淺談基于SSD輸電線路地線斷股檢測方法

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖供電局 張宇雄 陳宣林 張海東

輸電線路架空地線因外力破壞而導(dǎo)致的斷股后需要進行適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線修補處理，避免散股繼續(xù)導(dǎo)致導(dǎo)線機械性能及導(dǎo)電性能降低。在修補架空地線時，因為是單根鋼絞線，架空地線距地面較高，斷股點如在線上表層，用肉眼、望遠(yuǎn)鏡無法觀察到斷股的數(shù)量，只能使用無人機抵近拍照判斷斷股數(shù)量，且存在一些不確定因素，特別是帶電修補地線時，因采用掛梯作業(yè)的方式，導(dǎo)地線荷載增加，其應(yīng)力增加，弧垂增大，如不能確定其作業(yè)方式，加之作業(yè)人員在作業(yè)時防墜措施無法做到位，盲目掛梯作業(yè)，作業(yè)過程存在較大風(fēng)險，不能保證作業(yè)人員及設(shè)備的安全，是輸電網(wǎng)目前存在的實際生產(chǎn)業(yè)務(wù)痛點。

1 研究背景

造成輸電線路故障原因包括外力、人為和設(shè)備三個方面，自然的外力作用占輸電線路故障一半，通常以雷擊出現(xiàn)線路故障為主，外力的作用對輸電線路的損壞難以預(yù)防，只能通過提高線路本身的抗雷性質(zhì)實現(xiàn)。人為破壞輸電線路的故障也較多，如施工操作不當(dāng)造成的斷線、短路和接地等線路故障，而輸電線路本身運行環(huán)境較差，從而輸電線路設(shè)備本身也易受到相應(yīng)的外力作用的損傷。

輸電線路地線作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著將電流引入大地的作用。然而，由于地線長期暴露在自然環(huán)境中，受到風(fēng)吹、雨淋、酸雨等因素的侵蝕，地線易出現(xiàn)斷股現(xiàn)象。地線斷股不僅會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的接地性能下降，還可能引發(fā)電流回流、接觸電壓升高等問題，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來隱患。因此，準(zhǔn)確檢測和及時修復(fù)地線斷股問題對于電力系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。

2 研究意義

架空地線斷股檢測是電力系統(tǒng)維護和運行中的一項重要任務(wù)。傳統(tǒng)的地線斷股檢測方法主要依賴人工巡檢和經(jīng)驗判斷，存在檢測效率低、漏檢和誤判率高等問題。隨著計算機視覺和目標(biāo)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，基于圖像處理和機器學(xué)習(xí)的地線斷股檢測方法逐漸受到關(guān)注。其中，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法在檢測精度和效率方面取得了顯著的進展。本文旨在探討基于SSD 的輸電線路地線斷股檢測方法，提高地線斷股檢測的準(zhǔn)確性和實時性，為電力系統(tǒng)的安全運行提供有效的技術(shù)支持[1]。

3 研究目標(biāo)

本文主要研究分析地線斷股的危害和檢測需求，總結(jié)現(xiàn)有地線斷股檢測方法的優(yōu)缺點。介紹SSD 算法的原理和基本流程，分析其在目標(biāo)檢測領(lǐng)域的優(yōu)勢和適用性。針對輸電線路地線斷股檢測問題，提出一種基于SSD 的檢測方法，設(shè)計相應(yīng)的算法流程。構(gòu)建地線斷股檢測數(shù)據(jù)集，進行試驗驗證，評估該方法的準(zhǔn)確性和實時性。對比分析所提方法與其他地線斷股檢測方法的性能，探討改進空間和應(yīng)用前景。

4 相關(guān)工作綜述

一是輸電線路地線斷股的危害和檢測需求。包括地線斷股問題的定義和危害，對輸電線路地線斷股進行準(zhǔn)確檢測的重要性和需求。二是目標(biāo)檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目標(biāo)檢測技術(shù)的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)方法和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法，并對其應(yīng)用于電力系統(tǒng)中地線斷股檢測的研究進行綜述和分析。三是基于SSD 的目標(biāo)檢測算法及其優(yōu)勢。SSD 算法（Single Shot MultiBox Detector）的原理和基本流程。SSD 是一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測算法，具有較高的檢測準(zhǔn)確性和實時性。筆者將探討SSD 算法在目標(biāo)檢測領(lǐng)域的優(yōu)勢，包括多尺度特征融合、單次檢測和高效推理等方面。以下是基于SSD的輸電線路地線斷股檢測方法的偽代碼示例。

