確定變電站有遮擋動態(tài)目標位置方法研究

許為民，辜勤英，李 正

（1.江西上饒供電公司，江西上饒 334000；2.上海申瑞電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，上海 200000）

0 引言

變電站的作業(yè)安全一直是電網(wǎng)安全的重要方面。利用定位技術(shù)對變電站的作業(yè)安全實施管控是一個階段性的飛躍[1]。由于變電站作業(yè)安全管控的目標不僅有靜態(tài)的設(shè)備等目標，更多的是活動的人、車輛等動態(tài)目標，因此對這些移動目標進行準確定位就成為變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件之一[2]。

1 變電站內(nèi)動態(tài)目標捕捉的意義

圖像視覺信息是人類從客觀事件獲得信息的主要來源之一。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、通信以及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控以其直觀、方便和信息內(nèi)容豐富等特點，日益受到重視，在變電站中得到廣泛應(yīng)用[3]。

變電站的作業(yè)安全更關(guān)心的操作、巡視、施工、參觀時的有關(guān)人員與車輛等動態(tài)的目標，多數(shù)事故都是由于動態(tài)目標的有意或無意不恰當(dāng)移動而引起的。因此，對移動目標進行實時跟蹤和準確定位，一旦發(fā)現(xiàn)有危險因素時及時提醒告警，對變電站的作業(yè)安全至關(guān)重要。對變電站內(nèi)動態(tài)目標進行實時捕捉跟蹤與定位，對于變電站的作業(yè)安全管控具有重要意義[4]。

2 有遮擋情況下確定動態(tài)目標位置的難點

動態(tài)目標捕捉技術(shù)在人工智能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，利用攝像機對畫面動態(tài)目標進行捕捉并還原其在空間中的實際位置是該項技術(shù)的關(guān)鍵。

對一些簡單的情況，計算機可以實現(xiàn)動態(tài)目標的定位，但是對于動態(tài)目標被遮擋時的情況，由于監(jiān)控畫面無法顯示被遮擋的目標，因而普通的定位算法可能會失效。如果系統(tǒng)要求知道該目標的位置信息，那么就會產(chǎn)生難以預(yù)計的問題[5]。因此，作為變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)方面的應(yīng)用，研究一種基于人工智能技術(shù)的圖像遮擋處理方法是亟需解決的問題。

3 變電站內(nèi)有遮擋情況下確定動態(tài)目標位置的處理過程

經(jīng)過理論上的研究、實驗室仿真、以及現(xiàn)場實際應(yīng)用檢驗，對確定有遮擋情況下動態(tài)目標的位置，采用如下的處理過程，如圖1所示。

根據(jù)上述處理過程，在目標被遮擋條件下進行邏輯判斷，有效解決了畫面無法顯示被遮擋的目標，進而無法對被遮擋目標進行定位計算的問題。

圖1 變電站內(nèi)有遮擋情況下確定動態(tài)目標位置的處理過程

4 具體實施方式

人的視覺是借助大腦對目標位置的不斷記憶來實現(xiàn)當(dāng)目標從視野消失后對其位置的判斷的，這種原理表明只要讓計算機能夠記錄下來動態(tài)目標的軌跡和移動的速度，就可以在目標消失的短時間內(nèi)估算出其位置。基于以上原理，對具體的實現(xiàn)方法說明如下[6]。

步驟1：判斷動態(tài)目標是否有遮擋。

由于在遮擋發(fā)生時動態(tài)目標的位置信息會突然消失，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)動態(tài)目標位置信息消失時，系統(tǒng)判斷為其靜止或者被遮擋，但是遮擋與靜止的唯一區(qū)別在于過一段時間后目標的位置不同，如果目標位置信息再次出現(xiàn)時與其消失的位置有一段距離，系統(tǒng)就判斷為目標被遮擋了，否則就是靜止。

步驟2：判斷遮擋物自身的狀態(tài)。

根據(jù)遮擋物的移動狀態(tài)可以把遮擋分為靜止遮擋物和移動遮擋物兩類。被遮擋物從遮擋發(fā)生開始之后存在著可能靜止、按原來方式運動或者改變方式運動等三種可能性，不同的移動方式對被遮擋物體的位置判斷影響很大，本方法對各種可能的情形分別做出了有效的處理，使系統(tǒng)能夠作出準確的判斷。

該步驟在確定動態(tài)目標方式被遮擋情況后，判斷遮擋物是靜止狀態(tài)還是移動狀態(tài)，若遮擋物為靜止狀態(tài)則轉(zhuǎn)入步驟3進行靜止遮擋物的計算處理；若遮擋物為移動狀態(tài)則轉(zhuǎn)入步驟4進行移動遮擋物的計算處理。

