衡思坤，張自偉，周光宇，王清華，朱立位，白　宇，劉清瑞(.江蘇省電力公司職業(yè)技能訓(xùn)練基地，江蘇連云港069；.連云港供電公司，江蘇連云港00；.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢007；.上海申瑞電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，上海00)

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變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)研究

衡思坤1，張自偉2，周光宇2，王清華2，朱立位2，白宇3，劉清瑞4
(1.江蘇省電力公司職業(yè)技能訓(xùn)練基地，江蘇連云港222069；2.連云港供電公司，江蘇連云港222002；3.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074；4.上海申瑞電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，上海200233)

摘要：通過對變電站作業(yè)安全管控需求的分析，提出了基于計(jì)算機(jī)視覺定位和模式識別技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在介紹了對高精度交叉定位技術(shù)研究思路的基礎(chǔ)上，具體闡述了高精度交叉定位的技術(shù)路線、前提條件、與現(xiàn)有技術(shù)的比較等內(nèi)容，詳細(xì)說明了具體實(shí)現(xiàn)過程。最后以一個(gè)220 kV電壓等級變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)實(shí)例，說明了高精度交叉定位的完整實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：變電站；作業(yè)安全管控；高精度交叉定位

變電站是銜接發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的最關(guān)鍵因素，變電站的安全不僅關(guān)系到人身安全和設(shè)備安全，關(guān)系到電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)的生產(chǎn)效益，也關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]?；谟?jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)圖像采集、模式識別、圖像處理、高精度定位、軟件引擎等先進(jìn)技術(shù)，再加以作業(yè)模型數(shù)學(xué)建模，能夠完全自動地監(jiān)視變電站的巡視和操作[2]，在技術(shù)和應(yīng)用方面都有重大創(chuàng)新，對智能電網(wǎng)環(huán)境下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用[3]。其中對攝像機(jī)高精度交叉定位實(shí)現(xiàn)方法的研究，解決了長期困擾該技術(shù)在變電站應(yīng)用方面的瓶頸問題，為基于計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)在變電站作業(yè)安全管控方面應(yīng)用進(jìn)行探索，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1　變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1　變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于計(jì)算機(jī)視覺定位和動態(tài)目標(biāo)捕捉技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)由2部分組成：定位子系統(tǒng)和主站子系統(tǒng)。

定位子系統(tǒng)通過定位監(jiān)視攝像機(jī)獲取圖像信息，采用圖像處理和模式識別技術(shù)對圖像信息進(jìn)行處理，獲取視頻中人員和車輛的圖像位置，并將圖像位置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送給位置引擎服務(wù)器。引擎服務(wù)器采用視覺定位技術(shù)，對圖像位置信息進(jìn)行處理，將圖像位置信息轉(zhuǎn)換成實(shí)際地理位置信息，將人員和車輛的實(shí)際地理位置信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送給主站系統(tǒng)。

主站子系統(tǒng)對人員和車輛的電子地圖位置信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入變電站的作業(yè)人員和車輛的監(jiān)視和管理。

2　高精度交叉定位主要研究內(nèi)容

在計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的應(yīng)用中，通過攝像機(jī)畫面可以對拍攝畫面中的物體進(jìn)行物理坐標(biāo)的定位[4]。但是因攝像機(jī)都有一定的分辨率，且透視效果受到具體安裝位置的影響，對攝像機(jī)拍攝畫面中物體的定位精度受定位目標(biāo)與攝像機(jī)之間的距離影響很大，離攝像機(jī)越遠(yuǎn)則定位精度越差，特別是對縱向定位精度的影響程度更大，它與距離呈倒數(shù)雙曲線關(guān)系增長[5]。當(dāng)目標(biāo)位置與攝像機(jī)形成的的拍攝垂直視角大于70°，則每個(gè)縱向像素所表示的地面距離相差較大，從而造成通過攝像機(jī)畫面中像素位置來計(jì)算目標(biāo)的地面位置產(chǎn)生較大的誤差。

長期以來，在攝像機(jī)與定位目標(biāo)縱向距離較遠(yuǎn)的情況下如何來提高定位精度一直是一個(gè)難以解決的課題，在這方面曾經(jīng)做過比較多的研究，也能夠在一定的條件下對定位精度做一些提高，但由于種種限制，還存在諸如精度提高有限、計(jì)算工作量過于龐大、造價(jià)過高、受約束條件較多、不適應(yīng)變電站作業(yè)安全管控環(huán)境等問題[6]。例如，其中的提出時(shí)間均值法，通過時(shí)間卷積來計(jì)算目標(biāo)位置，盡管可以做到亞像素，但也會受到很多外部因素的限制和影響，存在定位時(shí)間延時(shí)過長、無法定位移動物體、受環(huán)境和圖像處理算法影響較大等問題，不能在變電站作業(yè)安全管控中應(yīng)用[7]。