輸入：輸電線路地線斷股圖像。輸出：地線斷股檢測結(jié)果。①初始化SSD 網(wǎng)絡(luò)；②加載預(yù)訓(xùn)練的權(quán)重參數(shù)；③對輸入圖像進行預(yù)處理，包括大小調(diào)整、歸一化等操作；④將圖像輸入SSD 網(wǎng)絡(luò)進行前向傳播，獲取特征圖；⑤在特征圖上執(zhí)行多尺度的特征檢測，生成候選框；⑥使用非極大值抑制（NMS）算法對候選框進行篩選，去除重疊較多的框；⑦對剩余的候選框進行類別預(yù)測和邊界框回歸；⑧根據(jù)預(yù)測結(jié)果進行地線斷股的判定和定位；⑨輸出地線斷股檢測結(jié)果，包括斷股位置和置信度；⑩結(jié)束。

以上偽代碼簡要描述了基于SSD 的輸電線路地線斷股檢測方法的算法流程。在實際實現(xiàn)中，需要根據(jù)具體的深度學(xué)習(xí)框架和編程語言進行具體的代碼編寫，并結(jié)合實際的數(shù)據(jù)集和參數(shù)設(shè)置進行訓(xùn)練和測試。此偽代碼提供了一個大致的框架，可以根據(jù)具體需求進行修改和優(yōu)化[2]。

5 基于SSD 的輸電線路地線斷股檢測方法

一是地線斷股檢測問題。輸電線路地線斷股檢測問題包括輸入數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)處理、地線斷股目標(biāo)的定義和特征提取等。二是SSD 算法原理及基本流程。SSD 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和各個組件的功能包括基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、特征提取層、預(yù)測層和損失函數(shù)等。三是地線斷股檢測算法設(shè)計。基于SSD 的地線斷股檢測算法包括數(shù)據(jù)集的構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、訓(xùn)練和推理過程等。四是算法步驟。基于SSD 的地線斷股檢測算法的步驟，涵蓋輸入數(shù)據(jù)的預(yù)處理、特征提取、邊界框回歸和類別預(yù)測等關(guān)鍵步驟，以及算法的參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化策略。

6 試驗與結(jié)果分析

6.1 數(shù)據(jù)采集、標(biāo)注、劃分與預(yù)處理

6.1.1 數(shù)據(jù)采集

選擇合適的采集設(shè)備：使用高清攝像機、無人機等設(shè)備進行圖像采集。確保設(shè)備能夠捕捉到輸電線路地線以及地線斷股的清晰圖像。定義采集場景：確定采集地點，包括城市、農(nóng)村、山區(qū)等不同場景。同時，考慮不同天氣條件和光照情況，以獲取多樣化的地線斷股圖像。

6.1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)注

地線斷股定義：明確定義地線斷股的標(biāo)準(zhǔn)和范圍，以便標(biāo)注人員能夠準(zhǔn)確地識別和標(biāo)注地線斷股區(qū)域。標(biāo)注工具：使用圖像標(biāo)注工具，如LabelImg、VGG Image Annotator（VIA）等，對采集到的圖像進行標(biāo)注。標(biāo)注人員需要標(biāo)注地線斷股的位置，可以使用矩形框或者像素級標(biāo)注。標(biāo)注質(zhì)量控制：確保標(biāo)注的準(zhǔn)確性和一致性，可以進行標(biāo)注人員間的交叉驗證和標(biāo)注結(jié)果的審查。

6.1.3 數(shù)據(jù)劃分

劃分訓(xùn)練集、驗證集和測試集：將標(biāo)注好的數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集。一般可以按照7:2:1的比例劃分，確保數(shù)據(jù)集的充分訓(xùn)練和評估。考慮數(shù)據(jù)集的平衡性：確保訓(xùn)練集、驗證集和測試集中包含足夠數(shù)量的正常地線和地線斷股樣本，以保持?jǐn)?shù)據(jù)集的平衡性。

6.1.4 數(shù)據(jù)集預(yù)處理

圖像預(yù)處理：對采集到的圖像進行預(yù)處理，包括大小調(diào)整、圖像增強（如對比度增強、直方圖均衡化等）和歸一化等操作，以便與算法模型輸入的要求相匹配。標(biāo)簽處理：將地線斷股的標(biāo)注信息轉(zhuǎn)化為模型可讀的格式，如XML、JSON 或者CSV 等。

6.2 試驗設(shè)置

6.2.1 硬件設(shè)備攝像設(shè)備：選擇合適的攝像設(shè)備，如高清攝像機、無人機等，用于采集輸電線路地線的圖像數(shù)據(jù)。計算設(shè)備：使用具備足夠計算能力的硬件設(shè)備，如GPU加速的計算機或服務(wù)器，用于訓(xùn)練和推理算法模型。

