一种绝缘子破损检测方法与流程

本发明涉及输电安全检测技术，尤其涉及高铁接触网的绝缘子破损检测方法。

背景技术：

随着高速铁路运输技术的进一步发展及其广泛应用，高铁接触网作为向机车提供电能的重要设施，其是否处于安全的工作状态也越来越受到关注。为保证接触网处于良好工作状态，以利于电气化铁道的安全运营，应尽早发现并处理接触网故障。高铁接触网绝缘子在挂网后，由于受到机电负荷，风吹雨淋等环境因素的影响，导致绝缘子的机电性能下降，常常会发生绝缘子积污闪络、开裂破损等缺陷，从而引起线路故障，对高速铁路的安全运营有很大影响，目前对于高铁线路上的绝缘子检测主要采用的是直接观察法，这种人工巡检的维护方式存在着很多很多弊端，例如人为因素的不确定性，这种非受控的方式可能使得隐患不能被及时发现，容易引起线路事故的发生；另外，人工巡检的维护方式需要更多的费用，而且需要更多的时间。

目前，挂网绝缘子运行状况的检测方法有：(1)用短路叉、火花间隙放电叉或绝缘子串电压分析仪等人工登杆塔方法。这种传统的绝缘子检测方法不仅劳动强度大、安全性差、效率低，而且受电磁干扰等原因，易造成误检或漏检。(2)采用红外热成像技术的无损非接触检测。故障绝缘子与正常绝缘子的表面热场分布不同，根据被动红外成像中是否出现异常热像特征即可判断绝缘子是否出现故障。由于绝缘子红外热像受绝缘子表面发射率、绝缘子负荷等级、检测距离、大气吸收、天气和红外检测仪器等多种因素的影响，其探测精度和准确性有待进一步提高。(3)超声技术。将超声波以一定角度照射绝缘子，引起绝缘子产生微弱振动，由于破损绝缘子的振动特性有别于完好绝缘子，通过分析接收到的绝缘子超声回波的特征，即可判断瓷体是否存在裂纹和绝缘子不同材料的结合状态。通常使用带电操作杆将超声换能器 接近待检绝缘子。此种方法工作效率低，安全性差。

参考专利文献：

专利文献1：一种绝缘子图像缺陷检测方法，申请日：2014年4月5日，申请号/专利号：201410136596.8，公开号：cn103886610a

专利文献2：基于图像识别的绝缘子缺陷识别方法，申请日：2013年12月3日，申请号/专利号：201310642444.0，公开号：cn103605981a

专利文献1描述了一种绝缘子图像缺陷检测方法，主要是通过直升机巡检的方式获取输电线路的彩色绝缘子图像，其主要是利用彩色图像中绝缘子的颜色呈现聚类的特性，通过在lab颜色空间中利用k均值聚类算法将绝缘子从复杂的背景图像中初步分割出来；然后利用绝缘子在图像形成的长条对称特性，采用基于主成分分析的连通区域判决方法定位出绝缘子的具体位置；在此基础上，通过统计分析绝缘子相邻盘片之间的距离识别出绝缘子缺陷区域。专利文献1获取的是彩色图像，因此在图像处理上较为复杂，相应地，缺陷判定的方法也较为繁复。

专利文献2描述了一种基于图像识别的绝缘子缺陷识别方法，包括：对采集的包含绝缘子串的图片进行图像处理，得到每条绝缘子串的中心直线；以中心直线为参考线，以像素为单位，沿着参考线遍历绝缘子串的二值图像，每遇到一个参考线的垂线的像素点个数先增长后缩减的参考区域，且该参考区域内像素点最多的垂线到参考线的垂线距离大于平均值，则求取该区域内像素点最多的垂线在参考线上的坐标；计算每相邻两个坐标点的距离，如果某两个相邻坐标点之间的距离大于参考距离的1.7倍，那么该处有绝缘子缺失，否则该处绝缘子完整。专利文献2描述的方法主要用于高压输电线路上的绝缘子，而且对于缺陷绝缘子片成像在绝缘子中间而非边缘部分时可能无法有效检出。

绝缘子视觉检测是一种非接触检测方法，它利用ccd摄像机获取待检测瓷绝缘子的一幅或多幅图像，通过图像分析与处理，判断瓷绝缘子外表破损和表面积污程度，为挂网瓷绝缘子破损检测提供了一种新的手段。

