一种基于输电系统的侵入目标实时检测系统的制作方法

本发明涉及输电技术领域，具体涉及侵入目标实时检测系统。

背景技术：

我国输电线路沿线地质地貌复杂、环境多变，容易遭受异物侵入，侵入目标大致可分为三类，分别为：输电通道的鸟类活动、输电线路的漂浮物威胁以及输电线路的外力破坏。其中鸟害多位于戈壁、湖塘沼泽和生态湿地及自然保护区，给电力系统的安全稳定运行造成了极大的威胁。据统计，鸟类活动导致的高压输电线路跳闸断电仅次于雷击和外力破坏，占线路故障总数的第3位，且近年呈上升趋势。美国ieee(电气电子工程师学会)1990年调查报告显示，输电线路的故障约25％与鸟类有关。我国的青海、西藏、河南、江西等很多电力公司都有鸟害的报道，据统计青藏直流输电线路自2011年11月11日投运以来，截止到2017年的10月31日，共发生了100多次的线路跳闸事故，其中由于鸟害导致的跳闸次数占总次数94％。输电线路漂浮物主要体现在，输电线路周围的塑料大棚、薄膜、防尘网、广告牌、垃圾堆，在大风或者外力作用下，塑料、尼龙或者绳索等会缠绕到输电线路或杆塔上，另外在春、秋两季，输电线路周围的居民放风筝对线路安全运行也存在着极大的隐患，如：2017年3月，灵绍±800kv特高压直流线路双极闭锁事件，就是由于风筝线搭接在两极之间，在下雨天，产生极间放电所致。输电线路的外力破坏主要表现在，山区开山炸石导致炸伤绝缘子、炸断导线；线路经过的下方燃烧农作物或突发的山火，其火焰和浓烟导致线路破损；市政、民用工程挤占输电线路走廊，吊车或者自卸卡车误碰导致线路；还有些不法分子盗窃塔材、拉线等电力设施；以及在输电线路下钓鱼、违章施工等。

目前电力系统对输电通道侵入目标的检测主要还是采用主要采用人工巡检、直升机巡检、无人机巡检和固定监控四种方式。人工巡检主要依靠巡线工人使用望远镜对杆塔及关键部件进行人工观测，直升机巡检也是借助直升机为载体的人工巡检，无人机巡检和固定监控都是通过采集输电线路图片和视频信息后由人工观测或者采用图像处理技术进行处理。但上述方法也存在不足，如效率较低，劳动强度大；另外在我国很多地方线路通道的巡线十分困难，线路侵入目标具有很强的随机性，传统的方法巡线的间隔长，很难及时发现侵入目标；最后，常规巡检无法获取目标的空间位置、运动参数和几何尺度，难以高可靠地完成巡检任务。因此针对上述研究现状，开发设计一套输电通道侵入目标实时检测与测量的系统及方法具有非常重要的工程现实意义。

技术实现要素：

本发明所要解决目前的输电线路或设备检测大都基于线路或设备出现非正常工作状态或数据时才进行相应检测，从而存在的机动性滞后影响检修完成时间的问题。

一种基于输电系统的侵入目标实时检测系统，包括：双目同步图像序列采集模块、标定模块、感兴趣区域检测模块、目标检测模块、侵入目标报警模块；

所述双目同步图像序列采集模块，基于双目相机采集输电通道的图像；

所述标定模块，根据双目同步图像序列采集模块的两个相机的位置关系，标定获取两个相机各自的内外参数；

所述感兴趣区域检测模块，用于确定输电线路通道感兴趣区域；

所述目标检测模块，根据两个相机拍摄的图像中的保护目标位置，确定保护目标的空间三维坐标及监控区域中保护目标的空间三维坐标，确定侵入目标与保护目标的空间距离、运动速度及运动方向；

