采用X射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法、系统及介质与流程

本发明涉及电缆缓冲层缺陷检测技术，具体涉及一种采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法、系统及介质。

背景技术：

电缆缓冲层缺陷是近几年发现的一种新型电缆缺陷。国网公司2019年就高压电缆阻水缓冲层烧蚀原因及预防措施召开了专题研讨，会议纪要通报了2016年至2019年国网公司范围内共发生电缆阻水缓冲层烧蚀故障24次，其中线路切接时发现电缆阻水缓冲层烧蚀缺陷9次。另据公开资料，南方电网公司在2018年关于高压电缆缓冲层材料隐患交流材料中披露了广东电网和澳门琴莲甲乙线(澳电段)多次出现电缆阻水缓冲层烧蚀缺陷，澳大利亚某230kv电缆先后发出3次同类型缺陷。

电缆缓冲层缺陷是在电缆铝护套和半导电缓冲层之间产生的一种电化学腐蚀，在长时间的运行电压作用下，缓冲层缺陷会逐渐发展、烧蚀、贯穿电缆半导电层，严重的直接损伤电缆主绝缘，最终导致电缆主绝缘击穿，从而发生击穿放电故障。从国网公司关于高压电缆阻水缓冲层烧蚀原因及预防措施专题研讨会纪要的通报和南网公司交流材料讨论的情况来看，现有常用高压电缆带电检测和在线监测手段难以有效检测此类缺陷。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法、系统及介质，本发明在对电缆缓冲层缺陷处的白色粉末物质进行了理化分析的基础上，针对电缆缓冲层缺陷(白色粉末物质)的特殊性，采用x射线数字影像特征来进行特征识别，能够实现对电缆x射线数字影像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆缺陷的检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆的安全运维水平。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法，该方法包括：

1)输入电缆的x射线数字影像；

2)将x射线数字影像进行预处理；

3)在预处理后的x射线数字影像中找出电缆缓冲层区域中灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过预设阈值的显著灰度差异点；

4)将显著灰度差异点的形态特征与缺陷库中预设的形态特征图谱进行对比，如果存在匹配的形态特征图谱，则判定该显著灰度差异点为缺陷点。

可选地，步骤2)的详细步骤包括：

2.1)将x射线数字影像进行整体对比度调节使得不同材料成分的灰度差异扩大；

2.2)将x射线数字影像进行边缘锐化处理；

2.3)将x射线数字影像中的灰阶压缩至人眼能够识别的灰度范围内。

3.根据权利要求2所述的采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法，其特征在于，步骤2.1)中进行整体对比度调节具体是指将x射线数字影像的对比度调节至100。

可选地，步骤2.2)中将x射线数字影像进行边缘锐化处理具体是指分别采用二阶差分算子和一阶差分算子提取x射线数字影像的边缘图像，然后将提取得到的边缘图像加到x射线数字影像上以增强边缘。

可选地，步骤2.3)中将x射线数字影像中的灰阶压缩至人眼能够识别的灰度范围内具体是指将x射线数字影像中的灰阶压缩至8以内。

可选地，所述将x射线数字影像中的灰阶压缩至8以内的详细步骤包括：

s1)输入步骤2.2)处理后得到的x射线数字影像，记为i(x,y)，对x射线数字影像i(x,y)用离散小波变换处理得到用于表示x射线数字影像i(x,y)的压缩程度的参数的稀疏系数g；选择2d-slmm混沌系统，向2d-slmm系统赋予两个初始值x0和y0，通过2d-slmm系统输出一个随机序列x＝[x1,x2,...xn]，y＝[y1,y2,...yn]，将随机序列x设为循环矩阵q的首行，采用下式迭代得到循环矩阵q：

上式中，q为循环矩阵，q(i,1)为矩阵第i行，第1列，q(i,2:n)为矩阵第i行，第2至n列，α为迭代稀疏系数(α>1)，q(i-1,n)为矩阵第i-1行，第n列，q(i-1,n-1)为矩阵第i-1行，第n-1列，n为矩阵行数，矩阵列数m取值n/2；

s2)采用循环矩阵q作为测量矩阵，对稀疏系数g进行测量得到测量值b，b＝qg，测量值b是一个大小为(n，n/2)的矩阵；将两个测量值b利用图像组合技术重新拼接成一幅大小为n×n的中间图像d；

s3)采用arnold变换对中间图像d进行重构处理，得到灰阶压缩至8以内的x射线数字影像；

上式中，m'和n'分别为arnold变换后的图像其中任意一个像素点位置，m和n分别为中间图像d其中任意一个像素点位置，n为图像宽度，mod为取模运算。

可选地，步骤3)中灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过预设阈值具体是指灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过2000，且该差异小于4000，灰度值的取值范围为0～65535。

