電力系統(tǒng)安全防護中圖像識別技術(shù)的運用

朱 賓，蔣文鑫，郝清勝

（金現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，山東 濟南 250101）

0 引 言

對電力系統(tǒng)的信息化變革進行分析，可知其在系統(tǒng)安全防護方面仍存在不足。將基于人工智能的圖像識別技術(shù)融入到電力系統(tǒng)中，可以有效提升電力系統(tǒng)安全防護的效益，進一步促進系統(tǒng)運行機制的完善，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行與可持續(xù)發(fā)展。

1 電力系統(tǒng)安全防護現(xiàn)狀

為進一步推動“碳達峰、碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略的落地，2021 年中央財經(jīng)委員會于第九次會議創(chuàng)設(shè)性地提出了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的要求，并著重強調(diào)了新型電力系統(tǒng)應(yīng)具備的節(jié)能減排優(yōu)勢。所謂的新型電力系統(tǒng)便是在維護電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上所構(gòu)建起的具備安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合特征，并且在運行機制體制以及技術(shù)體系方面有所創(chuàng)新的“跨時代”電力系統(tǒng)[1]。

數(shù)字化技術(shù)的滲透不僅促進了電力系統(tǒng)的智慧化、創(chuàng)新化發(fā)展，同時也對既有電力系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)以及安全防護機制提出了更新挑戰(zhàn)。一方面，隨著分布式電源、儲能分布式設(shè)備終端的接入，交互主體的多元化發(fā)展致使電力系統(tǒng)整體的安全防御關(guān)口持續(xù)增多?；诖吮尘?，在外部主體安全防護能力有所不足的情況下，各類互聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險隱患因素便會從各種渠道滲透至電力系統(tǒng)核心控制區(qū)域，導(dǎo)致電力系統(tǒng)邊界安全風(fēng)險隱患的激增；另一方面，5G 通信技術(shù)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新型數(shù)字技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得各種終端入侵風(fēng)險、用戶仿冒風(fēng)險以及數(shù)據(jù)盜取風(fēng)險也紛至沓來。在安全防護機制不足的情況下，不法分子便可能應(yīng)用各種措施盜取、篡改電力系統(tǒng)的各項參數(shù)，進而威脅電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性以及用戶用電的安全性[2-4]。因此，本文提出利用人工智能圖像識別技術(shù)對既有的電力系統(tǒng)安全防護機制進行完善、升級，以期助推新型電力系統(tǒng)的安全落地和穩(wěn)定運行。

2 基于電力系統(tǒng)安全防護的圖像識別技術(shù)流程

適用于電力系統(tǒng)安全防護的圖像識別流程是指應(yīng)用圖像數(shù)字處理技術(shù)對相關(guān)系統(tǒng)裝置所能捕捉到的圖像進行預(yù)處理、特征提取并進行判決的過程。具體流程如圖1 所示。

圖1 基于電力系統(tǒng)安全防護的圖像識別技術(shù)流程

2.1 圖像獲取

利用與相關(guān)系統(tǒng)相契合的攝像頭捕捉并收集電力系統(tǒng)運行過程中的各種圖像[5]。為避免環(huán)境因素對后續(xù)階段的圖像處理效果造成負(fù)面影響，需要基于電力系統(tǒng)實際情況對圖像進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后方可進入到特征抽取與判決環(huán)節(jié)；

2.2 圖像預(yù)處理

通常情況下未經(jīng)處理的RGB 彩色圖像中都具有較大的信息量，直接分析這類圖片會對系統(tǒng)最終判決成果的真實性與可參考性造成影響。因此需要對攝像頭捕捉到的圖像進行預(yù)處理。基于電力系統(tǒng)安全防護機制的需求，可重點使用4 種技術(shù)對圖像進行預(yù)處理：a 灰度級變換，即對圖像的對比度進行調(diào)整，保障圖像的重點信息可以被系統(tǒng)精準(zhǔn)識別；b 高斯低通濾波平滑，即利用相應(yīng)的線性濾波器對圖像噪聲進行精準(zhǔn)處理，提升圖像平滑度；c 直方圖均衡化，利用增強圖片對比度的方式強化不同信息的灰度差，突出圖像的重點信息；d 中值濾波去噪，大幅度去除圖片中的噪點，提升圖像清晰度。不同圖像預(yù)處理技術(shù)的效果如圖2 所示。

