基于圖像識別技術的變電站視頻監控系統設計

劉甜甜，彭放，張婉，王小龍

（1.國家電網有限公司大數據中心，北京 100000；2.福建億榕信息技術有限公司，福建 福州 350003）

圖像識別技術的主要功能在于可以利用計算機設備實現對采集、傳輸、處理、分析等，以學習算法實現功能運算。變電站視頻信息分布較廣，形式分散，需要對其進行聚合化處理。視頻監控系統設計重點應考慮系統信息匹配程度以及信息識別準確程度，采取連續性的節點控制方法，實現對變電站設備運行情況、故障情況等相關內容的動態監控。

1 監控系統硬件結構設計

1.1 系統結構選擇

監控系統硬件結構設計基礎內容為體系架構的選擇，考慮到不同體系架構之間的功能性與穩定性之間的差異，結合實際的技術環境以及變電站運行環境。選擇應用C/S框架作為基礎系統框架。該硬件框架系統中主要包括三個主機系統、一個信息交換機以及一個視頻數據資源存儲設備，共同完成整體體系結構的構建。

主機系統在結構框架中的主要作用是執行指令，在執行模式下運行，可以將輸入數據信息以及輸出數據信息進行穩定化處理，使其在數量級上保持穩定性。交換機的主要作用是支撐具體的信息傳輸功能，交換機位于整個結構體系的核心區域，負責承載主機輸出的圖像信息，并具備信息處理功能，將主機傳輸的信息進行整合，反饋到最終的數據終端系統中，也就是圖1中的Servear主機。該結構是整個系統的數據主機，其主要作為系統中的數據結合體，承擔著數據庫的數據儲存以及數據輸出功能，與儲存裝置和交換機裝置相連接，根據變電站系統的實際需求實現對數據的轉化以及處理，從而賦予系統基礎功能。

1.2 控件安裝設計

控件安裝設計賦予系統框架擴展功能，用戶可登錄系統或者瀏覽器等進行相關操作，支持不同系統之間的兼容性運行，使得監控效果更加良好。本系統設計應用ActiveX控件實現功能擴展，使得整體運行效果更加優化。控件安裝之后可以降低變電站監控系統運行過程中的壓力指標，提高系統的數據負載力，按照圖像的類別、屬性等指標進行分類，實現對系統的分類分析。

本文設計控件裝置執行命令等級較高，可以滿足大多數的命令執行需求，控件會隨著系統運行時間以及運行環境的變化，命令執行節點也會有所增加，并具備一定的可插入信息屬性，數據之間的聯系性更加緊密。ActiveX控件與C/S系統之間相互連接，監控系統在運行期間始終保持著聯動的狀態，各節點之間的信息也會基于瀏覽器的控件插件等實現對節點信息的重新排列以及重新整合，以定點連接的方式維系主機與監控裝置之間的密切聯系。以該控件作為主要的硬件結構，可以維系原本系統中圖像數量級的穩定性，具備一定的應用優勢，具體設計控件結構包括C/S結構、瀏覽器、主機、獲取圖像、儲存、屬性分析、需求執行、查詢等級、執行節點信息九大模塊，實現對圖像信息的采集、傳輸、儲存、分析、處理，完成動態系統監測的功能需求。

1.3 監控主機設計

主機系統設計是變電站監控功能實現的最基礎裝置，本設計應用周界監控主機設計理念，將其作為最底層的執行結構，將其與控件進行連接，構建具有獨立屬性的監控區域，實現對圖像、視頻信息的實時監控。在整體結構以及控件結構明確情況下，設置具備可更改功能的主控點，實現對不同區域的模塊劃分。

設計系統中的協調等級比較多，系統支持大流量的圖像數據輸出，相關元件可以調動監控系統內儲存的圖像數據，實現對數據圖像格式的處理以及轉化，使其以預設的傳輸形式支持具體的功能。本文監控系統設計考慮到變電站實時監測需求，采用動態化的設計理念，同時設計5種圖像處理結構，其中包括ZRRVV節點、RPU節點、SONET節點等。每個節點的功能存在差異，所處的區域不同，共同協調負責系統內儲存數據的提取以及識別，發送相應的指令。具體節點設計位置以及能力優化結果如表1所示。

