利用图像分析进行刀闸状态判断的方法及其系统

利用图像分析进行刀闸状态判断的方法及其系统在变电站中，大电流电路的接通与断开是用刀闸控制的，在某些场景下，例如发生断电故障或例行检查时，需要知道刀闸是处于闭合状态还是开断状态。目前判断刀闸开合与否的方法是派人到现场用肉眼观察。但变电站可能与工作人员的常驻地点有较远的距离，到现场人工观察费时费力，很不方便。而且变电站数量多、分布广，如果需要同时知道多个变电站的刀闸状态就需要大量人力。同时由于外力及机器老化的原因，高压开关柜也很难保持永久的安全使用状态。操动机构及传动系统的机械故障、电气控制、辅助回路等都有可能造成开关状态出错，而原有的高压开关柜内部隔离开关和接地开关的操动状况的指示方式无法直观、正确的显示实际的状态。作为补救措施，必须实现对高压开关柜内的开关实现可视化的监测工作。才能及时发现和检出异常所在，就能避免事故的发生。系统简介图像识别是利用计算机对图像进行处理分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术，图像识别技术虽然已有不少成熟的方案，但图像识别在不同的应用场景的技术方案千差万别，需要针对具体的应用环境进行创新以得到较好的效果。目前视频监控技术在国内外非常成熟，应用的领域也十分广泛。同时基于图像处理、模式识别的智能图像分析技术也取得了飞速的进步。在这样的前提下，我们认为，如果将视频监控技术与智能图像分析技术相结合，使其作用在高压开关柜内部隔离开关和接地开关状态智能分析工作中。智能识别开关柜中刀闸的状态和刀闸的动作，并通过视频录像和关联事件上报的方式，实现在监控中心远程实时监测开关柜工作状态，确保现场操作准确无误，提高工作效率，降低误操作和意外事件发生。真正做到作业安全监督全过程化管理，为安全生产实现“可控、在控、能控、”提供有力的技术保障。系统方案刀闸智能视频监测系统方案如下图所示：整套系统包括设置于开关柜内的摄像头和后端管理、分析、存储设备。摄像头与网络设备相连可将图像传送至视频分析控制中心，开关柜内设置有与刀闸触头个数相对应的摄像头，摄像头分别设置于刀闸触头对应的位置处。由设置于刀闸触头附近的摄像头对刀闸的图像数据进行采集，所采集的图像可由视频分析控制中心进行多方位的对照分析。和现有的安装单个摄像头的图像采集装置相比，其能更加全面的对刀闸开闭状态进行分析，使分析结果更加准确，防止误判断的情况出现。上图为刀闸旁边设置的摄像头的布置结构示意图，其中包括设置于开关柜21内的摄像头22（4个，根据柜体型号及规格可任意调整），摄像头22与网络设备23相连可将图像传送至视频分析控制中心24。这样设置的好处在于可以避免设置单一摄像头由于角度或者光线的原因，容易造成摄像死角或者因为该摄像机出现故障时造成无法对刀闸开闭状态进行判断分析的状况。采用多路摄像机对刀闸进行多角度的图像画面采集，可以提高刀闸开闭状态的分析精度，更好的防止误判的出现。当然也可以改变摄像头之间的夹角，其设置方式可以根据需要灵活设置，在此不作具体的限定。在摄像头上还安装有发光装置26，该发光装置可以为LED灯，也可以为其它发光灯炮或者红外灯，由于开关柜的门在平时一般为关闭状态，因此通过设置发光装置，可以使摄像头对刀闸的画面采集时更加清楚，方便对图像进行分析比较。在摄像头采集到刀闸的模拟图像信号后，通过对该视频信号进行H.264编码压缩，将压缩后的数据通过网络上传至监控中心配置监控工作站、智能分析服务器和网络综合管理平台。其中监控工作站提供人机交互界面，主要显示实时视频和开关柜监测状态数据；智能分析服务器主要实现视频码流的调度、管理和分析；网络综合管理平台主要负责对前端编码码流进行录像存储、查询回放等功能。刀闸开闭监测系统的实现流程如下：（1）刀闸开闭监测系统自动控制照明灯处于开状态，使得开关柜内部亮度满足实时监视需求。（2）模拟摄像机将实时采集的视频信号提供给视频编码器，由视频编码器将模拟码流进行标准H.264编码压缩，然后通过光纤传输到监控中心。