基于圖像處理的輸電線路防外力破壞檢測方法

唐慧娟，李軍民，宋昌林

（西華大學機械工程學院，成都　610039）

基于圖像處理的輸電線路防外力破壞檢測方法

唐慧娟，李軍民，宋昌林

（西華大學機械工程學院，成都610039）

四川省教育廳項目（No.12ZB129）

0　引言

輸電線路是電力系統的重要部分，是將電力傳輸到用戶手中的基礎設備[1]。電力是日常生活不可或缺的組成部分，一旦輸電線路發生故障，將嚴重影響社會的穩定和發展。輸電線路環境復雜、覆蓋面廣，不僅容易受到自然環境的威脅，外力破壞的影響也日趨嚴重。現代技術的不斷進步使輸電線路通道受到自然環境的影響減弱，外力破壞已上升為影響輸電線路安全的主要因素之一[2]。

輸電線路防外力破壞技術也在不斷的發展，在一定程度上發揮了有效的作用，減少了外力破壞故障，但缺陷也日趨顯現。早期的主要是利用紅外探測、聲控技術和激光探測等技術監測輸電電路防外力破壞行為，但紅外、微波探測的預警系統探測距離近、誤報高[3]。激光探測的預警系統探測范圍雖然范圍廣，但無法自動識別運動目標，誤報率高。數字圖像技術不斷發展，視頻檢測技術已經得到廣泛的普及和應用。輸電線路防外力破壞在線檢測裝置的應用，雖然減少了輸電電路外力破壞行為，但傳統的檢測模式的不足也日趨顯現。傳統的檢測裝置只能實時的進行遠程監控，無法對輸電線路通道內的外力破壞隱患進行識別，需要監控人員從大量圖像數據進行人工篩選來判斷現場是否出現異常，工作量非常大，由于監控人員工作簡單枯燥，重復性較強，注意力無法長時間集中，監控的質量也難以預料[4]。輸電線路外力破壞行為具有突發性、隱蔽性和經常性等特點，本文提出了一種基于圖像處理的輸電線路防外力破壞的檢測方法，該方法利用圖像對運動目標進行檢測和識別，自動判斷運動目標是否進入輸電線路安全警戒區域和智能報警，能有效的預防和減少輸電線路外力破壞故障。

1　基于圖像的輸電線路防外力破壞算法

目前，已有的基于圖像處理對輸電線路實施監控和防外力破壞的技術只能簡單的檢測運動目標，不能自動識別運動目標，當檢測到運動目標后仍需人工判別。本文提出了一種能識別運動目標和自動報警的算法，彌補了現有的檢測方法的不足，算法基本思想的流程圖如圖1 所示。

如圖1 所示在對輸電線路實時監測之前要進行背景預處理,背景預處理的主要作用是確定輸電線路安全警戒區。其次是進行實時狀態監測，自動判別運動目標。當檢測到運動目標時，算法自動識別，并判斷該運動目標是否進入輸電線路安全警戒區，當該運動目標進入安全警戒區時，自動識別目標和自動警報，從而預防輸電線路外力破壞行為。

圖1　算法流程圖

2　運動目標檢測

運動目標檢測是從視頻序列中檢測和提取出運動目標的關鍵技術。運動目標檢有利于提高視頻監控的質量、減少監控人員勞動強度、提高報警的準確率和可靠性[5]。幀間差分法、背景差分法和光流法是當前常用的基本的運動目標的檢測方法。背景差分法原理簡單，能較好地提取出運動目標的信息，但是該方法對背景的變化非常敏感，容易誤報。光流法檢測準確率高，但運算復雜，易受噪聲影響，不適合實際應用[6]。幀差法算法簡單，具有較好的實時性和穩定性，對環境的適應性好。運動目標檢測常采用幀間差分法和三幀差分法。

幀差法是最為常用的運動目標檢測和分割方法之一，基本原理就是在圖像序列相鄰兩幀或三幀采用基于像素的時間差分通過閾值化來提取圖像中的運動區域。三幀差分法是將連續三幀中的相鄰兩幀做差分運算，將差分運算的結果進行“與”運算，就可將運動目標的輪廓從背景中分割出來。三幀差法能快速準確地檢測出運動目標，具有較強的實時性。設在某一視頻序列中，設連續三幀為fk-1、fk、fk+1，將中間幀分別與前后兩幀做差分得到Dn-1、Dn，最后將差分結果做“與”操作得到最后結果gk，如公式（1）。

3　運動目標識別

運動目標檢測無法識別運動目標和判斷是否可能對輸電線路安全造成威脅，運動目標識別是識別目標減少誤報的一種有效方法。運動目標識別是從視頻序列中提取具有特征的運動目標。異物短路、盜竊、吊車碰線是當前輸電線路外力破壞常見的類型，這類外力破壞的主要檢測目標是人、高空漂浮物、大型工程機械。針對不同類型的外力破壞故障的特點采用不同的識別方法是提高算法速度和報警準確率的一種方法。