所述侵入目标报警模块，根据侵入目标相对保护目标的空间距离、运动方向和运动速度判断威胁等级，并发出相应的报警。

所述侵入目标报警模块的可以采用方式(1)或方式(2)判断威胁等级：

(1)所述侵入目标报警模块判断威胁等级的过程如下：

侵入目标报警模块对侵入目标的高度z0和安全限高h进行比较，对侵入目标与保护目标距离d和安全距离d进行比较，对侵入目标的速度v和安全速度v进行比较；同时对侵入目标的运动方向进行判断；

然后根据以下情况确定威胁等级并报警：

a、若侵入目标的高度z0≥安全限高h并且运动方向朝向保护目标，且侵入目标与保护目标距离d<安全距离d，则威胁等级标记为一级；

b、若侵入目标的高度z0≥安全限高h，运动方向与保护目标平行，且侵入目标与保护目标距离d≥安全距离d，则威胁等级标记为二级；

c、若侵入目标的速度v≥安全速度v，则威胁等级标记为二级；

d、若侵入目标的高度z0＜安全限高h，且与保护目标里面的电网距离d≤安全距离d，则威胁等级标记为二级；

e、其余情况标记为无威胁。

一级威胁等级所表示的危险程度高于二级威胁等级所表示的危险程度；同时满足两个及以上的条件，按危险程度高的来定。

(2)所述侵入目标报警模块包括保护目标安全区计算单元、侵入目标轨迹预测单元和判别报警单元；

所述保护目标安全区计算单元，提取保护目标轮廓的空间坐标，并在图像的三维空间坐标系中标记保护目标轮廓的最小外接球和最小外接球的空间坐标；如果保护目标为输电线路，首先将输电线路进行单元划分，分解成若干个单元，然后基于每个单元标出最小外接球及空间坐标，并将最小外接球进行有重叠空间的连接，形成一条沿着输电线路的圆柱体空间；

选取第一安全阈值w，在最小外接球外侧w距离的范围内作为第一安全空间，或者在圆柱体空间外侧w距离的范围内作为第一安全空间；

侵入目标轨迹预测单元，提取侵入目标轮廓的空间坐标，并在图像的三维空间坐标系中标记保护目标轮廓的最小外接球和最小外接球的空间坐标；根据当前及之前时刻侵入目标轨迹的运动轨迹和方向、利用神经网络模型估计出侵入目标的可能的运动轨迹，并实时更新估计运动轨迹；

判别报警单元，计算保护目标的最小外接球与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集；同时计算第一安全空间与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集；

如果保护目标的空间坐标的最小外接球与侵入目标的运动轨迹的空间坐标的交集不为空，则进行威胁等级最高级别报警；

如果保护目标的空间坐标的最小外接球与侵入目标的运动轨迹的空间坐标的交集为空，且第一安全空间与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集不为空，则进行威胁等级次高级别报警；

如果第一安全空间与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集为空，则判断为安全，不进行报警。

本发明具有以下有益效果：

利用本发明进行输电系统(输电线路检测或者输电设备检测)进行检测，能够在设备发生问题之间进行有效的监控，从而避免了现有的输电系统检测方案是对输电系统的状态信号进行检测导致的只能在在设备出现故障时或出现故障后才能检测到故障的问题。也就是说本发明能够根据检测设备进行有效的动态检测，快速对发生问题的设备或地点进行有效识别，从而事先做好排除故障的准备工作并在最快的时间内到达故障设备的故障发生地。相比现有的方法，本发明的检测能够保证故障检测的机动性得到很大提高。

利用本发明的基于目前的双目相机等设备进行检测，系统的造价低，有利于大范围普及使用，而且具有很好的检测效果。并且利用本发明能够提高电网智能检测水平，保障电力系统的安全、稳定运行。

附图说明

图1为感兴趣区域目标检测流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：

一种基于输电系统的侵入目标实时检测系统，包括：双目同步图像序列采集模块、标定模块、感兴趣区域检测模块、目标检测模块、侵入目标报警模块；

所述双目同步图像序列采集模块，基于双目相机采集输电通道的图像；

该模块主要采用长焦双目工业相机，采用长焦的目的是适应输电通道较远距离观察，同时，该双目系统带有同步功能，保证获取的双目图像序列基本同步，便于后期的对图像的整个视差进行三维重建；

