智能視頻分析在變電站中的應用

□文/羅道峰

（廣東電網公司揭陽供電局 廣東·揭陽）

隨著科學技術的發展和電網調度自動化水平的提高，變電站無人值守成為必然的發展趨勢，為了保證變電站的安全運行和對設備的監控，這就要求增加變電站設備的圖像監控和圖像傳輸功能。傳統的視頻監控在事前預警、事中處理、事后取證、降低人工勞動強度、24小時無人值守監控等方面存在不足，基于智能視頻分析技術的變電站視頻監控系統的需求也隨之增加和越發急切。為保證變電站安全，智能視頻分析通過嵌入在視頻服務器前端設備中的智能視頻模塊，對所監控的畫面進行不間斷分析，并采用智能算法與用戶定義的安全模型進行對比，一旦發現有安全威脅，立刻預警或報警。有效地提高報警精確度，大大降低誤報和漏報現象的發生。減輕基層人員的設備維護保養工作負荷，提高整個監控管理的效率和效果。使視頻監控在變電站日常生產安全方面將發揮巨大的作用，提升電力公司在智能電網應用的水平。

一、智能視頻分析技術概述

（一）智能視頻分析技術定義。智能視頻分析源自計算機視覺技術，是人工智能研究的分支之一。AI主要用于建立圖像及圖像描述之間的映射關系，使計算能夠通過數字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內容。智能視頻分析是指計算機圖像視覺分析技術，通過將場景中背景和目標分離進而分析并追蹤在攝像機場景內出現的目標。用戶可以根據視頻的內容分析功能，通過在不同攝像機的場景中預設不同的報警規則，一旦目標在場景中出現了違反預定義規則的行為，系統會自動發出報警，監控工作站自動彈出報警信息并發出警示音，用戶可以通過點擊報警信息，實現報警的場景重組并采取相關措施。

視頻監控中所提到的智能視頻內容分析主要指的是自動的分析和抽取視頻源中的關鍵信息。如果把攝像機看作人的眼睛，而智能視頻系統或設備則可以看作人的大腦。智能視頻技術借助計算機強大的數據處理功能，對視頻畫面中的海量數據進行高速分析，過濾掉用戶不關心的信息，僅僅為監控者提供有用的關鍵信息。智能視頻分析主要目的是化被動監控為主動監控——事前預警；計算機代替人工完成實時監視任務——事中處理；在海量視頻數據中快速搜索目標/事件——事后取證。

（二）視頻分析方法主要有兩類。一類是背景減除方法，是利用當前圖像和背景圖像的差分（SAD）來檢測出運動區域的一種方法?？梢蕴峁┍容^完整的運動目標特征數據。精確度和靈敏度比較高，具有良好的性能表現。背景的建模是背景減除法的技術關鍵。一般采用在系統設置時期設置系統自適應學習時間來建模，根據背景實際“熱鬧程度”選取3～5分鐘的學習時間。一般系統建模完成后，隨著時間的變化，背景會有一些改變，系統具有“背景維護”能力，即可以將一些后來融入背景的圖像，如云等自動加為背景。

另一類是時間差分方法，是高級的VMD，又稱相鄰貞差法，就是利用視頻圖像特征，從連續得到的視頻流中提取所需要的動態目標信息。實質就是利用相鄰幀圖像相減來提取前景目標移動的信息。此方法不能完全提取所有相關特征像素點，在運動實體內部可能產生空洞，智能檢測出目標的邊緣。

（三）智能視頻分析技術原理。智能視頻分析技術，是通過對視頻信號進行處理、分析及內容理解，提取視野范圍內運動個體的運動特征，通過將運動特征與一定預設規則的比較，讓計算機自動“理解”視頻內容，當發現滿足一定規則條件的“行為”時實現智能化自動報警。