本研究根據(jù)變電站的實(shí)際環(huán)境條件，通過對多種算法的研究比較，改進(jìn)了關(guān)鍵環(huán)節(jié)計(jì)算方法，從而使得攝像機(jī)能在合理布局情況下實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的高精度交叉定位，有效提高了定位精度，使變電站的作業(yè)安全管控實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。

前提條件：已知2臺攝像機(jī)的地面位置坐標(biāo)與畫面像素坐標(biāo)的透視對應(yīng)關(guān)系，已知2臺攝像機(jī)的地面位置坐標(biāo)以及目標(biāo)點(diǎn)在2臺攝像機(jī)的畫面像素點(diǎn)坐標(biāo)，通過算法實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)畫面中物體高精度交叉定位。

實(shí)現(xiàn)思路：根據(jù)透視對應(yīng)關(guān)系分別確定目標(biāo)像素坐標(biāo)在地面的射影點(diǎn)，確定每臺攝像機(jī)的地面位置點(diǎn)與目標(biāo)地面射影點(diǎn)的連線，即影射線；之后確定2條影射線的交點(diǎn)；最后計(jì)算出交點(diǎn)物理坐標(biāo)。這樣2條射影線交點(diǎn)物理坐標(biāo)位置即為目標(biāo)點(diǎn)的地面實(shí)際位置。

與現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用相比，本研究的顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）現(xiàn)有的定位方法采用單攝像機(jī)通過攝影幾何的空間映射關(guān)系，計(jì)算目標(biāo)的地面位置，理論上只有當(dāng)攝像機(jī)架設(shè)很高且對地面垂直拍攝時(shí)，才能最好地保證精度，但實(shí)際上由于受客觀條件的限制，幾乎很難做到，尤其是在變電站環(huán)境。而本研究提出的采用2臺攝像機(jī)交叉定位的方法，對攝像機(jī)的架設(shè)高度沒有要求，且不需要對地面垂直拍攝，解決了應(yīng)用于變電站環(huán)境的實(shí)用性問題；（2）本研究采用雙攝像機(jī)交叉定位，將定位精度受距離的影響由單攝像機(jī)的倒數(shù)雙曲線關(guān)系縮小成為雙攝像機(jī)的一次線性關(guān)系，可以大大地提高畫面物體定位的測量精度；（3）本研究擴(kuò)大了定位的測量距離和范圍，減少了定位攝像機(jī)的總體數(shù)量，優(yōu)化了布局，節(jié)省了投資。

采用計(jì)算機(jī)視覺定位，攝像機(jī)圖像對目標(biāo)的分辨能力至為重要。通過采取高感光度攝像機(jī)、夜視增強(qiáng)、高效圖像識別與濾波算法等軟硬件結(jié)合技術(shù)，解決了在白天出現(xiàn)厚黑云層遮蓋、夜間等光線昏暗情況下目標(biāo)跟蹤與識別的問題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)用程度。

3　高精度交叉定位的實(shí)現(xiàn)

以某220 kV變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)為例。本高精度交叉定位實(shí)施方式的幾何示意圖如圖2所示。

