杆塔倾斜智能图像在线监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了杆塔倾斜智能图像在线监测系统，属于智能电网技术领域。系统包括视频图像采集模块、水平垂直方向测量传感器、数据分析处理模块、通讯模块。利用视频图像采集模块采集杆塔视频或图像信息，利用水平垂直方向测量传感器采集的水平或垂直方向信息对杆塔图像进行角度矫正，数据分析处理模块计算杆塔轮廓几何中心线的倾斜角度即杆塔的倾斜角度，并通过三角法确定杆塔最终的合成倾斜角度，考虑风力影响，当倾斜角度或趋势超出安全范围时，自动进行预警或报警。本系统降低了杆塔倾斜监测的成本和劳动强度，具有结构简单、安装维护方便、精度高等优点，具有实时监测和自动预警报警功能，大大提高了杆塔倾斜监测的智能化程度。
【专利说明】
杆塔倾斜智能图像在线监测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种杆塔倾斜智能图像在线监测系统，属于智能电网技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着国民经济的快速发展，电力已经成为日常生活和工业生产中不可或缺的产 品，电力传输的稳定性对社会发展的影响也越来越大。杆塔作为电力传输系统重要的组成 部分，对电力传输的稳定性起着至关重要的作用。由于受到外力破坏、冰雪灾害破坏、塔基 土石松动破坏，杆塔容易发生塔体倾斜。若运行维护人员不能及时发现，将会造成杆塔的倾 倒，破坏电力传输的稳定性，严重影响社会经济的发展。
[0003] 目前，杆塔倾斜测量主要采用在杆塔上安装倾斜传感器采集数据，并通过电力载 波线对数据进行传输的方法，成本较高、容易损坏、安装维护不便。采用图像方法进行杆塔 倾斜测量的研究极少，如中国专利"一种关于高压输电线路杆塔倾斜的视频监测系统"（申 请号：201110385685.2)，该专利提出通过摄像机拍摄杆塔底部附近图像并通过无线模块将 图像数据传输给中心服务器，计算杆塔倾斜。但图像数据量大，造成传输困难、传输成本高， 也会造成中心服务器处理速度过慢，另外，没有结合摄像机垂直和水平方向信息对图像进 行处理，所得结果误差大，并且摄像机标定过程繁琐，求解摄像机内外参数的过程产生误差 大，严重影响杆塔倾斜测量的准确性，使误报几率增加。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种杆塔倾斜智能图像在线监测 系统，解决倾角传感器方法成本较高、容易损坏、安装维护不便等问题;利用智能图像处理 结合水平垂直方向测量传感器进行拍摄角度修正，解决图像处理进行杆塔倾斜测量误差 大、误报率高的问题。
[0005] 为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是： 所述系统包括视频图像采集模块（1 )、水平垂直方向测量传感器(2)、数据分析处理模 块(3)、通讯模块(4)。
[0006]视频图像采集模块（1)采集杆塔视频或图像信息，水平垂直方向测量传感器(2)采 集水平或垂直方向信息，数据分析处理模块(3)根据水平垂直方向测量传感器(2)测得的水 平或垂直信息计算出水平和垂直方向，对视频图像采集模块（1)采集的杆塔视频或图像信 息进行拍摄角度矫正；角度矫正是为了修正因视频图像采集模块（1)安装或拍摄时的偏差 造成的图像倾斜。
[0007]数据分析处理模块(3)对矫正后的视频图像进行分析处理，消除环境因素影响，提 取出杆塔的外轮廓信息，并据此确定杆塔的几何中心线，计算得到杆塔几何中心线在视频 图像中的倾斜角度，即获得杆塔的倾斜角度。视频图像的分析处理包括图像滤波降噪，图像 灰度化，图像二值化，图像形态学处理，边缘检测，Hough直线检测等。几何中心线是指图像 中杆塔轮廓顶部中点与底部中点的连线。