可选地，步骤4)中显著灰度差异点的形态特征具体是指电缆缓冲层区域中缺陷点区域的灰度图像。

此外，本发明还提供一种采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的步骤，或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行所述采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明在对电缆缓冲层缺陷处的白色粉末物质进行了理化分析的基础上，针对电缆缓冲层缺陷(白色粉末物质)的特殊性，采用x射线数字影像特征来进行特征识别，能够实现对电缆x射线数字影像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆缺陷的检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆的安全运维水平。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例方法的详细流程示意图。

图3为本发明实施例中输入的原始的x射线数字影像。

图4为本发明实施例中进行整体对比度调节后的x射线数字影像。

图5为本发明实施例中进行边缘锐化后的x射线数字影像。

图6为本发明实施例中进行提升人眼灰度识别后的x射线数字影像。

图7为本发明实施例中进行灰度对比的x射线数字影像。

具体实施方式

本发明采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法、系统及介质是建立在对电缆缓冲层缺陷处的白色粉末物质进行了理化分析的基础上的。大量的具有缓冲层缺陷的电缆解体试验表明，在具有阻水结构的电缆缓冲层、铝护套和绝缘屏蔽层中，缺陷处有大量白色粉末状物质。白色粉末贯穿整个缓冲层，直接到达绝缘屏蔽层，严重的贯穿绝缘屏蔽层，直接损伤绝缘。在长时间的运行电压作用下，缓冲层的缺陷发展成为故障隐患点，最终导致电缆主绝缘击穿，烧蚀电缆缓冲层，并发生单相接地故障。通过红外图谱检测，该白色粉末状物质含有钠、铝等金属元素。

电缆用半导电阻水带中阻水粉主要成分是低交联型聚丙烯酸钠盐，具有很强的吸水性。当半导电阻水带由于施工工艺、现场安装问题吸收水分受潮后，阻水粉形成游离的oh^-和na⁺离子，当oh^-离子吸收了空气中的co2后发生下述化学反应：

co2少量时：co2+2oh^-＝co3^2-+h2o、co3^2-+2na⁺＝na2co3；

co2过量时：co2+oh^-＝hco3^-、hco3^-+na⁺＝nahco3；

碳酸钠(na2co3)或碳酸氢钠(nahco3)均为白色粉末晶体，因此，白色粉末中的钠元素以碳酸钠或碳酸氢钠的形式存在。

阻水粉形成游离的oh^-离子，在铝护套的波谷内侧与缓冲层接触，oh^-离子和铝发生化学反应，产生偏铝酸根离子alo2^-，化学反应方程式如下：

2al+2oh^-+2h2o＝2alo2^-+3h2

偏铝酸根离子alo2^-与阻水粉中的na⁺离子形成偏铝酸钠na2alo2，反应生成的偏铝酸钠na2alo2，极易溶于水，且吸收空气中的co2发生化学反应生成氢氧化铝al(oh)3：

co2少量时：alo2^-+co2+2h2o＝al(oh)3+hco3^-；

co2过量时：2alo2^-+co2+3h2o＝2al(oh)3+co3^2-；

生成的氢氧化铝al(oh)3反应生成氧化铝al2o3，化学反应方程式如下：

2al(oh)3＝al2o3+3h2o

因此，白色粉末的主要成分是碳酸钠(na2co3)、碳酸氢钠(nahco3)和氧化铝al2o3晶体。电缆芯线采用的是铜质导体(密度：8.5-8.9(g/cm3))，对x射线吸收能力最强，影像上显示灰度值最高；电缆缓冲层缺陷是由于电化学腐蚀产生的含金属元素(na⁺离子、al⁺离子，密度3.5g/cm³-3.9g/cm³)的物质，对x射线吸收能力次之，影像上显示灰度值较高；电缆铝护套(密度2.6-2.7(g/cm3))对x射线吸收能力第三，对x射线吸收能力次之，影像上显示灰度值第三；而电缆主绝缘一般为交联聚乙烯材料(密度0.9-0.97(g/cm3))对x射线吸收能力最弱，影像上显示灰度值最低。由此可见，主要成分是碳酸钠(na2co3)、碳酸氢钠(nahco3)和氧化铝al2o3晶体的白色粉末，由于其与对x射线吸收能力能够与电缆芯线的现有材料能够区分，因此可基于x射线数字影像实现识别电缆缓冲层缺陷。

如图1所示，本实施例采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法包括：

1)输入电缆的x射线数字影像；

2)将x射线数字影像进行预处理；

3)在预处理后的x射线数字影像中找出电缆缓冲层区域中灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过预设阈值的显著灰度差异点；

