，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023； 2.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000)

0 引言

電纜是通信設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，由于長(zhǎng)期處于陸地、海底等自然環(huán)境，且傳輸距離不斷增長(zhǎng)，電纜損耗逐漸加劇，導(dǎo)致電纜破損、裸露等問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，對(duì)電力傳輸造成嚴(yán)重影響[1]。因此對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)的分析，是通信領(lǐng)域中的核心研究問(wèn)題。智能傳感技術(shù)是當(dāng)前信息處理核心技術(shù)之一[2]。采用智能傳感技術(shù)對(duì)電纜裸露信息進(jìn)行處理，使得電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析更準(zhǔn)確。對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析，其本質(zhì)就是對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)。傳統(tǒng)方法構(gòu)建電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)模型，根據(jù)采樣和電纜輪廓跟蹤得到電纜破損區(qū)域特征向量，對(duì)原始電纜分割區(qū)域進(jìn)行提取，采用三重差值統(tǒng)一和三重逼近的融合細(xì)分方法[3]，對(duì)電纜區(qū)域的輪廓曲線進(jìn)行分析，合成電纜破損區(qū)域的紋理，完成電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)，該方法包含大量的運(yùn)算，易造成誤差，重構(gòu)效果較差[4]。為此，提出一種電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)的新方法。選取待分析裸露電纜，采集電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取，得出破損數(shù)據(jù)特征函數(shù)，依據(jù)傅里葉算子算法對(duì)破損數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法分析準(zhǔn)確性高，能有降低電纜裸露造成的危害。

1 電纜裸露成因

電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)即是造成電纜裸露的各項(xiàng)因素。充分掌握電纜裸露的成因，即可對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，從而降低電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)，減少電力傳輸過(guò)程的損失。造成電纜裸露的因素主要有三大方面：第三方破壞、自然環(huán)境影響和誤操作[5]。前兩者對(duì)電纜裸露損傷的影響超過(guò)70%。具體描述如下。

1.1 第三方破壞

50%以上的電纜裸露都是第三方破壞所致[6]。以用于海底電力傳輸?shù)碾娎|為例，其可能受損的成因有船錨破壞、捕魚(yú)作業(yè)等等。在拖網(wǎng)捕魚(yú)時(shí)，電纜需設(shè)在深達(dá)30～40 m的海床淤泥中，捕魚(yú)所用的纜繩、錨鏈等設(shè)備均會(huì)對(duì)此深度的電纜造成一定的破壞，使電纜出現(xiàn)破損。一些船錨下落對(duì)電纜的撞擊，也會(huì)對(duì)電纜造成很大程度的破壞。

1.2 自然環(huán)境影響

我國(guó)地形地貌復(fù)雜多變，給電纜的安裝和運(yùn)行帶來(lái)極大的考驗(yàn)。不同地形具有多種不同特征參數(shù)，各參數(shù)都會(huì)對(duì)電纜管線造成一定的程度的破壞[7]。由電纜損壞的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，自然環(huán)境因素造成的電纜裸露約占總數(shù)的三成。因此考慮自然環(huán)境的影響，要降低電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電纜制作材料的要求越來(lái)越高。

1.3 誤操作

綜上兩個(gè)因素的考慮，電纜的選址、設(shè)計(jì)和施工等操作變得越發(fā)艱巨。而其重大且復(fù)雜的操作工程，難免出現(xiàn)錯(cuò)誤。誤操作主要包括設(shè)計(jì)不當(dāng)、敷設(shè)安裝粗糙、接頭故障及人工操作失誤等[8]。在設(shè)計(jì)電纜時(shí)，材料選取不當(dāng)會(huì)減少電纜的使用壽命，短時(shí)間內(nèi)便會(huì)出現(xiàn)裸露破損現(xiàn)象。在敷設(shè)安裝過(guò)程中，安裝精度也難免達(dá)到百分百操作。雖然與前兩個(gè)因素相比，誤操作因素所占比例較小，但其對(duì)電纜造成的損壞程度不容小覷。

2 電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)及分析原理

2.1 電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)