高铁接触网的绝缘子的检测在实际应用中，主要还是靠人工查验法。主要有两个方面：一方面是通过人工上线登杆作业；另一方面是通过摄像机拍摄绝缘子图，然后人工看图，找缺陷。这样的方法无疑作业周期长，且受专业人员素质的影响较大。

因此，研究一种既快速又高效的非接触式绝缘子缺损检测方法对高速铁路的安全运营有着很重要的意义。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于图像的高铁接触网绝缘子破损检测方法，利用绝缘子边缘轮廓特征以及绝缘子片状特征进行破损检测，并从正反两面同时检测。

本发明通过安装在检测车车顶的室外图像采集设备实时采集所运行线路中的每个接触网定位装置的绝缘子正反面的高清图像，并对这些获取的图像进行实时在线分析处理，自动对每幅图片进行检测，对于有缺陷的图片给出缺陷预警信息，以此指导接触网绝缘子的维护工作。

本发明提供一种绝缘子破损检测方法，包括：获得绝缘子外观图像；对获得的绝缘子外观图像进行预处理，以得到待测绝缘子图像；将待测绝缘子图像分为绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域以及绝缘子中间区域；对绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域通过形态学方法进行分割，计算分割后每个小区域的连通性；比较绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的各个连通区域；检测绝缘子中间区域的绝缘子边缘；如果在比较绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的各个连通区域的过程中以及在检测绝缘子中间区域的绝缘子边缘的过程中发现异常，则判断绝缘子在相应区域的相应位置存在破损。

在本发明的方法中，通过摄像机抓拍同一绝缘子的正反两面的外观图像。对获得的正面绝缘子外观图像进行预处理，以得到待测绝缘子图像；对获得 的反面绝缘子外观图像进行轴向旋转使得图像反转，然后进行与正面绝缘子外观图像相同的预处理，以得到待测绝缘子图像。

在本发明的方法中，从获得的绝缘子外观图像中提取绝缘子区域图像；将绝缘子区域图像进行二值化以得到二值化图像；根据二值化图像，利用形态学方法得到绝缘子二值图；通过仿射变换使得绝缘子二值图处于水平位置；将绝缘子二值图大小归一化为固定值以得到待测绝缘子图像。

在本发明的方法中，计算绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的连通区域的个数；比较绝缘子轮廓上区域中的连通区域的个数与绝缘子轮廓下区域中的连通区域的个数。如果绝缘子轮廓上区域中的连通区域的个数与绝缘子轮廓下区域中的连通区域的个数不相等，则绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域二者中连通区域的个数较少的一个区域中存在破损。

在本发明的方法中，计算绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的各个连通区域的属性特征及特征均值；将各个连通区域的属性特征与特征均值进行比较；对于比较结果为差值超出阈值的连通区域，判断该连通区域中存在破损。

优选地，所述的连通区域的属性特征是以下特征之一：连通区域的面积、连通区域的高度、连通区域的宽度。

在本发明的方法中，检测绝缘子中间区域的绝缘子边缘可以包括：提取绝缘子边缘轮廓特征，以确定各个边缘位置；计算相邻的每两个边缘位置之间的距离；比较相邻的每两个边缘位置之间的距离；如果上述距离不相等且差值超过阈值，则判断距离较大的两个边缘位置之一存在破损。

优选地，所述绝缘子可以是高铁接触网的绝缘子或高压输电线中的绝缘子串。

优选地，当判断绝缘子在相应区域的相应位置存在破损时，给出预警信 息。

本发明所涉及的高铁接触网绝缘子缺损检测方法主要是通过对夜间检测车载图像设备抓拍所得黑白图像进行处理，由于是夜间拍摄图像，背景相对较为简单，所以只需要利用绝缘子的特征进行绝缘子的精确定位而无须更多繁复的处理，最后在缺损的判定方面则利用了绝缘子边缘轮廓特征以及绝缘子片状特征进行破损检测的方法。因此，本发明与专利文献1所利用的拍图设备不同，图像处理方法也不同，最后的缺陷判定方法也不同。

本发明利用旋转校正后使用绝缘子边缘轮廓特征以及绝缘子片状特征进行破损检测的方法，这与专利文献2不同，并且专利文献2描述的方法可能对于缺陷绝缘子片成像在绝缘子中间而非边缘部分时无法有效检出，而本发明则可以对图像中绝缘子边缘和中间区域的缺陷都能有效检出。另外专利文献2描述的绝缘子主要是高压输电线路上的，不一定适用于高铁接触网。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明为非接触式的智能图像检测模式，节省人力；