（3）监控中心视频智能分析服务器采用开关状态分析算法对视频码流进行实时智能分析，提取开关状态数据信息，并将开关柜状态数据和视频码流一起实时发送给监控工作站。（4）监控工作站实时解码显示开关柜监测视频，并在下方列表中实时刷新开关柜的内部刀闸的状态数据。（5）网络综合管理平台将24小时对前端视频进行录像，当视频智能分析服务器分析到刀闸状态发生变化时，一方面以事件方式通知网络综合管理平台记录事件信息并和录像文件进行关联，同时将事件信息写入到系统数据库中。（6）录像查询回放流程：在监控工作站，根据开关柜名称、时间等信息进行事件查询和录像文件查询，通过点击查询记录可以直接在界面回放关联的录像文件。图像分析原理介绍通过图像比对技术来确认刀闸的闭合状态，刀闸的具体形状基本不会增加判断过程的难度。同时该技术方案易于测试，解决了实际变电站中缺少刀闸断开场景的困难。图像分析采用化整为零策略：从闭合刀闸的静止视频图像上提取出包含刀闸的直线体特征的区域作为比对区域，而每个比对区域图像作为整个刀闸比对的基础。当每个比对区域图像的差异都在容许范围内时，则可以判定刀闸是闭合状态，反之则是开断状态。也可以对多个比对结果进行综合计算来判断刀闸的闭合。通过化整为零的技术方案，解决了刀闸的形状对判定难度的增加影响，也解决了背景的图像对判断过程的干扰。上图左边是该判别刀闸开合与否的方法的流程示意图。在步骤101中，从N个预先设定的特征区域获取图像，N为大于1的整数。本实施方式中特征区域都是矩形框，特征区域中包含刀闸直线体征，特征区域中背景空旷简单。特征区域取背景简单的矩形框，减少了比对复杂度，增加了图像比对效率和精度。使刀闸的识别更为容易。在特定的应用场景下也可以使用非矩形框作为特征区域的形状如圆形；多边形等；以达到避开对识别画能会造成手扰的复杂背景等目的。步骤101进一步包括以下步骤：用一个摄像机对整个刀闸进行拍摄；从拍摄所得的同个原始图像中N个预先设定的不同区域位置截取N个图像，其中每个区域位置对应一个特征区域。从一个图像中截取N个特征区域的图像，对硬件设备的数量要求最小，硬件成本较低。此后进入步骤102，分别将所获的N个图像进行边缘提取。边缘检测和提取的方法主要采用小波边缘检测的方法。此后进入步骤103，分别根据N个图像的边缘提取结果求出边缘梯度方向的直方图数据。此后进入步骤104，分别将所得的N个直方图数据与预先保存的对应特征区域的直方图样本数据比较，求相似度。直方图相似度比较方法有相关系数、卡方、相交以及Bhattayya距离等。此后进入步骤105，对于每个特征区域，分别判断所得相似度是否超过预定第一门限，如果是则判定在该特征区域吻合，否则为才吻合。此后进入步骤106，根据N个特征区域中被判定为吻合的特征区域数目与预定第二门限的相对大小关系，判定刀闸开合与否。如果N个特征区域中被判定为吻合的数目大于第二门限，则判定刀闸为闭合状态，否则判定刀闸为开断状态。在特定应用场景下，如果刀闸开断的位置是比较确定的，直方图样本数据也可以对应于刀闸开断的状态。方法是在刀闸开断状态下，从N个特征区域获取图像，分别进行边缘提取并求出边缘梯度方向的直方图数据，将所得的直方图数据保存为直方图样本数据。此时，当N个特征区域中被判定为吻合的数目大于第二门限，则判定刀闸处于开断状态否则处于闭合状态。应用案例介绍南充电业局于2013年将高压开关柜刀闸智能视频监测系统作为一种先进的电力作业安全监督手段，应用到高压开关柜内部隔离开关和接地开关的操动状态检测的诸多环节，取得了很多实际经验，为高压开关柜刀闸智能视频监测系统的推广应用奠定了基础。高压开关柜智能视频监测系统使用操作简单，可视化较强，误报率低。该套设备及系统能够实现柜对内各隔离开关和接地开关的开、合状态的准确、及时监测。状态异常自动告警，可自动巡检、信息定时采集和主动上传。实现对设备实时动态监控,及时发现和处理设备隐患,防止隐患扩大。同时具有局域网络接口,可与管理网络相连,实现信息共享。该系统规范了电力检修作业现场工作的有序、安全开展，减少了人身伤亡事故的发生，有效提升了供电安全管理水平，因此具有非常好的社会与经济效益。