输电线路防外力破坏智能监控系统的应用

郭圣;曾懿辉;张纪宾;宁小亮

【摘 要】针对日益突出的线路外力破坏问题以及传统视频监控装置存在的短板,提出基于图像识别技术的输电线路防大型机械外力破坏监控预警系统.该系统应用混合高斯背景建模实现对大型机械入侵的定向识别,并结合微信平台实现以需求为导向的分级管控智能推送,建立了线路防外力破坏监控新模式.在佛山地区输电线路防外力破坏的应用实践中,该系统实现了24 h不间断智能监控的要求,大大提高了运维人员对线路外力破坏隐患的监管能力和工作效率,有效减少和预防了大型机械破坏线路事故的发生,为保障线路安全稳定运行提供了技术支持. 【期刊名称】《广东电力》 【年(卷),期】2018(031)004 【总页数】5页(P139-143)

【关键词】输电线路;大型机械;外力破坏;图像识别;监控预警监控 【作 者】郭圣;曾懿辉;张纪宾;宁小亮

【作者单位】广东电网有限责任公司佛山供电局,广东佛山528000;广东电网有限责任公司佛山供电局,广东佛山528000;广东电网有限责任公司佛山供电局,广东佛山528000;广东电网有限责任公司佛山供电局,广东佛山528000 【正文语种】中 文 【中图分类】TM726

输电线路具有分布面积大、地形复杂和难以维护等特点，近年来，随着国家建设的不断发展，大型机械外力破坏成为威胁线路安全稳定运行的重要因素之一。现有的防机械外力破坏主要采用巡防人员监管的方式，但由于监管能力不强、判断失误等原因经常导致线路跳闸、供电中断事故发生。同时，巡防人员的开支和安排部署耗费了大量的人力、财力资源。传统的监管方法已经无法满足现代智能电网发展的要求。

近年来出现了无人机勘察、机器人巡检、在线监测等新技术 [1-2]，而网络通信技术、计算机视觉技术、图像分析与处理等技术的快速发展极大地促进了智能监控系统的进步，输电线路领域的视频监控系统也得到发展[3-4]。然而，目前输电线路智能视频监控在防外力破坏方面多针对的是移动物体的预警，未能实现对指定大型机械的特定识别，造成误报较多。同时，监控设备普遍存在价格高、运行费用高、不能持续工作记录、监控客户端人数限制等诸多问题，制约了智能视频监控系统的应用和大规模发展。

本文通过图像识别技术、微信平台二次开发等技术的应用，实现了智能视频监控系统对大型机械的定向识别预警和分级管控推送，并介绍该系统在佛山地区输电线路防外力破坏工作中的应用情况。 1 系统功能描述及结构设计 1.1 系统功能描述

智能监控系统设备安装在线路周边有大型机械施工的杆塔上，对整个施工现场的情况进行视频采集存储、图像等数据传输[5-8]。监控系统后台终端对接收到的图像信息进行实时识别和分析处理，通过设定阀值比对图像长高比的算法，实现对大型机械的判别跟踪和预警。一旦系统识别出大型机械闯入设定的保护区，就会触发警报提示音和预警记录功能。在未发现大型机械入侵时，系统后台将根据设定时间定

时对视频进行截图，并将图片上传至云服务器，微信平台可获取服务器上的图片并自动推送给关注企业公众号的用户，监控人员通过公众号对视频截图进行查看和判断，以便实时动态掌握施工现场信息[9]。系统功能流程如图1所示。 郭圣，等：输电线路防外力破坏智能监控系统的应用 图1 系统功能流程Fig.1 System function flowchart 1.2 智能监控系统结构

智能监控系统由两大部分组成：塔上监控装置和远程监控后台终端。塔上监控装置实现对监控现场画面的采集和存储；通过4G无线传输将塔上监控装置采集的视频图像传送给远程监控后台终端进行处理。系统总体结构如图2所示。 图2 系统总体结构Fig.2 Overall structure of the system 1.2.1 塔上监控装置

摄像模块应用红外滤片式自动切换网络摄像机，保证24 h采集画面质量。采用“一枪一球”的组合配置，球机可实现360°全景查看，枪机固定视角监控重点隐患区域。

供电模块由太阳能控制器、磷酸铁锂电池、太阳板和电源转换模块组成。太阳能控制器保证系统供电的合理调用，同时能够对电池充、放电过程进行保护；电池及太阳板组件的选择结合佛山地区的日照情况，假定负载功率为10 W，负载工作电压为12 V 直流，平均运行时间20 h，无足够光照最长持续天数5 d，邻近两次无足够光照最长持续天数间的最短间隔天数10 d为标准计算。电池容量CB及太阳能电池板方阵功率P的计算为 CB=A×Qd×Dd×T/Hdis. (1)

P=Ps×Ns×Np. (2)

式中：A为安全系数，取1.1～1.4 ； Qd 为正常工作下的日耗电量；Dd为无足够光照最长持续天数；T为温度修正系数，根据不同情况取值为1～1.2；Hdis为蓄电池放电深度；Ps为系统所需额定功率为50 W 的太阳能极板；Ns太阳能电池组件串联数；Np太阳能电池组件并联数。经计算，供能方案选用150 W太阳能板1块和100 AH磷酸铁锂电池。

