李霽寅　郭晶晶

摘要 斷路器作為最常見(jiàn)的一次電氣設(shè)備，在電網(wǎng)、變電站中必不可少。斷路器在電網(wǎng)架構(gòu)里肩負(fù)著控制和保護(hù)雙重任務(wù)，由于斷路器常規(guī)運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)手段具有效率低、精度差、耗人工等缺點(diǎn)，檢測(cè)可靠性及質(zhì)量較差。所以，本文把計(jì)算機(jī)視覺(jué)引入到對(duì)斷路器運(yùn)動(dòng)特性分析中，采用基于預(yù)定模板的斷路器運(yùn)動(dòng)特性分析法對(duì)高速視頻序列的斷路器運(yùn)動(dòng)特性分析，并利用滑動(dòng)窗口濾波法對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)濾波去噪，使得結(jié)果更接近于斷路器實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性。此算法解決了許多目前對(duì)斷路器運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)視覺(jué)；預(yù)定模板；滑動(dòng)窗口濾波

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2016）14-0057-02

隨著電網(wǎng)建設(shè)對(duì)輸變電設(shè)備要求的不斷提高，對(duì)斷路器檢測(cè)也提出了更高的要求。目前各類斷路器機(jī)械特性的測(cè)試，主要依靠單片機(jī)來(lái)處理數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)試儀控制的核心也是通過(guò)使用單片機(jī)處理，不同的傳感器采集相關(guān)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電平，進(jìn)而通過(guò)處理器的運(yùn)算邏輯判斷進(jìn)行特性測(cè)試。然而在測(cè)量行程等關(guān)鍵性的機(jī)械參數(shù)中，多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都顯示，僅僅依靠提高部分傳感器的精度是無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的需要，依然有很多共性的問(wèn)題需要解決。比如：尺寸不同的斷路器、型號(hào)不同的設(shè)備、傳感器的批次不同精細(xì)度不同，測(cè)試設(shè)備的便攜性不高和安裝使用過(guò)程中復(fù)雜繁瑣的配置過(guò)程造成相關(guān)工作效率的降低；真空斷路器的外形結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)已無(wú)法進(jìn)一步縮小，而動(dòng)觸頭的生產(chǎn)環(huán)境決定其周圍可供安裝位移傳感器的剩余空間很小，通常使用的直線位移傳感器、角位移傳感器受限于自身體積，在操動(dòng)機(jī)構(gòu)和主軸上安裝越來(lái)越困難和成本高昂；另一方面，傳感器的個(gè)體差異和測(cè)試儀器的批次差異，也是造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差的重要原因。人們通常將精力集中在更高精度的光柵傳感器、更高精度的角位移傳感器的改進(jìn)上，但這無(wú)法從根本上解決問(wèn)題，這些改進(jìn)從類別上看都屬于接觸式傳感器的微調(diào)。不可否認(rèn)，“接觸式”傳感器的測(cè)量無(wú)法避免安裝配置過(guò)程中導(dǎo)致的匹配差異性，同時(shí)安裝效果也直接影響著測(cè)試的準(zhǔn)確度，最終也會(huì)影響到電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

本文將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入到行程測(cè)試中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)在目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)上的應(yīng)用很多，通過(guò)一幅或多幅圖像認(rèn)知周圍環(huán)境信息，包括能夠感知環(huán)境中物體的幾何信息。目前，其在電力系統(tǒng)故障識(shí)別中應(yīng)用比較廣泛，但是在斷路器特性檢測(cè)中的應(yīng)用還是比較少，文獻(xiàn)初步實(shí)現(xiàn)了通過(guò)機(jī)器的視覺(jué)角度來(lái)對(duì)斷路器的機(jī)械特性參數(shù)測(cè)量和定性；但由于相機(jī)性能限制，只獲取不足十幀的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖片，只能對(duì)斷路器行程進(jìn)行局部分析。文獻(xiàn)在追蹤過(guò)程中采用的匹配模板和背景顏色差別不大、匹配困難、誤差高，傳統(tǒng)的系統(tǒng)匹配手段和方法在匹配效率上存在很大的不足，極低的速率限定其僅能定性計(jì)算，實(shí)用性不高。計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用技術(shù)的兩個(gè)主要特點(diǎn)是高效率和針對(duì)性強(qiáng)。采用基于預(yù)定模板匹配的技術(shù)實(shí)現(xiàn)斷路器運(yùn)動(dòng)特征檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，其具有設(shè)備組成簡(jiǎn)捷、在線實(shí)時(shí)、非接觸、高精度等特點(diǎn)。從根本上解決斷路器行程測(cè)試中的諸多問(wèn)題，提高測(cè)試效率。

1匹配模板算法

匹配模板是指利用一個(gè)圖像模板與源圖像進(jìn)行比較，通過(guò)比對(duì)在源圖像中是否存在與模板圖像相同或相似的區(qū)域，如果存在相似區(qū)域，提取該區(qū)域并記錄相應(yīng)坐標(biāo)，模板圖像一般是從源圖像中獲取。常用的模板匹配法有基于灰度信息的模板匹配和基于特征點(diǎn)的模板匹配，由于斷路器的目標(biāo)區(qū)域形狀特征不是很明顯，為了保證匹配的準(zhǔn)確性和精度本文采用基于灰度信息的匹配算法。