影響電纜裸露的識(shí)別指標(biāo)主要有電纜本身的耐壓性、外護(hù)層絕緣電阻、電纜局部裸露放電以及電纜外觀損等。

電纜耐壓性是鑒定電纜絕緣強(qiáng)度的最關(guān)鍵指標(biāo)，是判定電纜能夠直接投入運(yùn)行具有重要意義。該指標(biāo)可確保電纜的絕緣水平，權(quán)重等級(jí)最高，是避免絕緣事故的重要手段。

電纜表面有一種金屬外護(hù)層，對(duì)電纜起到保護(hù)作用。但外護(hù)層與外部環(huán)境直接接觸，容易出現(xiàn)腐蝕、老化及破損現(xiàn)象。金屬護(hù)套的缺陷是易多點(diǎn)接地，使護(hù)套環(huán)流增加，而這種外護(hù)層破損現(xiàn)象長(zhǎng)期存在，因此常對(duì)電纜的安全運(yùn)行造成影響。

局部放電是指電纜非貫穿性放電。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)，高能電子和加速電子會(huì)猛烈沖擊絕緣層，特別是絕緣外壁易被損壞。局部放電不僅是電纜絕緣老化的成因，也是電纜絕緣劣化的主要影響因素。對(duì)電纜裸露局部放電指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜裸露所產(chǎn)生的絕緣老化和樹(shù)狀老化的重要手段。

充分了解以上電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)，為電纜裸風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)分析原理

在對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，先要判定電纜裸露的成因，確定電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式的識(shí)別指標(biāo)。依據(jù)識(shí)別指標(biāo)設(shè)計(jì)電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)方法。對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取處理后的電纜破損數(shù)據(jù)特征，引用智能傳感視覺(jué)技術(shù)對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析。電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)分析原理圖如圖1所示。

圖1 電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)分析原理圖

考慮以上種種電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)，并依據(jù)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)分析原理，采用智能傳感視覺(jué)技術(shù)對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析。

3 電纜破損數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行分析，可有效改善電纜損耗。通過(guò)對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)，完成電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析。在對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)之前，先要對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以確保電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)的精度。具體描述如下。

將智能傳感視覺(jué)的電纜破損數(shù)據(jù)向量轉(zhuǎn)化為行向量，電纜破損數(shù)據(jù)的向量維數(shù)代表電纜破損數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，

對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理，即中心化處理[9]，將進(jìn)行中心化處理后的電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行白化處理，使白化處理后的電纜破損數(shù)據(jù)變量協(xié)方差為單位矩陣，采用協(xié)方差特征值對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，即E(xxT)=PEPT，式中E所代表矩陣E(xxT)的特征值，P所代表電纜破損數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征向量。由此得到電纜破損數(shù)據(jù)的白化矩陣M=PE-1/2PT和白化后的數(shù)據(jù)x=Mx，完成電纜破損數(shù)據(jù)的預(yù)處理，降低電纜破損數(shù)據(jù)中存在的噪聲，提高電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)的信噪比。

綜上所述，對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)預(yù)處理可有效確保電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)精度，進(jìn)而保證電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析的準(zhǔn)確性。

4 電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析

通過(guò)對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)完成對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式的識(shí)別指標(biāo)的準(zhǔn)確分析。其重構(gòu)精度是確保電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。在電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)的過(guò)程中，最困難的步驟是對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)特征的提取，采用SVD方法提取數(shù)據(jù)特征，引入智能傳感視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)。具體過(guò)程描述如下：

4.1 電纜破損數(shù)據(jù)特征提取

采用SVD方法對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取[10]，在電纜破損數(shù)據(jù)的特征提取中，將電纜破損數(shù)據(jù)矩陣的異值作為一種常用的特征識(shí)別方法。

設(shè)電纜破損數(shù)據(jù)矩陣A的秩為k，采用SVD對(duì)矩陣A進(jìn)行分解，分解為：

(1)

4.2 基于智能傳感視覺(jué)的重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)

設(shè)x∈Cn為需要被重構(gòu)的電纜破損數(shù)據(jù)，y∈Cm代表電纜破損數(shù)據(jù)中獲得的k空間的測(cè)量數(shù)據(jù)，n所代表噪聲，F(xiàn)n代表k空間中的欠采樣傅里葉算子，采用智能傳感視覺(jué)技術(shù)求出不完全測(cè)量值，得到電纜破損數(shù)據(jù)采集模型的計(jì)算公式為y=Fnx+n。

