應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)的弧垂計(jì)算方法研究.doc

應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)的弧垂計(jì)算方法研究 莫枝閱秦麗文葉蕾崔堂山 （廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004） 【摘要】輸電導(dǎo)線弧垂是導(dǎo)線運(yùn)行的重要參數(shù)，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的運(yùn)行輸電線弧垂測(cè)量方法操作復(fù)雜，誤差較大。提出了一種基于部分線段圖像識(shí)別的弧垂計(jì)算方法，用高清相機(jī)拍攝部分線段并測(cè)定導(dǎo)線的檔距等簡單數(shù)據(jù)，并采用中值濾波和Canny邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行圖像預(yù)處理；再以懸鏈線模型為基礎(chǔ)提取部分段曲線的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)，還原完整的懸鏈曲線并計(jì)算其弧垂。通過兩端等高懸鏈線及兩端不等高懸鏈線的實(shí)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法能滿足工程的精度要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞懸鏈線模型；弧垂測(cè)量；圖像識(shí)別；matlab仿真 基金項(xiàng)目：廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（YCSZxx038）。 作者簡介：莫枝閱（1989），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 秦麗文（1990），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 葉蕾（1990），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 崔堂山（1991），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 0引言 輸電線路弧垂是線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)的主要指標(biāo)之一，弧垂過小，架空線的拉應(yīng)力就大，桿塔荷載增大，安全系數(shù)減小，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生斷線、倒塔和掉串等事故；弧垂過大，架空線對(duì)地及交叉跨越物的安全距離不足，風(fēng)擺、舞動(dòng)和跳躍會(huì)造成線路停電事故的風(fēng)險(xiǎn)就隨之增加1。因此，運(yùn)行線路的日常巡檢中需要對(duì)弧垂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將弧垂控制在規(guī)程要求的范圍內(nèi)以保證線路和被跨越設(shè)備的安全。 傳統(tǒng)的導(dǎo)線弧垂實(shí)測(cè)計(jì)算方法主要有角度法、馳度板觀測(cè)法和中點(diǎn)高度法2-4等，這些方法均存在測(cè)量難度大、實(shí)時(shí)性差，或者誤差較大的問題。隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和各類先進(jìn)工程測(cè)量儀器的開發(fā)，基于先進(jìn)的測(cè)量儀器和計(jì)算平臺(tái)（包括計(jì)算機(jī)算法5、圖像識(shí)別技術(shù)6-7、光纖光柵應(yīng)變傳感器8、LabVIEW平臺(tái)9、J2ME技術(shù)10以及電場(chǎng)逆運(yùn)算原理11等）的弧垂測(cè)量新方法應(yīng)運(yùn)而生。利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行弧垂計(jì)算有全景拼接數(shù)碼照片12和計(jì)算機(jī)視覺原理標(biāo)定線路坐標(biāo)值13等方式。其中，全景拼接技術(shù)在實(shí)際操作中，容易出現(xiàn)拼接失真而帶來較大的計(jì)算誤差；利用計(jì)算機(jī)視覺原理計(jì)算弧垂時(shí)需要標(biāo)定線路坐標(biāo)值，在地形環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)難以進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定坐標(biāo)值，甚至是無法完成的。