基于逆反射技術的刀閘到位視覺檢測方法研究

范 俊，陶 衛，楊金峰，趙 輝

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

刀閘是高壓開關電器中使用最多的一種電器，包括隔離刀閘和接地刀閘。顧名思義，是在電路中起隔離作用的它本身的工作原理及結構比較簡單，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，對變電所、電廠的設計、建立和安全運行的影響均較大。刀閘的主要特點是無滅弧能力，只能在沒有負荷電流的情況下分、合電路[1]。

目前存在的主要問題是：刀閘本體操作不到位，移動臂由于潤滑失效、銹蝕、機械疲勞、結冰等，造成合不到指定位置或是到位但夾緊力不夠，最終接觸電阻增大發熱或放電。因此，目前需要解決的重點問題是：在110～550 kV電壓等級高壓電線傳輸系統中，對拐臂式刀閘的閉合情況進行監測，判斷其前端動觸頭是否到位，并按照預期夾住了靜觸頭桿，并且是否夾緊。目前刀閘到位與否更多的是采用人工現場利用望遠鏡觀測、主管判斷的手段來完成。這種方式費時、費力、效率低，而且容易受到觀測者的主觀影響。

針對這個問題，提出了一種基于逆反射技術的視覺檢測方法，利用機器視覺替代人眼實現對變電站所有刀閘的實時監控。與傳統視覺檢測方法不同的是，該方法利用逆反射技術排除了太陽光及環境光的干擾，突出目標物，從而獲得更高的檢測精度，以實現對刀閘到位情況的準確檢測，為變電站刀閘到位檢測提供了新的有效的方法和手段。

1 系統組成及工作原理

該刀閘到位檢測系統由探測器以及控制器組成。探測器的主要功能，是獲取某設備三相刀閘的有關信息，并傳遞給控制器。控制器的功能是對獲取的圖像進行處理，通過處理和判斷，得出刀閘是否到位的結論，并將結果傳送給上位機。若刀閘合閘不到位，上位機會控制未到位刀閘再合閘一次，然后再有控制器進行判斷，直至合閘到位為止。系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程圖Fig.1 System flow

探測器由工業攝像機、照明光源和防護殼體3個部分組成。工業攝像機直接獲取刀閘接觸點所在區域的圖像，照明光源為攝像機提供足夠的照度并克服陰天及夜晚照明不足的影響，防護機構為攝像組件提供電磁屏蔽及防水防塵保護。

為了可靠監測刀閘是否到位，基于視覺原理的探測器必須處于與刀閘靜觸頭所處平面的垂直方位，即探測器應安裝在刀閘靜觸頭的正側方，以期獲得最大的檢測準確性。探測器安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 探測器安裝位置示意圖Fig.2 Detector installation position

2 刀閘到位依據選擇

根據刀閘到位后動靜觸頭互相接觸的實際現場觀測發現，動觸頭前段的兩個彈性夾的相對空間位置關系與刀閘是否到位并可靠接觸十分相關：當刀閘未到位時，兩個彈性夾頭處于一個較大的張角（約20°）；當刀閘到位并可靠接觸后，兩個彈性夾頭呈現平行姿態，張角約為零度。圖3為刀閘動觸頭示意圖。

圖3 刀閘動觸頭示意圖Fig.3 Switch contactor

3 逆反射標志相關研究

3.1 逆反射原理

逆反射材料是用玻璃微珠或微棱鏡采用光學折射與反射原理制成的薄膜材料，表層是由無數個反射元素（玻璃微珠或微棱鏡）構成。由于其獨特的表面狀態，使其不同于鏡面反射和漫反射，當一束光由光源射向其表面反射元素時，分別經由折射-反射-反射-折射后，幾乎所有入射光線以光椎形式反射回去。該光椎的軸線是入射光光徑，其中大部分反射光光強都集中在軸線附近，離軸線越遠，光強越弱[2]。為此，我們提出一種基于定向照明和逆反射技術的視覺檢測系統新方法，采用半導體激光束進行定向照明，采用具有逆反射性能的薄膜材料制作反射標志，將主動光源的入射光進行定向反射，同時輔以窄帶濾光技術，可以有效減小太陽光和其他環境光的影響，顯著提高檢測系統的穩定性和檢測精度。