[0008] 数据分析处理模块(3)经通讯模块(4)将杆塔倾斜数据和预警报警信息发送给运 行人员或中心服务器(5)。
[0009] 水平垂直方向测量传感器(2)采用重力加速度传感器、陀螺仪或水平仪，当水平垂 直方向测量传感器(2)采集的是水平信息时，可以在图像中计算出垂直信息，当水平垂直方 向测量传感器(2)采集的是垂直信息时，可以在图像中计算出水平信息。
[0010] 所述系统设计为便携式结构(6)，由运行人员随身携带，现场工作时采用三角形测 量法，在与杆塔构成直角三角形的两个非直角顶点位置分别进行测量，将测得的两个杆塔 倾斜角度，根据测量位置与距离，进行矢量计算得到杆塔的实际倾斜角度。便携式结构可设 计为运行人员专用的便携式手持机，也可以是手机，可以将杆塔倾斜数据和预警报警信息 发送给中心服务器(5)。
[0011] 所述系统设计为固定式结构(7)，每个杆塔采用双机固定安装，且与杆塔构成三角 形布局，每个杆塔的对应双机之间利用通讯模块(4)交换数据，将测得的两个杆塔倾斜角 度，根据安装位置与距离，进行矢量计算得到杆塔的实际倾斜角度。由于单点测量只能得到 杆塔的一个方向的倾斜角度，而杆塔倾斜角度是二维的，因此采用固定式结构时系统采用 双机安装，与杆塔构成三角形布局。比较经典的布局是双机安装的位置与杆塔位置构成等 腰直角三角形，杆塔位于该三角形的直角顶点上。系统通过通讯模块(4)将杆塔倾斜数据和 预警报警信息发送给运行人员或中心服务器(5)，运行人员可以用普通手机以短信的方式 接收预警报警信息，发现问题及时处理。
[0012] 所述系统中，数据分析处理模块(3)计算得到杆塔的倾斜角度，若大于设定的安全 阈值则进行报警；同时进行杆塔的倾斜角度历史数据分析，得到杆塔倾斜角度变化趋势，若 一段时间内倾斜角度呈现逐渐增大或突然增大趋势时，进行预警。根据国家标准，GB 50233-2014《110~750kV架空电力线路施工及验收规范》要求，输电线路运行时杆塔倾斜率 不超过千分之三。
[0013]为了考虑风力的影响并避免误报，所述系统包括风速传感器(8)，数据分析处理模 块(3)实时计算杆塔的倾斜角变化数据，结合风速传感器(8)测得的风速数据，分析风力对 杆塔倾斜角的影响，并在所述的影响超过设定限值时进行预警;如果杆塔结构有缺陷或者 出现结构劣化，受风力影响较大，说明杆塔存在故障隐患。此外，在由于瞬时风力过大导致 的杆塔倾斜角瞬时超过设定的安全阈值时，关闭预警或报警，可以避免误报。
[0014] 与现有技术相比较，本发明具有如下优点： 采用智能图像进行杆塔倾斜的在线监测，具有成本低廉、结构简单、安装维护方便的特 点；结合水平垂直方向测量传感器进行视频图像矫正，减小了测量误差，提高了测量准确 性。
[0015] 实时监测杆塔的倾斜状况和趋势，同时考虑风力的影响，出现危险状况自动预警 或报警，及时通知运行维护人员进行维护和检修，大大降低因杆塔倾斜造成电力系统故障 的概率。
[0016]系统可以设计为固定式结构，固定安装在现场自动运行，不需要人工干预，降低运 行维护人员的工作量;也可以设计为便携式结构，操作安全、简单方便，受地形、环境因素影 响小;就地测量、就地计算、就地报警，降低运行成本，提高工作效率。
【附图说明】
[0017]图1:系统结构不意图。
[0018] 图2:固定式结构示意图。
[0019] 图3:便携式结构示意图。