此外，其他仿真類方法需要用到復(fù)雜的計(jì)算公式和考慮影響弧垂的眾多因素如導(dǎo)線溫度、張力、傳輸容量等，在實(shí)際工程應(yīng)用中給現(xiàn)場(chǎng)人員帶來不便，因此很難得到應(yīng)用推廣。為此，本文提出一種基于部分線段圖像識(shí)別的弧垂計(jì)算方法。 1圖像識(shí)別技術(shù) 由于拍攝圖像的復(fù)雜性，為了使特征的提取精度更高，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波14和邊緣檢測(cè)15等。 1.1圖像濾波 為了減弱各種噪聲的干擾和影響，在提取圖像的特征值之前需要先對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波。圖1顯示不同濾波方法對(duì)加噪聲的部分段柔索圖像的濾波效果。從圖1可以看出，對(duì)于抑制數(shù)字圖像中的噪聲，低通濾波的效果并不理想，背景中的大部分噪聲沒有被濾去；均值濾波能夠?yàn)V去大部分的噪聲，但得到的圖像不夠清晰；中值濾波能夠很好地消除噪聲的干擾，還原出清晰的圖像。因此選擇中值濾波的方法對(duì)圖像進(jìn)行濾波。 1.2圖像邊緣檢測(cè) 電力線路最基本的特征是其線特征，線特征的提取可以采用圖像的邊緣檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)。圖2顯示不同經(jīng)典邊緣檢測(cè)算子的檢測(cè)效果。從圖2可以看出，4種邊緣檢測(cè)算子的整體效果都比較理想，但是Roberts算子、Sobel算子和Prewitt算子由于信息點(diǎn)丟失而使線條連續(xù)性不佳，平滑效果較差，有偽邊緣出現(xiàn)；Canny算子檢測(cè)的邊緣較細(xì)，為單像素，而且提取的邊緣完整性較好，細(xì)節(jié)表現(xiàn)明細(xì)，能在噪聲抑制和邊緣檢測(cè)之間取得較好的平衡，且檢測(cè)出的邊緣為單像素。因此選擇Canny算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)。 邊緣檢測(cè)得到線路的兩條邊緣，參照曲線平滑的思想，可以采用兩條邊緣線的中間線來代替懸鏈線，以更加準(zhǔn)確地反應(yīng)線路的趨勢(shì)。在尋找中間點(diǎn)的時(shí)候，若同一x坐標(biāo)上有n個(gè)像素點(diǎn)，則中間點(diǎn)的y坐標(biāo)可表示為 式中yi為第i個(gè)像素的y坐標(biāo)。 2懸鏈線還原 文獻(xiàn)16提出一種用“懸鏈段”方法分析柔索結(jié)構(gòu)的思想。當(dāng)懸鏈線的檔距一定時(shí)，只要一個(gè)獨(dú)立變量就可以確定線路的懸垂?fàn)顟B(tài)。圖3是懸鏈段參數(shù)提取示意圖，采用數(shù)字圖像處理所用的坐標(biāo)約定，選取頂部索曲線傾角的正割值作為獨(dú)立變量求解，定義sec=n，為頂部索曲線傾角，則可由公式（2）確定懸鏈線的狀態(tài)。 y=ach（x/a+archn-l/a）-ach（archn-l/a）+y0（2） 式中，a為待求系數(shù)，（l，h）是曲線切點(diǎn)坐標(biāo)，（x0，y0）是曲線的端點(diǎn)坐標(biāo)。 線路參數(shù)的提取步驟如下： （）獲取部分段線路圖像的兩端點(diǎn)坐標(biāo)（x0，y0）、（L0，H0），計(jì)算連接兩端點(diǎn)坐標(biāo)的直線的斜率k，得到兩端點(diǎn)連接的直線方程； （2）利用點(diǎn)到直線的距離公式，求出點(diǎn)到直線的最大距離，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為切點(diǎn)，并取得切點(diǎn)坐標(biāo)（l，h）； （4）由h/a=n-ch（archn-l/a）解出a，即可確定懸鏈線的狀態(tài)方程。 由求得的狀態(tài)方程公式（2）畫出曲線在原圖像大小范圍內(nèi)的部分，則為還原的部分曲線圖像；求出完整曲線兩端點(diǎn)的橫坐標(biāo)，即可還原出完整的懸鏈線，橫坐標(biāo)的計(jì)算如圖4所示。 圖4為測(cè)量數(shù)值示意圖，其中L為固定檔距，為實(shí)拍部分段曲線的水平距離，L1和L2分別是原點(diǎn)到懸鏈線兩端點(diǎn)的水平距離。測(cè)量得到L、和L1的值，則可求出L2。有 以部分段圖像的原點(diǎn)為原點(diǎn)，畫出曲線在-x1到x2區(qū)間上的部分，則為該檔距內(nèi)完整的懸鏈線。 3弧垂計(jì)算 f=yd-ach（x/a+archn-l/a）+ach（archn-l/a）-y0（5） 令?墜f/?墜x=0，當(dāng)x=a（arshk1-archn）+l時(shí)，可得到最大弧垂值fmax，式中k1=（y2-y1）/（x2-x1）。 