設(shè)x通過(guò)電纜破損數(shù)據(jù)算子ω的表達(dá)式為x=ωα，其中ω代表是從電纜像素轉(zhuǎn)換為稀疏表示的線性算子，k空間測(cè)量破損數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為y=Fnωα+n，其中Fnω為電纜破損數(shù)據(jù)的感知矩陣。依據(jù)智能傳感視覺(jué)技術(shù)的重構(gòu)算法，得到電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)權(quán)值公式為。

(2)

式中，ε>0限制了電纜破損數(shù)據(jù)的保真度。閾值ε代表了電纜破損數(shù)據(jù)中的噪聲級(jí)別，公式(2)中的函數(shù)被稱(chēng)為范數(shù)，定義為‖x‖1=∑i|xi|。‖α‖1代表了電纜破損數(shù)據(jù)的稀疏性。‖y-Fnωα‖2<ε限制了k空間數(shù)據(jù)中電纜破損重構(gòu)數(shù)據(jù)的保真度。公式(2)通過(guò)變化ω得到了一個(gè)與采集電纜破損數(shù)據(jù)有關(guān)的可壓縮的解。

(3)

公式(3)中的第二項(xiàng)代表的是懲罰項(xiàng)，被添加到電纜破損數(shù)據(jù)的代價(jià)函數(shù)中，并進(jìn)行最小化的計(jì)算，該過(guò)程稱(chēng)為正則化。正則項(xiàng)代表的是電纜破損數(shù)據(jù)原始信號(hào)中的稀疏先驗(yàn)信息。公式(3)中的第一項(xiàng)為電纜破損數(shù)據(jù)的保真項(xiàng)，保真項(xiàng)測(cè)量的電纜破損數(shù)據(jù)與最優(yōu)化問(wèn)題保持一致。λ代表用來(lái)平衡電纜破損數(shù)據(jù)稀疏性懲罰項(xiàng)和保真項(xiàng)的正則化參數(shù)。

當(dāng)電纜破損數(shù)據(jù)的有限分算子作為稀疏變化來(lái)計(jì)算時(shí)，公式(2)中的目標(biāo)函數(shù)為全變分，此時(shí)電纜破損數(shù)據(jù)的目標(biāo)函數(shù)為T(mén)V(x)。這種情況下公式(2)可變化為：

(4)

式中，δ代表電纜破損數(shù)據(jù)有限差分稀疏性與平衡ω稀疏性。引入智能傳感視覺(jué)技術(shù)對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可推導(dǎo)出電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)的計(jì)算公式如下：

(5)

根據(jù)以上步驟，完成電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)在Matlab條件下完成，為了驗(yàn)證基于智能傳感視覺(jué)的電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析的準(zhǔn)確性，對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)方法的重構(gòu)精度進(jìn)行測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)采集了1 223組數(shù)據(jù)，每組電纜破損數(shù)據(jù)采集10 000個(gè)周期，總共采集了1 223×10 000個(gè)數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)的采樣周期為0.43 μs，全部電纜破損數(shù)據(jù)的有效采集時(shí)間為9 s作左右。

5.1 不同方法重構(gòu)完整度對(duì)比分析

利用改進(jìn)方法與文獻(xiàn)[8]方法、文獻(xiàn)[9]方法進(jìn)行電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)完整度方面的對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種不同方法重構(gòu)完整度對(duì)比結(jié)果

觀察圖1可知，文獻(xiàn)[8]方法重構(gòu)完整度平均為50%，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，重構(gòu)完整度并沒(méi)有提高，顯而易見(jiàn)文獻(xiàn)[8]方法重構(gòu)精度低，電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)較大。文獻(xiàn)[9]方法重構(gòu)完整度雖時(shí)間的增加而增加，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間為60 min時(shí)，達(dá)到最高值68%，該方法重構(gòu)相比文獻(xiàn)[8]方法，重構(gòu)完整度較高，雖整體呈上升趨勢(shì)，但也存在下降值，因此得出文獻(xiàn)[9]方法重構(gòu)精度較高，但重構(gòu)效果不理想。改進(jìn)方法與前兩種方法對(duì)比可知，重構(gòu)完整度最高值達(dá)到96%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前兩種方法的重構(gòu)完整度，且曲線呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)。綜上所述，充分說(shuō)明改進(jìn)方法重構(gòu)精度高，有效降低了電纜裸露的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析十分準(zhǔn)確。

