CN112585484B - 用于识别具有运行设备的设施的电晕放电的方法和组件 - Google Patents
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Abstract
用于识别具有运行设备的设施的电晕放电的方法和相应的组件，其中‑借助于交通工具(16)沿着具有运行设备(2、3)的设施(17)引导传感器组件(18)，以及‑第一相机(20)被用于传感器组件(18)以获取UV辐射，该第一相机具有用于阻挡日光的日光过滤器(21)，以及‑借助于传感器组件(18)记录设施(17)的图像，其中‑借助于评估装置(22)为相机(20)的图像标记三维位置，以及‑借助于评估装置(22)，在每个单独图像中检测可能的电晕放电(5至15)，并且基于相应的三维位置将可能的电晕放电变换到单个三维空间中，并且‑借助于评估装置(22)，创建关于可能的电晕放电的频率的空间统计，基于该空间统计，实际的电晕放电(5至8、10、13至15)被识别为与噪声相比地点固定且更频繁出现。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的方法、以及根据权利要求13的前序部分的组件。
背景技术
迄今未公开的、2017年03月15日的、标题为“用于对具有运行设备的设施进行状态监视的方法和组件”的欧洲专利申请17161027.2公开了一种用于对具有运行设备的设施进行状态监视的方法，其中借助于具有用于以光学方式探测设施的概览传感器组件的第一交通工具来获取概览数据，并且借助于评估装置在概览数据中识别运行设备，并在考虑第一交通工具的位置的情况下，确定运行设备的位置，
其特征在于，
借助于具有细节相机的第二交通工具，来生成运行设备的细节图像，该细节相机对准运行设备的相应位置。例如，仅使用一架飞行器，例如无人机或直升机，以便在飞过架空电线时借助于概览相机来识别电线杆和绝缘子，以确定绝缘子的位置并且随后借助于细节相机来获得绝缘子的高分辨率图像。通过这种方式，可以简单且可靠地识别出损坏的绝缘子。
在架空电线或其他高压基础设施处的电晕放电是已知的但不期望有的物理现象，例如在维基百科上详细描述了该物理现象(永久链接：https://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Koronaentladung&oldid＝173331289)。结合环境空气中的氮含量，通过电晕放电可能会形成侵蚀高压配件的表面的酸性产物。除此之外，电晕放电还具有其他不期望有的副作用，诸如对无线电频带的干扰。为了防止电晕放电，在部件(例如，绝缘子)上安装了保护配件，所谓的电晕环。例如，在维基百科上描述了电晕环(永久链接：https://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Koronaring&oldid＝171645402)。
通常，电晕放电(特别是在日光的影响下)对于人眼是不可见的。因此，使用针对紫外线(UV)频率范围的相机，例如OFIL公司的产品DAYCOR(从网站http://www.ofilsystems.com/products中已知)。这样的相机配备有图像增强器，该图像增强器可以使单个光量子可见。此外，还安装有日光阻挡过滤器，以使日光的影响最小化。在现有技术中已知多种预处理步骤，通过这些预处理步骤，原始信号被转换成对于人类观察者来说更容易理解的图像。这例如通过以下方式来完成：将设施(例如用于铁路交通工具的空中导线或架空电线)的、在光的可见光谱中的图像与在光的UV光谱中的图像相叠加。人类评估工程师负责评估所显示的放电是否代表相关的电晕。
从利用如先前所述的电晕相机对架空电线的摄像中，通常会在所记录的信号中观察到一定的背景噪声。尽管在单独图像中已经记录了多次放电，但是这些放电在时间上延后的单独图像中不再可见。在现有技术中鲜有用于自动地评估这种图像的方法，尤其是在运动的记录系统的情况中对电晕效应进行地点相关的检测的方面。
已知的是，Li等人的出版物“An Automatic Corona-discharge DetectionSystem for Railways Based on Solar-blind Ultraviolet Detection”，CurrentOptics and Photonics，第一卷，第3期，2017年6月，第196-202页。在所描述的方案中——以针对轨道交通工具量身定制的方式——直接在图像空间中检测所检测到的电晕点的线性运动，其中应用了所谓的“霍夫变换(Hough Transformation)”(在2D中)的概念。在此，利用以下事实：当轨道交通工具在直线轨道上从其旁边移动通过时，多个连续的图像中的电晕放电作为沿直线移动的亮点出现。在维基百科上说明了霍夫变换的数学方法(永久链接：https://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Hough-Transformation&oldid＝165672024)。用于在轨道交通工具的情况下识别电晕放电的另一种系统是OFILSYSTEMS公司的DayCor轨道系统，该系统从网站http://www.ofilsystems.com/products中已知。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，利用该方法可以自动且可靠地确定在设施处的电晕放电。
