張旭（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，人們?cè)谙硎堋半姟睅?lái)的福利同時(shí)，電也無(wú)時(shí)無(wú)刻地威脅著人類(lèi)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前，電氣安全隱患的檢測(cè)除了應(yīng)用相關(guān)儀器設(shè)備外，主要依靠檢測(cè)人員電工的技術(shù)能力。所以，只有順應(yīng)科技發(fā)展的潮流，在電氣安全隱患檢測(cè)行業(yè)不斷引入互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，才能始終適應(yīng)電氣設(shè)備發(fā)展，創(chuàng)新檢測(cè)技術(shù)，確保人類(lèi)工作和生活的安全。

1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 概念

機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。它通過(guò)使用攝像設(shè)備對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行圖像攝取，然后應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析、統(tǒng)計(jì)技術(shù)，對(duì)攝取的圖像內(nèi)容進(jìn)行判斷，最終實(shí)現(xiàn)特定的目的[1]，如檢測(cè)目標(biāo)事物或精確控制。作為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，所采用的圖像處理、圖像理解與模式識(shí)別的基礎(chǔ)理論和技術(shù)是相同的。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)目前廣泛用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中[2]，也可以被看作是人工智能技術(shù)的一個(gè)分項(xiàng)，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)進(jìn)行特定測(cè)量和判斷的系統(tǒng)也就是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。工廠(chǎng)可以利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量，剔除不合格、不標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品；醫(yī)療機(jī)構(gòu)可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)檢查出不易發(fā)現(xiàn)的病理變化。

圖1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 優(yōu)勢(shì)

在檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，相較于人眼而言，有著以下優(yōu)勢(shì)：

1）灰度分辨力強(qiáng)。人只能分辨64 個(gè)灰度等級(jí)，而機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能分辨256個(gè)灰度等級(jí)。

2）空間分辨力高。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以配置各種型號(hào)的光學(xué)鏡頭，觀(guān)測(cè)到微米級(jí)的目標(biāo)，而人眼無(wú)法達(dá)到這一能力。

3）速度更快。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠不斷提高系統(tǒng)的硬件設(shè)備來(lái)提高圖像捕捉速度和圖像處理速度，而人眼只能保持0.1 s的視覺(jué)停留，無(wú)法捕捉運(yùn)行速度較快的目標(biāo)。

4）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)系統(tǒng)采用防護(hù)措施后，其可用于高溫、高壓或有毒有害等不適于人類(lèi)開(kāi)展檢測(cè)活動(dòng)的場(chǎng)所。

5）可持續(xù)工作。人眼工作容易造成視覺(jué)疲勞，從而降低檢測(cè)的可靠性；而使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)就能避免主觀(guān)能動(dòng)性對(duì)檢測(cè)質(zhì)量的影響，始終保持“5.2”的視覺(jué)能力，不會(huì)疲倦。

2 電氣安全隱患檢測(cè)研究

2.1 電氣安全隱患類(lèi)型

電氣安全隱患是指在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，由于利用電能的設(shè)備其整體或部分故障、損壞或人員操作失誤等可能造成火災(zāi)、爆炸、人身傷亡等事故的隱患。主要有電氣火災(zāi)隱患、電氣爆炸隱患和人身觸電隱患。而安全管理不嚴(yán)格、設(shè)備帶障運(yùn)行、電器選型不正確及線(xiàn)路安裝不規(guī)范等原因造成的這些隱患，威脅著工作人員的生命健康和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全。

2.2 電氣安全隱患檢測(cè)

目前，我國(guó)尚未針對(duì)電氣安全隱患的檢測(cè)行業(yè)指定相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)規(guī)范。針對(duì)油田生產(chǎn)場(chǎng)所的低壓配電設(shè)備進(jìn)行電氣安全隱患檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容、方法和判斷依據(jù)是黑龍江省地方標(biāo)準(zhǔn)DB23/T 1805—2016《危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣防爆安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范中明確規(guī)定檢測(cè)的內(nèi)容如下：

1）變配電系統(tǒng)；

2）電氣線(xiàn)路系統(tǒng)；

3）防爆電氣設(shè)備選型；

4）過(guò)熱型電氣檢測(cè)；

5）放電型電氣檢測(cè)；

6）接地系統(tǒng)。

上述六項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容中，有依靠現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)設(shè)備設(shè)施選型情況的方法進(jìn)行檢測(cè)，也有使用非視覺(jué)化輸出的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。其中，變配電系統(tǒng)和過(guò)熱型電氣檢測(cè)兩項(xiàng)內(nèi)容，可以應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行隱患識(shí)別（表1）。

表1 應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)開(kāi)展的隱患檢測(cè)項(xiàng)目

2.2.1 變配電系統(tǒng)隱患

變配電系統(tǒng)由配電系統(tǒng)和變電系統(tǒng)組成。對(duì)于配電系統(tǒng)，由于其隱患產(chǎn)生的主要原因是由施工安裝過(guò)程中不規(guī)范造成的，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中常見(jiàn)的隱患如圖2所示。

