楊京渝，殷 亮，鄧力凡，趙偉林

(1. 湖南城市學(xué)院 智慧城市能源感知與邊緣計(jì)算湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 湘西供電分公司，湖南 吉首 416000)

近年來(lái)，我國(guó)電力系統(tǒng)中不少地區(qū)的變電站相繼發(fā)生避雷針掉落事件，這對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大影響.如甘肅敦煌750 kV變電站、新疆煙墩750 kV變電站、達(dá)坂城750 kV變電站、寧夏某750 kV變電站、河南某500 kV變電站、元江220 kV變電站、廈門東嶼220 kV變電站等均出現(xiàn)過(guò)避雷針變形傾倒，其中部分事故造成了電網(wǎng)的大面積停電等惡劣影響[1-2].

避雷針發(fā)生傾倒事故不僅與其抗風(fēng)能力裕度設(shè)計(jì)不足、剛度較低、結(jié)構(gòu)不合理(主要體現(xiàn)為插接式避雷針筒的節(jié)間配合間隙過(guò)大、實(shí)際結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求不相符等)、緊固螺栓安裝不規(guī)范、基礎(chǔ)安裝不規(guī)范等主要原因有關(guān)，還與避雷針使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、環(huán)境惡劣、材質(zhì)差、維護(hù)不及時(shí)等所導(dǎo)致的避雷針基礎(chǔ)、插接式避雷針筒節(jié)間、針體內(nèi)壁等部位的銹蝕程度有關(guān)[3].文獻(xiàn)[4]分析出避雷針斷裂的主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、抗風(fēng)能力裕度設(shè)計(jì)不足；文獻(xiàn)[5]從避雷針的設(shè)計(jì)、安裝、風(fēng)振特性等方面綜合分析得出，造成故障的原因是避雷針在湍流強(qiáng)度較低的流場(chǎng)中和適宜的風(fēng)速條件下發(fā)生了渦激共振，造成法蘭螺栓疲勞開裂，遇大風(fēng)時(shí)螺栓徹底斷裂，并最終導(dǎo)致鋼管避雷針整體傾倒；文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)避雷針材料和結(jié)構(gòu)建模分析發(fā)現(xiàn)，避雷針柔性法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力不足，在長(zhǎng)時(shí)間交變風(fēng)載荷作用下發(fā)生了斷裂；文獻(xiàn)[7]分析了一起因腐蝕而導(dǎo)致的避雷針掉落事故，通過(guò)X射線衍射、掃描電鏡、電化學(xué)測(cè)試等手段詳細(xì)剖析了避雷針的腐蝕過(guò)程和失效原因，發(fā)現(xiàn)避雷針腐蝕失效是由內(nèi)至外、逐步發(fā)生的，該腐蝕形式具有很強(qiáng)的隱蔽性，易導(dǎo)致突發(fā)性安全事故，需引起足夠重視.

實(shí)時(shí)掌握避雷針傾斜程度是防止避雷針倒桿的最直接、最有效方法，上述文獻(xiàn)主要針對(duì)事故后避雷針發(fā)生傾倒的原因進(jìn)行分析，對(duì)避雷針日常運(yùn)維、巡視、檢修等預(yù)防性措施沒(méi)有引起足夠的重視，也沒(méi)有提供高效、精確的傾斜度測(cè)量方法.目前，對(duì)避雷針垂直偏差的判斷也僅停留在使用全站儀、經(jīng)緯儀等進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法，這些傳統(tǒng)測(cè)量方法工作量大且精度低.文獻(xiàn)[8]用空間幾何變換法有效地測(cè)量了避雷針偏移量，但其測(cè)量過(guò)程較為繁瑣且精確度不高.