圖2 四種圖像預(yù)處理技術(shù)的效果示意圖

2.3 運動目標(biāo)檢測與圖像特征提取

針對電力系統(tǒng)運行過程中機械設(shè)備的顏色、紋理、輪廓以及相關(guān)工作人員的各種不安全行為等進行提取與分析，以期為后期的判決提供數(shù)據(jù)參考。重點運用幀間差分法對監(jiān)控系統(tǒng)截取的視頻、圖像序列中相鄰的兩幀進行查分運算，最終捕獲相應(yīng)圖像中人物、機械的目標(biāo)輪廓。相較于傳統(tǒng)圖像識別技術(shù)系統(tǒng)而言，幀間差分法更適合捕捉具有動態(tài)性特征的目標(biāo)，因此也更適應(yīng)用于開展對動態(tài)化電力作業(yè)場景的監(jiān)控與安全防護。

特定場景中的目標(biāo)處于運動狀態(tài)時，其在相鄰兩幀的圖像中便會出現(xiàn)顯著的狀態(tài)變化。利用相鄰兩幀圖像的亮度相減運算可以得到亮度差的絕對值，然后再進一步判斷亮度差的絕對值是否在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，以此分析圖像或視頻序列中是否存在運動的物體。

設(shè)圖像視頻序列為f1,f1…fk，這一序列中相鄰的兩幀圖像fk(x,y)和fk-1(x,y)，如果相應(yīng)圖像視頻中存在運動物體，則它們的差分圖像Qfk(x,y)表示為

式（1）中(x,y)為“異?！蔽矬w在圖像中像素點的空間坐標(biāo)。將Qk(x,y)和預(yù)設(shè)的數(shù)值P進行比較，最后得到差分后的二值化圖像Tk(x,y)，以此還可以對圖像中的像素點進行分析，判斷不同像素點歸屬于運動對象像素，亦或是指定監(jiān)測場景中的背景像素。其中，灰度值是1 的為運動對象像素點半，而灰度值為0 的則代表場景背景像素點，以此便可以提取出監(jiān)測場景中移動目標(biāo)的輪廓。差分后的Tk(x,y)可以表示為

結(jié)合電力系統(tǒng)安全防護的實際需求，式（2）中的數(shù)值P既可以通過預(yù)先測算的方法進行設(shè)定，同時也可以采用系統(tǒng)自適應(yīng)的方法進行動態(tài)化確定。其原理如圖3 所示。

圖3 圖像識別技術(shù)中幀間差分法的原理

幀間差分法具有運算簡單、適應(yīng)力強以及檢測效果好等優(yōu)勢，同時也存在幀與幀之間匹配度不高的隱患；最終檢測與識別質(zhì)量受預(yù)設(shè)值影響程度較大，預(yù)設(shè)值范圍較廣的情況下可能出現(xiàn)大量的背景區(qū)域空白現(xiàn)象，無法精準(zhǔn)識別運動目標(biāo)的完整輪廓。應(yīng)用該算法的過程中，可以結(jié)合腐蝕、膨脹、開/閉等運算方法對既有的幀間差分法進行調(diào)整。如針對差分后二值化圖像中存在大量的空洞，便可以利用膨脹、腐蝕等算法對其進行處理，使運動木目標(biāo)的輪廓變得更光滑。

2.4 判 決

針對圖像特征參數(shù)對圖像所指代的電力系統(tǒng)運行狀態(tài)亦或是某工序的本質(zhì)等進行分析、判斷，該過程會自動生成結(jié)果參數(shù)，識別出電力系統(tǒng)運行過程中存在的安全風(fēng)險隱患因素。

3 基于電力系統(tǒng)安全防護需求的圖像識別處理系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 采集數(shù)據(jù)信息在線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用分析

