网络的核心层，用于图像数据的特征提取；
池化层：用于减小图像数据的空间尺寸，即缩小图像三维矩阵的大小；
全连接层：其作用是将上一层中的每个神经元连接到下一层中，主要用于完成分类任务；
输出层：用于输出分类结果。
5.如权利要求4所述的等离子体放电识别方法，其特征在于，所述卷积神经网络针对过拟合，在所述全连接层后追加节点数为1024的全连接层、ReLU激活函数、追加BN层和追加Dropout层；
ReLU激活函数：用于增加网络模型的非线性，使其适用于非线性模型；
BN层：用于进行归一化操作，从而减小了不同批次数据分布的差异性；
Dropout层：用于在卷积神经网络的训练过程中，暂时丢弃部分神经网络单元，增强卷积神经网络的泛化能力。
6.一种基于机器学习的等离子体放电识别系统，其特征在于，包括：
计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至5任一项所述的基于机器学习的等离子体放电识别方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210223 |