楊志銀

(協(xié)鑫能源工程有限公司，蘇州 215100)

0 引言

根據Research And Markets發(fā)布的《2019年全球漂浮式太陽能市場報告》顯示，2017年，全球漂浮式水上光伏電站的累計裝機容量為675.38 MW，預計到2024年該值將增至4127.567 MW，2018～2024年的年復合增長率預計為30.7%[1]。漂浮式水上光伏電站的實景圖如圖1所示。

圖1 漂浮式水上光伏電站的實景圖Fig.1 Photo of floating water PV power station

漂浮式水上光伏電站裝機容量的增長主要歸因于土地資源日益受限，且水體對光伏組件具有冷卻效應，可提高光伏組件的發(fā)電量；此外，得益于光伏行業(yè)中部分企業(yè)對與漂浮式水上光伏電站相關的光伏產品的研發(fā)投資不斷增加，再加上政府對于此類光伏電站給予的各種支持，預計此類光伏電站的市場需求還將繼續(xù)增加[1]。

但是漂浮式水上光伏電站的發(fā)展對浮筒的錨固技術要求很高。相較于地面光伏電站，漂浮式水上光伏電站會受到季風、水位變化的影響，使浮筒發(fā)生位移，導致照射到光伏組件的太陽入射角發(fā)生了改變，從而降低了光伏電站的發(fā)電量，且會影響錨固系統(tǒng)鋼纜的使用壽命，因此對漂浮式水上光伏電站的浮筒位移進行監(jiān)測尤為重要。

2019年12月16日，中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司(下文簡稱“山西院”)收到泰國發(fā)電管理局(EGAT)發(fā)出的中標通知書，確認山西院與泰國B.Grimm公司組成的聯(lián)合體成功中標EGAT詩琳通大壩水面浮體光伏項目。EGAT詩琳通大壩水面浮體光伏項目是泰國目前最大的漂浮式水上光伏發(fā)電項目，也是泰國最大的“水電+光伏+儲能”綜合能源項目。該項目規(guī)劃的光伏發(fā)電裝機容量為58.5 MWp，位于泰國東北部烏汶府的詩琳通大壩，距曼谷約655 km。該項目所處水域的平均月最大風力可達11級(風速28.5～32.6 m/s)以上，具體如表1所示。

表1 詩琳通大壩的風力水平Table 1 Wind level of Sirindhorn dam

業(yè)主方EGAT對該漂浮式水上光伏電站中浮筒的錨固方案非常重視，同時對浮筒在惡劣氣候環(huán)境下的位移、抖動幅度提出了比較嚴格的監(jiān)測要求，當浮筒的位移及抖動幅度超越警戒線時，需及時向運維平臺發(fā)出報警信號。

目前針對大范圍的表面位移監(jiān)測多采用基于北斗/GPS位移實時監(jiān)測技術的位移監(jiān)測系統(tǒng)[2]，其中，普通定位傳感器的誤差約為10 m，但10 m的誤差遠大于浮筒允許的位移范圍；而高精度定位傳感器的價格高昂，其對衛(wèi)星信號的要求也較高，且其無法滿足漂浮式水上光伏電站對浮筒抖動監(jiān)測的需求。因此，行業(yè)內暫無基于北斗/GPS位移實時監(jiān)測技術的漂浮式水上光伏電站浮筒位移監(jiān)測的解決方案。

基于此，本文從進行視頻監(jiān)控時的越界偵測、移動偵測角度出發(fā)，提出了一種可應用于漂浮式水上光伏電站的基于雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術的浮筒位移監(jiān)測方案，通過雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術可提高越界偵測、移動偵測的精準度，同時視頻攝像頭能實時記錄浮筒越界、移動過程的圖像信息，便于光伏電站的運維人員分析處理。

1 越界偵測及移動偵測

越界偵測是指在單個視頻攝像頭監(jiān)控范圍內設置一條警戒區(qū)域線，即警戒線，若視頻中有物體跨越設置的警戒線，根據判斷結果聯(lián)動報警。比如，針對一條道路進行監(jiān)控時，若在橫跨路面的位置設置1條警戒線，當有車輛或行人穿越設定好的警戒線時就會觸發(fā)報警。目前常用的越界偵測方法有幀間差分法、背景減法和光流法等，這些方法都是通過從視頻序列中檢測運動目標來實現越界報警的功能，但此類方法中視頻圖像所涵蓋的地域范圍較小，例如交通路口、倉庫大門處的監(jiān)控圖像。針對越界偵測的區(qū)域邊界較大，特別是對于一些位于野外、地勢復雜的大面積區(qū)域，單個視頻攝像頭就無法滿足需求。

