多傳感融合全景智能監控裝置技術研究

韓 猛，吳有超，李 明，秦曉敏，艾慶華

（北京智芯半導體科技有限公司，北京 102299）

0 引 言

電網的安全運行除了依托各種監測設備外，更需要人工的巡檢與運維。但人工巡檢耗費大量人力、物力，巡檢的時效性成為其安全運行的瓶頸。傳統的視頻監控裝置可通過視頻方式遠程巡檢，在一定程度上減輕了巡線人員的工作壓力，但由于其功耗較高，采用太陽能時通常需配備大容量的電池，這又使其成本居高不下。而采用感應取電方式往往需要斷電安裝，操作復雜，大量視頻傳輸也增加了傳輸成本，增加了視頻查看人員的工作量，種種弊端又限制了其大規模推廣[1]。

對于那些需監控的線路隱患點，急需采用一種新型運維管理模式，實時掌握設備情況，有效彌補傳統運維管理模式的不足，提升對特殊情況下的線路監控及管理工作。通過省級輸電線路智能管控平臺的部署，結合先進智能監測設備、匯集狀態信息進行輸電線路設備運行狀態評估，發現輸電線路運行隱患并借助巡檢系統及時進行信息交互及故障處理，是提高輸電網安全穩定運行水平的切實需要，也是發展智能電網的需要。

多傳感融合全景智能監控裝置通過感應取電工作，采用多傳感器數據融合技術，對圖像、振動、角度、溫度等數據進行采集，具備人工智能識別能力，并與監控主站交互，將數據上傳到智能監測設備的智能運營管控平臺，完成對輸電線路狀態的全面監控和故障預警。

多傳感融合的智能監控系統一般由傳感器、數據融合處理模塊、數據傳輸與接收模塊等組成[2]。智能監測終端硬件主機由攝像頭主控板、傳感板和電源板組成，天線置于主機內。裝置的核心部件是攝像頭主控板，負責圖像拍攝、處理與傳輸、與上下級通信等，同時接收傳感器板上傳的多傳感器數據。電源板采用感應取電+超級電容的方式為系統提供電源。傳感器板采集各傳感器的數據，通過串口將數據上傳給攝像頭主控板。硬件架構如圖1所示。

圖1 裝置硬件架構示意圖

此項目涉及的關鍵技術有多傳感器數據融合技術、圖像識別技術、感應取電供電技術和裝置的外殼設計技術等，以下逐一介紹。

1 多傳感器數據融合技術

1.1 多傳感器數據融合技術原理

傳感器數據融合的定義可以概括為把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數據資源加以綜合，采用計算機技術對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統決策、規劃、反應的快速性和正確性，使系統獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現，包括數據層融合、特征層融合、決策層融合。

一般情況下，使用多傳感融合的方式，即采用2種或多種技術手段共同進行檢測，可達到優勢互補、提升識別效率的目的[3]。

多傳感器數據融合相比單一傳感器信息有如下優點，即容錯性、互補性、實時性、經濟性更佳，所以逐步得到推廣應用。應用領域除軍事外，已適用于自動化技術、機器人、海洋監視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫學診斷、遙感技術等方面。

鑒于傳感器技術的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上，多種功能進一步集成以致于融合，這是必然的趨勢，多傳感器數據融合技術也促進了傳感器技術的發展。

1.2 多傳感器數據融合技術的實現

1.2.1 此項技術的設計難點

（1）傳感器種類多，本設備采集的參數有圖像、導線溫度、三軸加速度、環境溫濕度等。由于傳感器的原理和接口不盡相同，設計過程需要考慮各種傳感器的差異。

（2）傳感器數量多，本設備傳感器的基本配置為視頻傳感器、導線測溫傳感器、溫濕度傳感器、加速度傳感器等，由于結構空間有限，傳感器布局也要配合算法等因素。因此，單位體積內傳感器的密度較大，傳感器各信號間易產生干擾。

（3）將眾多傳感器采集的數據進行整理、分析，根據物理意義和應用場景，分析判斷環境狀態，其多模態傳感器算法需要設計和驗證。

（4）電和磁可以通過電路和磁路對系統產生干擾，輸電線路的工作環境比較惡劣，電場和磁場的變化在系統有關電路或導線中感應出干擾電壓，從而影響系統正常工作。

這就需要從軟件和硬件兩個方面進行抗干擾設計。軟件方面可以采用指令冗余、攔截技術、軟件“看門狗”技術、系統故障處理、自恢復程序設計、數字濾波、RAM數據保護與糾錯等技術；硬件方面，可以采用抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能等方法。細致周到地分析干擾源，將硬件與軟件抗干擾相結合，完善系統監控程序，設計穩定可靠的系統。

1.2.2 主要傳感器的選型和設計要點

（1）圖像傳感器

圖像傳感器（攝像頭）需要采用星光級高清攝像頭，從而實現白天和夜間24小時拍攝的功能。攝像頭的接口需采用MIPI接口。

（2）加速度傳感器

加速度傳感器需要采用小型化三軸加速度傳感器。由于加速度傳感器在靜止放置時受到重力作用，因此會有1g的重力加速度。利用該性質，通過測量重力加速度在X/Y軸上的分量，可以計算出在垂直平面上的傾斜角度。應用加速度傳感器可以測量振動加速度，對加速度積分一次可得速率，對速率積分一次可得位移，因此可以測量出振動的頻率和幅度。