電力系統(tǒng)在日常運行過程中會受到各種突發(fā)情況的影響，例如因機械設(shè)備溫度過高引發(fā)的火災(zāi)、電力系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)失竊等。為防止意外情況影響電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，必須要依托于圖像識別技術(shù)對系統(tǒng)運行的各環(huán)節(jié)進行圖像識別與數(shù)據(jù)采集工作，落實對電力系統(tǒng)的全天候監(jiān)控。在檢測到異常圖像信息后，能夠及時告警并提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，保障相應(yīng)的工作人員可以充分了解電力系統(tǒng)發(fā)生異常的原因，并及時做出針對性的處理措施。以因機械設(shè)備負(fù)載過高而引發(fā)的高溫隱患為例，尋常的攝像頭能夠?qū)σ呀?jīng)發(fā)生火災(zāi)事故的生產(chǎn)、作業(yè)現(xiàn)場進行判決，但因攝像頭精度的限制，使得具體圖像采集與識別效果不佳。因此需要配合紅外攝像裝置，對不同機械設(shè)備的整體溫度進行判決，即使在火力發(fā)電場景中也能根據(jù)火焰的具體形態(tài)與紅外成像顏色判斷其溫度，在有需要的情況下向安全防護人員提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。

3.2 基于圖像識別的配電柜柜面圖像智能分析

（1）基于圖像識別技術(shù)進行壓板內(nèi)容檢測與標(biāo)定。電力系統(tǒng)安全防護體系中現(xiàn)有的設(shè)備標(biāo)定作業(yè)通常需要依賴人工進行計算，整體計算流程繁瑣且效率低下[6]。因此需要借助圖像識別技術(shù)對既定監(jiān)控區(qū)域中的柜面進行標(biāo)定與類型設(shè)定；

（2）柜面指示燈狀態(tài)識別與告警。針對不同廠家、規(guī)格特點，對配電柜柜面指示燈的非常規(guī)狀態(tài)進行監(jiān)測、識別與告警，在發(fā)現(xiàn)特殊指示燈狀態(tài)的情況下及時將指示燈狀態(tài)圖像、對標(biāo)故障原因以及處理建議等傳遞給相應(yīng)維護人員，保障柜面發(fā)生問題后相關(guān)技術(shù)人員的及時響應(yīng)與處理；

（3）告警狀態(tài)識別。針對電力系統(tǒng)安全防護工作的設(shè)計需求，對可拓展、縮減的告警狀態(tài)、告警措施以及圖像識別算法等進行研究，以便在電力系統(tǒng)不斷升級完善的情況下滿足相關(guān)技術(shù)人員后期增設(shè)、刪減告警規(guī)則的需求[7]。

3.3 視頻濃縮快照與異常報警應(yīng)用分析

結(jié)合電力系統(tǒng)的實際運行情況，利用視頻濃縮的方式降低圖像識別技術(shù)的數(shù)據(jù)儲存量。同時基于不同約束條件下的數(shù)據(jù)檢索需求，提供依照圖像時間節(jié)點、數(shù)據(jù)變化狀態(tài)節(jié)點等檢索機制，同步落實數(shù)據(jù)對標(biāo)圖像的儲存工作，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)快照，方便工作人員的分析與使用。

4 結(jié) 論

電力系統(tǒng)在現(xiàn)代經(jīng)濟社會的建設(shè)與發(fā)展進程中具有不可或缺的重要作用，同時其也是維護我國各領(lǐng)域工作穩(wěn)定性、保障居民日常生活質(zhì)量的核心要素。新時期發(fā)展背景下，電力領(lǐng)域的工作人員應(yīng)全面加強對新型人工智能技術(shù)的關(guān)注，并有選擇地將諸如圖片識別技術(shù)的新型科技產(chǎn)物融入到電力系統(tǒng)。以此進一步突出電力系統(tǒng)安全防護、運行效率等各方面優(yōu)勢，實現(xiàn)對電力信息的全天候安全防護，為電力系統(tǒng)的持續(xù)健康發(fā)展夯實基礎(chǔ)。