本发明通过根据权利要求1的方法实现了该目的。
设施例如可以是电气设施，例如空中导线或架空电线。在本发明的意义中的电气设施的运行设备例如可以是绝缘子或引导电流的电缆。
由第一相机记录紫外线。通常，对于人类可见的光的波长在380nm至780nm之间，UV辐射的波长通常在10nm至380nm之间(永久链接：https://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Elektromagnetisches_Spektrum&oldid＝178702023)。
优选地，可以由第一相机检测波长在230nm至380nm之间的所谓的弱UV辐射。甚至更优选地，可以由第二相机检测在所谓的日盲波长范围内(即，具有在240nm至280nm之间的波长)的弱UV辐射。
第一相机的日光过滤器的作用是，为该相机遮挡可见光，并且电晕放电例如作为明亮的光点或光源显现在原本基本上是黑色的背景前。因此，日光过滤器是阻挡所有其他日光波长的日光阻挡过滤器。在本发明的范畴中，未被阻挡的明亮的光点首先被获取为可能的电晕放电。优选地，应当利用第二相机来获取240nm至280nm的波长范围，因为在此范围内，太阳的UV辐射(“日光”的一部分)被地球的臭氧层滤除。因此，在该波长范围内(假设臭氧层正常运作)测量的所有事物都源于地球。因此可以假设，相应的信号是人为的。但是，由于在受限的波长范围内只能接收到很少的光子，因此与日光过滤器一起还可以提供图像增强器。
例如，可以使用具有相应数据存储器的常规计算机装置作为评估装置。从两个相机的单独图像中，将所有所获取的可能的电晕放电都投影到三维(3D)空间中。基于该投影，可以求取所识别的亮点的统计，以便将实际的电晕放电与图像的随机噪声区分开。实际的电晕放电总是在单独图像的按时间顺序的序列中——相对于三维空间——重复出现在同一地点。这使得可以将它们与随机噪声信号区分开，随机噪声信号可能仅在短时间内(在少数单独图像中或者甚至仅在一个单独图像中)出现，并且可能在一系列图像中在随机地点处出现。根据用于传感器组件的相机系统，可以事先通过利用人工产生的电晕放电的测试或校准测量来确定针对所识别的亮点的频率的合适阈值，从而高于该针对频率的阈值可能起因于实际的电晕放电。由此，可以自动将不稳定的放电现象与真正的放电区分开。在此，由于可以将反复的放电效应与自发的放电效应区分开，因此尤其大幅减少了误警报的频率或错误地识别到的放电的频率。
根据本发明的方法的决定性优点在于，在自动识别电晕放电时，建立了相对于三维几何形状的联系。由此，例如在利用飞行器从上方飞越时，可以针对每次电晕放电识别并存储准确的位置。这允许准确的评估，并且可选地允许对所识别的损坏进行准确定位的维护或维修。该方案使得能够使用飞行器，因为在移动式机载平台(例如直升机或无人机)的情况下，无法使用现有技术中已知的、Li等人的解决方案，因为(与轨道交通工具相比)飞行器本身的运动通常在单独图像中不遵循预定的或预先限制的(线性)形式。
与利用静态相机的评估相比，本发明允许使用自由移动的相机。由此使得能够在三维空间中对放电进行定位，而例如使用静态相机并且在不具有关于所记录的场景的其他先验知识的情况下，只能实现沿相应相机的视线的对3D点的限制。
在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，针对传感器装置，还使用了定位装置。利用定位装置，可以求取相应的可能的电晕放电的三维位置或UV图像中的亮点的三维位置。例如，可以评估GPS信号。例如，为每个单独图像分配时间戳和交通工具的准确位置，然后可以从中基于传感器组件的观察方向或视线在三维空间中计算可能的电晕放电的准确位置。例如，位置传感器可以被用于确定观察方向。优选地，可以使用如下的位置传感器，该位置传感器基于所谓的“惯性测量单元(IMU)”和/或“惯性导航系统(INS)”来确定定向。这种位置传感器例如从Vectornav公司的网站中已知(https://www.vectornav.com/support/library/imu-and-ins)。
