CN113449599A - 一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，包括布置在电力设备处及变压器油位表盘处的监控摄像头，以及采集并分析处理监控摄像头图像数据的电力设备监控单元和仪表盘监控单元。本发明利用图像识别技术监控变电站内的电力设备和变压器油位表盘的状态，电力设备监控单元结合VB图像识别技术，实现对变电站监控区域内被监控电气元件的外观状况进行自判断，发现设备故障先兆，提醒值班人员加强巡视。仪表盘监控单元利用数字图像识别技术准确获取油位表盘指针读数，基于图像处理的油位表盘读数系统中精度高、可靠性和实时性好，本系统减轻值班人员的工作负担，提高变电站设备及仪表的安全性、可靠性、可见性与自动化水平。

Description

一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置
技术领域
本发明涉及一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，属于电力运维装置技术领域。
背景技术
随着无人值守变电站类管理模式在电力系统中的大规模推广以及变电站巡检制度的完善，在地区集控中心通过现有的通信线路对辖区内所属变电站实现远程图像监控、远程故障和突发情况告警接收与处理，可大幅度提高变电站运行的维护安全性与可靠性，并在未来逐步实现全网可视化操作监控与调度，使电网调控运行更为安全、可靠。
在实际电力设备运行中，一些设备发生事故损坏之前，在外观上就已经出现或多或少的先兆。例如，电缆接头处因为过热而发红、电气设备出现火花、绝缘子发生闪络等。这些现象往往没有办法通过继电保护装置及时反映出来，可以通过人工巡视排查。但是由于人工巡视存在主观或客观的种种局限。例如因为人员有限不能经常巡视电气设备、巡视人员工作态度不认真或能力水平的受限，导致这些现象无法及时发现并上报，从而错过了事故处理的最佳时段。
而且，对于变压器油位表盘的读数主要是通过巡检人员肉眼观测读取示值，然而这种方法非常容易受人的观测角度和观测距离等主观因素的影响，尤其是遇到指针指向两个最小刻度线中间的情况时，需要通过估算表盘指针的大致位置来获取表盘指针示值，因此这种读数方式不准确、误差较大且劳动强度大最终导致油位表盘读数不准，既降低工作效率，又埋下安全隐患。
数字图像处理识别技术在工业生产中有着广泛的应用，因此，需要一种利用图像识别技术代替传统的人工巡检方式的系统，以实现对变电站设备极易变压器表盘的智能化巡检。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，对监控区域内的电气设备的外观状态及变压器油表读数进行监控，及时发现设备的异常问题，通知值班人员，及时排查设备，避免事故的发生。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，包括布置在电力设备处及变压器油位表盘处的监控摄像头，以及采集并分析处理监控摄像头图像数据的电力设备监控单元和仪表盘监控单元。
作为本发明的进一步改进，所述电力设备监控单元的架构包括被监控设备，采集被监控设备数据的视频采集模块，对视频数据进行压缩的视频压缩模块，压缩后的数据模块经程序判断后传输至远程监视模块和声光报警模块并进行本地存储。
作为本发明的进一步改进，所述电力设备监控单元基于VB图像识别编程判断被监控设备外观状态是否有异常情况发生，具体流程如下：步骤S11，获取图像数据；步骤S12，获取单一点数据，步骤S13，进行灰度处理并写会原点；步骤S14，判断是否扫描完所有的点；步骤S15，若判断是，则生成灰度图像，若判断否，则重复步骤S12到步骤S14；步骤S16，生成的灰度图像与理想操作灰度图比较；步骤S17，若比较一致则输出未有异常发生结果，若比较不一致则输出出现异常并发出信号。
作为本发明的进一步改进，所述仪表盘监控单元将表盘图片进行图像预处理操作和图像连通域标定操作，具体流程如下：步骤S21，确定表盘识别区域；步骤S22，表盘图像预处理；步骤S23，连通区域标记；步骤S24，指针分割；步骤S25,指针细化；步骤S26,指针角度计算；步骤S27，指针读数。
作为本发明的进一步改进，所述表盘图像预处理包括以下步骤：
步骤S221，图像灰度化，将读取进来的RGB表盘图像转换成灰度图像；
步骤S222，图像增强，通过图像增强操作提高图像的对比度增强表盘指针细节的辨识度；
步骤S223，平滑滤波，采用中值滤波来平滑油位表盘图像；
步骤S224，图像二值化，采用最大类间方差法的阈值分割方法，假设得到的阈值为Thresh，根据表达式(1)把表盘图像变成二值化图像；