3.2 逆反射標志設計

反射標識由漫反射區和逆反射區兩部分組成。漫反射區也是整個反射標志的基板，涂有亞光漫反射涂料，應為長方形較妥，適合各種規格的刀閘安裝，也應具有足夠的尺寸，以增強測量可靠性。逆反射區居于漫反射區的中心位置，貼有逆反射材料，為長方形，其尺寸顯著小于漫反射區的尺寸。一般而言，漫反射區的尺寸要大于逆反射區尺寸兩倍以上較佳[3]。圖4為反射標識結構。

圖4 反射標識結構Fig.4 Reflective logo structure

當來自光源發出的光束照射到反射標志的敏感區 （包含逆反射區在內的較大區域，但小于整個反射標志）時，由于逆反射材料的逆反射特性，絕大部分的反射光均將沿著與入射光平行的方向返回，并由CCD攝像機接收。因此，在攝像機上的成像不僅僅是整個反射標志，還有逆反射區形成的光斑。光斑的形狀恰好就是逆反射區的形狀，光斑的能量中心恰好就是逆反射區的中心，也就是整個反射標志的中心。

4 刀閘到位檢測算法的實現

為了對圖像采集系統讀取的圖像進行處理，獲得反射標識的夾角，設計了圖像處理的軟件和算法。將采集到的圖像通過二值化、濾波及閾值分割[4]之后，采用霍夫變換[5]來提取出刀閘觸頭標志所成的直線角度，從而計算兩觸頭所成夾角。但是由于刀閘在圖像中的占很小一部分，霍夫變換會大大降低識別效率，故還需要對圖像進行開窗[6]處理，提高運算效率。編寫完成之后，進行重復性及穩定性試驗，完善軟件。程序流程如圖5所示。

圖5 刀閘到位檢測算法流程圖Fig.5 Algorithm flow of switch monitoring system

5 刀閘到位檢測系統實驗研究

本方法中采用了德國AVT Manta G-125B/C 120萬像素千兆網攝像機，最高幀頻 30 fps，1292×964pixel，1/2″CCD。 日本COMPUTAR百萬像素固定焦距鏡頭M1614-MP，鏡頭焦距為 16 mm，視角 28.2×22.7×17.1（1/2″），分辨率 100lpm。編程環境為Windows XP下Visual Studio 6.0。

5.1 攝像系統及反射標識實驗室安裝及實驗驗證

為了對所設計的圖像采集系統及逆反射標識的效果進行驗證，采用上述算法，對系統進行了實驗室的室內外實驗，獲取了圖像并計算了測量結果。圖6是進行室內拍攝的實驗數據，X軸代表實驗序號，Y軸代表角度。

圖6 實驗數據Fig.6 Experiment data

圖6 是攝像機置于刀閘后側上方時五次連續拍攝的圖像的處理結果，從上述數據中可以看出：（1）刀閘到位與接觸過程中，觸頭夾角在1°～11°之間變化，呈現明確的由大到小的變化過程；（2）當動觸頭到位并與靜觸頭接觸之后，觸頭夾角基本處于一個最小的數值，且基本不變；（3）可以利用觸頭夾角判斷刀閘是否到位并接觸：若夾角大于某臨界值，則刀閘為到位；當夾角小于某臨界值，則可靠接觸。

5.2 刀閘到位檢測系統重復性實驗

為了對所設計的圖像采集系統的穩定性及重復性進行驗證，將系統進行了實驗室的室內外實驗，獲取了圖像并計算了測量結果。圖7是進行室內拍攝的重復性及穩定性實驗數據，X軸代表實驗序號，Y軸代表角度。

圖7 重復性及穩定性實驗數據Fig.7 Experiment data of Repeatability and stability

如上圖所示，穩定性及重復性實驗的誤差均在0.1°，完全可以滿足系統需要。

6 結束語

本文圍繞刀閘到位檢測的精度難點進行了研究，提出了基于逆反射材料的實時視覺檢測系統，并對其可行性、穩定性以及重復性進行了驗證。其創新點是利用機器視覺代替人眼，實現24小時全天候實時高精度非接觸式遠距離測量。并且將逆反射技術與傳統視覺檢測技術相結合，利用逆反射材料的回歸反射特性，降低環境光的干擾，提高視覺檢測精度。實驗結果表明本方法可以有效監控刀閘到位情況，并且精度較高，重復性及穩定性較好，可以準確實時在線監控刀閘到位情況，為變電站刀閘到位檢測提供了新的有效的方法和手段，幫助實現智能化變電站。

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[5]Gonzalez R C，Richard E.Woods， digital image processing[J].ed:Prentice Hall Press， ISBN 0-201-18075-8， 2002.

[6]Jain A K.Fundamentals of digital image processing，1989[J].The Back-Projection Operator，445.