移動偵測是指在單個視頻攝像頭監(jiān)控范圍內對快速移動的現象進行檢測，例如對非法追跑、道路超速等現象進行事件檢測，當發(fā)生快速移動且超出預設警戒值時設備將發(fā)出報警，通知監(jiān)控主機有快速移動現象產生，向相關人員預警。

2 基于視覺的位移偵測

自然界中，人和動物都是2只眼睛，這是自然生存競爭的需要，僅1只眼睛無法對1個物體的距離進行準確定位，例如只睜1只眼睛進行穿針就會很難成功，而雙眼卻可以分清物體的遠近。雙攝像頭就是模擬人眼的應用。當人用2只眼睛觀察物體時，由于人的2只眼睛掃描物體的位置和角度不同，因而物體在兩眼視網膜的成像存在差異，產生了微小的水平像位偏差，即視差。視差是客觀存在的物理現象，是外部世界給予眼睛的深度信號，經大腦綜合加工處理后，產生了能準確感知三維空間各種物體深淺高低、前后遠近及凸凹狀態(tài)的立體視覺功能[3]，從而達到了人和動物可適應環(huán)境、尋找食物、防衛(wèi)敵害、以求生存的目的。由于用2只眼睛觀察周圍環(huán)境比用1只眼睛更準確和更精細，因此根據雙目視覺成像原理，選擇2個物理參數相同的攝像機，從不同的位置拍攝漂浮式水上光伏電站，從而獲取2張不同的三維投影圖像，再通過相應的算法，即可以計算出漂浮式水上光伏電站的精確邊界，并可對所選出的參考點的移動軌跡進行偵測。

對于物體的位移，下文選取不同的參考點，分別從單目視覺和雙目視覺位移偵測原理出發(fā)，分析參考點的位移。

2.1 單目視覺位移偵測

基于單攝像頭的單目視覺位移偵測原理圖如圖2所示。圖中，f為攝像機透鏡的焦距，是可通過攝像機參數獲取的常數；z為成像平面與物體的垂直距離，可以通過攝像機標定得出；P、Q 均為位移前的參考點；P′、Q′、Q′′均為位移后的參考點；P1、Q1分別為P、Q的鏡面成像點；P2為P′的鏡面成像點；Q2為Q′、Q′′的鏡面成像點。

圖2 單目視覺位移偵測原理圖Fig. 2 Schematic diagram of monocular visual displacement detection

根據相似三角形原理可得到[4]：

由于參考點的實際位移大小與其位移前、后成像點的位置有關，因此可通過判斷P1到P2的位移大小偵測參考點P的實際位置變化[4]。

基于單攝像頭的單目視覺位移偵測系統(tǒng)過于簡單，其實際應用中的局限性較大，測量過程中需保持攝像頭與待測平面垂直，稍有偏差就會影響到測量的準確度。比如圖2b中的參考點Q，當單攝像頭位置固定后，若Q移動到Q′，此時無法使用相似三角形原理計算其實際移動距離，當Q沿成像點Q1作反向延長線移動時，成像點位置不變，無法計算出Q到Q′′的距離，因此無法偵測出參考點的位置變化。

2.2 雙目視覺位移偵測[5]

選取漂浮式水上光伏電站浮筒外圍邊沿的一點S作為參考點，基于雙攝像頭的雙目視覺位移偵測原理圖如圖3所示。圖中，M光軸與N光軸分別為攝像機M和攝像機N的光軸。當攝像機M、攝像機N同時觀測參考點S時，參考點S在左側攝像機(攝像機M)成像的像點為SM，在右側攝像機(攝像機N)成像的像點為SN。攝像機存在透鏡中心，攝像機M和攝像機N的透鏡中心點分別以CM和CN表示；CMSM為左側攝像機M的透鏡中心CM與像點SM確定的唯一射線，且參考點S必在該射線上；同理，CNSN為右側攝像機N的透鏡中心點CN和像點SN確定的唯一射線，且參考點S也必在該射線上；CMSM和CNSN這2條射線的交點即為參考點S的位置。攝像機M和攝像機N的成像中心OM、ON分別為M光軸、N光軸與成像平面的垂直交點；x1為SM與OM的距離；x2為SN與ON的距離；b為中間量，輔助計算，無實際意義；d為2個攝像機的透鏡中心之間的距離。因此，若攝像機參數已知，那么就可以利用相似三角形原理計算出參考點S的空間位置坐標[5]。

圖3 雙目視覺位移偵測原理圖Fig. 3 Schematic diagram of binocular visual displacement detection