Figure BDA0003086567710000021
式中，f(x，y)为输入灰度图像中某一个像素的灰度值，
g(x，y)为阈值分割后的该像素点的灰度值；
步骤S225，形态学处理，包括腐蚀操作和膨胀操作，先膨胀后腐蚀的操作称之为闭运算，先腐蚀后膨胀的操作称为开运算；开运算的作用是用来消除小物体，在纤细点处分离物体。而闭运算的作用则是用来填充物体内细小的空洞，连接邻近物体；
将图像经过闭运算操作得到的一次效果图，在一次效果图的基础上经过开运算得到的二次效果图。
作为本发明的进一步改进，所述连通区域标记采用基于8连通区域的区域增长法，该方法依次扫描二值图像中的每个像素点，当找到某个未标记的目标像素时，将其压入堆栈并从该点开始反复标记其邻域，直到堆栈为空，标记结束。
作为本发明的进一步改进，所述指针分割过程如下：首先将二值化图像进行连通区域标记，然后再根据连通区域的边界的Freeman链码来计算计算各个连通区域的面积。
作为本发明的进一步改进，所述指针细化过程如下：根据指针区域的形状特点首先对指针区域采用canny算子进行边缘检测，然后通过遍历边缘检测后的图像，确定指针区域的坐标位置，从而缩小遍历范围，将范围固定在包含指针区域的最小矩形内。
作为本发明的进一步改进，所述指针角度计算过程如下：为了计算指针与水平方向的夹角，从上往下扫描细化后的指针图像，将该像素带在X轴方向均分为三段，指针两端的坐标分别为点A(x1，y1)和点D(x4,y4)，则其余两点分别为点B(x2,y2)和点C(x3,y3)，根据两点之间的斜率公式，分别求取点A和B之间的斜率k1、B与C之间的斜率k2、C与D之间的斜率k3，然后求取三条直线斜率的平均值k_avg，将k_avg作为指针所在直线的最终的斜率值，其中
k_avg＝1/3*(k1+k2+k3)。
作为本发明的进一步改进，所述指针读数过程如下：根据原始图像所知，指针与水平夹角为0°时，表盘指根据原始图像针读数为5，根据表盘指针位置与表盘刻度的关系，推导出指针读数与指针角度的关系式为：
Figure BDA0003086567710000031
其中5为相邻整数刻度之间的角度，为固定值；θ为指针与水平线之间的角度，根据这个关系式，从而得出表盘指针的具体读数。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明利用图像识别技术同时监控变电站内的电力设备和变压器油位表盘的状态。与传统模拟系统相比，电力设备监控单元的VB的数字监控系统占用信道资源少、图像质量好、抗干扰能力强，数据可通过软件自判断，随着计算机、多媒体技术及通信技术的发展，可以轻易实现图像、信号的数字化以及对图像信号的处理和远距离传送。结合VB图像识别技术，实现对变电站所有监控区域内被监控电气元件的外观状况进行自判断，提前发现设备故障前的先兆，提醒值班人员加强对可疑设备的巡视。仪表盘监控单元利用数字图像识别技术是准确获取油位表盘指针读数，根据油位表指针的图像特征，提出一种基于连通区域面积大小先验知识的图像分割算法，并在该算法基础上实现变压器油位表盘读数的方法，基于图像处理的油位表盘读数系统中精度高、可靠性和实时性好，本系统可以减轻值班人员的工作负担，能进一步提高变电站设备及仪表的安全性、可靠性、可见性与自动化水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明电力设备监控单元构架图；
图3是本发明电力设备监控单元的程序流程图；
图4是本发明仪表盘监控单元的表盘指针读数识别方法流程图；
图5是本发明仪表盘监控单元实施例的二值图像；
图6是本发明仪表盘监控单元实施例的标记图像；
图7是本发明仪表盘监控单元指针细化原理图；
图8是本发明仪表盘监控单元指针角度计算坐标图；
图9是本发明仪表盘监控单元顶点坐标位置与指针角度关系表。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，包括布置在电力设备处及变压器油位表盘处的监控摄像头，以及采集并分析处理监控摄像头图像数据的电力设备监控单元和仪表盘监控单元。
如图2所示，所述电力设备监控单元的架构包括被监控设备，采集被监控设备数据的视频采集模块，对视频数据进行压缩的视频压缩模块，压缩后的数据模块经程序判断后传输至远程监视模块和声光报警模块并进行本地存储。
如图3所示，所述电力设备监控单元基于VB图像识别编程判断被监控设备外观状态是否有异常情况发生，具体流程如下：步骤S11，获取图像数据；步骤S12，获取单一点数据，步骤S13，进行灰度处理并写会原点；步骤S14，判断是否扫描完所有的点；步骤S15，若判断是，则生成灰度图像，若判断否，则重复步骤S12到步骤S14；步骤S16，生成的灰度图像与理想操作灰度图比较；步骤S17，若比较一致则输出未有异常发生结果，若比较不一致则输出出现异常并发出信号。
