唐慧娟，李軍民，宋昌林

（西華大學(xué)機械工程學(xué)院，成都　610039）

基于圖像處理的輸電線路防外力破壞檢測方法

唐慧娟，李軍民，宋昌林

（西華大學(xué)機械工程學(xué)院，成都610039）

四川省教育廳項目（No.12ZB129）

0　引言

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要部分，是將電力傳輸?shù)接脩羰种械幕A(chǔ)設(shè)備[1]。電力是日常生活不可或缺的組成部分，一旦輸電線路發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響社會的穩(wěn)定和發(fā)展。輸電線路環(huán)境復(fù)雜、覆蓋面廣，不僅容易受到自然環(huán)境的威脅，外力破壞的影響也日趨嚴(yán)重?，F(xiàn)代技術(shù)的不斷進步使輸電線路通道受到自然環(huán)境的影響減弱，外力破壞已上升為影響輸電線路安全的主要因素之一[2]。

輸電線路防外力破壞技術(shù)也在不斷的發(fā)展，在一定程度上發(fā)揮了有效的作用，減少了外力破壞故障，但缺陷也日趨顯現(xiàn)。早期的主要是利用紅外探測、聲控技術(shù)和激光探測等技術(shù)監(jiān)測輸電電路防外力破壞行為，但紅外、微波探測的預(yù)警系統(tǒng)探測距離近、誤報高[3]。激光探測的預(yù)警系統(tǒng)探測范圍雖然范圍廣，但無法自動識別運動目標(biāo)，誤報率高。數(shù)字圖像技術(shù)不斷發(fā)展，視頻檢測技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的普及和應(yīng)用。輸電線路防外力破壞在線檢測裝置的應(yīng)用，雖然減少了輸電電路外力破壞行為，但傳統(tǒng)的檢測模式的不足也日趨顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的檢測裝置只能實時的進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，無法對輸電線路通道內(nèi)的外力破壞隱患進行識別，需要監(jiān)控人員從大量圖像數(shù)據(jù)進行人工篩選來判斷現(xiàn)場是否出現(xiàn)異常，工作量非常大，由于監(jiān)控人員工作簡單枯燥，重復(fù)性較強，注意力無法長時間集中，監(jiān)控的質(zhì)量也難以預(yù)料[4]。輸電線路外力破壞行為具有突發(fā)性、隱蔽性和經(jīng)常性等特點，本文提出了一種基于圖像處理的輸電線路防外力破壞的檢測方法，該方法利用圖像對運動目標(biāo)進行檢測和識別，自動判斷運動目標(biāo)是否進入輸電線路安全警戒區(qū)域和智能報警，能有效的預(yù)防和減少輸電線路外力破壞故障。

1　基于圖像的輸電線路防外力破壞算法

目前，已有的基于圖像處理對輸電線路實施監(jiān)控和防外力破壞的技術(shù)只能簡單的檢測運動目標(biāo)，不能自動識別運動目標(biāo)，當(dāng)檢測到運動目標(biāo)后仍需人工判別。本文提出了一種能識別運動目標(biāo)和自動報警的算法，彌補了現(xiàn)有的檢測方法的不足，算法基本思想的流程圖如圖1 所示。

如圖1 所示在對輸電線路實時監(jiān)測之前要進行背景預(yù)處理,背景預(yù)處理的主要作用是確定輸電線路安全警戒區(qū)。其次是進行實時狀態(tài)監(jiān)測，自動判別運動目標(biāo)。當(dāng)檢測到運動目標(biāo)時，算法自動識別，并判斷該運動目標(biāo)是否進入輸電線路安全警戒區(qū)，當(dāng)該運動目標(biāo)進入安全警戒區(qū)時，自動識別目標(biāo)和自動警報，從而預(yù)防輸電線路外力破壞行為。

