應(yīng)用圖像識別技術(shù)的弧垂計算方法研究.doc

應(yīng)用圖像識別技術(shù)的弧垂計算方法研究 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)線運行的重要參數(shù)，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的運行輸電線弧垂測量方法操作復(fù)雜，誤差較大。提出了一種基于部分線段圖像識別的弧垂計算方法，用高清相機拍攝部分線段并測定導(dǎo)線的檔距等簡單數(shù)據(jù)，并采用中值濾波和Canny邊緣檢測算子進行圖像預(yù)處理；再以懸鏈線模型為基礎(chǔ)提取部分段曲線的獨立狀態(tài)參數(shù)，還原完整的懸鏈曲線并計算其弧垂。通過兩端等高懸鏈線及兩端不等高懸鏈線的實測試驗，結(jié)果表明，該方法能滿足工程的精度要求，具有一定的實用價值。 關(guān)鍵詞懸鏈線模型；弧垂測量；圖像識別；matlab仿真 基金項目：廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目（YCSZxx038）。 作者簡介：莫枝閱（1989），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 秦麗文（1990），女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 葉蕾（1990），女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 崔堂山（1991），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性。 0引言 輸電線路弧垂是線路設(shè)計和運行維護的主要指標(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，嚴重時可能發(fā)生斷線、倒塔和掉串等事故；弧垂過大，架空線對地及交叉跨越物的安全距離不足，風(fēng)擺、舞動和跳躍會造成線路停電事故的風(fēng)險就隨之增加1。因此，運行線路的日常巡檢中需要對弧垂進行實時監(jiān)測，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)線弧垂實測計算方法主要有角度法、馳度板觀測法和中點高度法2-4等，這些方法均存在測量難度大、實時性差，或者誤差較大的問題。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的不斷發(fā)展和各類先進工程測量儀器的開發(fā)，基于先進的測量儀器和計算平臺（包括計算機算法5、圖像識別技術(shù)6-7、光纖光柵應(yīng)變傳感器8、LabVIEW平臺9、J2ME技術(shù)10以及電場逆運算原理11等）的弧垂測量新方法應(yīng)運而生。利用圖像處理技術(shù)進行弧垂計算有全景拼接數(shù)碼照片12和計算機視覺原理標(biāo)定線路坐標(biāo)值13等方式。其中，全景拼接技術(shù)在實際操作中，容易出現(xiàn)拼接失真而帶來較大的計算誤差；利用計算機視覺原理計算弧垂時需要標(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，在實際工程應(yīng)用中給現(xiàn)場人員帶來不便，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別的弧垂計算方法。 1圖像識別技術(shù) 由于拍攝圖像的復(fù)雜性，為了使特征的提取精度更高，需要對圖像進行預(yù)處理，包括濾波14和邊緣檢測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圖像進行平滑濾波。圖1顯示不同濾波方法對加噪聲的部分段柔索圖像的濾波效果。從圖1可以看出，對于抑制數(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；均值濾波能夠濾去大部分的噪聲，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圖像進行濾波。 1.2圖像邊緣檢測 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來實現(xiàn)。圖2顯示不同經(jīng)典邊緣檢測算子的檢測效果。從圖2可以看出，4種邊緣檢測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算子檢測的邊緣較細，為單像素，而且提取的邊緣完整性較好，細節(jié)表現(xiàn)明細，能在噪聲抑制和邊緣檢測之間取得較好的平衡，且檢測出的邊緣為單像素。因此選擇Canny算子對圖像進行邊緣檢測。 