一種利用嵌入式技術的SF6儀表圖像識別方法

溫云龍，邱天怡，李新海，曾新雄，孟晨旭

(廣東電網有限責任公司中山供電局,廣東 中山 528401)

SF6是良好的氣體絕緣體，其被廣泛應用于變電站電氣設備的氣體絕緣。電氣設備中的SF6氣體因設備老化銹蝕、沙眼等情況導致SF6氣體向外泄漏，SF6氣體的泄漏不僅導致電氣設備無法正常工作，而且對工作人員的人身健康造成危害，所以對SF6氣體充氣設備的監測尤為重要。

現階段對變電站內SF6充氣設備壓力下降缺陷的檢測主要依靠人工巡視的方法來檢測SF6充氣設備氣體壓力表的壓力指數，再安排值班人員輪流定期監測。主要過程是工作人員在巡視抄錄SF6壓力表計時，通過與之前記錄作對比；或后臺機打出“SF6壓力低”報警信號時得知有泄漏存在，但無法通過有效的手段發現其具體泄漏位置。當發出多次報警信號，需要頻繁補氣時，才會通知試驗班組對其進行檢漏試驗，發現漏點進而消缺。這一方法存在以下問題：①人工檢測操作繁瑣，工作量大，工作效率低。②因受巡視人員技能水平等因素的影響，可能造成人工巡視無法及時發現缺陷[1-2]。

為此有必要研發一款人工操作方便的SF6充氣設備壓力下降缺陷手持式圖像識別裝置，發現SF6充氣設備壓力下降缺陷，并及時消除故障，保障設備安全穩定運行[3-4]。本文提出了基于嵌入式技術SF6儀表圖像識別單元研究，采用嵌入式單元與觸控顯示模塊、圖像采集模塊、WIFI通信模塊和USB接口模塊的雙向連接技術，實現對SF6充氣設備壓力下降缺陷的檢測。本文設計的裝置使用簡單方便，不受場地環境約束，裝置有變焦、自動對焦功能，可遠距離進行圖像采集，大大提高了巡檢人員的安全性。SF6充氣設備壓力下降缺陷的智能圖像識別正確率達98%以上，可代替人工巡視判別該類缺陷，及時發現并消除設備缺陷，可有效避免發生設備事故。

1 壓力儀表的識別分析與邏輯

SF6壓力儀表實物如圖1所示，表盤除了壓力數值外，還劃分了3個顏色區域(紅、綠、黃)，紅色區域代表發生泄漏，壓力下降；綠色區域代表壓力正常；黃色區域代表壓力過大。實際巡檢中，當指針指向紅色區域發出泄漏報警時，專業人員應采取檢漏、補漏、SF6氣體補充等一系列措施；當指針指向黃色區域發出壓力過大報警時，專業人員應減少SF6氣體充入。

圖1 SF6壓力儀表實物

根據以上儀表情況的應對措施，本文提出對SF6壓力儀表圖像識別的邏輯設計，如圖2所示。

圖2 SF6壓力儀表圖像識別邏輯設計流程

2 嵌入式單元結構及功能設計

本文設計的SF6充氣設備壓力下降缺陷圖像識別嵌入式單元由電源模塊、復位模塊、嵌入式單元、圖像采集模塊、觸控顯示模塊和USB接口模塊等組成，具體結構如圖3所示。

圖3 SF6充氣設備壓力下降缺陷圖像識別嵌入式結構

該設計的嵌入式單元包括ARM模塊、時鐘模塊、存儲模塊、AI計算模塊、4G通信模塊、SIM接口模塊和天線。

ARM模塊搭載ARM全新Cortex-A72架構、六核64位高性能處理器，主頻高達2.0 GHz，集成四核Mali-T860 GPU,支持H.265HEVC和VP9、H.264編碼、4k HDR，擁有強大的硬解碼能力，可支持4k硬解，本文將圖像識別算法寫入嵌入式單元中，實現了圖像識別算法的可移植性問題。

時鐘模塊為所述ARM模塊提供實時時鐘，為電子系統提供精確的時間基準。

存儲模塊為ARM模塊、AI計算模塊提供數據的運算和存儲；所述AI計算模塊搭載AI嵌入式神經網絡處理器NPU，為SF6充氣設備壓力下降缺陷圖像識別提供強大的計算能力。

裝置使用4G通信模塊作為對外通信方式，在變電站進行SF6充氣設備壓力巡檢時，通過4G通信模塊把識別的巡檢結果、拍攝圖像和SF6充氣設備壓力安全等級報告上傳至服務器進行歸檔保存。