如图4所示，所述仪表盘监控单元将表盘图片进行图像预处理操作和图像连通域标定操作，具体流程如下：步骤S21，确定表盘识别区域；步骤S22，表盘图像预处理；步骤S23，连通区域标记；步骤S24，指针分割；步骤S25,指针细化；步骤S26,指针角度计算；步骤S27，指针读数。
作为本发明的进一步改进，所述表盘图像预处理包括以下步骤：
步骤S221，图像灰度化，将读取进来的RGB表盘图像转换成灰度图像；
步骤S222，图像增强，通过图像增强操作提高图像的对比度增强表盘指针细节的辨识度；
步骤S223，平滑滤波，采用中值滤波来平滑油位表盘图像；
步骤S224，图像二值化，采用最大类间方差法的阈值分割方法，假设得到的阈值为Thresh，根据表达式(1)把表盘图像变成二值化图像；
Figure BDA0003086567710000061
式中，f(x，y)为输入灰度图像中某一个像素的灰度值，
g(x，y)为阈值分割后的该像素点的灰度值；
步骤S225，形态学处理，包括腐蚀操作和膨胀操作，先膨胀后腐蚀的操作称之为闭运算，先腐蚀后膨胀的操作称为开运算；开运算的作用是用来消除小物体，在纤细点处分离物体。而闭运算的作用则是用来填充物体内细小的空洞，连接邻近物体；
将图像经过闭运算操作得到的一次效果图，在一次效果图的基础上经过开运算得到的二次效果图。
作为本发明的进一步改进，所述连通区域标记采用基于8连通区域的区域增长法，该方法依次扫描二值图像中的每个像素点，当找到某个未标记的目标像素时，将其压入堆栈并从该点开始反复标记其邻域，直到堆栈为空，标记结束。
具体的案例，如图5中每个白色小方块代表一个前景像素，黑色小方块代表一个背景像素；图6中的数字代表对应的像素标记，其中背景像素设为0，为了形成对比，背景区域标记没有标出。图5中为10*10图像点阵，图中有四个连通区域，分别用1、2、3、4进行标记，通过标记号，可以统计得到每个连通区域的面积。图中标号1、2、3、4的连通区域的面积分别为8、9、7、6。
作为本发明的进一步改进，所述指针分割过程如下：首先将二值化图像进行连通区域标记，然后再根据连通区域的边界的Freeman链码来计算计算各个连通区域的面积。
作为本发明的进一步改进，所述指针细化过程如下：根据指针区域的形状特点首先对指针区域采用canny算子进行边缘检测，然后通过遍历边缘检测后的图像，确定指针区域的坐标位置，从而缩小遍历范围，将范围固定在包含指针区域的最小矩形内，这样可以减少无用的遍历操作，提高了算法的效率。指针细化的原理如图7所示，指针区域可以近似看做成一个三角形区域，我们在三角形外接矩形内从上至下进行扫描图像，在扫描一列的过程中，第一次遍历到像素值为1的点的坐标记为A_up，第二次遍历到的像素值为点记为1的点记为A_bottom，这两个点的中A_middle，按照这种方式，同样可以得到坐标点B_up与B_bottom，它们俩的中点坐标记为B_middle。以此类推，可以将这个表盘指针区域细化成近似为直线的像素带。
作为本发明的进一步改进，所述指针角度计算过程如下：本实施例中，根据表盘指针的特点，观测得知油位表盘的量程为[0,10]，据实际测量得知每两个相邻刻度之间的夹角为28.5°，假设水平向左为正方向，向上为正，向下为负，故油位表盘指针与水平线夹角范围为-142.5°-142.5°。
为了计算指针与水平方向的夹角，从上往下扫描细化后的指针图像，将该像素带在X轴方向均分为三段，如图8所示，指针两端的坐标分别为点A(x1，y1)和点D(x4,y4)，则其余两点分别为点B(x2,y2)和点C(x3,y3)，根据两点之间的斜率公式，分别求取点A和B之间的斜率k1、B与C之间的斜率k2、C与D之间的斜率k3，然后求取三条直线斜率的平均值k_avg，将k_avg作为指针所在直线的最终的斜率值，其中k_avg＝1/3*(k1+k2+k3)。
具体的，根据点A和点D的坐置关系，可以分为以下几种标位情况，如图9表所示。作为本发明的进一步改进，所述指针读数过程如下：根据原始图像所知，指针与水平夹角为0°时，表盘指根据原始图像针读数为5，根据表盘指针位置与表盘刻度的关系，推导出指针读数与指针角度的关系式为：
Figure BDA0003086567710000071
其中5为相邻整数刻度之间的角度，为固定值28.5°；θ为指针与水平线之间的角度，根据这个关系式，从而得出表盘指针的具体读数。

Claims (10)