邊緣檢測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。在尋找中間點的時候，若同一x坐標(biāo)上有n個像素點，則中間點的y坐標(biāo)可表示為 式中yi為第i個像素的y坐標(biāo)。 2懸鏈線還原 文獻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，只要一個獨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）是曲線切點坐標(biāo)，（x0，y0）是曲線的端點坐標(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坐標(biāo)（x0，y0）、（L0，H0），計算連接兩端點坐標(biāo)的直線的斜率k，得到兩端點連接的直線方程； （2）利用點到直線的距離公式，求出點到直線的最大距離，對應(yīng)的點即為切點，并取得切點坐標(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的橫坐標(biāo)，即可還原出完整的懸鏈線，橫坐標(biāo)的計算如圖4所示。 圖4為測量數(shù)值示意圖，其中L為固定檔距，為實拍部分段曲線的水平距離，L1和L2分別是原點到懸鏈線兩端點的水平距離。測量得到L、和L1的值，則可求出L2。有 以部分段圖像的原點為原點，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，可得到最大弧垂值fmax，式中k1=（y2-y1）/（x2-x1）。 結(jié)果計算中，恢復(fù)出的像素點和原圖像素點間的相對誤差為 =（y-y）/y（6） 平均誤差率為 式中y為原圖像中某一像素點的坐標(biāo)，y為恢復(fù)出的該像素點的坐標(biāo)。 計算得出的弧垂值和實際測量的弧垂值之間的相對誤差為 式中f為實際測量得到的弧垂值，fmax為計算得到的弧垂值。 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行仿真實驗。以Matlab作為工具，分別對兩端等高和不等高的柔索進行試驗計算。采用高清相機拍攝檔距一定的柔索的一部分圖像作為分析對象，并測量得到圖4中所示的測量參數(shù)L、L1、L和實際的弧垂值。 4.1兩端等高柔索試驗 如圖5所示為兩端等高柔索實測試驗結(jié)果。其中圖5-（a）為實拍的部分柔索圖，圖5-（b）為實拍完整柔索圖，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，通過計算得出像素點的平均誤差率為=4.795%。對比圖5-（b）和圖5-（d），恢復(fù)出的完整的柔索圖像與實際的完整柔索圖也是一致的。實際測量中測得實際弧垂f=21.60cm，通過本文的方法計算出的弧垂為f=20.93cm，計算相對誤差為=3.104%。 4.2兩端不等高柔索試驗 如圖6所示為兩端不等高柔索實測試驗結(jié)果。其中圖6-（a）為實拍的部分柔索圖，圖6-（b）為實拍完整柔索圖，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，通過計算得出像素點的平均誤差率為=4.410%。對比圖6-（b）和圖6-（d），恢復(fù)出的完整的柔索圖像與實際的完整柔索圖也是一致的。實際測量中測得實際弧垂f=33.52cm，通過本文的方法計算出的弧垂為f=33.91cm，計算相對誤差為=-1.160%，負號表示計算得到的弧垂值大于實際測量的弧垂值。 5結(jié)論 以懸鏈線模型為基礎(chǔ)，通過部分線段圖像識別分析，提取部分段曲線的獨立狀態(tài)參數(shù)，還原完整懸鏈線并計算其弧垂值。 （1）采用中值濾波和Canny邊緣檢測算子進行部分段圖像處理，能夠得到較清晰的曲線和較準(zhǔn)確的圖像像素點坐標(biāo)。 （2）利用Matlab進行仿真試驗，結(jié)果表明，對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，能對弧垂進行準(zhǔn)確、直觀的測量。 參考文獻 黃俊杰，王身麗，陳早明，等架空輸電線路弧垂計算的計算機實現(xiàn)J湖北電力，xx，3：1-3. 時瀑森，王占林.弧垂觀測及大檔距弧垂觀測新方法J湖北電力，xx，36（5）：61-63. 趙新衛(wèi).線路弧垂的觀測方法J.大眾用電，xx（6）：29-29. 竇小晶，瑚躍進，陳貴鋒，等大檔距架空線弧垂測量及其誤差分析J.供用電，xx，26（4）：15-17. 奉斌，羅輝.配電架空線路應(yīng)力弧垂計算機算法J.廣西電業(yè)，xx（9）：90-92. 陳斯雅，王濱海，盛戈皞，王聞，江秀臣.采用圖像攝影的輸電線路弧垂測量方法J.高電壓技術(shù)，xx（4）：904-908. 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