所述标定模块，根据双目同步图像序列采集模块的两个相机的位置关系，标定获取两个相机各自的内外参数；

所述感兴趣区域检测模块，用于确定输电线路通道感兴趣区域；

所述目标检测模块，根据两个相机拍摄的图像中的保护目标位置，确定保护目标的空间三维坐标及监控区域中保护目标的空间三维坐标，确定侵入目标与保护目标的空间距离、运动速度及运动方向；所述保护目标即为输电通道或输电通道中的设备；

所述侵入目标报警模块，根据侵入目标相对保护目标的空间距离、运动方向判断威胁等级，并发出相应的报警。

所述侵入目标可以为如鸟、空中漂浮物(例如：由风吹动的塑料布、塑料袋等)、人为破坏对应的人等。

所述感兴趣区域检测模块确定电线路通道感兴趣区域的过程如下：

基于图像序列，采用混合高斯建模的方法对环境背景图像进行建模，得到背景模型；

针对当前图像和背景模型，然后采用背景差法获取当前图像中的侵入目标(侵入物)的图像信息，进一步采用图像形态学技术获得更加清晰目标图像信息，以精确定位侵入目标在图像的位置，将侵入目标所在位置对应的区域以及保护目标区域作为感兴趣区域，即监控区域；具体流程如图1所示。

所述目标检测模块的处理过程如下：

针对感兴趣区域，采用基于深度卷积神经网络的细粒度图像识别算法，描述感兴趣区域的精细特征；

设空间任一点p(xc，yc，zc)是监测区域中的某一点，(xc，yc，zc)表示点p在空间中的位置；在t1时刻，该点在第一摄像机采集的图像a上的平面坐标为pa(x1,y1)，在第二摄像机采集的图像b上的平面坐标为pb(x2,y2)，则：

式中，bc是摄像机的外部参数，f摄像机的内部参数；摄像机的外部参数与内部参数是摄像机固有的属性，摄像机出厂时，这两个参数就已经确定；|pa-pb|为视差，即点p在两幅图像中的位置偏移；

根据上述过程，获取监控场景中任意一点的空间三维坐标；

假设计算的侵入目标任一点当前空间三维坐标为(x1，y1，z1)，前一时刻的空间三维坐标为(x2，y2，z2)；保护目标当前时刻的空间三维坐标为(x0，y0，z0)，实际上由于保护目标的空间三维坐标是固定的，一般不会有变化，所以当前时刻和前一时刻的坐标相同；计算当前时刻侵入目标与保护目标的空间距离、运动方向和侵入目标相对保护目标的运动速度；

侵入目标与保护目标的空间距离：

侵入目标的运动速度为：

其中，δt为当前时刻与前一时刻的时间间隔；

同时根据侵入目标事实的空间三维坐标确定侵入目标的高度。

所述的侵入目标报警模块判断威胁等级的过程如下：

侵入目标报警模块对侵入目标的高度z0和安全限高h进行比较，对侵入目标与保护目标距离d和安全距离d进行比较，对侵入目标的速度v和安全速度v进行比较；同时对侵入目标的运动方向进行判断；

然后根据以下情况确定威胁等级并报警：

a、若侵入目标的高度z0≥安全限高h并且运动方向朝向保护目标(可以是输电线路走廊，也可以是输电线路走廊里的设备)，且侵入目标与保护目标距离d<安全距离d，则威胁等级标记为一级(危险程度高)；