（四）智能視頻分析過程。智能視頻分析是利用計算機視覺技術，對畫面進行分析、處理、應用的過程、包含如下過程：

1、背景學習過程：自動學習監視場景的背景情況；

2、目標提取跟蹤過程：提取跟蹤前景變化目標，檢測并分析目標的活動；

3、視頻分析判斷過程：根據規則追蹤目標的活動，判斷是否違反預定義規則；

4、加載預處理過程：加載用戶的預定義規則；

5、觸發報警過程：確定目標活動違反規則，根據預定義傳輸報警的指定的用戶。

二、智能視頻內容分析的優勢與技術難點

（一）智能視頻分析的優勢。在智能視頻分析檢測技術中，需要分析的目標區域只要在視野范圍之內，在視頻中能夠看到即可，沒有其他什么要求，無需增加任何成本。智能視頻分析可以極大地提高視頻監控系統的使用效能，其主要優勢體現在以下幾個方面：

1、全天候可靠監控。徹底改變以往完全由工作人員對監控畫面進行監視和分析的模式，通過嵌入或布防在前端系統的智能視頻分析部件實現對所監控的畫面進行實時不間斷的分析。

2、更高的報警精確度。前端系統集成強大的圖像處理能力，并運行高級智能算法，使用戶可以更加精確的定義安全威脅的特征，有效降低誤報和漏報現象，減少無用數據量，同時將工作人員從觀看視頻畫面中解放出來，而只需要他們及時響應監控系統給出的信息。

3、更快的系統響應速度。可以更準確地識別可疑活動，在安全威脅發生之前就能夠提示安全人員關注相關監控畫面，提前做好準備。還可以使用戶更加確切的定義在特定的安全威脅出現時應當采取的動作，并由監控系統本身來確保危機處理步驟能夠按照預定的計劃精確執行，有效防止在混亂中由于人為因素而造成的延誤。

4、更有效的資源節約。因為異常行為報警視頻只占總量的極少部分，這樣只傳送報警畫面可以大大地減緩各級主站系統的傳輸帶寬和存儲壓力，而這兩者恰好又是當今電力視頻監控系統的瓶頸所在。

圖2 視頻分析算法模塊構成

（二）智能視頻分析需要攻克的技術難題。視頻內容分析涉及的技術問題很多，主要的技術難點是：

1、光照的變化對畫面的影響。視頻監控系統是晝夜工作，相應地，光照也處于不斷地變化之中，如照明燈光、逆光、反光、車燈、室外云彩等都會導致畫面的明暗變化，這就要求視頻處理算法能夠適應這種客觀情況，通過背景模型的自學習和更新維護達到減低或消除這種現場光線變化可能帶來的誤報和漏報。

2、自然天氣變化。雨、霜、雪、霧、塵、煙霧、云影等不僅使得光照發生變化，而且改變了像素的內容，從而干擾了視頻畫面中的目標探測準確度，并浪費了系統的計算資源。需要采取技術措施過濾這些干擾成分，以適應各種自然天氣和自然條件的變化。

3、背景畫面提取。運動目標檢測的一個必要步驟是進行畫面的前景和背景分離，正常的視頻圖像中可能出現搖動的樹葉、晃動的波浪、光線反射、物體反光、風吹草動等現象，所有這些現象都會造成畫面像素的變化，進而造成誤報。需要設計時適當的處理算法，實現對局部畫面規則往復性、細小運動部分的過濾，達到背景和前景的分離。如此之后，將目標探測、特征提取等工作集中在前景畫面上。

4、陰影區域與高亮區域。視頻內容分析主要是基于YUV色彩空間的Y信號，即亮度信號進行探測與跟蹤分析，故對視頻場景中的背景和前景的對比度有一定的要求，由于高亮度區域顏色接近白色，而陰影區灰度范圍過窄，對比度太低，這些因素都會導致分析算法的探測跟蹤能力的降低，需要設計相應的技術處理措施，抑制或減輕這些因素對分析質量的影響。