結(jié)果計(jì)算中，恢復(fù)出的像素點(diǎn)和原圖像素點(diǎn)間的相對(duì)誤差為 =（y-y）/y（6） 平均誤差率為 式中y為原圖像中某一像素點(diǎn)的坐標(biāo)，y為恢復(fù)出的該像素點(diǎn)的坐標(biāo)。 計(jì)算得出的弧垂值和實(shí)際測(cè)量的弧垂值之間的相對(duì)誤差為 式中f為實(shí)際測(cè)量得到的弧垂值，fmax為計(jì)算得到的弧垂值。 4算例分析 由于柔索具有均勻、不可伸長的特征，所以用平滑的柔索代替電力線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。以Matlab作為工具，分別對(duì)兩端等高和不等高的柔索進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)算。采用高清相機(jī)拍攝檔距一定的柔索的一部分圖像作為分析對(duì)象，并測(cè)量得到圖4中所示的測(cè)量參數(shù)L、L1、L和實(shí)際的弧垂值。 4.1兩端等高柔索試驗(yàn) 如圖5所示為兩端等高柔索實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。其中圖5-（a）為實(shí)拍的部分柔索圖，圖5-（b）為實(shí)拍完整柔索圖，圖5-（c）為恢復(fù)的部分柔索圖像，圖5-（d）為恢復(fù)的完整柔索圖像。 對(duì)比圖5-（a）和圖5-（c），恢復(fù)出來的柔索與原圖像柔索是一致的，通過計(jì)算得出像素點(diǎn)的平均誤差率為=4.795%。對(duì)比圖5-（b）和圖5-（d），恢復(fù)出的完整的柔索圖像與實(shí)際的完整柔索圖也是一致的。實(shí)際測(cè)量中測(cè)得實(shí)際弧垂f=21.60cm，通過本文的方法計(jì)算出的弧垂為f=20.93cm，計(jì)算相對(duì)誤差為=3.104%。 4.2兩端不等高柔索試驗(yàn) 如圖6所示為兩端不等高柔索實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。其中圖6-（a）為實(shí)拍的部分柔索圖，圖6-（b）為實(shí)拍完整柔索圖，圖6-（c）為恢復(fù)的部分柔索圖像，圖6-（d）為恢復(fù)的完整柔索圖像。 對(duì)比圖6-（a）和圖6-（c），恢復(fù)出來的柔索與原圖像柔索是一致的，通過計(jì)算得出像素點(diǎn)的平均誤差率為=4.410%。對(duì)比圖6-（b）和圖6-（d），恢復(fù)出的完整的柔索圖像與實(shí)際的完整柔索圖也是一致的。實(shí)際測(cè)量中測(cè)得實(shí)際弧垂f=33.52cm，通過本文的方法計(jì)算出的弧垂為f=33.91cm，計(jì)算相對(duì)誤差為=-1.160%，負(fù)號(hào)表示計(jì)算得到的弧垂值大于實(shí)際測(cè)量的弧垂值。 5結(jié)論 以懸鏈線模型為基礎(chǔ)，通過部分線段圖像識(shí)別分析，提取部分段曲線的獨(dú)立狀態(tài)參數(shù)，還原完整懸鏈線并計(jì)算其弧垂值。 （1）采用中值濾波和Canny邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行部分段圖像處理，能夠得到較清晰的曲線和較準(zhǔn)確的圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)。 （2）利用Matlab進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)于兩端等高或不等高的柔索，該方法都能夠較好地提取曲線的狀態(tài)參數(shù)，恢復(fù)完整的柔索曲線并較為精確地計(jì)算出弧垂值。 （3）從導(dǎo)線的固有形態(tài)（懸鏈線狀態(tài)）提取計(jì)算弧垂的參數(shù)，避開導(dǎo)線應(yīng)力、溫度、傳輸容量等影響，能對(duì)弧垂進(jìn)行準(zhǔn)確、直觀的測(cè)量。 參考文獻(xiàn) 黃俊杰，王身麗，陳早明，等架空輸電線路弧垂計(jì)算的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)J湖北電力，xx，3：1-3. 時(shí)瀑森，王占林.弧垂觀測(cè)及大檔距弧垂觀測(cè)新方法J湖北電力，xx，36（5）：61-63. 趙新衛(wèi).線路弧垂的觀測(cè)方法J.大眾用電，xx（6）：29-29. 竇小晶，瑚躍進(jìn)，陳貴鋒，等大檔距架空線弧垂測(cè)量及其誤差分析J.供用電，xx，26（4）：15-17. 奉斌，羅輝.配電架空線路應(yīng)力弧垂計(jì)算機(jī)算法J.廣西電業(yè)，xx（9）：90-92. 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