像素的灰度值幾乎包含了一幅圖像的所有信息，因此基于圖像灰度特征的匹配方法是最基本的匹配方法也是最穩(wěn)定準(zhǔn)確的匹配方法。采用某種搜索方法找出待匹配圖片中的目標(biāo)區(qū)域的灰度特征，然后和參考模板的灰度信息進(jìn)行相似性度量?；趫D像的灰度特征的匹配算法不需要對(duì)特想的特征進(jìn)行提取，只需根據(jù)圖像的全部灰度信息進(jìn)行匹配，因此能提高圖像匹配的精度屆魯棒性。但是由于基于灰度信息的匹配算法，例如互相關(guān)匹配算法中把匹配點(diǎn)周圍區(qū)域的點(diǎn)的灰度都考慮進(jìn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這樣計(jì)算量大速度慢。本文采用歸一化相關(guān)系數(shù)匹配法。

歸一化相關(guān)系數(shù)匹配法：

其中歸一化系數(shù)：

2斷路器運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1基于預(yù)定模板的斷路器匹配

通過(guò)將待匹配圖像序列的坐標(biāo)進(jìn)行獲取，將獲取坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行模板匹配，基于圖像灰度信息的模板匹配在待匹配圖像感興趣區(qū)域中搜索與模板圖像相似度最大的區(qū)域并獲得最大值點(diǎn)的坐標(biāo)（x₀，y₀），然后以坐標(biāo)（x₀，y₀）為起點(diǎn)坐標(biāo)（x₀+W，y₀+H）為終點(diǎn)在待匹配圖像中畫一紅色矩形框，其中W和H分別為模板圖像的寬和高，矩形框大小與模板圖像大小一樣，最后在取矩形框中心點(diǎn)作為目標(biāo)跟蹤的定位點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），其獲取公式為：

2.2運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)的求解

模板圖像與連續(xù)的斷路器圖像進(jìn)行匹配并獲取匹配的中心坐標(biāo)（x_n，y_n）其中n=0，1，2，3……，根據(jù)獲得的斷路器坐標(biāo)參數(shù)計(jì)算斷路器的瞬時(shí)速度V_n和位移S_n。

獲得運(yùn)動(dòng)速度和位移后對(duì)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行濾波，然后計(jì)算新的速度和位移。濾波公式：

3試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)斷路器所有圖像序列匹配并對(duì)目標(biāo)定位跟蹤后獲得其參數(shù)，通過(guò)計(jì)算得到的斷路器的運(yùn)動(dòng)特性如圖1所示斷路器運(yùn)動(dòng)特性圖1（A）為濾波前斷路器位移曲線，圖1（a）為濾波后斷路器位移曲線，圖1（B）為濾波前速度曲線，圖1（b）為濾波后速度曲線，圖1（c）為斷路器濾波前實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，圖1（c）為斷路器濾波后實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡：

由斷路器的運(yùn)動(dòng)特性曲線圖的分析可知，根據(jù)斷路器的位移曲線分析，斷路器在運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)趨于平穩(wěn)，但是過(guò)一段時(shí)間有一個(gè)起伏很小的彈跳階段。圖1左邊是未濾波的運(yùn)動(dòng)特性右邊是濾波后的，左邊運(yùn)動(dòng)特性呈現(xiàn)的并不是平滑的運(yùn)動(dòng)曲線，其中速度曲線圖最明顯，這是由于斷路器的高速運(yùn)動(dòng)使得相鄰的兩幀圖片的運(yùn)動(dòng)位移太微妙，所以進(jìn)行模板匹配時(shí)出現(xiàn)x_n=x_n-1，y_n=y_n-1，所以會(huì)出現(xiàn)速度V_n=0的現(xiàn)象。本文通過(guò)滑動(dòng)窗口濾波的方法對(duì)斷路器的坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行濾波，從濾波后的運(yùn)動(dòng)特性圖可知濾波后的運(yùn)動(dòng)特性曲線更趨近平滑曲線更接近于斷路器實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性。

4結(jié)論

本文介紹了基于預(yù)定模板的斷路器運(yùn)動(dòng)特性分析，利用基于灰度信息的模板匹配法對(duì)斷路器連續(xù)圖片進(jìn)行匹配，然后定位跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并獲取其位置坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)位置坐標(biāo)的計(jì)算繪制出斷路器運(yùn)動(dòng)特性曲線圖，最后利用滑動(dòng)窗口濾波法對(duì)位置坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行濾波，獲得更接近于斷路器實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性曲線圖。基于預(yù)定模板對(duì)斷路器的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)了設(shè)備組成簡(jiǎn)捷、在線實(shí)時(shí)、精度得到提高、無(wú)需直接接觸等特點(diǎn)。從根本上解決斷路器的相關(guān)參數(shù)獲取和設(shè)備測(cè)試中的諸多問(wèn)題，提高測(cè)試精度和準(zhǔn)確率。endprint