表1 監控主機系統節點設計分類表

2 監控系統軟件結構設計

2.1 圖像分類設計

基于硬件系統結構的設計對監控系統的軟件結構進行相應設計。系統具備自動監控以及自動信息處理等功能，圖像的分類是系統設計的基礎功能體現，也是軟件系統應用的必要內容。軟件根據圖像的參數量對應用區域進行匹配，根據應用的圖像識別技術，進行相應的圖像摳除處理，使得軟件系統的處理權值滿足實際的應用需求，使得監控視頻所采集的圖像像素點具有一定的透明度，且處于平均水平，進而實現圖像分類處理的目的。

處理后所顯示的視頻以及圖像等數據具備一定的數據表達功能，可以直觀顯示該區域內的組織傳輸概率，節點組織的權值計算也比較科學。監控主機系統在承擔相應功能時權值的最終計算結果與圖像的節點內容比較接近，使得系統運行過程中的節點控制具備相應的連續性功能。在計算過程中設計系數最小值，計算公式中的變電站視頻輸入值，分別用小寫的m、n所表示，系數最大值分別用大寫的M、N所表示。計算好以上兩個物理量之后，利用圖像識別技術對分類結果進行明確，期間所應用公式如下：

式中，f表示系統運行期間所應用的監控指標，e表示系統運行連續性監測節點的位置以及相關西撒胡指標，j表示監控系統運行過程中的識別權值。

2.2 圖像處理設計

灰度化處理是變電站應用監控系統的主要內容，也是對圖像進行實際處理的關鍵環節。變電站視頻監控圖像中的實際處理速度需要滿足監測需求，可以通過圖像數據及時反饋相應的內容。該過程主要基于對待識別圖像的科學處理，設計選取一定程度的灰度化節點數據，根據設計標準對其進行分類處理，監控器捕捉以及采集的圖像數據多為彩色，系統處理需要將其進行灰度化處理，使其以黑白的形式展現出來。監控視頻以及監控圖像中的數據大都以三原色進行相應配比，使其色彩配比條件滿足實際監測的客觀需求。但其在傳輸過程中可能會受到變電站運行過程中電子總量的影響，電子總量以逐漸提升化的方式呈現，異色節點可能會由于傳輸過程中電子總量變化，導致其原本的位置產生相應的變化，甚至可能完全脫離。設計考慮到此問題，避免出現色彩趨近的情況出現，基于圖像識別技術的應用轉化原本的色彩配置關系，將其以黑白色彩的圖像形式展現出來，并結合圖像的權值數值優化方式，使得最終呈現出的圖像內容更加清晰，狀態更加良好。設計應用以下公式實現對圖像的灰度化處理：

式中，f表示圖像以彩色方式呈現的節點系數；k表示在灰度化狀態下的節點系數，在計算過程中聯合2.1中的公式內容，實現對視頻圖像的灰度化處理。公式中的ξ代表圖像識別系數，g表示系統灰度化處理期間的數據單位傳輸均值。

2.3 存儲數據庫設計

基于圖像識別技術的監控系統設計需要設計人員賦予其一定的數據儲存功能以及數據分析功能，需要設計與之相匹配的數據庫表，實現對各項參數信息以及圖像數據的綜合管理，使得監控系統整體運行更加協調。存儲數據庫設計使得其具備數據記錄以及圖像參量記錄功能，通過一級主機儲存方式，將原本已經進行灰度化處理的圖像信息轉化為彩色的圖像，使得系統在運行過程中可以持續輸出相關圖像。

本文監控系統設計考慮到監控需求的連續性，并盡可能保障儲存數據庫系統的完整性，使其以嵌套式的方式實現對數據庫各個節點之間的有序連接。具體而言，系統之中的儲存主機與底層之間的儲存主機相互連接在一起，系統在對圖像進行轉化儲存處理過程中，傳輸機始終占據著信道進行傳輸，并始終保持著常規水平。設計將防火墻系統與執行設備之間進行有序的連接，使得軟件與硬件之間有效的連接到一起，共同組成了監控系統的運行環境。圖像識別技術是視頻監控系統設計以及應用的關鍵內容，也是基礎內容。