4)将显著灰度差异点的形态特征与缺陷库中预设的形态特征图谱进行对比，如果存在匹配的形态特征图谱，则判定该显著灰度差异点为缺陷点。

其中，步骤1)输入的电缆的x射线数字影像既可以采用现场成像的方式，也可以根据需要采用其他获取x射线数字影像的方式，x射线数字影像的获取方式并不构成对本实施例采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的限制。

步骤2)将x射线数字影像进行预处理的目的在于提高识别电缆缓冲层缺陷的精度，参见图2，本实施例中步骤2)的详细步骤包括：

2.1)将x射线数字影像进行整体对比度调节使得不同材料成分的灰度差异扩大，通过上述方式，能够有效增大电缆导体、主绝缘、铝护套和缓冲层缺陷之间的灰度差异，便于更好地识别电缆缓冲层缺陷；本实施例中，输入的原始的x射线数字影像如图3所示，进行整体对比度调节后的x射线数字影像如图4所示；

2.2)将x射线数字影像进行边缘锐化处理，从而能够加强灰度影像边缘对比度，使图像在视觉上，灰度影像的边界更加清晰；本实施例中，进行边缘锐化处理后的x射线数字影像如图5所示；

2.3)将x射线数字影像中的灰阶压缩至人眼能够识别的灰度范围内，将灰度影像的灰度值范围压缩至人眼能够识别的灰度范围内，去掉影像中的冗余成分，使影像灰度值更集中于人眼的识别范围内，有利于提高识别电缆缓冲层缺陷的精度。本实施例中，通过该步骤提升人眼灰度识别后的x射线数字影像如图6所示；

作为一种可选的实施方式，本实施例中步骤2.1)中进行整体对比度调节具体是指将x射线数字影像的对比度调节至100，经验证，能够有效增大电缆导体、主绝缘、缓冲层和缺陷之间的灰度差异，便于更好地识别。毫无疑问，该对比度可以根据实际需要进行调整。

作为一种可选的实施方式，本实施例中步骤2.2)中将x射线数字影像进行边缘锐化处理具体是指分别采用二阶差分算子和一阶差分算子提取x射线数字影像的边缘图像，然后将提取得到的边缘图像加到x射线数字影像上以增强边缘。本实施例中使用二阶差分算子和一阶差分算子组合形式，提取图像边缘图像，并将边缘图像加到源图像上，实现增强边缘的功能。二阶差分算子能够提取更细致的纹理，但是容易引入噪声；一阶差分算子只能够更好地提取较强的边缘纹理，噪声幅度相对较小，结合二者的优点，用一阶差分的结果区筛选二阶差分的结果，在抑制噪声的同时获得较强的边缘锐化效果。

人眼在通常的室内环境中贯彻灰度影像时，对黑白灰的分辨力具有一定的范围，人眼能识别的灰阶为8，而原始的电缆x射线数字影像灰阶一般为14或16。因此，本实施例步骤2.3)将灰度影像的灰度值范围压缩至人眼能够识别的灰度范围内，去掉影像中的冗余成分，使影像灰度值更集中于人眼的识别范围内。本实施例步骤2.3)中将x射线数字影像中的灰阶压缩至人眼能够识别的灰度范围内具体是指将x射线数字影像中的灰阶压缩至8以内。

作为一种可选的实施方式，本实施例中将x射线数字影像中的灰阶压缩至8以内采用了压缩感知原理对图像实施稀疏变换和投影测量的方法，该方法的目的在于通过图像深度处理后，缺陷处与周围图像相差灰阶增大，以便于清晰识别。本实施例中，将x射线数字影像中的灰阶压缩至8以内的详细步骤包括：

s1)输入步骤2.2)处理后得到的x射线数字影像，记为i(x,y)，对x射线数字影像i(x,y)用离散小波变换处理得到用于表示x射线数字影像i(x,y)的压缩程度的参数的稀疏系数g；选择2d-slmm混沌系统，向2d-slmm系统赋予两个初始值x0和y0，通过2d-slmm系统输出一个随机序列x＝[x1,x2,...xn]，y＝[y1,y2,...yn]，将随机序列x设为循环矩阵q的首行，采用下式迭代得到循环矩阵q：