吊車碰線不僅會給社會帶來經濟損失，而且威脅到人民的生民安全。它主要是大型工程機械（如吊車、挖掘機等）在輸電線路附近施工時，吊臂對輸電線路距離過近，造成對地短路而產生的外力破壞行為。大型機械具有很好的直線特征，對目標進行直線提取能快速提取大型機械的吊臂，過濾小汽車、公交等運動目標，減少誤報，提高報警率。hough變換是由Paul Hough提出的圖像處理和直線檢測的經典算法，它是常用的直線檢測方法，實現一種從圖像空間到參數空間的映射關系[7]。它的基本思想是點-線的對偶性，即圖像空間里其共線的點對應參數空間相交的直線，反過來參數空間相交的所有直線都有共線的點與之相對應。基本原理是在圖像空間的任一條直線，直線方程可描述為：

其中k為直線斜率，c為直線的截距。公式也可以改為：

式（3）可以看成以k、c為參數的函數式，在該參數空間內仍為 一條直線其中x為斜率，y為截距。如果對位于同一條直線l上的n個點進行上述變換，則原圖像n個點在參數空間中對應得到n條直線，并且這些直線經過同一個點。因此圖像空間中共線的點與參數空間中共點的線有對應關系，只要找出參數空間中共點的只想，就能確定圖像空間中的直線。

4　輸電線路安全警戒區

輸電線路一旦發生故障就會對社會的生命和財產造成損失，輸電線路安全關系到社會的穩定與和諧。輸電線路安全警戒區是指距輸電線路最小的安全距離，一旦小于安全距離，就會對輸電線路產生威脅。首先，獲得平行的兩根輸電線路間距x1m。其次，根據圖像計算出這兩根平行線之間占據多少個像素點d1。最后，一般輸電線路最小的安全距離為5m，根據式4計算出輸電線路安全區域的邊界距輸電線路的像素點數d2，畫出輸電線路邊界。

5　實驗結果

為了驗證該方法的準確性與可靠性，以吊車為例進行實驗。圖2 為實時監測畫面，圖3 為預警圖像。實驗結果表明，本文算法能準確的檢測到吊車并自動識別，有效地減少誤報，為輸電線路防外力破壞提供一種新的方法。

圖2　監測圖像

圖3　預警圖像

6　結語

實驗結果表明，該方法能準確地檢測出運動目標和識別，有效預防輸電線路外力破壞。將圖像處理應用于輸電線路防外力破壞，極大地減少了監控人員的工作量，同時也提高了監控質量。該方法不僅準確率高、速度快，也提出輸電線路防外力破壞的新思路。

[1]胡俊毅.電力輸電線路安全運行的探討[J].中小企業管理與科技，2015，01：200-201.

[2]龔繼志.輸電線路外力破壞故障原因分析與防治對策探討[J].湖南電力，2012（1）:36-38.

[3]王立新、尹娟.高壓線路防外力破壞激光檢測預警系統[J].農村電氣化2013，03:58-59.

[4]岳靈平，朱弘釗，俞強等.高壓輸電線路防外力破壞激光檢測預警系統的研究[J].電力與能源 2014，35（2）176-178.

[5]柴池.基于背景差分和三幀差分的運動目標檢測[J].網絡安全技術與應用.2014，11:75-76.

[6]丁磊，宮寧生.基于改進的三幀差分法運動目標檢測[J].電視技術.2013，37（1）:151-153.

[7]朱參世，安利.運動目標識別方法與仿真研究[J].計算機與現代化.2010，5:63-65.

Electric Transmission Line;Image Processing;External Force Damage

Detection Method for External Force Damage Detection of Transmission Line Based on Image Processing

TANG Hui-juan，LI Jun-min，SONG Chang-lin
（College of Mechanical Engineering,Xihua University，Chengdu 610065）

唐慧娟（1989-），女，河南鄭州人，碩士，在讀碩士研究生，研究方向為機器人視覺

李軍民（1975-），男，四川營山人，副教授，博士，研究方向為機器人智能控制和導航、機器視覺、嵌入式與網絡測控

宋昌林（1973-），男，四川犍為人，講師，博士，研究方向為電氣傳動、信號檢測與處理、計算機與通信技術

2015-12-03

2016-01-13

現代化建設速度的不斷加快，工程施工頻繁已嚴重威脅到輸電線路安全，外力破壞已成為影響輸電線路安全的主要因素。針對現有檢測技術的不足，提出一種基于圖像處理的輸電線路防外力破壞的全新檢測方法。該方法利用圖像對運動目標的檢測與識別，判斷運動目標是否進入輸電線路的安全警戒區，實時監測并報警。最后對吊車碰線這類最主要的輸電線路外破形式進行實驗驗證，結果表明，該方法能有效地減少和預防輸電線路事故的發生。

輸電線路；圖像處理；外力破壞

With the speed of modernization,the construction of the project has been a serious threat to transmission line construction;external force damage has become the main factor of transmission line fault.In view of the existing detection technology,puts forward a new detection method based on image processing of transmission line with external force damage.In this method,the moving target detection and recognition is used to determine whether the moving target is in the safe area of the transmission line,and real-time monitoring and alarming. Finally,the experimental verification of the main transmission line is carried out.The results show that the method can effectively reduce and prevent the occurrence of transmission line accidents.