直線段相比于特征點(diǎn)或邊緣曲線等傳統(tǒng)圖像特征，其包含了更豐富的信息，比如直線段的角度和中心點(diǎn)等[9-10].直線檢測(cè)算法包括Hough直線檢測(cè)算法、Freeman直線檢測(cè)算法和尺蠖蠕行算法3類.其中，Hough直線檢測(cè)算法因其幾何解析性簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用.但是，Hough直線檢測(cè)也存在直線精度低、虛檢漏檢、資源占比大等缺點(diǎn).針對(duì)這些問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于隨機(jī)Hough變換(RHT)的改進(jìn)算法；文獻(xiàn)[12]給出了一種基于ρ-θ域最小二乘擬合修正的隨機(jī)Hough變換直線檢測(cè)方法；文獻(xiàn)[13]提出了一種改進(jìn)型概率Hough變換直線檢測(cè)優(yōu)化算法.

計(jì)算機(jī)視覺(jué)與圖像分析在電力系統(tǒng)的智能巡檢中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[14-16].為有效提高避雷針垂直偏差的監(jiān)測(cè)精度和水平，本文提出了一種基于隨機(jī)Hough變換的避雷針垂直偏差檢測(cè)方法.首先，采集避雷針圖像，并進(jìn)行灰度處理及高斯濾波；其次，通過(guò)Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)[17]，利用隨機(jī)Hough變換確定避雷針邊緣直線；最后，根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算2條相交直線(避雷針針尖與垂直方向直線)的夾角，求得避雷針的真實(shí)垂直偏差.

1 Hough變換基本原理

1.1 傳統(tǒng)Hough變換

1962年，Paul Hough首次提出了Hough變換算法，并用于二維圖像中的直線檢測(cè).在Hough變換算法的理念上，Duda和Hart在1972年引入了極坐標(biāo)空間.Hough變換主要利用了點(diǎn)與線之間的對(duì)偶性，將在圖像域中檢測(cè)到的直線轉(zhuǎn)換成在參數(shù)域的檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)累加器對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行累計(jì)、尋找峰值，完成直線的檢測(cè).

其中，k為直線斜率；q為直線在y軸上截距.方程(1)也可以寫成關(guān)于(k,q)的函數(shù)表達(dá)式(霍夫空間)，即

笛卡爾坐標(biāo)系與霍夫空間對(duì)應(yīng)的變換關(guān)系(見圖1)如下：笛卡爾坐標(biāo)系中的1條直線，對(duì)應(yīng)霍夫空間中的1個(gè)點(diǎn)；反過(guò)來(lái)也成立，即霍夫空間中的1條直線，對(duì)應(yīng)笛卡爾坐標(biāo)系的1個(gè)點(diǎn).

圖1 笛卡爾坐標(biāo)系與霍夫空間映射關(guān)系

顯然，當(dāng)直線處于垂直狀態(tài)的時(shí)候，其斜率k和截距q的取值趨于無(wú)窮大.為解決此問(wèn)題，可引入極坐標(biāo)系，使用參數(shù)方程把笛卡爾坐標(biāo)系中的直線變換到極坐標(biāo)系中，其變換原理如圖2所示.由圖2可知，笛卡爾坐標(biāo)系中共線的點(diǎn)映射到極坐標(biāo)系中將得到對(duì)應(yīng)的正弦曲線，相應(yīng)的霍夫空間也不再是[k,q]的函數(shù)，而是[ρ,]θ的函數(shù)，對(duì)應(yīng)的正弦曲線在霍夫空間中相交于同一點(diǎn)，其映射關(guān)系如圖3所示.

圖2 極坐標(biāo)變換原理

圖3 極坐標(biāo)與霍夫空間映射關(guān)系

1.2 隨機(jī)Hough變換

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間、避免無(wú)效檢測(cè)及防止主峰值被次峰值淹沒(méi)，可以采用隨機(jī)Hough變換進(jìn)行直線檢測(cè)，其原理及主要步驟如下：

企業(yè)采購(gòu)部門日常采購(gòu)工作中缺乏對(duì)供應(yīng)商信息的積累和整理，沒(méi)有形成較穩(wěn)定的采購(gòu)渠道和供應(yīng)商，這導(dǎo)致各項(xiàng)物資采購(gòu)進(jìn)行時(shí)需進(jìn)行大量的市場(chǎng)詢價(jià)和磋商工作，增加了采購(gòu)工作的難度和工作量，使采購(gòu)成本上升。

1)讀取圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，得到圖像邊緣矩陣D.