通信模块由工业路由器和4G无线网卡配置组成，以实现图像的数据传输任务。在本系统中采用4G无线传输，网络摄像机将视频编码处理后的图像进行压缩、封装后再通过4G无线传输模块传送至后台终端服务器。这种通信方式时效性较高，可保证数据传输的速度和质量。 1.2.2 远程监控后台终端

远程监控后台终端采用集中与分散相结合的管理模式。集中管理是指后台终端接收所有从塔上监控装置回传的视频、图像、监控设备状态信息等数据，统一存储在数据库中，为数据的集中提取、分析和统计提供支撑；分散管理是指对监控采集到的画面，通过微信平台进行分层级、分班组转发，相关线路责任人只需关注自己管辖的线路情况，针对性强，效率高。 2 智能监控系统关键技术 2.1 大型机械入侵预警算法实现

为了识别监测出移动的大型机械，本系统应用Opencv函数库中的混合高斯模型函数icv Update Gaussian BG Model和icv Release Gaussian BG Model[10]，应用混合高斯背景模型建模来获取精确的背景以实现目标检测[11]。在混合高斯背景模型中，应用几个不等权值高斯分布的叠加来表示不同图像像素点的建模。对于彩色图像的处理，是令图像像素点R、G、B三色通道彼此独立且方差相等。对于随机变量X的观测数据集{x1，x2，…，xn}，xt=(rt，gt，bt)为t时刻rt、gt、bt红绿蓝三色像素值的样本，则单个采样点xt服从的混合高斯分布概率密度函数为：

ωi，t×η(xt，μi，t，τi，t). (3) (4) τΙ . (5)

式中：k为分布模式总数；ωi，t为t时刻第i个高斯分布的权重；η(xt，μi，t，τi，t)为t时刻第i个高斯分布，μi，t为其均值，τi，t为其协方差矩阵，δi，t为方差；I为三维单位矩阵。每个新像素值xt同当前k个模型按式(6)进行比较，直到找到同该模型的均值偏差在匹配2.5 σ内的新像素值的模型，σ为高斯模型的标准差。其匹配的模式符合要求的即属于背景，否则为前景。 xt-μi，t-1≤2.5σi，t-1 . (6)

对于不匹配的高斯模式，其标准差σ与均值μ不变，匹配模式下的参数更新如下： ρ=α×η(xtμk，σk) . (7)

μt=(1-ρ)×μt-1+ρ×xt . (8)

σ=(1-ρ)×σ+ρ×(xt-μt)T(xt-μt) . (9)

式中：ρ为参数更新率；α为自定义学习速率。

如果t时刻像素值和高斯分布模式匹配通过，则取Mk，t=1，否则Mk，t=0(Mk，t表示t时刻第k个高斯分布的匹配系数)，将各模式下的权重进行归一化，得

ωk，t=(1-α)×wk，t-1+α×Mk，t. (10)

如果未有任何新像素值的模型匹配成功，则权重最小的高斯分布模式被取代，当前像素值取该模式的均值，初始较小值定义为权重，初始较大值定义为标准差。各模式按照ω/α2从大到小的方式排列，即稳定背景过程的高斯分布将位于序列顶部，反之，新赋值的高斯分布将取代位于序列底部扰动背景的高斯分布。取前B个高斯分布作为背景像素模型 ωk>M}. (11)

式中：M通常设定为1～0.5之间的阀值，表示背景所占比例；B即为高斯分布序列顶部起前B个高斯分布，是该背景像素的最优选择。

这样，检验任意时刻的像素值与前B个高斯分布的匹配关系，如与其中的任一个高斯分布匹配通过，则判定该像素为背景点，否则将被划分为前景中的移动物体。基于以上算法，通过混合高斯建模以及形态学滤波和膨胀操作，消除移动目标的不连续空洞，搜索二值图中的轮廓等步骤即可成功将移动物体从背景中分割出来。图3所示为大型机械入侵预警检测流程。

图3 大型机械入侵预警检测流程Fig.3 Flowchart of detection on early warning of invasion of large machineries

通过对线路附近施工现场的研究，发现对线路构成威胁的移动物体通常为吊车吊臂、钩机臂等高宽较大的移动物体。通过设定不同的阀值对入侵物体进行多次测试，发现当阀值大于等于8时，系统可以较好地排除其他非大型机械的移动干扰，识别效果可达80%以上，基本满足监测预警要求。因此后台系统设定在预先划定好的线路保护区内，当发现移动物体高宽比大于设定阀值8时，则认定为大型机械入

侵至线路保护区内，由此触发警报提示并记录报警时间(如图4、图5所示)。图4为利用混合高斯背景建模后，检测出移动的吊车吊臂的分割图像，当移动的吊车吊臂高宽比大于设定阀值时，系统将标记出这一物体。从图5中可以看出，监控画面的背景环境复杂，干扰物体如路灯、钢管杆等较多，该案例表明本系统所应用的混合高斯背景建模检测目标的方法可以较好地将移动的大型机械从复杂的背景中分割出来。