圖1　算法流程圖

2　運動目標(biāo)檢測

運動目標(biāo)檢測是從視頻序列中檢測和提取出運動目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。運動目標(biāo)檢有利于提高視頻監(jiān)控的質(zhì)量、減少監(jiān)控人員勞動強度、提高報警的準(zhǔn)確率和可靠性[5]。幀間差分法、背景差分法和光流法是當(dāng)前常用的基本的運動目標(biāo)的檢測方法。背景差分法原理簡單，能較好地提取出運動目標(biāo)的信息，但是該方法對背景的變化非常敏感，容易誤報。光流法檢測準(zhǔn)確率高，但運算復(fù)雜，易受噪聲影響，不適合實際應(yīng)用[6]。幀差法算法簡單，具有較好的實時性和穩(wěn)定性，對環(huán)境的適應(yīng)性好。運動目標(biāo)檢測常采用幀間差分法和三幀差分法。

幀差法是最為常用的運動目標(biāo)檢測和分割方法之一，基本原理就是在圖像序列相鄰兩幀或三幀采用基于像素的時間差分通過閾值化來提取圖像中的運動區(qū)域。三幀差分法是將連續(xù)三幀中的相鄰兩幀做差分運算，將差分運算的結(jié)果進行“與”運算，就可將運動目標(biāo)的輪廓從背景中分割出來。三幀差法能快速準(zhǔn)確地檢測出運動目標(biāo)，具有較強的實時性。設(shè)在某一視頻序列中，設(shè)連續(xù)三幀為fk-1、fk、fk+1，將中間幀分別與前后兩幀做差分得到Dn-1、Dn，最后將差分結(jié)果做“與”操作得到最后結(jié)果gk，如公式（1）。

3　運動目標(biāo)識別

運動目標(biāo)檢測無法識別運動目標(biāo)和判斷是否可能對輸電線路安全造成威脅，運動目標(biāo)識別是識別目標(biāo)減少誤報的一種有效方法。運動目標(biāo)識別是從視頻序列中提取具有特征的運動目標(biāo)。異物短路、盜竊、吊車碰線是當(dāng)前輸電線路外力破壞常見的類型，這類外力破壞的主要檢測目標(biāo)是人、高空漂浮物、大型工程機械。針對不同類型的外力破壞故障的特點采用不同的識別方法是提高算法速度和報警準(zhǔn)確率的一種方法。

吊車碰線不僅會給社會帶來經(jīng)濟損失，而且威脅到人民的生民安全。它主要是大型工程機械（如吊車、挖掘機等）在輸電線路附近施工時，吊臂對輸電線路距離過近，造成對地短路而產(chǎn)生的外力破壞行為。大型機械具有很好的直線特征，對目標(biāo)進行直線提取能快速提取大型機械的吊臂，過濾小汽車、公交等運動目標(biāo)，減少誤報，提高報警率。hough變換是由Paul Hough提出的圖像處理和直線檢測的經(jīng)典算法，它是常用的直線檢測方法，實現(xiàn)一種從圖像空間到參數(shù)空間的映射關(guān)系[7]。它的基本思想是點-線的對偶性，即圖像空間里其共線的點對應(yīng)參數(shù)空間相交的直線，反過來參數(shù)空間相交的所有直線都有共線的點與之相對應(yīng)。基本原理是在圖像空間的任一條直線，直線方程可描述為：

其中k為直線斜率，c為直線的截距。公式也可以改為：

式（3）可以看成以k、c為參數(shù)的函數(shù)式，在該參數(shù)空間內(nèi)仍為 一條直線其中x為斜率，y為截距。如果對位于同一條直線l上的n個點進行上述變換，則原圖像n個點在參數(shù)空間中對應(yīng)得到n條直線，并且這些直線經(jīng)過同一個點。因此圖像空間中共線的點與參數(shù)空間中共點的線有對應(yīng)關(guān)系，只要找出參數(shù)空間中共點的只想，就能確定圖像空間中的直線。

4　輸電線路安全警戒區(qū)

輸電線路一旦發(fā)生故障就會對社會的生命和財產(chǎn)造成損失，輸電線路安全關(guān)系到社會的穩(wěn)定與和諧。輸電線路安全警戒區(qū)是指距輸電線路最小的安全距離，一旦小于安全距離，就會對輸電線路產(chǎn)生威脅。首先，獲得平行的兩根輸電線路間距x1m。其次，根據(jù)圖像計算出這兩根平行線之間占據(jù)多少個像素點d1。最后，一般輸電線路最小的安全距離為5m，根據(jù)式4計算出輸電線路安全區(qū)域的邊界距輸電線路的像素點數(shù)d2，畫出輸電線路邊界。