圖2 常見(jiàn)的電氣安全隱患

由圖2可知，變配電系統(tǒng)隱患主要集中在線(xiàn)路絕緣、連接端子上。如圖3所示，可以通過(guò)調(diào)整圖像的亮度、對(duì)比度等參數(shù)，得到圖像中灰度或者紋理、顏色發(fā)生劇烈變化的地方即圖像邊緣，采用對(duì)圖形邊緣檢測(cè)的方法就能把這些隱患的特點(diǎn)分析出[3]，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別電氣安全隱患，并能夠智能識(shí)別隱患的類(lèi)型。

圖3 處理后的電氣安全隱患

2.2.2 過(guò)熱型隱患

目前，過(guò)熱型隱患檢測(cè)主要應(yīng)用熱成像儀，攝取的熱像圖反映的是電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其溫度分布狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員通過(guò)顯示屏讀出焦點(diǎn)處的溫度值[4]，圖像中最高溫度焦點(diǎn)的選取完全依靠檢測(cè)人員的判斷；也可以把攝取的熱像圖傳導(dǎo)至計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)熱像儀自帶的軟件進(jìn)行分析。這兩種方式有著各自的缺點(diǎn)：人員選取最高溫度焦點(diǎn)時(shí)判斷會(huì)產(chǎn)生偏差；不能把熱像圖實(shí)時(shí)傳導(dǎo)到計(jì)算機(jī)中。

如圖4所示，如果應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，只需在圖像提取設(shè)備加裝紅外熱成像鏡頭，系統(tǒng)就能根據(jù)色彩參數(shù)進(jìn)行自主判斷最高溫度值的位置，這樣可以克服上述兩點(diǎn)不足。而且，過(guò)熱型電氣安全隱患的檢測(cè)對(duì)機(jī)器視覺(jué)的要求比變配電系統(tǒng)的檢測(cè)更容易實(shí)現(xiàn)。

圖4 配電線(xiàn)路的熱像照

2.3 基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)缺陷工件的識(shí)別，而且還能完成復(fù)雜人臉識(shí)別；所以，把機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到電氣安全隱患檢測(cè)中是可行的。只要抓住線(xiàn)路、絕緣、連接端子邊緣處理后的特點(diǎn)，智能地抓取圖片的細(xì)節(jié)，將為電氣安全隱患檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)質(zhì)的飛躍。其系統(tǒng)應(yīng)該包含圖像輸入部分、圖像處理部分、比較判斷部分和檢測(cè)結(jié)果輸出部分等（圖5）。

圖5 基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖5 可知，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員在確定開(kāi)始檢測(cè)后，利用設(shè)備對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行圖像攝取，圖像直接輸入到圖像處理部分，經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)操作，使圖像的輪廓更加清晰，突出細(xì)節(jié)；然后系統(tǒng)進(jìn)行邊緣檢測(cè)，識(shí)別線(xiàn)路、電氣設(shè)備及連接點(diǎn)，根據(jù)檢測(cè)項(xiàng)目開(kāi)始分割圖像。分割后的圖像數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷其是否存在隱患，最終結(jié)果轉(zhuǎn)化為人眼可視的信息輸出。

2.3.1 部分檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件的比較

檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件應(yīng)側(cè)重于圖像的處理能力，只有越強(qiáng)大的圖片處理能力，才能對(duì)隱患的識(shí)別更加準(zhǔn)確。目前，計(jì)算機(jī)軟件行業(yè)中有許多程序適用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，比較流行、應(yīng)用廣泛的有Python、Halcon，側(cè)重于測(cè)量和仿真的有Labview、Matlab等。

Labview 更注重于測(cè)量和仿真，其圖像處理功能并不強(qiáng)大；Matlab有著強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和工程繪圖能力，其用于圖像邊緣檢測(cè)中并不廣泛；Python容易學(xué)習(xí)，易于維護(hù)，目前在人工智能開(kāi)發(fā)中應(yīng)用較多，其圖形處理能力同樣強(qiáng)大；Halcon有一套完善標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺(jué)算法包，擁有應(yīng)用廣泛及其視覺(jué)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，包含了各類(lèi)濾波、色彩分析、幾何數(shù)學(xué)變換、形態(tài)學(xué)計(jì)算分析、校正、分類(lèi)、形狀搜索登記本圖像處理功能。雖然每一種開(kāi)發(fā)程序都有著各自的特點(diǎn)，以及都在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中起著不可代替的作用；但是，為了更好地開(kāi)展電氣安全隱患檢測(cè)，基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以考慮選用Halcon程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能領(lǐng)域加大扶持力度的有利環(huán)境下，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也將用于更廣闊的行業(yè)中。未來(lái)的油田生產(chǎn)過(guò)程中，將成熟的機(jī)器視覺(jué)的電氣安全隱患檢測(cè)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，就能夠研制出人工智能的電氣安全隱患機(jī)器人，代替人類(lèi)去查找、分析和消除隱患。