5、畫面目標清晰程度。目標與攝像機距離的遠近構成畫面上所占區域面積的差異，某些分析對象可能因為像素太少或信息量不充分而不能做出準確的判斷。對于人的判斷，正面臉部特征是主要的判決依據，過于側向時會導致信息量過少。從技術角度上講，需要盡量地將可分辨的門限向下端靠近，這樣系統的適用范圍將更廣。

6、在數據存儲方面。以往的基于D V R的完全集成的存儲模式由于缺乏靈活性和存儲容量偏小而影響系統的使用，舉個例子，DVR設備的任何故障都將導致主站系統無法獲取歷史圖像。基于DVR存儲的另一個缺點是遠端調用任何歷史圖像都要占用CPU時間，這將影響DVR的性能。早期系統的另外一個問題是圖像的分辨率低，主要是CIF格式，最高的是4CIF，系統不支持高清視頻接入。而今，隨著傳輸帶寬的不斷改善，實際應用中越來越多地使用高清攝像機，1280、720p已經十分常見，且高分辨率圖像更有助于智能視頻內容分析。

其他的因素還包括攝像機角度、攝像機高度、攝像機距離等，各種因素最終都會反映到構成畫面的像素上來，也就是說，研究視頻內容分析算法就是研究如何通過技術手段，克服或減弱這些因素的影響。當然，不同的分析模式對像素數目的需要是不一樣的，智能視頻監控系統需要的是通用的視頻內容分析算法。

三、基于視頻內容分析監控體系的算法及結構

智能視頻監控系統的體系結構包括軟件和硬件兩個部分，軟件部分承擔具體的分析算法，硬件提供算法支撐和動作響應環境，可以根據應用需要布置在相應的位置上。

（一）智能視頻監控系統的體系軟件結構及算法。軟件部分的工作重點在于設計既先進又切實可行的視頻分析算法（VCA），軟件分析流程如圖1所示。（圖1）圖1說明，用戶可以在視頻監控系統工作站配置視頻分析模塊和方式，如入侵檢測、丟包、停車管理、目標跟蹤等，然后在該模式下進行相應的規則下的參數配置，如設置防區、目標速度過濾、人臉識別、設備狀態監測，等等。這樣，符合規則的場景畫面將會觸發報警事件，記錄場景發生的情況，同時將事件通知相關人員。具體的模塊和規則可以因各個行業的不同而有所區別，但是軟件系統基本遵循統一的框架結構。

（二）視頻分析算法模塊構成。視頻分析的硬件系統架構有四種類型，分別是：（1）前端獨立單元；（2）嵌入 IPC和 RPU；（3）后端網絡視頻分析服務器；（4）前后端混合架構。（圖2）

前端獨立單元是將攝像機輸出的模擬信號同時輸送給DVR和獨立的視頻分析設備，由該設備完成視頻分析，將分析結果可以同時送到DVR和后端的平臺系統管理服務器。（圖3）

IPC和RPU內部也可以植入視頻分析硬件和軟件，在進行視頻壓縮與存儲的同時進行視頻分析。

后端網絡視頻分析服務器是配置在監控中心的專門承擔視頻分析任務的設備，這種方式要求前端系統實時上傳視頻信號，由該設備進行多路視頻分析，給出分析結果，并根據結果與預設規則的匹配程度做出響應。（圖4）

圖4 后端網絡視頻分析服務器模式架構

前后端混合式架構是將前端獨立分析設備或RPU與后端網絡監控中心的獨立視頻分析設備相結合，各自在功能上進行分配，有所側重。前端設備承擔算法復雜度低、計算量少的視頻內容分析功能，后端設備負責復雜度高或者需要進行連續跟蹤分析的功能。兩者的結合可實現更加豐富和完整的視頻內容分析。