（3）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選型要點：測量范圍、響應時間、體積小型化。

（4）導線溫度傳感器

導線溫度傳感器選型要點：測量范圍、響應時間，及結構上需要有可以緊固的裝置。對結構上的設計需求是由于傳感器的探頭需要與被測溫導線緊密接觸，以便準確測溫。

1.2.3 多傳感器數據融合算法

信息融合過程中，初始融合算法在近似過程中繼承擴展卡爾曼濾波算法的1階和2階截斷誤差，對目標的局部估計產生較大影響，這個問題可以通過Sigma點濾波器或離散差分濾波器來解決[4]。在多傳感器數據融合過程中運用主元分析法分析狀態監測結果。采用主元分析技術，在輸電線路狀態監測應用的基礎上，獲取各類設備的實時運行信息，選擇若干個輸電線路設備參數，例如高壓側溫度、導線拉力、低壓側溫度、鐵塔桿件應力、接地電阻和絕緣子風偏等，構建數據分析模型，在本地及時判斷輸電線路的運行狀態，有效提高輸電線路狀態監測系統的可靠性、實時性與穩定性，保證輸電線路運行安全可靠[5]。

2 圖像識別技術

2.1 圖像識別技術的原理

圖像識別技術是人工智能的重要領域。它指對圖像進行對象識別，以識別各種不同模式的目標和對象的技術。

圖像識別基本過程如圖2所示。

圖2 圖像識別基本過程示意

信息的獲?。和ㄟ^傳感器將光或聲音等信息轉化為電信息；

預處理：包括A/D轉換、二值化、圖象平滑、變換、增強、恢復、濾波等；

特征抽取和選擇：在模式識別中，需要進行特征的抽取和選擇，例如，一幅64×64的圖象可以得到4 096個數據，測量空間的原始數據通過變換獲得在特征空間最能反映分類本質的特征，這就是特征提取和選擇的過程；

分類器設計：分類器設計的主要功能是通過訓練確定判決規則；

分類決策：在特征空間中對被識別對象進行分類。

2.2 圖像識別技術的實現

攝像頭主控板負責圖像的拍攝、處理和上傳。攝像頭主控板由可供二次開發的4G模塊、獵鷹模塊和攝像頭擴展模塊及外設組成。

可供二次開發的4G模塊負責整個系統的運行，包括拍攝照片、與AI獵鷹模塊交互、上傳圖片、接收指令等。

主流4G模塊一般只能有兩到三路攝像頭接口，由于本項目需要6個攝像頭，因此需要增加攝像頭擴展模塊以滿足需要。

獵鷹模塊負責處理圖片，它采用了面向張量計算的達芬奇架構，通過獨創的16×16×16的3D Cube設計，每個時鐘周期可以進行4 096個16位半精度浮點MAC運算，以嵌入式功耗實現GPU服務器級別計算性能，為人工智能提供強大的算力支持，使前端具備邊緣計算能力，可自動識別塔吊、吊車、挖掘機等線路通道隱患及銷釘缺失、絕緣子爆串等桿塔本體缺陷并回傳告警圖片。當4G智能模組拍攝完照片并且傳送之后，進行照片分析，通過智能識別，將圖片標記后返回給4G模塊。獵鷹模塊作為協處理器NPU進行AI加速，與主處理器通過USB 3.0接口通信，雙處理器的配合使得高性能與低功耗達到均衡，提升了處理速度也降低了電池的負擔。因此能夠更好控制整機成本。

圖像識別流程如圖3所示。

圖3 圖像識別流程

圖像識別流程：定時抓拍識別過程由主拍照程序、主板圖像識別程序、圖像識別服務程序3個應用軟件協作完成。首先由主拍照程序啟動定時抓拍，判斷當前計時是否大于等于（抓拍間隔-1） min，是則退出循環并給獵鷹AI芯片上電，否則繼續判斷到是為止。再判斷當前計時是否大于等于抓拍間隔，是則退出循環并拍照后發送圖片廣播，否則繼續判斷到是為止。然后由主板圖像識別程序轉發圖片給圖像識別服務程序，調用HiAI Engine封裝加載識別模型進行圖片識別，由主板圖像識別程序返回識別結果，在非整點拍照的情況下若識別結果有告警信息則上傳該識別圖片至后臺，否則不上傳，若在整點拍照的情況下無論有無告警信息都上傳圖片至后臺，至此該次定時拍照流程結束。

圖像識別的準確率測試是根據單位標準測試集進行判定。圖像識別的測試結果見表1所列。

表1 對幾種故障/隱患類型識別的準確率

3 感應取電供電技術

3.1 感應取電供電原理

CT型取電也被稱為電流型取電。它利用電磁感應原理，正常情況下接地的地線上有電磁感應電流，地線相當于一個匝數為1的線圈，在架空地線上套一個可開合式纏有取能線圈的鐵芯，當地線上有變化的交流電通過時，在取能線圈上就會有感應電動勢產生，如取能線圈接通形成回路，則取能線圈上就會有電流流過，將此感應電動勢進行處理，就可為在線監測設備提供電壓[6]，如圖4所示。