2)在笛卡爾坐標(biāo)系中隨機(jī)選取2點(diǎn)，得到其對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)，進(jìn)而確定其霍夫空間點(diǎn)p(ρi,θi)，即從圖像邊緣矩陣D中，任意選取2點(diǎn)(xi,yi)和(xi+1,yi+1)，得到其對(duì)應(yīng)的霍夫空間點(diǎn)p(ρi,θi).

3)判斷霍夫空間中是否存在點(diǎn)p(ρi,θi)，若存在，累加器加1；若不存在，則在霍夫空間中重新加入該點(diǎn).

4)當(dāng)加入霍夫空間的點(diǎn)的總數(shù)大于設(shè)定值時(shí)，結(jié)束循環(huán).

5)當(dāng)累加器達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并選取累加器中數(shù)值最大的點(diǎn)作為待測(cè)直線.

6)獲得可能性最大的直線后，將該直線上的點(diǎn)從原圖像邊緣矩陣中去除，即將邊緣矩陣D中已經(jīng)輸入的點(diǎn)清空，再繼續(xù)循環(huán)檢測(cè).

2 避雷針垂直偏差

2.1 垂直偏差及其評(píng)價(jià)

避雷針垂直偏差是指其頂端偏離垂直方向的最大偏差(如圖4中所示距離d).通過(guò)針體的垂直偏差評(píng)價(jià)指標(biāo)可更加直觀、科學(xué)地對(duì)避雷針的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià).當(dāng)d的測(cè)量值為0～35 mm時(shí)，避雷針狀態(tài)評(píng)價(jià)為“正?！保划?dāng)其值為35～100 mm時(shí)，狀態(tài)評(píng)價(jià)為“注意”；當(dāng)其值為100～300 mm時(shí)，狀態(tài)評(píng)價(jià)為“異?！?；當(dāng)其值≥300 mm時(shí)，狀態(tài)評(píng)價(jià)為“嚴(yán)重”[3].

圖4 避雷針垂直偏差示意

2.2 垂直偏差計(jì)算

假設(shè)某避雷針存在傾斜，其傾斜程度如圖4所示.其中，d1為垂直偏差；θ為避雷針傾斜角度；d2為避雷針傾斜點(diǎn)至針尖的距離；傾斜點(diǎn)至針尖段等效為直線1l；傾斜點(diǎn)至避雷針基礎(chǔ)等效為直線l2.因?yàn)閮A斜點(diǎn)主要發(fā)生在底座、法蘭對(duì)接或插接點(diǎn)等易銹蝕疲勞的部位，所以2l可通過(guò)查詢避雷針圖紙讀取.

若已知直線l1上的2點(diǎn)p1(x1,y1)和p2(x2,y2)，直線l2上的2點(diǎn)p3(x3,y3)和p4(x4,y4)，則可得到避雷針的傾斜角度θ為

由此可得，垂直偏差d1為

3 避雷針圖像處理

利用隨機(jī)Hough變換進(jìn)行避雷針垂直偏差的圖像識(shí)別，該算法主要分為圖像讀取、圖像灰度處理、高斯濾波、圖像邊緣檢測(cè)、避雷針直線提取和垂直偏差計(jì)算6個(gè)步驟.

1)圖像讀取.讀取需要處理的避雷針原始圖像數(shù)據(jù).

2)灰度處理.對(duì)原始圖像3種RGB分量進(jìn)行處理，消除色調(diào)和色彩飽和度，為圖像的分割、識(shí)別、分析等作好準(zhǔn)備.

3)高斯濾波.高斯濾波是對(duì)整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過(guò)程，每個(gè)像素點(diǎn)的值都由其本身和鄰域內(nèi)的其他像素點(diǎn)的值經(jīng)過(guò)加權(quán)平均后得到，可使圖像平滑消噪.

4)邊緣檢測(cè).利用Canny算子對(duì)圖像進(jìn)行分割、特征提取、分類操作以得到圖像邊緣點(diǎn)，并區(qū)分前景和背景.