2、本发明通过正反面同时检测，检测区域无死角；

3、本发明不但可以检测图像中的绝缘子外边缘是否破损，而且可以对图像中间的每个绝缘子片都做了检测，真正做到了全面检测。

本发明采用非接触式的智能图像检测技术，不仅能够更及时的发现缺陷，并且节省了大量的人力，对于高铁的安全运行有着重要意义。

附图说明

下面参考附图结合实施例说明本发明。在附图中：

图1是通过摄像机采集到的正面绝缘子图像的示例；

图2是通过摄像机采集到的反面绝缘子图像的示例；

图3是通过摄像机采集到的绝缘子初始图像的示例；

图4是对待测绝缘子图像进行检测区域划分的示意图；

图5是根据本发明的绝缘子破损检测方法的流程图；

图6是根据本发明的实施例的处理绝缘子正反面图像的方法的流程图；

图7是根据本发明的实施例的对获得的绝缘子外观图像进行预处理的方法的流程图；

图8是根据本发明的一个实施例的检测绝缘子轮廓上区域和下区域中的破损的方法的流程图；

图9是根据本发明的另一实施例的检测绝缘子轮廓上区域和下区域中的破损的方法的流程图；

图10是根据本发明的实施例的检测绝缘子中间区域的破损的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合具体应用来描述本发明的实施例。

本发明首先通过安装在检测车顶部的摄像机抓拍得到同一绝缘子的正反两面的黑白图像。图1是通过摄像机采集到的正面绝缘子图像的示例。图2是通过摄像机采集到的反面绝缘子图像的示例。从图中可以看出，绝缘子在其正反面图像中，在形态上并无太大区别，因此可以适用相同或相似的检测方法。在上下文的描述中，尽管将图1所示的方向称为正面，将图2所示的方向称为反面，但本领域技术人员应该理解，这里的“正面”和“反面”是此情况或其他情况中是可以互换使用的，而不影响本发明的教导与范围。

图5是根据本发明的绝缘子破损检测方法500的流程图。图5的方法500开始于步骤s501，首先获得绝缘子外观图像。如上所述，通过安装在检测车顶部的摄像机抓拍得到同一绝缘子的正反两面的黑白图像。图3是通过摄像机采集到的绝缘子初始图像的示例。如图3所示，在圆圈所圈出的部分中可能存在破损。

根据本发明，对于正面图像采用以下的检测步骤。

在图5的步骤s503，对获得的绝缘子外观图像进行预处理，以得到待测绝缘子图像。在这一步骤中，所述的预处理如图7中所示。图7是根据本 发明的实施例的对获得的绝缘子外观图像进行预处理的方法700的流程图。根据图7，方法700包括如下步骤：在步骤s701，从获得的绝缘子外观图像中提取绝缘子区域图像；在步骤s703，将绝缘子区域图像进行二值化以得到二值化图像；在步骤s705，根据二值化图像，利用形态学方法得到绝缘子二值图；在步骤s707，通过仿射变换使得绝缘子二值图处于水平位置；在步骤s709，将绝缘子二值图大小归一化为固定值以得到待测绝缘子图像。

在一个实施例中，首先利用均值滤波等图像预处理手段突出感兴趣区域的特征，例如，处理后使得绝缘子区域的图像能够充满整个视图。然后，通过阈值法将绝缘子区域的图像二值化得到绝缘子所在区域的二值图像。在深夜进行的拍摄时，由于背景色为黑色而绝缘子本色为白色，因此使用这样的二值化图像就能简便地检测出绝缘子的破损来。接下来，利用形态学的闭运算，即先膨胀后腐蚀算法来去除目标内所有空洞；再利用形态学的开运算，即先腐蚀后膨胀算法得到绝缘子的二值化图像，即精确定位了的绝缘子二值图。此时得到的绝缘子二值图已经被精确地定位于处理图像中，但由于拍摄角度的限制，这样的二值图并非绝缘子的平视图，而是带有一定垂直仰角和/或一定水平方位角的视图。所以接下来，计算此时绝缘子所在区域的长轴与水平线之间的夹角，然后应用上述夹角完成仿射变换，从而使得绝缘子图处于水平位置。最后，归一化绝缘子区域中绝缘子的图像的大小为固定值，以便后续的统一模块化处理。以上的图像预处理的过程，还将在下文的具体实施例中被再次详细描述。