上式中，q为循环矩阵，q(i,1)为矩阵第i行，第1列，q(i,2:n)为矩阵第i行，第2至n列，α为迭代稀疏系数(α>1)，q(i-1,n)为矩阵第i-1行，第n列，q(i-1,n-1)为矩阵第i-1行，第n-1列，n为矩阵行数，矩阵列数m取值n/2；

s2)采用循环矩阵q作为测量矩阵，对稀疏系数g进行测量得到测量值b，b＝qg，测量值b是一个大小为(n，n/2)的矩阵；将两个测量值b利用图像组合技术重新拼接成一幅大小为n×n的中间图像d；

s3)采用arnold变换对中间图像d进行重构处理，得到灰阶压缩至8以内的x射线数字影像；

上式中，m'和n'分别为arnold变换后的图像其中任意一个像素点位置，m和n分别为中间图像d其中任意一个像素点位置，n为图像宽度，mod为取模运算。

通过上述步骤s1)～s3)将x射线数字影像中的灰阶压缩至8以内的步骤，一方面可以将x射线数字影像中的灰阶压缩至人眼能够识别的灰度范围内，另一方面还可以使得缺陷点处与周围图像相差灰阶增大，以利于清晰识别。

本实施例中选择2d-slmm混沌系统迭代生成循环矩阵q所需的随机序列x，给定2d-slmm系统的两个初始值x0和y0，会输出一个随机序列x＝[x1,x2,...xn]，y＝[y1,y2,...yn]。2d-slmm混沌系统是由1dlogisticmap混沌和正弦系统两个一维混沌系统交换联合成的二维混沌系统，2d-slmm混沌系统的函数表达式为：

上式中，μ和β分别为不同的控制参数，yi为经过迭代后产生的第i列，yi+1为经过迭代后产生的的第i+1列，xi+1为经过迭代后产生的第i+1行，xi为经过迭代后产生的第i行；当xi的初始值x0满足0<x0<1、yi的初始值y0满足0<y0<1、控制参数μ和β满足0<μ<1，0<β<1时，2d-slmm混沌系统进入混沌状态，xi+1和yi+1是2d-slmm混沌系统的输出值。压缩感知处理图像时，需要用测量矩阵对稀疏系数进行测量，测量矩阵的选择对图像的重构质量有关键影响。对一个大小为n×m的随机行循环矩阵q，可以用一个长度为n的随机序列x循环迭代产生，将随机序列x设为循环矩阵q的首行，即q(1，：)＝x，采用迭代可以得到循环矩阵q。

经过测试发现，电缆在结构上具有均匀分布的性质，横向上同一位置的各点在灰度值上差异很小，灰度值差异在200以内；一旦出现缺陷，缺陷点与横向同位置的灰度值差异大于2000。因此，参见图2，本实施例步骤3)中灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过预设阈值具体是指灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过2000，且该差异小于4000，灰度值的取值范围为0～65535。需要说明的是，灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异既可以是目标点和电缆缓冲层区域中其他位置的一个点的灰度值或者多个点的灰度值平均值之间的差异。本实施例中，采用横向(电缆长度方向)对比方式，对疑似缺陷点处的灰度值与横向同位置处的灰度值进行比较，如果有较大差异，则初步判定为缺陷点。例如图7中，a点的灰度值为19874、b点的灰度值为19420、c点的灰度值为22300，c点的灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过2000，因此判定c点为缺陷点；其中d点的灰度值为22485、e点的灰度值为19624、f点的灰度值为19214，d点的灰度值和电缆缓冲层区域中其他位置的灰度值差异超过2000，因此判定d点为缺陷点。

本实施例中，步骤4)中显著灰度差异点的形态特征具体是指电缆缓冲层区域中缺陷点区域的灰度图像。针对初步判定的缺陷点，将显著灰度差异点的形态特征与缺陷库中预设的形态特征图谱进行对比，如果存在匹配的形态特征图谱，则判定该显著灰度差异点为缺陷点。其中，缺陷库中预设了大量电缆阻水缓冲层缺陷点的形态特征图谱，能够方便地实现对显著灰度差异点(初步判定为缺陷点)的最终判定。此外，如果步骤4)中如果缺陷库中不存在匹配的形态特征图谱，但是通过解剖等手段确定该显著灰度差异点为缺陷点，则可将该显著灰度差异点的形态特征作为形态特征图谱加入缺陷库，以实现动态更新缺陷库的目的。

综上所述，本实施例方法在对电缆缓冲层缺陷处的白色粉末物质进行了理化分析的基础上，针对电缆缓冲层缺陷(白色粉末物质)的特殊性，采用x射线数字影像特征来进行特征识别，能够实现对电缆x射线数字影像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆缺陷的检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆的安全运维水平。

此外，本发明还提供一种采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的步骤，或者该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行前述采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机设备的存储器上存储有被编程或配置以执行前述采用x射线数字影像特征识别电缆缓冲层缺陷的方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

以上所述为本发明的完整实施情况。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。