图4 分割移动吊臂Fig. 4 Split mobile boom

图5 吊车识别并预警Fig.5 Crane recognition and warning 2.2 分级管控信息自动推送的实现

该系统采用微信公众平台开发程序，申请了企业公众账号作为信息推送平台，有效避免了用户安装客户端、同时登陆人数受限等问题。该智能监控系统的信息推送开发需要多个高级接口，如：获取用户列表、发布消息等，因此需要使用经过认证的企业号，否则无法实现所需功能。通过获取公众号App ID(应用 ID)和 App Secret(应用密钥)取得Access_token，在各个接口被调用时通过Access_token进行验证[12]。

当企业公众账号监控现场画面信息推送时，通过关注者列表接口调用所有关注用户的Open ID，通过用户信息数据库比对后，进行信息推送。目前，传统监控信息推送一般采用两种形式：一是将所有监控设备列于表中，监控人员自行查找观看；另一种是在一个网页内依次推送监控图片和名称。在实际运维应用中，这两种方式针对性均较差，且效率低。本文智能监控系统的信息推送首次应用了分级管控信息推送的新方式，按照管控班组将不同监控点进行分类，各个监控画面按照其所属班组被发送到指定的信息推送界面；同时，该系统也将关注公众号的人员列表按照需求设置不同的查看权限，普通班组的运维人员关注公众号后能且只能查看其相应班组的监控推送信息，各个片区的管理人员可查看相应片区几个班组的监控推送信息，

部门的管理人员可查看所有班组监控点的推送信息。这种信息管理和推送方式，不仅满足了各种运维管理人员的需求，使得推送信息更加准确高效和有针对性，同时微信推送图片消息的方式较传统监控打开手机客户端查看视频的方式更加节省流量费用。 3 系统应用实践

佛山电网目前管辖110～500 kV输电线路5 400多千米，施工黑点达两百余个。根据近5年的统计，外力破坏跳闸占总跳闸比例40%以上，主要原因是：一方面佛山地处珠三角地区，城市建设发展迅速，施工较多，土地资源紧张，线路密集；另一方面，传统人工巡视的密度和周期都无法实现对外力破坏的实时管控，存在巨大的安全隐患，且传统视频监控误报多，工作时长不定，维护等资费大，消息推送效率不高。采用本文智能视频监控系统不仅可以减少误报，使监控目标更准确，同时信息推送方便快捷、针对性强，且设备本身配置更加合理高效，费用较少，工作运行持久。本文智能视频监控系统与传统监控设备对比见表1。 表1 两种监控系统对比

Tab. 1 Comparisons of two kinds of monitoring devices

系统日工作时间/h重量/kg摄像机像素/万通信流量/G价格/万元传统监控系统8402005约5智能视频监控系统24158002约1 3.1 布点安装方法

该智能监控系统主要针对大型机械入侵预警，因此布点主要是选择有外力破坏隐患、重要交叉跨越、保供电的重要线路区段的杆塔上。针对不同的杆塔类型(角钢塔、钢管塔、钢管角钢组合塔)设计配套支架和夹具。安装工作3人一组，地面1人，塔上2人即可完成全部设备安装。塔下组装设备，塔上微调固定，地面调通测试。整个设备安装工作20 min 内完成。 3.2 应用效果

佛山电网已成功应用防外力破坏智能监控系统40余套，对重点防外力破坏区域进行了全覆盖。后台实时对施工现场进行监控，系统每小时对监控现场进行一次图像拍照和信息推送。把人工1天1巡或3天1巡的次数提升为1天24巡，在减少人员的劳动强度和工作量的同时，显著提高了对施工现场的监管能力。系统运行时间至今已超过1年，实现了24 h不间断工作的目标，抵御了20余次强风入侵，经历了一整个回南天考验，所有设备运行良好，及时发现并预警了60余次线路保护区内大型机械施工作业中的重大隐患，如图6所示。该系统尤其弥补了夜间施工人员监管相对松懈的缺点。

图6 捕捉的大型机械入侵图片Fig.6 Picture of captured large machineries’ invasion 4 结论

输电线路防外力破坏智能监控系统在佛山电网实际应用及其效果表明，通过智能识别大型机械、分级管控信息推送，解决了传统视频监控与生产实际匹配的不足，为线路远程智能化防外力破坏监控的大规模应用提供了参考和技术支持。该系统实现了24 h不间断工作，有针对性的智能图像分析和手机微信自动推送大幅度提高了监管防大型机械外力破坏的效率和质量，提高了线路的运行安全。该系统还将进一步朝着微型化和物联网传感数据的方向发展，通过大量的图像信息、各种监测数据，利用大数据技术，为输电线路运维策略提供更加全面准确的依据和保障。 参考文献：

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郭圣(1989)，男，吉林德惠人，工程师，工学硕士，从事输电线路运维工作。 曾懿辉(1985)，男，湖南娄底人，高级工程师，工学硕士，从事输电线路运维工作。

张纪宾(1990)，男，黑龙江大庆人，工程师，工学硕士，从事输电线路运维工作。