觸控顯示模塊與所述嵌入式單元雙向連接，觸控顯示模塊作為裝置的前端，采用高清電容觸控屏作為觸控顯示模塊的核心部分，用戶通過觸控顯示進行功能的選擇和屬性信息編輯，分析數據信息閱覽等。

圖像采集模塊與所述嵌入式單元雙向連接，采用高清光學攝像頭作為所述圖像采集模塊的核心部件，為缺陷識別提供清晰的圖像，具有防抖動、自動對焦、可調長焦距等功能，巡檢人員通過所述觸控顯示模塊來調節高清光學攝像頭的焦距，可遠距離對SF6充氣設備的SF6氣體壓力儀表進行圖像采集，提高巡檢安全性。

復位模塊與所述嵌入式單元、電源模塊連接，防止嵌入式單元發出錯誤指令、執行錯誤操作；復位模塊監視電源模塊正常時的電源電壓，若電源有異常則會進行強制復位，令裝置各模塊供電電壓恢復正常狀態。

電源模塊主要由聚合物鋰電池和電壓轉換電路構成，DC-DC轉換電路采用升降壓充電管理IC來控制聚合物鋰電池的充放電，同時具有輸入過壓保護、輸出過壓過流保護等功能，聚合物鋰電池輸出的電源電壓經過DC-DC轉換電路轉為穩定的3.3 V工作電壓，為裝置各個功能模塊提供一個穩定、可靠的工作電源，聚合物鋰電池上貼有溫度探頭，探頭埋于硅膠內導熱，用于異常過熱時斷開電源模塊的電源輸出，起到過熱保護作用。

USB接口模塊與所述電源模塊、所述嵌入式單元連接，外部電源輸入電壓為5 V，外接電源從USB接口模塊輸入電源模塊，經過電源模塊的電壓轉換電路轉為穩定的充電電壓，為聚合物鋰電池進行充電；另外可通過USB接口模塊可將所述裝置拍攝的設備圖片信息、缺陷結果信息、巡檢記錄信息傳輸到主站服務器中進行歸檔保存，亦可通過USB接口模塊把訓練好的算法模型下載到本嵌入式單元中，使嵌入式單元上的缺陷識別算法保持最新狀態。

3 SF6儀表圖像識別關鍵技術及試驗分析

通過圖像采集模塊采集SF6充氣設備指針式儀表圖像，嵌入式單元對原始圖像進行去噪、二值化和邊緣檢測等預處理。利用霍夫圓變換實現SF6壓力儀表表盤圓形的精確定位,從表盤區域圖像中通過基于圓心約束的霍夫變換算法檢測刻度和指針并消除刻度直線，找到指針所在的直線并計算指針線角度，最后識別出當前指針式儀表讀數和指針所在顏色區域，判斷SF6充氣設備是否異常，并生成巡檢報告，手持式SF6充氣設備壓力下降缺陷圖像識別裝置圖像識別原理如圖4所示[5-6]。

圖4 SF6壓力儀表指針圖像識別流程

3.1 霍夫圓變換

霍夫圓變換把SF6壓力儀表的圓盤圖像從經過預處理的圖像中提取出來，并確定SF6壓力儀表的表盤圓心和半徑，霍夫圓變換原理，如式(1)所示。

(x-a)2+(b-y)2=r2

(1)

式中：(a,b)為圓心坐標；r為圓半徑；(x,y)在圖像中為像素坐標。圖像中的一個像素點，對應參數空間的圖形。如果r確定，那么一個像素點對應參數空間的一個圓，那么r不確定，則對于每一個r都是一個圓。使用霍夫圓變換算法對SF6儀表進行圓檢測，效果如圖5所示[7-8]。

3.2 指針線檢驗

嵌入式單元對SF6壓力儀表的表盤圖像采用添加圓心約束的霍夫變換算法進行圖像直線提取。儀表指針通過圓心這一特征，對每個有效像素點的直線標記范圍進行約束，其原理是在對有效像素點 (x,y)進行極坐標空間 (ρ,θ0)累加之前，先利用圓心和像素點(x,y)所在直線計算出角度θx對θ0進行約束，從而可排除不經過圓心的直線，并達到減少累加次數的目的，通過霍夫變換提取直線后，可獲取到集中每條直線左右的2個端點 (xi1,yi1)和(xi2,yi2)。

而消除刻度直線是正確定位儀表指針直線和指針方向后，根據刻度線遠小于指針直線的特征對儀表刻度直線進行過濾，通過設定一個長度閾值，當直線的長度(由直線2個端點計算得到)小于此閾值時，將過濾掉SF6壓力儀表刻度直線，經過濾后剩余的直線為指針直線。

