確定變電站有遮擋動(dòng)態(tài)目標(biāo)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(duì)變電站的作業(yè)安全實(shí)施管控是一個(gè)階段性的飛躍[1]。由于變電站作業(yè)安全管控的目標(biāo)不僅有靜態(tài)的設(shè)備等目標(biāo)，更多的是活動(dòng)的人、車輛等動(dòng)態(tài)目標(biāo)，因此對(duì)這些移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)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(dòng)態(tài)目標(biāo)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(jì)算機(jī)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(diǎn)，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(shí)的有關(guān)人員與車輛等動(dòng)態(tài)的目標(biāo)，多數(shù)事故都是由于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的有意或無意不恰當(dāng)移動(dòng)而引起的。因此，對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和準(zhǔn)確定位，一旦發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)因素時(shí)及時(shí)提醒告警，對(duì)變電站的作業(yè)安全至關(guān)重要。對(duì)變電站內(nèi)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉跟蹤與定位，對(duì)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(dòng)態(tài)目標(biāo)位置的難點(diǎn)

動(dòng)態(tài)目標(biāo)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(jī)對(duì)畫面動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行捕捉并還原其在空間中的實(shí)際位置是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

對(duì)一些簡單的情況，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的定位，但是對(duì)于動(dòng)態(tài)目標(biāo)被遮擋時(shí)的情況，由于監(jiān)控畫面無法顯示被遮擋的目標(biāo)，因而普通的定位算法可能會(huì)失效。如果系統(tǒng)要求知道該目標(biāo)的位置信息，那么就會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)計(jì)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(dòng)態(tài)目標(biāo)位置的處理過程

經(jīng)過理論上的研究、實(shí)驗(yàn)室仿真、以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，對(duì)確定有遮擋情況下動(dòng)態(tài)目標(biāo)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(biāo)被遮擋條件下進(jìn)行邏輯判斷，有效解決了畫面無法顯示被遮擋的目標(biāo)，進(jìn)而無法對(duì)被遮擋目標(biāo)進(jìn)行定位計(jì)算的問題。

圖1 變電站內(nèi)有遮擋情況下確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)位置的處理過程

4 具體實(shí)施方式

人的視覺是借助大腦對(duì)目標(biāo)位置的不斷記憶來實(shí)現(xiàn)當(dāng)目標(biāo)從視野消失后對(duì)其位置的判斷的，這種原理表明只要讓計(jì)算機(jī)能夠記錄下來動(dòng)態(tài)目標(biāo)的軌跡和移動(dòng)的速度，就可以在目標(biāo)消失的短時(shí)間內(nèi)估算出其位置。基于以上原理，對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)方法說明如下[6]。

步驟1：判斷動(dòng)態(tài)目標(biāo)是否有遮擋。

由于在遮擋發(fā)生時(shí)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置信息會(huì)突然消失，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)位置信息消失時(shí)，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(shí)間后目標(biāo)的位置不同，如果目標(biāo)位置信息再次出現(xiàn)時(shí)與其消失的位置有一段距離，系統(tǒng)就判斷為目標(biāo)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(dòng)狀態(tài)可以把遮擋分為靜止遮擋物和移動(dòng)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(yùn)動(dòng)或者改變方式運(yùn)動(dòng)等三種可能性，不同的移動(dòng)方式對(duì)被遮擋物體的位置判斷影響很大，本方法對(duì)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(zhǔn)確的判斷。

該步驟在確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)方式被遮擋情況后，判斷遮擋物是靜止?fàn)顟B(tài)還是移動(dòng)狀態(tài)，若遮擋物為靜止?fàn)顟B(tài)則轉(zhuǎn)入步驟3進(jìn)行靜止遮擋物的計(jì)算處理；若遮擋物為移動(dòng)狀態(tài)則轉(zhuǎn)入步驟4進(jìn)行移動(dòng)遮擋物的計(jì)算處理。

步驟3：靜止?fàn)顟B(tài)遮擋物處理：統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)行方式信息，確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)遮擋位置。

對(duì)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(dòng)態(tài)目標(biāo)位置信息描繪出動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并以此估算出其平均移動(dòng)速度；從目標(biāo)消失那一刻開始將動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置設(shè)定為遮擋位置，其中遮擋位置根據(jù)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的移動(dòng)速度、相應(yīng)的遮擋時(shí)間以及運(yùn)動(dòng)軌跡所對(duì)應(yīng)的軌跡幾何關(guān)系來綜合確定。

步驟4：針對(duì)移動(dòng)遮擋物，判斷其對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)遮擋的類型。

對(duì)于遮擋物為移動(dòng)物體的情形，首先根據(jù)移動(dòng)遮擋物對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)遮擋持續(xù)時(shí)間的長短來判斷移動(dòng)遮擋物對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)為瞬時(shí)遮擋還是跟隨遮擋；若遮擋持續(xù)時(shí)間很短，則判斷為瞬時(shí)遮擋，可采用上述步驟（3）中的方式來確定計(jì)算動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置；若遮擋持續(xù)時(shí)間長，則判斷為跟隨遮擋，并轉(zhuǎn)入步驟（5）進(jìn)行處理。

步驟5：確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置。

該步驟中根據(jù)遮擋發(fā)生時(shí)動(dòng)態(tài)目標(biāo)遮擋位置相對(duì)于移動(dòng)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(biāo)性，并以此來計(jì)算出遮擋物移動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的遮擋位置。

本方法的實(shí)施需要實(shí)時(shí)通過影像圖畫來確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)際位置，基于公式（1）來確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)際位置信息：

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

預(yù)標(biāo)定方法是當(dāng)攝像機(jī)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(zhǔn)確地確定復(fù)雜狀態(tài)下動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置。具體到本方法中，通過對(duì)公式（1）進(jìn)行變換，得到2個(gè)關(guān)于系數(shù)L的線性方程組：

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

再利用上述預(yù)標(biāo)定方法得到的L系數(shù)，通過公式（2）得到了：

當(dāng)?shù)孛孀鴺?biāo)系建立好了以后，利用式（3）所代表的坐標(biāo)就給出了地面上點(diǎn)的實(shí)際位置。

各個(gè)L系數(shù)確定之后，再通過式（1）式來反解出地面坐標(biāo)關(guān)于畫面像素坐標(biāo)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(biāo)就能計(jì)算出它在地面的實(shí)際位置坐標(biāo)，而無需關(guān)心攝像機(jī)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(chǎng)景。

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

5 結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，變電站的作業(yè)安全管控凸顯其重要性，采用先進(jìn)、可靠的技術(shù)手段對(duì)變電站的作業(yè)安全進(jìn)行無縫管控勢(shì)在必行。基于人工智能計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控，將對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)變電站安全運(yùn)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(diǎn)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(bào)，2007（3）389-396.

[6]張永良，李忠海.圖像處理算法的效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2006（2）.