5　實驗結(jié)果

為了驗證該方法的準(zhǔn)確性與可靠性，以吊車為例進行實驗。圖2 為實時監(jiān)測畫面，圖3 為預(yù)警圖像。實驗結(jié)果表明，本文算法能準(zhǔn)確的檢測到吊車并自動識別，有效地減少誤報，為輸電線路防外力破壞提供一種新的方法。

圖2　監(jiān)測圖像

圖3　預(yù)警圖像

6　結(jié)語

實驗結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確地檢測出運動目標(biāo)和識別，有效預(yù)防輸電線路外力破壞。將圖像處理應(yīng)用于輸電線路防外力破壞，極大地減少了監(jiān)控人員的工作量，同時也提高了監(jiān)控質(zhì)量。該方法不僅準(zhǔn)確率高、速度快，也提出輸電線路防外力破壞的新思路。

[1]胡俊毅.電力輸電線路安全運行的探討[J].中小企業(yè)管理與科技，2015，01：200-201.

[2]龔繼志.輸電線路外力破壞故障原因分析與防治對策探討[J].湖南電力，2012（1）:36-38.

[3]王立新、尹娟.高壓線路防外力破壞激光檢測預(yù)警系統(tǒng)[J].農(nóng)村電氣化2013，03:58-59.

[4]岳靈平，朱弘釗，俞強等.高壓輸電線路防外力破壞激光檢測預(yù)警系統(tǒng)的研究[J].電力與能源 2014，35（2）176-178.

[5]柴池.基于背景差分和三幀差分的運動目標(biāo)檢測[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用.2014，11:75-76.

[6]丁磊，宮寧生.基于改進的三幀差分法運動目標(biāo)檢測[J].電視技術(shù).2013，37（1）:151-153.

[7]朱參世，安利.運動目標(biāo)識別方法與仿真研究[J].計算機與現(xiàn)代化.2010，5:63-65.

Electric Transmission Line;Image Processing;External Force Damage

Detection Method for External Force Damage Detection of Transmission Line Based on Image Processing

TANG Hui-juan，LI Jun-min，SONG Chang-lin
（College of Mechanical Engineering,Xihua University，Chengdu 610065）

唐慧娟（1989-），女，河南鄭州人，碩士，在讀碩士研究生，研究方向為機器人視覺

李軍民（1975-），男，四川營山人，副教授，博士，研究方向為機器人智能控制和導(dǎo)航、機器視覺、嵌入式與網(wǎng)絡(luò)測控

宋昌林（1973-），男，四川犍為人，講師，博士，研究方向為電氣傳動、信號檢測與處理、計算機與通信技術(shù)

2015-12-03

2016-01-13

現(xiàn)代化建設(shè)速度的不斷加快，工程施工頻繁已嚴(yán)重威脅到輸電線路安全，外力破壞已成為影響輸電線路安全的主要因素。針對現(xiàn)有檢測技術(shù)的不足，提出一種基于圖像處理的輸電線路防外力破壞的全新檢測方法。該方法利用圖像對運動目標(biāo)的檢測與識別，判斷運動目標(biāo)是否進入輸電線路的安全警戒區(qū)，實時監(jiān)測并報警。最后對吊車碰線這類最主要的輸電線路外破形式進行實驗驗證，結(jié)果表明，該方法能有效地減少和預(yù)防輸電線路事故的發(fā)生。

輸電線路；圖像處理；外力破壞

With the speed of modernization,the construction of the project has been a serious threat to transmission line construction;external force damage has become the main factor of transmission line fault.In view of the existing detection technology,puts forward a new detection method based on image processing of transmission line with external force damage.In this method,the moving target detection and recognition is used to determine whether the moving target is in the safe area of the transmission line,and real-time monitoring and alarming. Finally,the experimental verification of the main transmission line is carried out.The results show that the method can effectively reduce and prevent the occurrence of transmission line accidents.