風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面損傷圖像識(shí)別方法研究分析

寧片

（保定葉豐風(fēng)電設(shè)備有限公司，河北 保定 071051）

風(fēng)能是一種清潔能源，隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)。目前我國(guó)已成為世界上風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家，但由于風(fēng)力發(fā)電在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常受到風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等因素的影響，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)葉片斷裂、螺栓松動(dòng)等故障。如果這些故障得不到及時(shí)處理，將會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)很大威脅。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確識(shí)別對(duì)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行具有重要意義。

1 葉片損傷類(lèi)型

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造過(guò)程中，其表面損傷類(lèi)型主要有：裂紋、腐蝕、機(jī)械損傷以及其他損傷。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制造過(guò)程中，裂紋是一種常見(jiàn)的損傷形式，而對(duì)于不同種類(lèi)的損傷，其外觀表現(xiàn)形式也是不同的。

（1）裂紋。由于葉片表面上存在大量的孔洞和縫隙，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，這些孔洞和縫隙會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而如果這些熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)對(duì)葉片表面造成熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力超過(guò)了葉片材料的屈服極限，就會(huì)導(dǎo)致葉片表面裂紋出現(xiàn)。通常情況下，葉片表面裂紋主要是沿平行于葉片方向出現(xiàn)的斜裂紋。而對(duì)于垂直于葉片方向出現(xiàn)的斜裂紋，其長(zhǎng)度較短，一般為幾毫米。

（2）腐蝕。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常受到風(fēng)沙、雨水等環(huán)境因素的影響，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕不僅會(huì)導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)孔洞和縫隙，還會(huì)使得葉片表面形成一層膠狀保護(hù)膜。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作到一定時(shí)間時(shí)，這種保護(hù)膜會(huì)逐漸脫落，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面出現(xiàn)孔洞和縫隙。因此，腐蝕也是一種常見(jiàn)的損傷類(lèi)型。這些機(jī)械損傷都會(huì)在一定程度上對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片造成破壞。根據(jù)破壞程度的不同可將機(jī)械損傷分為機(jī)械疲勞、腐蝕、磨損和機(jī)械損傷等。

（3）其他損傷。除了以上幾種常見(jiàn)的損傷類(lèi)型外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片還可能受到其他因素造成的損傷。如大氣污染、腐蝕性氣體、紫外線(xiàn)輻射等。在大氣污染方面，由于空氣中含有大量顆粒性污染物、氧氣和水蒸氣等物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)風(fēng)電葉片表面造成腐蝕；而對(duì)于腐蝕性氣體來(lái)說(shuō)，其主要成分是二氧化硫、二氧化氮、氮氧化物等；紫外線(xiàn)輻射則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電葉片表面出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全。因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)這些外部因素引起的損傷進(jìn)行及時(shí)處理。針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)目前主流的圖像識(shí)別方法進(jìn)行了總結(jié)和分析。

為了能夠更好地對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面損傷進(jìn)行識(shí)別研究工作提供參考依據(jù)，本文將現(xiàn)有圖像識(shí)別方法分為基于深度學(xué)習(xí)的方法：該方法主要包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種模型。

①基于樣本集的方法。該方法主要包括支持向量機(jī)、決策樹(shù)、樸素貝葉斯以及其他算法。

②基于圖像處理的方法。該方法主要包括灰度變換、圖像分割、邊緣檢測(cè)、特征提取等。上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同種類(lèi)的損傷圖像識(shí)別研究工作提出了不同的解決方案。在本文中，將對(duì)以上幾種類(lèi)型的圖像識(shí)別研究工作進(jìn)行總結(jié)和歸納。

2 基于圖像處理的葉片損傷識(shí)別方法

2.1 基于閾值分割方法

在基于閾值分割方法中，通常是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)閾值達(dá)到或超過(guò)時(shí)，將圖像中目標(biāo)物體從背景中分離出來(lái)。基于閾值分割方法具有簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)，但其受光照、背景等因素影響較大，且對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的葉片表面損傷識(shí)別不夠準(zhǔn)確。為提高葉片表面損傷識(shí)別精度，將小波變換與自適應(yīng)閾值分割相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片表面損傷圖像的準(zhǔn)確識(shí)別。該方法首先利用小波變換對(duì)葉片表面損傷圖像進(jìn)行去噪處理，然后利用自適應(yīng)閾值分割方法進(jìn)行損傷區(qū)域提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能有效去除噪聲，而且對(duì)光照變化不敏感。但是，小波變換是一種非平穩(wěn)信號(hào)處理技術(shù)，其不能有效保留信號(hào)中的高頻信息和低頻信息。此外，該方法還存在閾值分割不準(zhǔn)確的問(wèn)題，無(wú)法精確定位目標(biāo)物體所在的區(qū)域。因此，基于小波變換與自適應(yīng)閾值分割方法相結(jié)合的葉片表面損傷識(shí)別方法仍需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