第一攝像機(jī)的地面位置坐標(biāo)和畫面象素坐標(biāo)的透視對應(yīng)關(guān)系函數(shù)為T1：

函數(shù)T1的逆函數(shù)為：

圖2　攝像機(jī)畫面中物體高精度交叉定位實(shí)現(xiàn)示意圖

第二攝像機(jī)的地面位置坐標(biāo)和畫面象素坐標(biāo)的透視對應(yīng)關(guān)系函數(shù)為T2：

函數(shù)T2的逆函數(shù)為：

其中，T2函數(shù)與T1函數(shù)的公式相同，但參數(shù)不同。第一攝像機(jī)的地面位置為F1，F(xiàn)1坐標(biāo)為[F1X，F(xiàn)1Y]；第二攝像機(jī)的地面位置為F2，F(xiàn)1坐標(biāo)為[F2X，F(xiàn)2Y]；目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)1的畫面上的象素位置為p1，p1的坐標(biāo)為[x1，y1]；目標(biāo)點(diǎn)在攝像機(jī)2的畫面上的象素位置為p2，p2的坐標(biāo)為[x2，y2]；根據(jù)透視對應(yīng)關(guān)系函數(shù)計(jì)算p1點(diǎn)在地面的射影點(diǎn)P1，P1的地面坐標(biāo)為[X1，Y1] = T1（[x1，y1]）；確定P1和F1在地面的連線，即第一影射線L1；根據(jù)透視對應(yīng)關(guān)系函數(shù)計(jì)算p2點(diǎn)在地面的射影點(diǎn)P2，P2點(diǎn)的地面坐標(biāo)為[X2，Y2] = T2（[x2，y2]）；確定P2和F2在地面的連線，即第二影射線L2。

根據(jù)平面幾何關(guān)系確定第一影射線L1和第二影射線L2在地面的交點(diǎn)P0，P0的坐標(biāo)為[X0，Y0]，P0點(diǎn)的位置即是目標(biāo)點(diǎn)的地面位置。理想情況，可以把2臺攝像機(jī)交叉拍攝畫面的角度設(shè)置為90°。

為便于計(jì)算比較，在不影響精度的情況下，假設(shè)2臺攝像機(jī)水平軸均與地面平行，2臺攝像機(jī)的拍攝方向分別由Lv1和Lv2表示。

分別在攝像機(jī)1畫面上取與p1的坐標(biāo)[x，y]偏移[-1，-1]，[1，-1]，[-1，1]和[1，1]的4個(gè)像素點(diǎn)p11，p12，p13和p14；p11，p12，p13和p14在地面的射影點(diǎn)P11，P12，P13和P14；分別在攝像機(jī)2畫面上取與p2的坐標(biāo)[x，y]偏移[-1，-1]，[1，-1]，[-1，1]和[1，1]的4個(gè)像素點(diǎn)p21，p22，p23和p24；p21，p22，p23和p24在地面的射影點(diǎn)P21，P22，P23和P24；如圖2所示，根據(jù)射影幾何，P11和P14的連線L11與P12和P13的連線L12交匯于攝像機(jī)位置F1點(diǎn)，P21和P24的連線L21與P22和P23的連線L22交匯于攝像機(jī)位置F2點(diǎn)；P11，P12，P13和P14以及P21，P22，P23和P24分別為一個(gè)梯形，可視作2臺攝像機(jī)分別單獨(dú)定位的誤差范圍；L11，L12與L21，L22的4個(gè)交點(diǎn)形成的區(qū)域（如圖所示灰色區(qū)域），即2個(gè)誤差范圍的重疊區(qū)域，可視作交叉定位的誤差范圍；定位精度取決于單位象素長度和面積在地面射影的長度和面積，長度或面積越小，則精度越高；如圖2所示，2個(gè)誤差范圍的重疊區(qū)域面積越小，則誤差越小，精度越高。

由此可見，交叉定位的精度明顯高于單獨(dú)定位的精度。交叉定位的2個(gè)攝像機(jī)的拍攝夾角，以90°垂直交叉時(shí)，測量定位精度最高，夾角越偏離，則定位精度提高度會有所降低，若角度接近為0°或180°，則定位精度等同于單攝像機(jī)的定位精度。

4　高精度交叉定位實(shí)施實(shí)例

以在某220 kV電壓等級變電站內(nèi)實(shí)施的作業(yè)安全管控系統(tǒng)為例。

（1）圖像畸變校正。對攝像頭畸變影響精度的情況，主要是廣角鏡頭的影響最為明顯，需要在確定地面位置坐標(biāo)和畫面象素坐標(biāo)的透視對應(yīng)關(guān)系函數(shù)之前，進(jìn)行畸變校正，可以進(jìn)一步提高精度。該站限于原有設(shè)備布局限制，不得不布置較多的廣角鏡頭，初始的畸變校正算法由于存在缺陷，致使在某個(gè)位置的定位精度大幅度降低。對傳統(tǒng)畸變校正算法進(jìn)行改進(jìn)之后，不僅定位精度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且計(jì)算效率大大提高。

（2）地面透視點(diǎn)。已知地面位置坐標(biāo)和畫面象素坐標(biāo)的透視對應(yīng)關(guān)系函數(shù)，可以計(jì)算地面透視點(diǎn)。該站由于原有設(shè)備布置的原因，變壓器、立桿等對部分位置的透視點(diǎn)產(chǎn)生遮擋，從而造成無法直接計(jì)算地面透視點(diǎn)的現(xiàn)象。通過改進(jìn)的插值、映射算法，解決了設(shè)備對地面透視點(diǎn)的遮擋問題。