步驟3：靜止狀態(tài)遮擋物處理：統(tǒng)計動態(tài)目標運行方式信息，確定動態(tài)目標遮擋位置。

對于遮擋物為靜止物體的情形，根據(jù)遮擋發(fā)生前獲得的動態(tài)目標位置信息描繪出動態(tài)目標的運動軌跡，并以此估算出其平均移動速度；從目標消失那一刻開始將動態(tài)目標的位置設(shè)定為遮擋位置，其中遮擋位置根據(jù)動態(tài)目標的移動速度、相應(yīng)的遮擋時間以及運動軌跡所對應(yīng)的軌跡幾何關(guān)系來綜合確定。

步驟4：針對移動遮擋物，判斷其對動態(tài)目標遮擋的類型。

對于遮擋物為移動物體的情形，首先根據(jù)移動遮擋物對動態(tài)目標遮擋持續(xù)時間的長短來判斷移動遮擋物對動態(tài)目標為瞬時遮擋還是跟隨遮擋；若遮擋持續(xù)時間很短，則判斷為瞬時遮擋，可采用上述步驟（3）中的方式來確定計算動態(tài)目標的位置；若遮擋持續(xù)時間長，則判斷為跟隨遮擋，并轉(zhuǎn)入步驟（5）進行處理。

步驟5：確定動態(tài)目標的位置。

該步驟中根據(jù)遮擋發(fā)生時動態(tài)目標遮擋位置相對于移動的遮擋物的位置關(guān)系，利用相應(yīng)的幾何關(guān)系形成相應(yīng)的位置坐標性，并以此來計算出遮擋物移動時動態(tài)目標的遮擋位置。

本方法的實施需要實時通過影像圖畫來確定動態(tài)目標的實際位置，基于公式（1）來確定動態(tài)目標的實際位置信息：

其中X，Y是影像畫面中物體的像素坐標，xw，yw是物體在地面的實際坐標，L是通過預(yù)標定方法所確定的參考系數(shù)。

預(yù)標定方法是當(dāng)攝像機位置等參數(shù)發(fā)生變化后的一種系統(tǒng)矯正方法，可以更準確地確定復(fù)雜狀態(tài)下動態(tài)目標的位置。具體到本方法中，通過對公式（1）進行變換，得到2個關(guān)于系數(shù)L的線性方程組：

由于該方程組包含8個未知數(shù)，因此要想完全獲得系數(shù)就需要8個對應(yīng)的方程。注意到每一個地面坐標與對應(yīng)的畫面坐標都有式（1）的關(guān)系，所以每一對這樣的點便提供了2個方程，本方法利用4個預(yù)標定點來初始化各個L的系數(shù)，當(dāng)?shù)玫?個線性方程組以后，使用高斯-約當(dāng)消去法來解除各個L的系數(shù)。

再利用上述預(yù)標定方法得到的L系數(shù)，通過公式（2）得到了：

當(dāng)?shù)孛孀鴺讼到⒑昧艘院螅檬剑?）所代表的坐標就給出了地面上點的實際位置。

各個L系數(shù)確定之后，再通過式（1）式來反解出地面坐標關(guān)于畫面像素坐標的關(guān)系式即可。

這種轉(zhuǎn)換的目的在于僅僅通過畫面的像素坐標就能計算出它在地面的實際位置坐標，而無需關(guān)心攝像機的內(nèi)部與外部參數(shù)，以滿足變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

基于上述的影像實際位置識別方法，若給定攝像畫面中的一個點P（2，2），那么它在畫面的像素坐標就是（2，2），按照本方法進行轉(zhuǎn)換以后，就可以得到地面坐標p（10，10），那么這個p就是攝像畫面中位置為（2，2）的點P所代表的地面實際位置。

5 結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進，變電站的作業(yè)安全管控凸顯其重要性，采用先進、可靠的技術(shù)手段對變電站的作業(yè)安全進行無縫管控勢在必行。基于人工智能計算機視覺定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控，將對變電站安全起到重要作用。該系統(tǒng)研究出一系列圖像處理、模式識別、濾波變換、精確定位、工作模式建模等關(guān)鍵技術(shù)，不僅大大提高了系統(tǒng)的可用性和實用性，而且還可以拓展到其它應(yīng)用領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展前景。

[1]谷月雁，司剛，劉清瑞.無線定位技術(shù)在變電站作業(yè)安全管理中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2102（12）78-81.

[2]鄭文勇.對變電站安全運行的探討[J].廣東科技，2008（52）142-143.

[3]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]林軍.變電站安全管理的幾點看法[J].廣西電業(yè)，2008（9）28-29.

[5]田瑩，苑瑋琦.遺傳算法在圖像處理中的應(yīng)用[J].中國圖象圖形學(xué)報，2007（3）389-396.

[6]張永良，李忠海.圖像處理算法的效果評價標準分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2006（2）.