2.2 基于區(qū)域形狀特征的檢測(cè)方法

基于區(qū)域形狀特征的檢測(cè)方法主要通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體區(qū)域進(jìn)行提取，然后根據(jù)像素點(diǎn)灰度分布的差異，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的自動(dòng)識(shí)別。該方法需要借助計(jì)算機(jī)的圖像處理技術(shù)，將圖像中目標(biāo)物體提取出來(lái)，并根據(jù)圖像的形狀特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別。

基于區(qū)域形狀特征的檢測(cè)方法是在圖像中將目標(biāo)物體定位出來(lái)，然后再根據(jù)該定位結(jié)果來(lái)對(duì)葉片損傷進(jìn)行識(shí)別。該方法先將圖像進(jìn)行灰度化處理，然后利用直方圖均衡化方法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，然后利用基于梯度的濾波算法對(duì)圖像進(jìn)行去噪。最后，將增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行二值化處理，并對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)操作。根據(jù)邊緣檢測(cè)結(jié)果，將葉片表面損傷區(qū)域劃分成若干個(gè)圓形區(qū)域。若圓形區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)灰度值差別較大，則說(shuō)明該區(qū)域存在缺陷，如孔洞、裂紋等；若圓形區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)灰度值差別不大，則說(shuō)明該區(qū)域存在劃痕、腐蝕等缺陷；若圓形區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)灰度值差別不大，則說(shuō)明該區(qū)域沒(méi)有裂紋、孔洞等缺陷。隨后將葉片表面損傷區(qū)域劃分為若干個(gè)小圓形區(qū)域，并在每個(gè)小圓區(qū)域內(nèi)利用灰度共生矩陣提取紋理特征參數(shù)。通過(guò)對(duì)紋理特征參數(shù)計(jì)算得到的特征向量進(jìn)行距離變換計(jì)算后與其他特征向量相結(jié)合構(gòu)成特征矩陣，最后利用特征矩陣實(shí)現(xiàn)葉片表面損傷識(shí)別。該方法通過(guò)提取圖像中每個(gè)圓形區(qū)域的紋理特征參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片表面損傷識(shí)別。該方法需要在圖像中選擇適當(dāng)?shù)膱A形目標(biāo)作為對(duì)象區(qū)域。另外，該方法需要對(duì)提取的圖像進(jìn)行灰度化處理、邊緣檢測(cè)等預(yù)處理操作。

2.3 其他方法

基于圖像處理的葉片表面損傷識(shí)別方法主要還有基于模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法。

（1）模糊數(shù)學(xué)是根據(jù)隸屬度函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行模糊處理，而模糊數(shù)學(xué)的基本原理是：通過(guò)對(duì)模糊集合的運(yùn)算，以達(dá)到將模糊信息從“真”轉(zhuǎn)化為“假”的目的。基于上述原理，模糊模式識(shí)別的葉片表面損傷識(shí)別方法。該方法先將圖像進(jìn)行濾波處理，然后運(yùn)用改進(jìn)的Otsu算法對(duì)圖像進(jìn)行分割，分割結(jié)果中提取出損傷區(qū)域；最后對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，得到目標(biāo)物體。該方法克服了傳統(tǒng)的圖像處理方法無(wú)法有效識(shí)別損傷區(qū)域的缺點(diǎn)。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，將數(shù)據(jù)映射到特定網(wǎng)絡(luò)中，并利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的反饋信息來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而使網(wǎng)絡(luò)具有一定學(xué)習(xí)能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面損傷識(shí)別方法，該方法先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，然后運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像中目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別。該方法通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理，利用灰度直方圖提取出葉片圖像中的紋理特征；然后運(yùn)用改進(jìn)的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)紋理特征進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片表面損傷識(shí)別。該方法在一定程度上提高了葉片表面損傷識(shí)別的準(zhǔn)確性。

3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多層結(jié)構(gòu)，其基本原理是將每一層神經(jīng)元的輸出與其上一層的輸入進(jìn)行比較，如果誤差小于給定的閾值，則進(jìn)行下一層的神經(jīng)元訓(xùn)練，否則，停止訓(xùn)練。BP網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層。在該模型中，隱含層是神經(jīng)元輸入到輸出層的媒介，由一個(gè)神經(jīng)元組成。一個(gè)神經(jīng)元通常由多個(gè)輸入單元組成，輸出單元是與隱含單元連接的單個(gè)輸出單元。對(duì)于每一步訓(xùn)練，隱含層中的神經(jīng)元根據(jù)期望輸出和誤差函數(shù)進(jìn)行更新。當(dāng)誤差函數(shù)為線(xiàn)性函數(shù)時(shí)，最大值就是輸出層和隱含層中所有神經(jīng)元的期望輸出值的平均值。如果誤差函數(shù)為非線(xiàn)性函數(shù)時(shí)，最大值就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的期望輸出值，此時(shí)，每一步都將調(diào)整隱含層中的神經(jīng)元。

