基于机器视觉的电气化铁路无人值守变电所智能巡检关键技术研究

发布时间：2020-11-01 09:04

　　 随着无人值守变电站数量的迅速增长,依赖于巡视人员人工监视的传统遥视方式,很难做到全面准确巡检,给设备安全运行带来各种隐患。目前基于机器视觉的遥视系统、智能巡检机器人、无人机等巡检系统在电网、铁路等领域进入快速发展阶段,但当前应用的系统还存在许多共性问题,例如视觉监控系统分析方法单一并且自动化与智能化水平不足,不能满足电气设备智能化监测的要求。本文根据上述问题,在传统红外诊断分析方法的基础上,分别以红外、可见光下的图像分析为主线,针对当前机器视觉平台立体巡检系统中:复杂背景下电气设备红外图像的精确分割与温度场统计分析问题、红外图像下电气设备类型及其故障状态识别与分类问题、现场指针仪表定位与精确识别问题,进行深入的算法优化与改进研究。主要内容如下:(1)针对复杂背景下电气设备红外图像的精确分割与温度场统计分析问题,提出了一种结合模糊集理论和k-means算法的改进方法。首先,根据灰度级直方图估计k值,利用直方图均衡化和模糊集理论进行图像增强。然后通过k-means算法结合数学形态学的运算再进行图像分割。最后对分割后的图像进行温度场的统计分析。实验结果表明:该方法使文中图像分割的四种评价指标都有较大提升,并且提高了分割精度,增强了设备温度场的细节表现能力。实验满足了红外图像精确分割与温度场的深入统计分析的要求,增强了目标图像分割效果。(2)针对红外图像下电气设备类型及其故障状态识别问题,设计了一种FastPCA、PHOG特征加权融合的红外图像下电气设备类型及故障识别系统。首先,讨论了PCA、HOG特征提取方法、SVM及其改进方法,提出了基于FastPCA、PHOG特征的加权融合混合描述子,设计了一种FastPCA与PHOG两种特征加权融合的红外图像下电气设备类型及故障识别系统,然后应用参数优化工具进行参数优化,最后搭建了识别与分类软件平台。实验结果表明:该算法识别准确率得到大幅提升,并且具有较高的鲁棒性。实现了红外图像下电气设备类型及其故障状态的准确识别,提高了识别系统的可靠性和稳定性。(3)除红外诊断方法外,为提高可见光下指针仪表的自动匹配和读数识别水平,针对变电所仪表匹配的精度与速度问题,提出了基于SURF+FLANN交叉验证算法的仪表检测改进算法;在仪表指针识别方面,利用LOG变换对图像增强,结合累计概率霍夫变换对指针进行检测,搭建了仪表定位与读数识别系统。实验结果表明,算法改进后仪表指针角度识别检测误差范围小于3%,并且提高了图像特征检测匹配的鲁棒性;提高了仪表定位与读数识别系统的精度与鲁棒性。本文针对机器视觉巡检平台中的三个突出问题,分别提出了改进算法,并通过Matlab和C++语言进行实验验证和系统搭建。实验结果表明,改进算法在精度、速度、鲁棒性等方面达到了实验预期效果。
【学位单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM63;TP391.41
【部分图文】：

1.1 课题的研究背景与意义截至 2016 年底，国家铁路总公司高铁运营里程超过 2.29 万公里，电气化铁路总里程超过 8.031 万公里，成就辉煌，但是随着牵引变电所数量、巡检里程的俱增，巡检任务日益繁重。牵引供电系统的变电所作为电气化铁路供电系统中的心脏，要求它具有高度的可靠性，且必须保证不间断地向机车供电。在变电所无人值守化的发展形势下，随着无人值守变电所的数量不断增加，导致巡检工作量、巡检压力迅速增加。并且由于关键设备巡检不到位（漏检、误检）每年造成巨大的经济损失，并且在崎岖山区、高压、高辐射等危险性环境中人工巡检风险大、效率低。人工巡视已经不能满足现代智能变电站的巡检要求，利用结合机器视觉技术的巡检方法可以辅助巡检人员对于危险环境、多频次重复性工作、突发状况等情况作出及时巡检；并且有利于促进巡检标准的统一和多方法立体巡检体系的形成。当前变电所巡检，工作人员根据巡检经验和知识对现场采集的电气设备红外、可见光图像进行分析和判断[1]，但大量图像与视频缺少后台自动化分析功能。

.1 机器视觉在无人值守变电所巡检中的应用研究现状随着电气设备智能化监测与预测性维护的快速发展，机器视觉作为人展的重要分支，在工业监测领域的应用不断升温。机器视觉技术就是产品获取（红外、可见光等）图像信号，经过图像处理平台提取特征特征判断与诊断的多学科综合技术。下面从国家政策、国内外企业研，分析机器视觉技术在无人值守变电所中的应用概况。“十二五”以来，国家电网大力推动“坚强智能电网”的建设。智能设也极大地推动了基于遥视系统的智能分析、智能巡检机器人、无人如图 1-3 所示）的技术进步与市场需求。其中在变电站智能巡检机器人长期来看，我国巡检机器人潜在市场规模超过百亿。例如，山东鲁能有限公司自主研发设计的智能巡检机器人已服务于全国 500 多个变电相关统计报告，2016 年前电力巡检车市场，山东鲁能智能占据 50%以额、浙江国自约 30%，其它公司如：新松、深圳朗驰欣创、大立等，开拓电力巡检机器人市场。

如下图 2-2 所示，处理后的变压器红外图像直方图的修正关系式为Trprrrkrs()()d0= = （0 ≤r ≤1）中，T(r)为变换函数，T(r)需满足 1≥T(r)≥0，pr(r)为图像概率密度函度级， nNk、 为像素数、总像素数，该式在数字图像处理中离散形式s()()00jkirkiikkPrNnT r === ==（0 ≤ r≤1,k=0,1,2…L 1）j
【参考文献】

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本文编号：2865316