5.2 不同方法電纜漏電率對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)改進(jìn)方法和文獻(xiàn)[8]方法、文獻(xiàn)[9]方法對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)后的電纜漏電率進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析的準(zhǔn)確性。三種方法電纜漏電率對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種不同方法重構(gòu)完整度對(duì)比結(jié)果

觀察圖3可知，采用文獻(xiàn)[8]方法對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后的電纜漏電率從最初的15%上升到了25%，且上升幅度大，說(shuō)明該方法重構(gòu)精度低。文獻(xiàn)[9]方法對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，起始漏電率為10%，雖然隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，漏電率逐漸增加，但最高漏電率為17%，相比文獻(xiàn)[8]方法，其電纜漏電率較低，該方法重構(gòu)精度較高。觀察改進(jìn)方法曲線，電纜漏油率平均保持在5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法的漏電率。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，電纜漏電率并沒(méi)有增加，曲線變化穩(wěn)定，充分說(shuō)明改進(jìn)方法的重構(gòu)精度高，采用改進(jìn)方法對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)的分析準(zhǔn)確性高。

5.3 不同方法重構(gòu)收斂性對(duì)比分析

為了驗(yàn)證基于智能傳感是覺(jué)得電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析的準(zhǔn)確性，分別采用改進(jìn)方法、文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)的收斂性進(jìn)行測(cè)試，將所得測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種不同方法的收斂性對(duì)比

圖4中加速因子和收斂速度均為常數(shù)，三種曲線分別表示改進(jìn)方法、文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法在不同加速因子條件下的收斂曲線，分析圖4可知，當(dāng)加速因子較小時(shí)，文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法的收斂速度都比較快，但是隨著加速因子的不斷增大，文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法的收斂速度與加速因子成反比，收斂速度不斷變小，說(shuō)明文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法整體重構(gòu)收斂性較低，雖然文獻(xiàn)[9]方法的重構(gòu)收斂性相比文獻(xiàn)[8]方法的重構(gòu)收斂性較高，但曲線仍呈下降趨勢(shì)，因此可得出，文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法的重構(gòu)精度低，電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)分析效果差。觀察改進(jìn)方法曲線，改進(jìn)方法的收斂速度基本保持不變，且比文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法的收斂速度快，重構(gòu)收斂性高，曲線變化較為穩(wěn)定。綜上所述表明，所提方法重構(gòu)精度高，有效驗(yàn)證了電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析的準(zhǔn)確性。

通過(guò)以上對(duì)電纜破損數(shù)據(jù)重構(gòu)方法的重構(gòu)完整度、電纜漏電率及重構(gòu)收斂性進(jìn)行測(cè)試，可得出所提重構(gòu)方法精度高，同時(shí)也充分驗(yàn)證了基于智能傳感視覺(jué)的電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析準(zhǔn)確性高

6 結(jié)論

所提基于智能傳感視覺(jué)的電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)模式識(shí)別指標(biāo)分析的創(chuàng)新點(diǎn)在電纜破損數(shù)據(jù)的重構(gòu)。通過(guò)重構(gòu)方法有效地對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)的分析準(zhǔn)確性高。通過(guò)所提分析方法可有效降低電纜裸露風(fēng)險(xiǎn)，在電纜制作與應(yīng)用中具有較高的實(shí)用性和有效性。未來(lái)對(duì)電纜使用的技術(shù)要求更高，電纜的設(shè)計(jì)與安裝更加具有挑戰(zhàn)性，其中包含了電纜敷設(shè)的位置，電纜操作準(zhǔn)確度對(duì)電纜損耗的影響。針對(duì)這兩方面問(wèn)題，將進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以滿足電纜在時(shí)代發(fā)展中的技術(shù)要求。