圖4 感應取電原理

3.2 感應取電供電的實現

感應電源主要由互感器和電源板兩部分組成，原理框圖如圖5所示。

圖5 感應電源原理框圖

3.2.1 電源板設計

交流電壓和電流通過雙向可控硅調整后進入整流濾波電路，該模塊主要起到整流交流電壓、濾除有害波、穩定電壓值的作用[7]。電源板原理如圖6所示。

圖6 CT取電電源板原理

瞬態抑制二極管TVS的選型要注意以下幾點：

（1）其反向變位電壓即工作電壓（VRWM）要大于或等于待保護電路電壓，否則TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態，從而影響電路工作；

（2）TVS的最大鉗位電壓（VC）應低于被保護電路所允許的最大承受電壓；

（3）TVS由于其反向漏電流隨溫度的增加而增大，功耗隨TVS結溫增加而下降，故在選用TVS時應考慮溫度變化對其特性的影響。

由于母線電流變化范圍較大，因此整流后的電壓也有較大的變化范圍，這就需要DC-DC（DC Converter）具有寬輸入電壓功能，使輸出的直流電壓穩定。

電源板的輸出電壓為12 VDC；輸出功率要求當CT環通過50 A電流時，輸出功率不小于5 W；符合EMC測試要求。

3.2.2 互感器設計

（1）電流互感器結構和材質

電流互感器整體采用開合鉗式結構設計，磁芯采用硅鋼片材質，外表采用抗腐蝕工藝處理。

（2）取電線圈匝數設計

電流感應取電模塊二次側繞組匝數確定原則如下：

（a）當二次側輸出最大功率等于節點工作所需最小功率時，可求滿足節點工作要求的一次側繞組電流幅值最小值；

（b）當一次側繞組電流幅值為滿足節點工作要求的最小值時，二次側繞組感應電動勢幅值最大值應高于系統節點設定最小值，可求二次側繞組的最小匝數；

（c）當一次側繞組電流幅值為滿足節點工作要求最小值時，二次側繞組電流幅值應高于設定最小值，可求二次側繞組最大匝數[8]。

4 裝置的外殼設計技術

4.1 裝置外殼設計關鍵點

結構方面的設計難點主要有以下幾個方面：

（1）本終端需要安裝固定在輸電線上，并通過感應取電，因此對外形結構有一定限制；

（2）由于終端安裝在輸電線上不能給輸電線帶來較大負擔，因此整機重量有限制；

（3）各傳感器的分布需要根據多傳感器融合算法進行布局和安裝；

（4）內部天線的位置要兼具功能性和抗干擾性；

（5）終端內部空間有限，因此，對終端內部電路板的布局、外形尺寸和裝配方式需要較精巧的設計；

（6）整機常年工作在戶外，環境惡劣，防護等級要求較高，需要IP65設計，這就需要進行防水、防塵處理。

4.2 裝置外殼設計的實現

需要針對以上難點進行針對性設計，可采用以下方式：

（1）一體機，整個設備采用開合式設計，利用鉸鏈把兩部分連接到一起，當閉合時另一側利用卡扣閉合在一起，利用螺絲固定；

（2）與電線直接接觸的地方采用活動式塑膠卡槽環，可根據線徑尺寸的不同更換使用；

（3）整機滿足防護等級IP65的要求；

（4）避免閃絡、起暈的設計，外殼表面平滑、確定防暈結構參數和選用良好的防暈材料；

（5）防鹽霧設計，結構零件采用防銹防腐蝕材料；

（6）整體采用金屬外殼，天線部分開窗。

依據設計需求及硬件設計架構，結構總體設計和整體外觀效果如圖7和圖8所示。

圖7 內部結構

圖8 外觀效果

5 結 語

本文以多傳感融合全景智能監控裝置技術研究項目為基礎，分別從多傳感器數據融合技術、圖像識別技術、感應取電供電技術、裝置外殼設計技術等方面介紹了各自的研究成果。結論如下：

（1）應用多傳感器數據融合技術，將6個攝像頭的圖像融合，得到近360°的圖像信息，再與環境的溫濕度、風速、風向、導線的振動情況等數據融合，從而對輸電線路的狀態進行更為全面的評估[9]。

（2）應用圖像識別技術，使本裝置具備了邊緣計算能力，可自動識別塔吊、吊車、挖掘機等線路通道隱患及銷釘缺失、絕緣子爆串等桿塔本體缺陷，并根據單位標準測試集進行測試，判斷準確率可以滿足實際需要[10]。

（3）采用感應取電供電技術，使裝置可以24小時實時工作，解決了太陽能板+蓄電池方案中戶外環境下電池壽命不穩定，需要定期更換，太陽能電池板需要定期清潔擦拭，電池體積大，重量大等問題。

（4）裝置的外殼設計技術中，針對關鍵點進行有效設計，使裝置可以適應嚴酷的自然環境且安裝簡便快捷。