[0020]图4:三角形测量法示意图 图中：1一视频图像采集模块、2-水平垂直方向测量传感器、3-数据分析处理模块、 4 一通讯模块、5-中心服务器、6-便携式结构、7-固定式结构、8-风速传感器。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步详细的说明： 如图1所示，杆塔倾斜智能图像在线监测系统包括视频图像采集模块（1)、水平垂直方 向测量传感器(2)、数据分析处理模块(3)、通讯模块(4)、风速传感器(8)。视频图像采集模 块(1) 一般可采用数码摄像机或者照相机，水平垂直方向测量传感器(2)采用重力加速度传 感器、陀螺仪或水平仪，可以实时测量杆塔垂直方向或水平方向信息，风速传感器(8)测量 实时风速，辅助进行杆塔倾斜角受风力影响的分析。
[0022]如图2所示，系统设计为固定式结构（7)，长期固定安装在现场，系统采用双机安 装，一个安装在顺着线路方向上，一个安装在垂直线路方向上，与杆塔构成等腰直角三角形 布局，杆塔位于该三角形的直角顶点上。视频图像采集模块(1)可以完整采集被监测杆塔视 频或图像信息，水平垂直方向测量传感器(2)采集水平或垂直方向信息，数据分析处理模块 (3)根据水平垂直方向测量传感器(2)传来的水平或垂直方向信息计算出水平和垂直方向， 然后对视频图像采集模块（1)传来的杆塔视频或图像信息进行角度矫正。设计为固定式结 构(7)，可以长期固定安装在现场自动运行，不需要人员干预也不受地形条件影响，大大降 低运行维护人员的工作量。角度矫正可以修正因视频图像采集设备安装偏差造成的图像倾 斜问题，提高杆塔倾斜测量的准确度。
[0023]如图2所示，数据分析处理模块(3)对矫正后的视频图像进行分析处理，消除环境 因素影响，提取出杆塔的外轮廓信息，并据此确定杆塔的几何中心线，分别计算顺着线路方 向和垂直线路方向杆塔几何中心线在图像中的倾斜角，再根据三角形测量法即可得杆塔实 际倾斜角度。对图像进行处理可以消除图像采集过程中产生的噪声，使图像质量更好，还可 以消除背景对杆塔轮廓提取的影响，使杆塔轮廓提取更容易实现。杆塔的几何中心线是指 图像中杆塔轮廓顶部中点与底部中点的连线，几何中心线的倾斜程度可以代表杆塔的倾斜 程度，因此计算出几何中心线的倾斜角度即可得到杆塔的倾斜角度。
[0024] 如图2所示，数据分析处理模块(3)计算得到杆塔的倾斜角度后，如果倾斜角度大 于设定的安全阈值则经由通讯模块(4)向运行人员或者中心服务器(5)进行报警;数据分析 处理模块(3)还进行杆塔的倾斜角度历史数据分析，得到杆塔倾斜角度变化趋势，若一段时 间内倾斜角度呈现逐渐增大或突然增大趋势时，则经由通讯模块(4)向运行人员或者中心 服务器(5)进行预警。为了运行人员能够及时获取预警或报警信息，可以为运行人员设计专 门的便携式手持机接收预警或报警信息，当然，手持机也可以用手机代替。
[0025] 如图2所示，数据分析处理模块(3)实时计算杆塔倾斜角变化数据，结合风速传感 器(8)测得的风速数据，分析风力对杆塔倾斜角的影响，并在所述的影响超过设定限值时进 行预警；如果杆塔结构有缺陷或者出现结构劣化，受风力影响较大，说明杆塔存在故障隐 患。此外，在由于瞬时风力过大导致的杆塔倾斜角瞬时超过设定的安全阈值时，关闭预警或 报警，可以避免误报。
[0026]如图3所示，系统设计为便携式结构(6)，由运行人员随身携带，现场分别采集被监 测杆塔顺线路方向和垂直线路方向的倾斜信息，并根据三角形测量法计算杆塔实际倾斜数 据，进行三角形法测量时，两个测量点与杆塔构成直角三角形，杆塔位于直角三角形的直角 顶点。将被监测杆塔的倾斜数据和报警信息发送给中心服务器(5)。系统设计可以为便携式 结构(6)是因为根据水平垂直测量传感器采集的水平或垂直方向信息可以修正因便携式结 构(6)旋转造成的杆塔图像倾斜，依然能保证测量的准确度。便携式结构(6)可以设计为运 行人员专用的便携式手持机，甚至是带有重力加速度传感器的智能手机，以方便运行人员 随身携带。