在步骤s505，将待测绝缘子图像分为绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域以及绝缘子中间区域。图4是对待测绝缘子图像进行检测区域划分的示意图。本领域技术人员应该明白，图4中的图像并非待测绝缘子图像，因为其并非完全的二值图像，申请人只是在其上做出区域划分，以示意如何对待测绝缘子图像进行划分。根据图4的示意，将图像中绝缘子的轮廓区域分为上区域和下区域，对这两个区域可以进行相同或相似的图像检测处理。另一方面，划分了绝缘子轮廓上区域和下区域之后，剩下的中间部分是图像中绝缘子的中间区域，对中间区域可以进行不同的图像检测处理。也就是说，将绝缘子分为三个矩形检测区域，即上、中、下三个区域。其中，上和下区 域分别用来检测绝缘子的轮廓区域是否有缺损，而中间区域主要用来检测各绝缘子片的轮廓是否有破损。

回到图5，在步骤s507，对绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域通过形态学方法进行分割，计算分割后每个小区域的连通性。

接下来，在步骤509，比较绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的各个连通区域。

如果在比较绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的各个连通区域的过程中发现异常，即步骤s513的结果为“有”，则在步骤s515判断绝缘子在相应区域的相应位置存在破损。在判断出存在破损的情况下，方法500可以结束；可替换地或者附加地，当判断绝缘子在相应区域的相应位置存在破损时，给出预警信息。

具体地，图8是根据本发明的一个实施例的检测绝缘子轮廓上区域和下区域中的破损的方法800的流程图。

图8的方法800承接于图5的步骤s507，即对绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域通过形态学方法进行分割，计算分割后每个小区域的连通性。在图8的步骤s801，计算绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的连通区域的个数。在步骤s803，比较绝缘子轮廓上区域中的连通区域的个数与绝缘子轮廓下区域中的连通区域的个数。如果绝缘子轮廓上区域中的连通区域的个数与绝缘子轮廓下区域中的连通区域的个数不相等，即图8中的步骤s805的结果为“否”，则绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域二者中连通区域的个数较少的一个区域中肯定存在破损。在此情况下，可以给出预警。否则，即步骤s805的结果为“是”，则方法800继续，即不能判断存在破损。

为了进一步检测出破损的具体位置，可以使用本发明的另一实施例来对上区域和下区域中的连通区域进行更细的检测。

图9是根据本发明的另一实施例的检测绝缘子轮廓上区域和下区域中的破损的方法900的流程图。

图9的方法900可以承接于图5的步骤s507；另一方面，如上所述，也可以承接于图8的方法800。在图9的步骤s901，计算绝缘子轮廓上区域和绝缘子轮廓下区域中的各个连通区域的属性特征及特征均值。所述的连通区域的属性特征可以是连通区域的面积、连通区域的高度或连通区域的宽度，或者上述特征的组合。在步骤s903，将各个连通区域的属性特征与特征均值进行比较。如果比较结果为某个连通区域的属性特征与特征均值的差值超出预先确定的阈值，即步骤s905的结果为“是”，则在步骤s907判断该连通区域中存在破损。然后，方法900结束。在此情况下，可以给出预警。否则，即步骤s905的结果为“否”时，则方法900也结束，即不能判断存在破损。

另一方面，针对中间区域，回到图5，在步骤s511，检测绝缘子中间区域的绝缘子边缘。如果在检测绝缘子中间区域的绝缘子边缘的过程中发现异常，即步骤s513的结果为“有”，则在步骤s515判断绝缘子在相应区域的相应位置存在破损。在判断出存在破损的情况下，方法500可以结束；可替换地或者附加地，当判断绝缘子在相应区域的相应位置存在破损时，给出预警信息。