四、智能視頻分析在變電站的應用

（一）入侵檢測與跟蹤。當前，視頻監控在電力系統中已經得到了廣泛的應用，但現在布防的攝像機基本上是“單兵”作戰模式，通過云臺的旋轉對局部區域進行監視，這樣很難對入侵對象實施連續多角度的監視。而基于視頻內容分析的多攝像機智能控制方法能夠對每個攝像機覆蓋的監控區域內的入侵對象進行檢測，并全程協調相關攝像機自動接續跟蹤，實現整個系統多攝像機的聯動控制。通過轉動攝像機云臺和控制鏡頭焦距，使目標以適當的大小和位置處于攝像機攝取的畫面中，這樣可以提高監視畫面和記錄圖像信息的有效性，減少監控盲區，提高系統對運動目標辨識的有效性。

（二）異常行為分析。視頻內容分析及處理主要包括穿越檢測、棄置物體檢測、重要區域逗留監測、火警、煙霧檢測等應用。

1、穿越檢測。在監控畫面中規定一條虛擬的警戒線，一旦監控畫面中有人、車輛等各種物體按照預定的方向穿越這條警戒線，即刻觸發穿越警戒線報警?？缭骄渚€又分為單向跨越和雙向跨越：單向跨越規定從預定的方向跨越警戒線才觸發報警，雙向跨越指的是從任何方向跨越警戒線都將觸發報警。穿越檢測適用于對重要物體的預防性保護，以避免事故和意外事件發生。比如：在監控畫面中的輸電線路走廊、變電站圍欄附近設定幾條警戒線，當有人和物體穿越警戒線時，則自動觸發報警。

2、異常物體檢測。在監控畫面中設定監控的預定區域，一旦有物體遺棄于預定區域內，同時該物體在預定的時間內未被取走，即觸發物體異常報警。

3、目標區域逗留檢測。在監控畫面中設定監控的預定區域，一旦有人或物體在設定區域逗留超過設定的時間，則觸發報警。如，在變電站的主變、電容器、開關場等重要區域設置逗留時間，超過則觸發相關報警。

4、火警、煙霧檢測?，F在的視頻分析技術已經可以對滿足一定條件的靜止視場內的目標進行可靠的檢測：火焰穩定成像面積CIF圖像下不小于6×6像素，持續時間不小于6秒；升騰或擴散中的煙霧檢測，煙霧面積不小于12×12像素，擴散速度不小于3像素每秒，持續時間不小于8秒；室內大空間煙霧檢測可以實現全天候24小時運行；而且，檢測技術可以過濾各種光源的干擾，如高亮背景和光線變化引起的干擾。

五、結束語

電站系統應用復雜，監控點數量較多，位置比較分散，而又要實現統一的管理，智能視頻分析系統成功解決了分散監控、集中管理的難題。通過網絡將所有的監控點連成一個系統，在監控中心通過監控主機、大屏、手機等終端實現統一控制和管理。本文分析研究了基于視頻內容的變電站智能視頻監控系統的需求，針對這種需求，介紹了變電站智能視頻監控解決方案。并介紹了智能視頻監控平臺的技術優勢與電力行業特殊需求很好地結合，對相關行業的應用具有一定的借鑒價值。雖然智能視頻分析在變電站中應用有許多突出的優點，但由于傳統的視頻監控系統已經廣泛應用，傳統的視頻監控系統的有效性主要取決于探測器材，如視頻遮擋、電子圍欄、雙鑒探測、煙霧、溫度、濕度等，采取的是基于預設值的硬判決法則，這種方式有一定的虛警和漏警概率，這其中也包括季節氣候因素對告警信息準確度的影響，這些因素是系統本身不能克服的。還有很多制約因素，比如承載網絡問題、設備可靠性保障、視頻的質量、視頻監控系統標準還在不斷地完善和發展，產品和業務互通的問題等一系列因素都制約智能視頻分析發展。因此，在接下來的一段時間內，將是傳統視頻監控技術與智能視頻分析技術互補的并存狀態，也是逐漸替代的一個過程?；谝曨l內容智能分析技術必將是變電站智能視頻監控系統的發展方向和主流趨勢，它的出現，在電力通信系統中應用必將是一個全新的技術革命，相信在不久的將來，智能視頻分析技術會憑借對比傳統視頻技術的巨大優勢，在電力系統智能電網建設中得到長足的發展。

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