3.2 GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有可變結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其目的是將輸入數(shù)據(jù)變換成可以進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以將輸出數(shù)據(jù)變換成一個(gè)向量。GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是，該模型具有一組固定的前饋神經(jīng)元。這種前向傳播和反向傳播的混合網(wǎng)絡(luò)可以使輸入與輸出之間存在一定的映射關(guān)系。其中輸入層和輸出層之間采用全連接層，訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)涉及隱含層和輸出層。GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要包括兩部分：前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于連接輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)；反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于連接輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像類(lèi)型的識(shí)別。GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有自組織、自適應(yīng)等特性的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，該模型具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，并且可以用來(lái)對(duì)大量復(fù)雜樣本進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別。

4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

4.1 葉片圖像預(yù)處理

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面損傷圖像包含大量的噪聲，導(dǎo)致圖像特征提取困難，因此為了提高葉片表面損傷識(shí)別的準(zhǔn)確率，對(duì)葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理是非常必要的。常用的預(yù)處理包括濾波、噪聲抑制、分割和邊緣提取等。如采用中值濾波和均值濾波對(duì)葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到理想的葉片圖像，然后將其與未經(jīng)濾波處理的圖像進(jìn)行對(duì)比分析，從而有效地濾除噪聲。另外，對(duì)于裂紋葉片圖像的預(yù)處理方法有：使用二值化方法對(duì)裂紋葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理；使用模糊增強(qiáng)法對(duì)裂紋葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理；采用直方圖均衡化對(duì)裂紋葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理；使用線(xiàn)性變換法對(duì)裂紋葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理。如采用線(xiàn)性變換法對(duì)裂紋葉片圖像進(jìn)行預(yù)處理，能夠很好地濾除噪聲和增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域，從而為后面的特征提取和特征選擇提供了更好的條件。但這種方法會(huì)使邊緣模糊，影響后續(xù)特征提取。

4.2 特征提取

特征提取是模式識(shí)別的基礎(chǔ)，其提取的特征對(duì)分類(lèi)結(jié)果有很大影響。近年來(lái)，許多學(xué)者開(kāi)始將圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來(lái)，針對(duì)不同的應(yīng)用問(wèn)題提出了多種不同的圖像特征提取方法。在葉片損傷識(shí)別中，基于小波分析的特征提取方法是一種較常用的方法。如劉愛(ài)峰等人使用小波分析對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片圖像進(jìn)行了噪聲去除和圖像增強(qiáng)，并提出了一種基于小波變換的葉片表面損傷特征提取方法。該方法對(duì)葉片表面損傷區(qū)域進(jìn)行了提取，通過(guò)計(jì)算不同區(qū)域能量比和熵來(lái)提取噪聲去除后的圖像特征。但由于該方法采用小波分析處理，導(dǎo)致對(duì)葉片表面損傷區(qū)域和非損傷區(qū)域的區(qū)分能力較差。因此，王福祥等人使用基于SIFT特征提取算法對(duì)葉片表面損傷圖像進(jìn)行了特征提取研究，并提出了一種基于SIFT與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的識(shí)別方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)葉片表面損傷區(qū)域和非損傷區(qū)域的自動(dòng)識(shí)別。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和模式識(shí)別理論的發(fā)展，基于模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行圖像分析成為了研究熱點(diǎn)。如李學(xué)武等人使用支持向量機(jī)（SVM）對(duì)葉片表面裂紋圖像進(jìn)行了分類(lèi)研究。他們針對(duì)傳統(tǒng)SVM分類(lèi)器在處理復(fù)雜類(lèi)樣本時(shí)準(zhǔn)確率不高、泛化能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)，提出了一種基于自適應(yīng)核函數(shù)支持向量機(jī)分類(lèi)器。該方法首先將原始圖像作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練，然后，使用訓(xùn)練好的支持向量機(jī)對(duì)葉片表面裂紋圖像進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)葉片表面裂紋圖像的識(shí)別。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為一種主要的能源來(lái)源，在世界范圍內(nèi)都得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件，其表面損傷對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率和使用壽命都會(huì)產(chǎn)生很大影響。為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和使用壽命，需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片表面損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)葉片表面損傷進(jìn)行修復(fù)或者更換。目前，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，本文通過(guò)分析現(xiàn)有的圖像識(shí)別方法，總結(jié)出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)葉片表面損傷的自動(dòng)識(shí)別提供了思路，并對(duì)實(shí)現(xiàn)葉片表面損傷的自動(dòng)識(shí)別具有一定的借鑒意義。