b、若侵入目标的高度z0≥安全限高h，运动方向与保护目标平行，且侵入目标与保护目标距离d≥安全距离d，则威胁等级标记为二级；

c、若侵入目标的速度v≥安全速度v，则威胁等级标记为二级；

d、若侵入目标的高度z0＜安全限高h，且与保护目标里面的电网距离d≤安全距离d，则威胁等级标记为二级；

e、其余情况标记为无威胁。

一级威胁等级所表示的危险程度高于二级威胁等级所表示的危险程度；同时满足两个及以上条件，按危险程度高的来定，例如同时满足条件a和条件c时，需将威胁等级标记为一级。

具体实施方式二：

一种基于输电系统的侵入目标实时检测系统，其特征在于，包括：双目同步图像序列采集模块、标定模块、感兴趣区域检测模块、目标检测模块、侵入目标报警模块；

所述双目同步图像序列采集模块，基于双目相机采集输电通道的图像；

所述标定模块，根据双目同步图像序列采集模块的两个相机的位置关系，标定获取两个相机各自的内外参数；

所述感兴趣区域检测模块，用于确定输电线路通道感兴趣区域；

所述目标检测模块，根据两个相机拍摄的图像中的保护目标位置，确定保护目标的空间三维坐标及监控区域中保护目标的空间三维坐标，确定侵入目标与保护目标的空间距离、运动速度及运动方向；

所述侵入目标报警模块，根据侵入目标相对保护目标的空间距离、运动方向判断威胁等级，并发出相应的报警；

侵入目标报警模块包括保护目标安全区计算单元、侵入目标轨迹预测单元和判别报警单元；

所述保护目标安全区计算单元，提取保护目标轮廓的空间坐标，并在图像的三维空间坐标系中标记保护目标轮廓的最小外接球和最小外接球的空间坐标；如果保护目标为输电线路，首先将输电线路进行单元划分，分解成若干个单元，然后基于每个单元标出最小外接球及空间坐标，并将最小外接球进行有重叠空间的连接，形成一条沿着输电线路的圆柱体空间；

选取第一安全阈值w，在最小外接球外侧w距离的范围内作为第一安全空间，或者在圆柱体空间外侧w距离的范围内作为第一安全空间；

侵入目标在进入保护设备附近的空间时，可能由于环境因素等使侵入物的运动轨迹发生变化撞向保护目标，如空中飘浮的塑料袋等物体因为风力的作用并不是保证运动轨迹相对稳定的，运动路径很有可能发生变动或者扰动，甚至运动方向都可能发生改变，从而入侵保护目标。设置第一安全区，可以充分考虑侵入目标在极有发生的故障的概率，最好提前预警工作，从而很大程度上解决机动性滞后影响检修完成时间的问题。

侵入目标轨迹预测单元，提取侵入目标轮廓的空间坐标，并在图像的三维空间坐标系中标记保护目标轮廓的最小外接球和最小外接球的空间坐标；根据当前及之前时刻侵入目标轨迹的运动轨迹和方向、利用神经网络模型估计出侵入目标的可能的运动轨迹，并实时更新估计运动轨迹；

判别报警单元，计算保护目标的最小外接球(或圆柱体)与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集；同时计算第一安全空间与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集；

如果保护目标的空间坐标的最小外接球与侵入目标的运动轨迹的空间坐标的交集不为空，则进行威胁等级最高级别报警；

如果保护目标的空间坐标的最小外接球与侵入目标的运动轨迹的空间坐标的交集为空，且第一安全空间与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集不为空，则进行威胁等级次高级别报警；

如果第一安全空间与侵入目标轨迹预测单元估计的侵入目标的运动轨迹对应空间的交集为空，则判断为安全，不进行报警。

具体实施方式二和具体实施方式一均能实现输电系统进行检测，相比而言，具体实施方式二的检测准确率的精度相对更高，判断过程的计算量比较大，对计算设备硬件要求稍微高一点，计算时间也稍长；而具体实施方式一对硬件的要求比较低，计算速度也更快。

具体实施方式二和具体实施方式一都能够在设备发生问题之间进行有效的监控，从而避免了现有的输电系统检测方案是对输电系统的状态信号进行检测导致的只能在在设备出现故障时或出现故障后才能检测到故障的问题。也就是说本发明能够根据检测设备进行有效的动态检测，快速对发生问题的设备或地点进行有效识别，从而事先做好排除故障的准备工作并在最快的时间内到达故障设备的故障发生地。相比现有的方法，本发明的检测能够保证故障检测的机动性得到很大提高。