因此，在本发明的范畴中，可能的或实际的电晕放电的三维位置已经是指从交通工具的位置和相机的视角中获得的计算结果。因此，传感器组件使得能够可选地结合评估装置来准确地确定UV相机的位置和定向。
在根据本发明的方法的一个优选实施方式中，针对传感器组件，还使用第二相机来获取可见光，其中利用第二相机来记录设施的图像并且为图像标记三维位置。这具有的优点是，人类观察者可以看到图像(例如，图1中所示的图像)，并且可选地可以相对于所识别的电晕放电来执行手动验证或可信性检查。第二相机记录常规的日光图像，明亮的光点可以相对于该日光图像被放置在空间关系中或被叠加。
在前述实施方式的一种改进方案中，基于第二相机的图像，可以借助于评估装置执行摄影测量法。在此，可以在第二相机沿着设施移动时获得设施的相同部段的多个图像。备选地或附加地，还可以使用其他的用于可见光的相机，以便能够在任何时间获得设施的多个图像。利用摄影测量法，可以从设施的图像中推断出设施的空间位置和/或三维形状。摄影测量法的原理例如从维基百科中已知(永久链接：https://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Photogrammetrie&oldid＝179451745)。
在根据本发明的方法的一个优选实施方式中，对如下的运行设备的状态进行验证和/或对如下的运行设备进行维修，在该运行设备的位置处识别到实际的电晕放电。这是优点，因为可以快速、可靠地恢复设施的最佳运行状态，这避免了由于电晕放电而造成的另外的损害、另外的无线电干扰或者甚至是设施故障。
在根据本发明的方法的另一优选实施例中，借助于地理信息系统来提供关于在可能的和/或实际的电晕放电的位置处的运行设备的信息。这是优点，因为关于运行状态以及可选地已知的磨损或维护要求的信息通常存在于设施的运营者处。例如，可以将这些信息与统计相关联，以便更可靠地识别电晕放电。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，通过为三维空间中的每个可能的电晕放电分配经量化的三维计数器状态网格中的多个条目，来形成空间统计，其中基于传感器组件的观察方向，在三维空间中确定多个视线，其中在来自传感器组件在同一三维位置处的在时间上偏移的多个单独图像的多个视线相交的情况下，将频率填入到计数器状态网格中。该概念例如使用所谓的“霍夫空间(Hough Space)”，即，相对于3D空间的对先前描述的霍夫方案进行的扩展。该实施方式是有利的，因为它是可靠的。在此，经量化的三维计数器状态网格应当理解为例如将三维空间细分成许多大小相同的立方体。如果电晕放电的位置落入特定的立方体中，则针对该立方体的计数器增加1。本领域技术人员可以借助于校准测量找到合适的立方体大小，以使假定的电晕放电在特定的立方体中足够频繁地出现。因此，按照直方图的方式来使用经量化的三维计数器状态网格。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，通过在图像中分别检测可能的电晕放电并且将可能的电晕放电投影到在时间上后续的图像中，来形成空间统计，其中在与在后续的图像中识别到的可能的电晕放电相匹配的情况下，认定实际的电晕放电的可能性增加。如果还有不能与已知的明亮的光点相关联的可能的电晕放电，则沿着相应的视线获取另外的可能的电晕放电。与具有计数器状态网格的前述实施方式相比，有利的是，可以预期对评估装置中的存储器需求降低。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，在考虑设施的预先已知的三维模型的情况下，创建空间统计，使得在三维模型中，将针对电晕放电的搜索空间限制在设施的周围环境附近。例如，在三维空间中仅获取位于设施(例如，架空电线)附近的可能的电晕放电。尽管电晕放电不会直接在利用常规方法测量的物理对象(导线、绝缘子等)处发生，但是仍然可以预期在这些对象的附近(例如，在几厘米到几米的距离中)发生。因此，沿着视线的相应反投影可以与对应的3D对象相关。代替整个视线，可以将进一步处理减少到这些对象周围的区域。这是优点，因为大大减少了评估装置的计算成本。在该实施方式中，在给定的计算速度下，评估装置可以更快地找到结果，或者可以以显着降低的计算能力并进而以显著降低的成本来使用评估装置。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，使用飞行器作为交通工具。在本发明的意义上的飞行器是任何如下的物体，这样的物体不仅在地球表面上(例如，在道路或铁轨上)二维地行进，而且还在地球表面上方的高度中行进。使用飞行器是非常有利的，因为即使当地面上没有用于检查的道路等时，也可以通过飞越来快速且可靠地对设施进行检查。这对于架空电线检查是尤其有利的。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，使用飞机、直升机或无人机作为飞行器。