（3）拍攝角度。交叉定位的2個(gè)攝像機(jī)的拍攝夾角，以90°垂直交叉時(shí)，測量定位精度最高，夾角越偏離，則定位精度提高度會有所降低，若2臺攝像機(jī)的拍攝角度重疊，則此方法對精度的提高沒有影響。如圖2所示，2個(gè)誤差范圍的重疊區(qū)域面積越小，則誤差越小，精度越高。該站由于原站址區(qū)域和原設(shè)備布局的限制，定位攝像機(jī)未能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)布置，即交叉定位攝像機(jī)的夾角未能達(dá)到90°。但在全站優(yōu)化布局調(diào)整后，滿足了定位精度要求。

（4）拍攝范圍。如圖2所示，采用交叉定位方法，在橫向精度大于要求精度的情況下，即定位精度就能滿足精度要求。圖2顯示表明，每個(gè)攝像機(jī)即使定位拍攝距離分別擴(kuò)大n倍（n遠(yuǎn)大于2）交叉定位的誤差范圍也小于單攝像機(jī)的誤差范圍。因此在同樣精度情況下，攝像機(jī)的定位拍攝范圍可以擴(kuò)大n2倍，可以大大減少布設(shè)的攝像機(jī)數(shù)量，減少投資。該站區(qū)域總面積21 576 m2，最初設(shè)計(jì)需要36個(gè)攝像頭才能實(shí)現(xiàn)全覆蓋。采用交叉定位技術(shù)后，僅用19個(gè)攝像頭就實(shí)現(xiàn)了區(qū)域全覆蓋，并且在主設(shè)備區(qū)域的定位精度還有提高。

5　結(jié)束語

將高精度計(jì)算機(jī)視覺交叉定位應(yīng)用于變電站作業(yè)安全的管控，在技術(shù)上是一個(gè)創(chuàng)新，在應(yīng)用上也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用化程度，降低了成本。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)和對變電站安全要求的提高，必將得到更廣泛地應(yīng)用。在定位精度和模式識別算法方面所做的研究和探索，對變電站作業(yè)安全管控的性能增強(qiáng)，具有重要的意義。相信作業(yè)安全管控系統(tǒng)作為傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的升級和擴(kuò)展，將逐步成為變電站作業(yè)安全管理必不可少的現(xiàn)代化工具。

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衡思坤（1963），男，江蘇邳州人，高級工程師，從事電力設(shè)備運(yùn)行、檢修及安全管理工作；

張自偉（1985），男，江蘇連云港人，工程師，從事變電設(shè)備運(yùn)行管理工作；

周光宇（1981），男，江蘇連云港人，工程師，從事變電設(shè)備檢修管理工作；

王清華（1966），男，江蘇連云港人，工程師，從事變電設(shè)備運(yùn)行管理工作；

朱立位（1981），男，江蘇連云港人，工程師，從事科技創(chuàng)新及科技項(xiàng)目管理工作；

白宇（1994），男，上海人，研究生在讀，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化；

劉清瑞（1958），男，江蘇南京人，教授級高級工程師，從事電力自動化技術(shù)的研究與管理工作。

電網(wǎng)技術(shù)

Research on the Safety Management and Control System for Substation Operation

HENG Sikun1, ZHANG Ziwei2, ZHOU Guangyu2, WANG Qinghua2, ZHU Liwei2, BAI Yu3, LIU Qingrui4
(1. Occupational Skills Training Base of Jiangsu Power Company, Lianyungang 222069, China; 2. Lianyungang Power Supply Bureau of Jiangsu Power Company, Lianyungang 222002, China; 3. Electrical and Electronic Engineering School of Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 4. Shanghai Sunrise Power Network Control Systems Co. Ltd., Shanghai 200233, China)

Abstract：Through analysis on the requirements of safe operation, a typical substation operation safety management system structure is proposed based on the computerized visual location and pattern recognition technology. After introducing the study of high-precision cross-camera location, the high-precision cross-camera location associated content including technical route, prerequisite, comparation with other methods, etc. are presented. In the end, the complete working procedure is explained by taking 220 kV substation operation safety management system as example.

Key words：substation; operation safety management; high-precision cross-camera location

作者簡介：

收稿日期：2015-11-11；修回日期：2015-12-17

中圖分類號：TM72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）02-0031-03