由幾何理論可知：

將式(3)、式(4)聯(lián)立求解可得：

當雙目視覺位移偵測系統(tǒng)中雙攝像頭的位置固定時，f和d為已知參數，此時z僅與x1-x2有關。

若只有單臺攝像機M且其位于參考點S的左側，則參考點S只能沿攝像機M的透鏡中心點CM與像點SM唯一確定的射線CMSM移動，像點SM不會發(fā)生變化，此時x1的值不變，因此單攝像頭位移偵測系統(tǒng)過于簡單，具有較大的應用局限性。而雙目視覺位移偵測系統(tǒng)是通過2臺固定位置的攝像機模擬人的雙眼對參考點S進行位移偵測，當S點的位置發(fā)生變化時，2臺攝像機中的像點至少有1個會發(fā)生變化(即x1、x2至少1個值會發(fā)生變化)，因此2臺攝像機的透鏡中心點和像點形成的2條射線CMSM、CNSN會發(fā)生改變且有唯一的交點，而該交點即為參考點S的新坐標點。

3 應用方案設計

利用雙目視覺位移偵測技術、智能傳感技術、物聯(lián)網技術，構建可實現實時監(jiān)測、預警預報、事件記錄、輔助決策功能的浮筒越界偵測、移動偵測方案。利用閉路電視(CCTV)系統(tǒng)的專業(yè)分析軟件處理圖像信息，當浮筒出現移動、越界時記錄事件，并將圖形顯示和報警上傳至人機界面(OIS)。漂浮式水上光伏電站的CCTV系統(tǒng)的工作原理圖如圖4所示。

圖4 漂浮式水上光伏電站的CCTV系統(tǒng)的工作原理圖Fig. 4 Working principle diagram of CCTV system of floating water PV power station

在漂浮式水上光伏電站岸邊選擇視野開闊便于監(jiān)測的2個固定攝像機安裝點，這2臺攝像機的參數需相同且保持一定距離安裝。根據上述雙目立體成像原理，并通過相應的算法計算得出漂浮式水上光伏電站浮筒的精確外圍邊界，以及所選擇的參考點的位置坐標后，在漂浮式水上光伏電站允許移動的范圍內對計算出的浮筒外圍精確邊界做相應的放大處理，形成新的邊界，即形成用于越界偵測的警戒線。漂浮式水上光伏電站的浮筒越界偵測示意圖如圖5所示，圖中，紅線為警戒線；綠線區(qū)域為業(yè)主方提供的可用于建設電站的水域。

圖5 漂浮式水上光伏電站的浮筒越界偵測示意圖Fig. 5 Schematic diagram of transboundary detection of buoys of floating water PV power station

需要說明的是，由于部分漂浮式水上光伏電站建設在大型水庫，水位變化落差較大，針對這種情況，可以根據不同的水位測繪出多個警戒線，當水位變化到視頻監(jiān)控系統(tǒng)預設的水位范圍時，啟用相應的警戒線作為越界偵測的判據。

在漂浮式水上光伏電站的外圍浮筒的邊緣處設置比較醒目的用作觀察的參考物作為標記點，如圖5中所選擇的標記點A～I ，當圖中所選擇的標記點移動觸發(fā)警戒線時，CCTV系統(tǒng)會拍照記錄，并將圖形顯示和越界偵測報警上傳至OIS通知運維值班人員。越界偵測方案的實施流程圖如圖6所示。

圖6 越界偵測方案的實施流程圖Fig. 6 Implementation flow chart of transboundary detection scheme

對于越界偵測方案的實施，在施工前的準備階段需根據項目的實際情況分析、計算2個攝像頭的安裝高度和角度；而建模、生成越界警戒線為本方案的關鍵，需根據項目地的歷史水位數據設置多組越界警戒線定值；在模擬動態(tài)測試階段要做到對各個特殊位置參考點進行反復測試，當參考物越界時，系統(tǒng)應可靠報警且已記錄越界過程畫面，并確保無越界行為時系統(tǒng)不誤報。

雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術除可應用于漂浮式水上光伏電站的浮筒位移越界偵測，還可應用于浮筒移動偵測。當水面風浪較大時，設置在浮筒上的參考物隨浮筒大幅度快速擺動，通過視頻監(jiān)控的快速移動偵測功能，對參考物的移動設置1個快速移動靈敏度警戒值，當風浪較大、參考物抖動超過設置的快速移動靈敏度警戒值時，CCTV系統(tǒng)會拍照記錄，并將圖形顯示和快速位移(抖動)偵測報警上傳至OIS通知運維值班人員。

4 結論

本文提出了一種基于雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術的漂浮式水上光伏電站浮筒位移監(jiān)測方法，從視頻監(jiān)控的角度出發(fā)，基于對視頻監(jiān)控的越界偵測、位移偵測功能深度開發(fā)，通過設置2臺位置固定的攝像機，利用雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術提高了位移監(jiān)測的精度，打破了單個攝像機應用環(huán)境的局限性。雙目視覺位移視頻監(jiān)控技術可應用于偵測浮筒位移越界及浮筒移動，并通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)與OIS聯(lián)動向運維值班人員發(fā)出報警，使發(fā)生浮筒位移時運維人員可及時處理，以降低經濟損失。