[0027]如图4所示，采用三角形测量法，进行矢量计算得到杆塔的实际倾斜角度的原理 是:假设顺线路方向为X轴方向，垂直线路方向为Y轴方向。杆塔几何中心线在Χ0Υ面上的投 影为Z，Z在X轴方向的投影为Zx，在Y轴方向上的投影为，Z 2 2 2，则杆塔 几何中心线在顺线路方向上投影的倾角的余切cot ^ /"，在垂直线路方向上投影的 倾角的余切cot内/"，又杆塔实际倾角的余切为cot /"，因此可得杆塔的倾
[0028]以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神 和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 杆塔倾斜智能图像在线监测系统，其特征在于：系统包括视频图像采集模块（1)、水 平垂直方向测量传感器(2)、数据分析处理模块(3)、通讯模块(4); 视频图像采集模块（1)采集杆塔视频或图像信息，水平垂直方向测量传感器(2)采集水 平或垂直方向信息，数据分析处理模块(3 )根据水平垂直方向测量传感器(2 )测得的水平或 垂直信息计算出水平和垂直方向，对视频图像采集模块（1)采集的杆塔视频或图像信息进 行拍摄角度矫正； 数据分析处理模块(3)对矫正后的视频图像进行分析处理，消除环境因素影响，提取出 杆塔的外轮廓信息，并据此确定杆塔的几何中心线，计算得到杆塔几何中心线在视频图像 中的倾斜角度，即获得杆塔的倾斜角度； 数据分析处理模块(3)经通讯模块(4)将杆塔倾斜数据和预警报警信息发送给运行人 员或中心服务器(5)。2. 根据权利要求1所述的杆塔倾斜智能图像在线监测系统，其特征在于:水平垂直方向 测量传感器(2)采用重力加速度传感器、陀螺仪或水平仪。3. 根据权利要求1所述的杆塔倾斜智能图像在线监测系统，其特征在于:系统设计为便 携式结构(6)，由运行人员随身携带，现场工作时采用三角形测量法，在与杆塔构成三角形 的两个顶点位置分别进行测量，将测得的两个杆塔倾斜角度，根据测量位置与距离，进行矢 量计算得到杆塔的实际倾斜角度。4. 根据权利要求1所述的杆塔倾斜智能图像在线监测系统，其特征在于:系统设计为固 定式结构(7)，每个杆塔采用双机固定安装，且与杆塔构成三角形布局，每个杆塔的对应双 机之间利用通讯模块(4)交换数据，将测得的两个杆塔倾斜角度，根据安装位置与距离，进 行矢量计算得到杆塔的实际倾斜角度。5. 根据权利要求1所述的杆塔倾斜智能图像在线监测系统，其特征在于:数据分析处理 模块(3)计算得到杆塔的实际倾斜角度，若大于设定的安全阈值则进行报警；同时进行杆塔 的倾斜角度历史数据分析，得到杆塔倾斜角度变化趋势，若一段时间内倾斜角度呈现逐渐 增大或突然增大趋势时，进行预警。6. 根据权利要求1所述的杆塔倾斜智能图像在线监测系统，其特征在于:系统包括风速 传感器(8)，数据分析处理模块(3)实时计算杆塔倾斜角变化数据，结合风速传感器(8)测得 的风速数据，分析风力对杆塔倾斜角的影响，并在所述的影响超过设定限值时进行预警;同 时在由于瞬时风力过大导致的杆塔倾斜角瞬时超过设定的安全阈值时，关闭预警或报警。
【文档编号】G06T7/00GK106092049SQ201610661220
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月13日 公开号201610661220.8, CN 106092049 A, CN 106092049A, CN 201610661220, CN-A-106092049, CN106092049 A, CN106092049A, CN201610661220, CN201610661220.8
【发明人】周封, 范贝贝, 郝婷, 刘小可, 崔博闻, 李隆, 王晨光, 孙卿
【申请人】哈尔滨理工大学, 周封