具体地，图10是根据本发明的实施例的检测绝缘子中间区域的破损的方法1000的流程图。

图10的方法1000是针对绝缘子中间区域的。在步骤s1001，检测中间区域中的边缘，提取符合绝缘子边缘轮廓特征的边缘及其位置属性，即提取绝缘子边缘轮廓特征，以确定各个边缘位置。接下来，在步骤s1003，计算相邻的每两个边缘位置之间的距离。在步骤s1005，比较相邻的每两个边缘位置之间的距离。提取到边缘的位置必须是等间隔排列的，若其中两两之间的间隔过大，则说明存在一处边缘异常情况。如图10所示，如果上述距离不相等且差值超过预先确定的阈值，即在步骤s1007的结果为“是”的情况下，则在步骤s1009判断距离较大的两个边缘位置之一存在破损。然后，方法 1000结束。在此情况下，可以给出预警。否则，即步骤s1007的结果为“否”时，则方法1000也结束，即不能判断存在破损。

回到图5，如果在针对上、下区域和中间区域的检测中都没有发现异常的话，即步骤s513的结果为“无”，则方法500可以结束。

对于反面图像，首先通过轴向反转的方法使得图像反转。反转后得到的图像可再利用上述方法检测绝缘子是否有破损边缘。

图6是根据本发明的实施例的处理绝缘子正反面图像的方法600的流程图。图6的方法600开始于步骤s601，即如最开始所述的通过摄像机抓拍同一绝缘子的正反两面的外观图像。对于绝缘子正面图，直接执行图5中的步骤s503-s515；对于绝缘子反面图，先进行轴向旋转使得反面图像反转，然后再执行图5中的步骤s503-s515。执行完步骤s503-s515之后，方法600即可结束。

例如，最后，对正反面检测结果做综合处理，若正反面有一面存在异常即报出缺陷信息，否则不报缺陷，至此结束检测。

以下将给出用于实现本发明的一个具体实施例的示例。

(一)首先，对正面绝缘子图像采用下述步骤：

(1)载入绝缘子正面图像，图像大小可以为2448*2048(单位为像素)；

(2)对原始图像进行二值化，阈值可以取为15；

(3)对二值化后的图像进行垂直投影，其中s为区域面积，r为c(x,y)中具有相同连通性的各个区域，即r∈c；

(4)找到最大投影值maxprojectionvalue所在的列，再裁剪得到绝缘子所在区域图像；

(5)再利用膨胀、腐蚀等形态学算法精细定位绝缘子图像；

(6)利用下述公式计算绝缘子所在区域的长轴与水平线之间的夹角；

区域的面积的归一化的矩：其中p≥0,q≥0；

其中心矩的计算为：其中p+q≥2；

区域方向角计算公式为：

(7)完成仿射变换，使得绝缘子轴向为水平位置，旋转矩阵为：

(8)归一化图像大小，使其均为w*h(单位为像素)；

(9)将该图像在高度方向分为三个检测区域，uproi、middleroi、downroi；

(10)对uproi做如下操作：通过形态学方法进行分割，计算分割后每个小区域的连通性，并计算得到在各感兴趣区域中的连通区域的个数numconnectup；

(11)对downroi做如下操作：通过形态学方法进行分割，计算分割后每个小区域的连通性，并计算得到在各感兴趣区域中的连通区域的个数numconnectdown；

(12)比较numconnectup是否与numconnectdown相等，若不相等，则是有异常存在，将isdefectexistzh赋值为1，跳出此面检测；否则继续下述步骤；

(13)对于middleroi的检测，则主要利用边缘检测算法，检测中间感兴趣区域中的边缘，并且提取符合绝缘子边缘轮廓特征的边缘及其位置属性，再通过提取到的边缘的属性计算此绝缘子是否存在破损，即提取到边缘的位置必须是等间隔排列的，若其中两两之间的间隔过大，则说明存在一处边缘异常情况，则将isdefectexistzh赋值为1。

(二)其次对反面绝缘子图像采用与上述正面绝缘子图像一样的步骤，若存在异常情况，将isdefectexistfan复制为1。

(三)最后，对于正面缺陷检测结果变量isdefectexistzh与反正缺陷检测结果变量isdefectexistfan的逻辑满足情况：isdefectexistzh＝1或者isdefectexistfan＝1则说明存在缺陷，即报出此接触网杆的缺陷信息。

本发明公开的所有方法除了个别步骤以外，均可以任何方式组合。而且，本发明中除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个而已。

另外，尽管在实施例中，本发明用于高铁接触网的绝缘子破损检测，但本发明也可用于高压输电线中绝缘子串的破损检测。

上面已经描述了本发明的实施方式及其具体应用和优选实施例。但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员将能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。