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，评估装置被设置在交通工具中。这是优点，因为在飞行过程中就已经可以对传感器组件的图像数据执行评估。如果识别到实际的电晕放电，则可以在对设施的检查结束之后或者甚至立即通过无线电借助于数据通信将坐标(例如，GPS数据)发送给设施的运营者。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，评估装置被设置为中央服务器。这是优点，因为可以在交通工具上节省用于评估装置的重量和空间，从而节省成本。这尤其对于飞行器而言是有利的。由两个相机获取的图像数据可以例如被压缩，并且被存储在数据存储器中。在检查结束之后，进行对数据存储器的读取。备选地，可以借助于数据通信通过无线电将图像数据立即发送至中央服务器。中央服务器可以例如被设计为“云应用”。
在根据本发明的方法的另一优选实施方式中，基于“全球定位系统”(GPS)数据分别求取三维位置。这是有利的，因为GPS是久经考验的、可靠且准确的。
本发明的另一个目的是提供一种组件，利用该组件可以自动且可靠地确定在设施处的电晕放电。
本发明通过如权利要求13的组件实现了该目的。可以从权利要求13至15中得到优选实施方式。
在根据本发明的组件的另一优选实施方式中，评估装置被设置在交通工具中。
在根据本发明的组件的另一优选实施方式中，评估装置被设置为中央服务器。
对于根据本发明的组件及其实施方式，相应地得到了与针对根据本发明的方法在先前阐述的优点相同的优点。在此，对于本领域技术人员清楚的是，针对根据本发明的方法描述的各个实施方式，尤其是借助于评估装置执行的图像分析步骤的设计，也可以在根据本发明的组件中实现并且可自由组合。
附图说明
为了更好地解释本发明，以示意图的形式，
图1示出了可见光谱中的单独图像与UV光谱中的单独图像的第一叠加；并且
图2示出了在时间上位于根据图1的第一叠加之后的、可见光谱中的单独图像与UV光谱中的单独图像的第二叠加；并且
图3示出了本发明的实施例。
具体实施方式
图1和图2示出了已公开的已知的图像。示出了具有电缆3和运行设备(例如，绝缘子)2的电线杆1。可以清楚地看到许多白点或亮点，这些白点或亮点借助于UV相机被获取作为UV源，并且与可见图像叠加。这些亮点可能是电晕放电。在图2中示出了稍后的同一电线杆1，其中亮点不再可识别。
图3示出了本发明的优选实施例。示出了设施17、具有第一电线杆1和第二电线杆4的架空电线、绝缘子2、以及电缆3。电线杆1、4处存在电缆3。使用无人机16作为交通工具，该无人机16沿着设施引导传感器组件18。传感器组件18包括用于获取可见光的第二相机19和用于获取UV辐射的第一相机20。第一相机20还具有用于阻挡日光的日光过滤器21。利用传感器组件18记录设施17的图像，并且在无人机16上利用评估装置22进行处理。对两个相机19、20的图像标记三维位置，这些三维位置借助于GPS卫星和定位装置23来确定。利用定位装置23，为每个单独图像分配时间戳和无人机16的准确位置，随后从中可以在三维空间中基于传感器组件18的观察方向或视线25来计算可能的电晕放电5至15的准确位置。
评估装置22将第二相机20的每个单独图像中的可能的电晕放电5至15识别为亮点。基于亮点的相应三维位置，将其变换到单个三维空间中。这使得能够分析来自图像的时间序列的信息。评估装置可以创建与可能的电晕放电的频率有关的空间统计。基于空间统计，实际的电晕放电5至8、10、13至15可以被识别为与噪声相比地点固定且更频繁出现。在所示的示例中，通过这种方式已经标识出紧邻设施17的电晕放电5至8、10、13至15。也就是说，与随机噪声相比，实际的电晕放电在图像的按时间顺序的序列中成像更频繁，随机噪声总是在其他位置重复出现，并且在此无法在多个单独图像上较长时间地在一个地点处被识别。
地理信息系统(未示出)可以提供与运行设备2、3以及可能的电晕放电5至15的位置和/或实际的电晕放电5至8、10、13至15的位置有关的信息。
Claims (15)
1.一种用于识别具有运行设备(2、3)的设施(17)的电晕放电(5至15)的方法，其中，
-借助于一个交通工具(16)，沿着具有运行设备(2、3)的所述设施(17)引导一个传感器组件(18)，以及
-一个第一相机(20)被用于所述传感器组件(18)以获取UV辐射，所述第一相机具有一个用于阻挡日光的日光过滤器(21)，以及
-借助于所述传感器组件(18)记录所述设施(17)的多个图像，
其特征在于，
-借助于一个评估装置(22)，为所述相机(20)的所述图像标记一个三维位置，以及
-借助于所述评估装置(22)，在每个单独图像中检测可能的电晕放电(5至15)，并且基于相应的所述三维位置将所述可能的电晕放电变换到单个三维空间中，以及