3 系統應用性能測試

3.1 試驗設計

在對軟件系統以及硬件系統進行相關設計之后，將其組合成一個統一的整體，使其可以具備監控功能以及圖像處理功能。為了驗證本文設計系統的可行性以及應用效率，對其進行相應的性能測試，并應用對比實驗的方式對性能進行檢測。試驗選擇運行狀態比較好的變電站作為研究對象，安設一定數量的視頻監控裝置，設計實驗組以及對照組，將兩組進行同時開啟以及同時關閉的相應操作。實驗組系統所應用的是本文設計的視頻監控系統，對照組則應用主機搭載的分布方式進行監控系統安設，試驗期間觀察兩組系統之間的指標是否相同，是否存在一定程度變化，從而了解本文設計系統的性能。

3.2 指標設計

指標主要選擇應用UDR指標進行性能評價，其主要作用是反饋監控系統在運行過程中是否可以實現對圖像的連續性識別，最終的識別結果是否存在一定的科學性。指標的大小直接反饋了系統圖像識別性能的優劣，指標數值越大，則監控系統應用所取得的最終識別結果越好，圖像識別準確度越高，指標數值越小，則圖像識別技術的應用效果越差。具體實驗指標結果內容如表2所示。

表2 實驗設計UDR指標對比表

由表2可知，實驗設計對照組與實驗組之間的UDR指標數據差距比較大，且實驗組的指標數據呈持續性增長的狀態，最終將超過常規指標結果。對照組的指標結果逐漸減小。在不同的時間節點下，監控系統運行所取得的指標數據存在明顯的差異，但如果系統處于理想的狀態下，指標應在不同的時間節點保持穩定。雖然實驗組前期的指標結果較小，但按照上升幅度后期將遠遠超過常規指標。

綜合上述實驗結果對本文設計系統以及常規系統的對比，基于圖像識別技術應用的變電站視頻監控系統具有明顯的應用優勢。指標數值呈現出持續上漲的趨勢，其對監控圖像識別以及處理的結果逐漸加大，本文設計系統可以大幅度提高圖像識別處理的連續性，識別結果的準確程度也比較良好。

3.3 耗時對比

考慮到監控在執行圖像處理指令期間所需要耗費的時間，通過時間節點試驗可以了解不同系統運行期間對圖像處理的連續性性能，判斷系統是否具備對變電站的各節點之間的連續監控。按照常規指標進行分析，時間參數與系統的連續性之間成反比例關系，時間越短，說明系統運行圖像處理的連續性越強，反之則越弱。具體實驗結果如表3所示。

表3 監控指令系統執行時間對比表（min）

由表3中的耗時對比結果對系統圖像識別以及圖像處理的連續性性能進行分析，在標準的執行狀態下執行命令所需要耗費的時間處于波動變化，但變化范圍比較小，且時間數值適宜。

本文設計監控系統執行命令所耗費的時間大方向上有所降低，在前期所耗費的時間變化較小，隨著圖像數據量的不斷提升，執行命令所需要耗費的時間也有所降低。對照組執行監控命令所需要耗費的時間不斷增加，且在時間數值上比較實驗組以及標準值較大。由此可知，本文基于對圖像識別技術應用所設計的實驗組連續性比較強。

3.4 性能測試結果

經過耗時對比以及指標對比之后分析本文設計監控系統的性能，圖像識別技術在監控系統之中的應用具有一定科學性，可以支持變電站系統視頻檢測的連續性，各節點測試最終所耗費時間也比較短，監控效率比較高。

4 結語

綜上所述，變電站視頻監控系統設計可以融合ActiveX控件實現對軟件監測功能的優化，在完善的硬件設備支持下可以實現對圖像的科學處理。應用本文設計系統可以實現對變電站多個控制節點的連續性檢測，精準度可以得到保障，指令傳輸時延效果低，資源消耗量也有所下降，是比較科學、有效的監控系統，可以對其進行推廣應用。