1.一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于：包括布置在电力设备处及变压器油位表盘处的监控摄像头，以及采集并分析处理监控摄像头图像数据的电力设备监控单元和仪表盘监控单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于：所述电力设备监控单元的架构包括被监控设备，采集被监控设备数据的视频采集模块，对视频数据进行压缩的视频压缩模块，压缩后的数据模块经程序判断后传输至远程监视模块和声光报警模块并进行本地存储。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述电力设备监控单元基于VB图像识别编程判断被监控设备外观状态是否有异常情况发生，具体流程如下：步骤S11，获取图像数据；步骤S12，获取单一点数据，步骤S13，进行灰度处理并写会原点；步骤S14，判断是否扫描完所有的点；步骤S15，若判断是，则生成灰度图像，若判断否，则重复步骤S12到步骤S14；步骤S16，生成的灰度图像与理想操作灰度图比较；步骤S17，若比较一致则输出未有异常发生结果，若比较不一致则输出出现异常并发出信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述仪表盘监控单元将表盘图片进行图像预处理操作和图像连通域标定操作，具体流程如下：步骤S21，确定表盘识别区域；步骤S22，表盘图像预处理；步骤S23，连通区域标记；步骤S24，指针分割；步骤S25,指针细化；步骤S26,指针角度计算；步骤S27，指针读数。
5.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述表盘图像预处理包括以下步骤：
步骤S221，图像灰度化，将读取进来的RGB表盘图像转换成灰度图像；
步骤S222，图像增强，通过图像增强操作提高图像的对比度增强表盘指针细节的辨识度；
步骤S223，平滑滤波，采用中值滤波来平滑油位表盘图像；
步骤S224，图像二值化，采用最大类间方差法的阈值分割方法，假设得到的阈值为Thresh，根据表达式(1)把表盘图像变成二值化图像；
Figure FDA0003086567700000011
式中，f(x，y)为输入灰度图像中某一个像素的灰度值，
g(x，y)为阈值分割后的该像素点的灰度值；
步骤S225，形态学处理，包括腐蚀操作和膨胀操作，先膨胀后腐蚀的操作称之为闭运算，先腐蚀后膨胀的操作称为开运算；开运算的作用是用来消除小物体，在纤细点处分离物体。而闭运算的作用则是用来填充物体内细小的空洞，连接邻近物体；
将图像经过闭运算操作得到的一次效果图，在一次效果图的基础上经过开运算得到的二次效果图。
6.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述连通区域标记采用基于8连通区域的区域增长法，该方法依次扫描二值图像中的每个像素点，当找到某个未标记的目标像素时，将其压入堆栈并从该点开始反复标记其邻域，直到堆栈为空，标记结束。
7.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述指针分割过程如下：首先将二值化图像进行连通区域标记，然后再根据连通区域的边界的Freeman链码来计算计算各个连通区域的面积。
8.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述指针细化过程如下：根据指针区域的形状特点首先对指针区域采用canny算子进行边缘检测，然后通过遍历边缘检测后的图像，确定指针区域的坐标位置，从而缩小遍历范围，将范围固定在包含指针区域的最小矩形内。
9.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述指针角度计算过程如下：为了计算指针与水平方向的夹角，从上往下扫描细化后的指针图像，将该像素带在X轴方向均分为三段，指针两端的坐标分别为点A(x1，y1)和点D(x4,y4)，则其余两点分别为点B(x2,y2)和点C(x3,y3)，根据两点之间的斜率公式，分别求取点A和B之间的斜率k1、B与C之间的斜率k2、C与D之间的斜率k3，然后求取三条直线斜率的平均值k_avg，将k_avg作为指针所在直线的最终的斜率值，其中
k_avg＝1/3*(k1+k2+k3)。
10.根据权利要求4所述的一种基于图像识别技术的室内变电站智能运维辅助装置，其特征在于，所述指针读数过程如下：根据原始图像所知，指针与水平夹角为0°时，表盘指根据原始图像针读数为a，根据表盘指针位置与表盘刻度的关系，推导出指针读数与指针角度的关系式，从而得出表盘指针的具体读数。
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