找到指針所在的直線后，根據指針線的傾斜角識別出SF6壓力儀表的讀數。根據直線斜率公式，見式(2)。計算出指針直線的斜率，以圓心為原點的Y軸為基準，根據斜率換算出指針線的傾斜角θi。嵌入式單元根據預先設置好的Y軸對應的SF6壓力儀表的壓力值py和每增加1°傾斜角增加的壓力值為p1，根據前文確定的指針方向，從而確定指針線所在的象限位置，當指針線在第一和第四象限時，SF6壓力儀表的壓力值為p=py+θip1，當指針線在第二和第三象限時，SF6壓力儀表的壓力值讀數為p=py-θip1。指針識別效果如圖6所示。

圖6 指針識別效果圖

3.3 刻度彩色區塊圖像特征提取

SF6壓力儀表盤圖像為RGB彩色格式圖像，嵌入式單元采用基于HSI彩色模型的算法對儀表RGB彩色格式圖像進行處理，然后對彩色圖像分層提取SF6壓力儀表盤刻度彩色圖像特征。HIS彩色空間由一個垂直強度軸和位于該強度軸垂直平面內彩色點的軌跡標識，當平面沿強度軸上下移動時，由每個平面于立方體表面構成的橫截面定義的邊界不是三角形就是六邊形，如圖7所示。圖7(a)所示，原色是按120°分隔的，二次色與原色相隔60°，這意味著二次色之間也相隔120°。圖7(b)顯示了相同的六邊形和任意一個彩色點。該彩色點的色調由來自某參考點的一個角度決定。通常，定義與紅軸的0°角指定為0色調，從這里開始色調逆時針增長。飽和度(距垂直軸間的距離)是從原點到該點的向量長度。HIS彩色空間的重要分量是垂直強度軸到一個彩色點的向量長度和該向量與紅軸的夾角[9-10]。

(a) 原圖

(b) 檢測效果圖

圖7 HIS彩色模型中的色調與飽和度

儀表RGB彩色格式圖像進行處理是從RGB到HSI的彩色轉換給定一幅RGB彩色格式的SF6壓力表盤圖像，每個RGB像素的H分量可用式(3)得到：

飽和度分量由式(5)給出：

強度分量由式(6)給出：

假定RGB值已經歸一化到區間[1,0]內，且角度θ根據HIS空間的紅軸來度量。給定的RGB值在區間[0,1]內，則其他2個HIS分量已經在區間[0,1]內。

對一幅彩色圖像分層的最簡單方法就是把某些感興趣的區域之外的顏色為參考顏色空間的中點。設感興趣的顏色設寬為W，中心在圓形顏色點，并被具有分量 (a1,a2, …,an)的立方體所包圍，則變換為

這些變換通過強迫所有其他顏色為參考顏色空間的中點，來突出圓形周圍顏色。利用彩色分層的原理對SF6壓力儀表表盤刻度顏色的分層過程中，把紅色區域特征、黃色區域特征和綠色區域特征分別分離出來[11-13]，效果如圖8所示。

(a)紅色區域

(b)綠色區域

(c)黃色區域圖8 SF6壓力儀表表盤刻度特征提取情況

3.4 試驗分析

為了獲取不同狀態下SF6儀表的圖片樣本，本文將SF6儀表接通空氣壓縮機，通過壓縮機的充氣與放氣，調整指針角度，用嵌入式單元進行拍照取樣并人工記錄數值。核對情況如表1所示。

表1 嵌入式單元SF6儀表圖像識別核對情況

在嵌入式單元SF6儀表圖像識別下，對SF6儀表的報警識別能夠達到98%以上，準確率是有保障的，而且隨著樣本數量的增加，識別的正確率也逐步提升，而且人工核對過程中，識別報警失誤的儀表圖片都是因為指針所指位置為區域交界邊緣，嵌入式單元沒有準確判定所屬情況，這也是后續研究有待解決的問題。同時對壓力讀數誤差在允許范圍內具有很好的識別效果。

4 結語

本文研究基于小型智能相機鏡頭的嵌入式設備實現對SF6儀表進行拍攝和指針識別。通過使用嵌入式設備對SF6壓力儀表進行拍攝，對圖像進行去噪、二值化和邊緣檢測等預處理，利用霍夫圓變換實現SF6壓力儀表表盤圓形的精確定位,從表盤區域圖像中通過基于圓心約束的霍夫變換算法檢測刻度和指針并消除刻度直線，找到指針所在的直線并計算指針線角度，最后識別出當前指針式儀表讀數和指針所在顏色區域，判斷SF6充氣設備是否異常，并生成巡檢報告。

在某220 kV變電站進行了試驗，結果表明，SF6儀表指針識別準確率達98%以上，達到應用預期效果。能夠精確地在線識別SF6儀器的狀態，第一時間報警，最快對故障做出排查，減少對變電站與電網的損失。