6.2.2 軟件工具

深度學(xué)習(xí)框架：選擇適用的深度學(xué)習(xí)框架，如TensorFlow、PyTorch 等，用于實現(xiàn)地線斷股檢測算法。圖像處理工具：使用圖像處理工具進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和增強操作，如OpenCV 等。標(biāo)注工具：使用圖像標(biāo)注工具，如LabelImg、VGG Image Annotator（VIA）等，用于對地線斷股圖像進行標(biāo)注。數(shù)據(jù)集管理工具：采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)集管理工具，如COCO、PASCAL VOC 格式等，用于整理和管理地線斷股數(shù)據(jù)集。

6.2.3 試驗設(shè)置

數(shù)據(jù)集劃分：將標(biāo)注好的地線斷股數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗證集和測試集，按照一定的比例進行劃分。算法訓(xùn)練：使用訓(xùn)練集進行算法模型的訓(xùn)練，設(shè)置合適的學(xué)習(xí)率、迭代次數(shù)、批量大小等參數(shù)，并監(jiān)控訓(xùn)練過程的損失函數(shù)和準(zhǔn)確率等指標(biāo)。模型優(yōu)化：通過驗證集對訓(xùn)練過程進行調(diào)優(yōu)，選擇最佳的模型權(quán)重參數(shù)，以提高地線斷股檢測算法的性能。模型推理：使用測試集進行模型推理，得到地線斷股的檢測結(jié)果，包括檢測框的位置和置信度等信息。

6.2.4 評估指標(biāo)

準(zhǔn)確率（Accuracy）：用于評估算法檢測結(jié)果與真實標(biāo)注之間的匹配程度。召回率（Recall）：衡量算法能夠正確檢測到地線斷股的能力。平均精度（Average Precision）：結(jié)合準(zhǔn)確率和召回率，評估算法的整體性能。漏檢率（Miss Rate）：用于評估算法未能檢測到的地線斷股樣本的比例。計算時間和實時性：記錄算法在推理階段的計算時間，評估算法的實時性和效率[3]。

6.3 試驗結(jié)果分析

分析基于SSD 的地線斷股檢測方法的試驗結(jié)果。包括準(zhǔn)確率、召回率、平均精度等性能指標(biāo)的評估和對比分析。準(zhǔn)確率計算方法：將檢測結(jié)果與真實標(biāo)注進行比對，統(tǒng)計正確檢測的地線斷股數(shù)量，除以總樣本數(shù)。分析：高準(zhǔn)確率表示算法能夠準(zhǔn)確判斷地線斷股的存在與否。召回率計算方法：將檢測到的地線斷股數(shù)量與真實地線斷股數(shù)量進行比對，計算其比例。分析：高召回率表示算法能夠有效地檢測到大部分地線斷股。平均精度計算方法：通過繪制準(zhǔn)確率-召回率曲線，計算曲線下的面積得到平均精度值。分析：高平均精度表示算法在綜合考慮準(zhǔn)確率和召回率方面表現(xiàn)優(yōu)秀。與其他方法對比：將基于SSD 的地線斷股檢測方法與其他方法進行對比，包括傳統(tǒng)方法或其他深度學(xué)習(xí)方法。指標(biāo)比較：比較不同方法在準(zhǔn)確率、召回率和平均精度等性能指標(biāo)上的表現(xiàn)，觀察是否基于SSD 的方法具有優(yōu)勢。結(jié)果解釋：根據(jù)對比分析的結(jié)果，解釋基于SSD 的方法相對于其他方法的性能優(yōu)勢或局限性。

7 討論與展望

一是對基于SSD 的輸電線路地線斷股檢測方法進行討論，探討其優(yōu)點、局限性和改進方向。同時，對算法中存在的問題和挑戰(zhàn)進行深入分析，并提出解決方案和建議。二是展望基于SSD 的輸電線路地線斷股檢測方法的未來發(fā)展方向。包括算法性能的進一步提升、數(shù)據(jù)集的擴充和優(yōu)化、與其他技術(shù)的結(jié)合等方面的展望，以期推動地線斷股檢測方法在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展。

綜上所述，輸電線路的發(fā)展和狀態(tài)對電力供應(yīng)系統(tǒng)有著重要的作用，由此在電力系統(tǒng)的運行發(fā)展過程中，尤其應(yīng)注重輸電線路的狀態(tài)，通過定期檢驗實現(xiàn)建立良好的電力檢查和維修體系。通過對輸電線路運行中的故障進行細(xì)致的分析，從而建立了有針對性的防范措施和體系，從而能有效推動輸電線路的持續(xù)運行和有效發(fā)展。本文進行總結(jié)、回顧研究的目標(biāo)和方法，總結(jié)研究成果和創(chuàng)新點，并對未來的研究方向進行展望。強調(diào)基于SSD 的輸電線路地線斷股檢測方法的重要性和應(yīng)用前景，為電力系統(tǒng)的安全運行提供技術(shù)支持[4]。