-借助于所述评估装置(22)，创建关于所述可能的电晕放电的频率的空间统计，基于所述空间统计，实际的电晕放电(5至8、10、13至15)被识别为与噪声相比地点固定且更频繁出现。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一个第二相机(19)附加地被用于所述传感器组件(18)以获取可见光，其中利用该相机来记录所述设施(17)的多个图像，并且为所述图像标记一个三维位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对如下的运行设备(2、3)的状态进行验证和/或对如下的运行设备(2、3)进行维修，在这样的运行设备的位置处识别到实际的电晕放电(5至8、10、13至15)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，借助于地理信息系统来提供与在可能的电晕放电(5至15)的位置和/或实际的电晕放电(5至8、10、13至15)的位置处的运行设备(2、3)有关的信息。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过为三维空间中的每个可能的电晕放电(5至15)分配一个经量化的三维计数器状态网格中的多个条目，来形成所述空间统计，其中基于所述传感器组件(18)的一个观察方向，在三维空间中确定多个视线(25)，其中在来自所述传感器组件(18)在同一三维位置处的在时间上偏移的多个单独图像的多个视线相交的情况下，将频率填入到所述计数器状态网格中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述图像中分别检测可能的电晕放电(5至15)并且将所述可能的电晕放电投影到在时间上后续的图像中，来形成所述空间统计，其中在与在后续的图像中识别到的可能的电晕放电相匹配的情况下，认定一个实际的电晕放电(5至8、10、13至15)的可能性增加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在考虑所述设施(17)的一个预先已知的三维模型的情况下，创建所述空间统计，使得在所述三维空间中，将针对电晕放电(5至15)的搜索空间限制在所述设施(17)的周围环境附近。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用一个飞行器(16)作为交通工具。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用飞机、直升机或无人机(16)作为飞行器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述评估装置(22)被设置在所述交通工具中。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述评估装置被设置为一个中央服务器。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，基于“全球定位系统”(GPS)数据来分别求取所述三维位置。
13.一种用于识别具有运行设备的设施的电晕放电的组件，具有：
一个交通工具(16)，被设计为沿着一个具有运行设备(2、3)的设施(17)引导一个传感器组件(18)，其中
所述传感器组件(18)具有一个用于获取UV辐射的第一相机(20)，并且其中所述第一相机(20)具有一个用于阻挡日光的日光过滤器(21)，以及
其中所述传感器组件(18)被设计为记录所述设施(17)的多个图像，以及
其中所述交通工具(16)具有一个定位装置(23)，
其特征在于，
一个评估装置(22)被设计为：
为所述相机(20)的所述图像标记一个三维位置，并且
在每个单独图像中检测可能的电晕放电(5至15)，并且基于相应的所述三维位置将所述可能的电晕放电变换到单个三维空间中，并且
创建关于所述可能的电晕放电(5至15)的频率的空间统计，基于所述空间统计，实际的电晕放电(5至8、10、13至15)能够被识别为与噪声相比地点固定且更频繁出现。
14.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，所述传感器组件具有一个用于获取可见光的第二相机(19)，其中借助于所述定位装置(23)，能够为利用所述相机记录的、所述设施(17)的图像标记一个三维位置。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的组件，其特征在于，所述交通工具是飞机、直升机或无人机(16)。
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