5)隨機(jī)Hough變換.通過(guò)隨機(jī)Hough變換對(duì)圖像邊緣進(jìn)行輪廓線檢測(cè)，提取直線.

6)垂直偏差計(jì)算.用提取到的直線坐標(biāo)計(jì)算避雷針的垂直偏差，為避雷針的狀態(tài)評(píng)價(jià)和檢修決策提供依據(jù).

4 實(shí)例分析

本文所采用的避雷針圖像為某變電站采集的3張照片，分別命名為#1，#2和#3避雷針，如圖5所示.對(duì)3根避雷針進(jìn)行隨機(jī)Hough變換直線檢測(cè)，其灰度處理、邊緣檢測(cè)、霍夫空間和直線提取結(jié)果分別如圖6～圖9所示.

圖5 避雷針原始圖像

圖6 避雷針灰度處理圖像

圖7 避雷針邊緣檢測(cè)圖像

圖8 避雷針霍夫空間圖像

圖9 避雷針直線提取圖像

進(jìn)一步提取避雷針針尖直線和避雷針基礎(chǔ)的垂直方向直線坐標(biāo)，根據(jù)垂直偏差計(jì)算原理，得到#1，#2和#3避雷針的垂直偏差結(jié)果和對(duì)應(yīng)的狀態(tài)評(píng)價(jià)，如表1所示.

表1 避雷針垂直偏差及其狀態(tài)評(píng)價(jià)

運(yùn)用圖像處理法測(cè)量避雷針的垂直偏差，其過(guò)程簡(jiǎn)單、方便、高效，從現(xiàn)場(chǎng)圖像采集、圖像處理，再到得出測(cè)量結(jié)果，整個(gè)過(guò)程所需時(shí)間不到2 h，且只需定點(diǎn)設(shè)置攝像機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并及時(shí)上報(bào)避雷針運(yùn)行數(shù)據(jù).傳統(tǒng)儀器測(cè)量法除需要專用測(cè)量工具外，還需具備工作票的開具、設(shè)置安措、工作許可、工作終結(jié)等環(huán)節(jié)，再加上實(shí)地測(cè)量所耗費(fèi)的時(shí)間，整個(gè)測(cè)量過(guò)程所需時(shí)間在6 h以上，且無(wú)法對(duì)避雷針的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè).

根據(jù)表1所示的避雷針垂直偏差及狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，可及時(shí)了解各避雷針的傾斜程度，隨時(shí)指導(dǎo)、制定檢修決策.對(duì)傾斜度大即狀態(tài)評(píng)價(jià)為“嚴(yán)重”的避雷針，應(yīng)采取部件維護(hù)、局部加固、整體更換等措施；對(duì)傾斜度一般即狀態(tài)評(píng)價(jià)為“異?！钡谋芾揍?，應(yīng)在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(如避雷針位置是否處于風(fēng)口，若其發(fā)生掉落對(duì)變電站內(nèi)其他設(shè)備安全運(yùn)行的影響大小等)的基礎(chǔ)上，對(duì)避雷針制定檢修計(jì)劃，及時(shí)完成治理；對(duì)傾斜度很小即狀態(tài)評(píng)價(jià)為“注意”的避雷針，可結(jié)合站內(nèi)其他設(shè)備的停電檢修期進(jìn)行治理.

5 結(jié)論

針對(duì)已有的變電站避雷針垂直偏差測(cè)量方法的不足，本文提出了一種基于隨機(jī)Hough變換的測(cè)量新方法，并通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法的正確性.所提方法對(duì)測(cè)量設(shè)備要求簡(jiǎn)單，只需定點(diǎn)安裝攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，再借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)掌握避雷針傾斜程度，它比傳統(tǒng)測(cè)量方法更為直觀、快速.根據(jù)此法對(duì)避雷針的垂直偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，其過(guò)程簡(jiǎn)單、方便、高效，徹底解決了傳統(tǒng)方法測(cè)量不及時(shí)、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、效率低等問(wèn)題，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值.