基于逆反射技术的刀闸到位视觉检测方法研究

范 俊，陶 卫，杨金峰，赵 辉

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

刀闸是高压开关电器中使用最多的一种电器，包括隔离刀闸和接地刀闸。顾名思义，是在电路中起隔离作用的它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电所、电厂的设计、建立和安全运行的影响均较大。刀闸的主要特点是无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路[1]。

目前存在的主要问题是：刀闸本体操作不到位，移动臂由于润滑失效、锈蚀、机械疲劳、结冰等，造成合不到指定位置或是到位但夹紧力不够，最终接触电阻增大发热或放电。因此，目前需要解决的重点问题是：在110～550 kV电压等级高压电线传输系统中，对拐臂式刀闸的闭合情况进行监测，判断其前端动触头是否到位，并按照预期夹住了静触头杆，并且是否夹紧。目前刀闸到位与否更多的是采用人工现场利用望远镜观测、主管判断的手段来完成。这种方式费时、费力、效率低，而且容易受到观测者的主观影响。

针对这个问题，提出了一种基于逆反射技术的视觉检测方法，利用机器视觉替代人眼实现对变电站所有刀闸的实时监控。与传统视觉检测方法不同的是，该方法利用逆反射技术排除了太阳光及环境光的干扰，突出目标物，从而获得更高的检测精度，以实现对刀闸到位情况的准确检测，为变电站刀闸到位检测提供了新的有效的方法和手段。

1 系统组成及工作原理

该刀闸到位检测系统由探测器以及控制器组成。探测器的主要功能，是获取某设备三相刀闸的有关信息，并传递给控制器。控制器的功能是对获取的图像进行处理，通过处理和判断，得出刀闸是否到位的结论，并将结果传送给上位机。若刀闸合闸不到位，上位机会控制未到位刀闸再合闸一次，然后再有控制器进行判断，直至合闸到位为止。系统流程图如图1所示。

图1 系统流程图Fig.1 System flow

探测器由工业摄像机、照明光源和防护壳体3个部分组成。工业摄像机直接获取刀闸接触点所在区域的图像，照明光源为摄像机提供足够的照度并克服阴天及夜晚照明不足的影响，防护机构为摄像组件提供电磁屏蔽及防水防尘保护。

为了可靠监测刀闸是否到位，基于视觉原理的探测器必须处于与刀闸静触头所处平面的垂直方位，即探测器应安装在刀闸静触头的正侧方，以期获得最大的检测准确性。探测器安装位置示意图如图2所示。

图2 探测器安装位置示意图Fig.2 Detector installation position

2 刀闸到位依据选择

根据刀闸到位后动静触头互相接触的实际现场观测发现，动触头前段的两个弹性夹的相对空间位置关系与刀闸是否到位并可靠接触十分相关：当刀闸未到位时，两个弹性夹头处于一个较大的张角（约20°）；当刀闸到位并可靠接触后，两个弹性夹头呈现平行姿态，张角约为零度。图3为刀闸动触头示意图。

图3 刀闸动触头示意图Fig.3 Switch contactor

3 逆反射标志相关研究

3.1 逆反射原理

逆反射材料是用玻璃微珠或微棱镜采用光学折射与反射原理制成的薄膜材料，表层是由无数个反射元素（玻璃微珠或微棱镜）构成。由于其独特的表面状态，使其不同于镜面反射和漫反射，当一束光由光源射向其表面反射元素时，分别经由折射-反射-反射-折射后，几乎所有入射光线以光椎形式反射回去。该光椎的轴线是入射光光径，其中大部分反射光光强都集中在轴线附近，离轴线越远，光强越弱[2]。为此，我们提出一种基于定向照明和逆反射技术的视觉检测系统新方法，采用半导体激光束进行定向照明，采用具有逆反射性能的薄膜材料制作反射标志，将主动光源的入射光进行定向反射，同时辅以窄带滤光技术，可以有效减小太阳光和其他环境光的影响，显著提高检测系统的稳定性和检测精度。

3.2 逆反射标志设计

反射标识由漫反射区和逆反射区两部分组成。漫反射区也是整个反射标志的基板，涂有亚光漫反射涂料，应为长方形较妥，适合各种规格的刀闸安装，也应具有足够的尺寸，以增强测量可靠性。逆反射区居于漫反射区的中心位置，贴有逆反射材料，为长方形，其尺寸显著小于漫反射区的尺寸。一般而言，漫反射区的尺寸要大于逆反射区尺寸两倍以上较佳[3]。图4为反射标识结构。

图4 反射标识结构Fig.4 Reflective logo structure

当来自光源发出的光束照射到反射标志的敏感区 （包含逆反射区在内的较大区域，但小于整个反射标志）时，由于逆反射材料的逆反射特性，绝大部分的反射光均将沿着与入射光平行的方向返回，并由CCD摄像机接收。因此，在摄像机上的成像不仅仅是整个反射标志，还有逆反射区形成的光斑。光斑的形状恰好就是逆反射区的形状，光斑的能量中心恰好就是逆反射区的中心，也就是整个反射标志的中心。

4 刀闸到位检测算法的实现

为了对图像采集系统读取的图像进行处理，获得反射标识的夹角，设计了图像处理的软件和算法。将采集到的图像通过二值化、滤波及阈值分割[4]之后，采用霍夫变换[5]来提取出刀闸触头标志所成的直线角度，从而计算两触头所成夹角。但是由于刀闸在图像中的占很小一部分，霍夫变换会大大降低识别效率，故还需要对图像进行开窗[6]处理，提高运算效率。编写完成之后，进行重复性及稳定性试验，完善软件。程序流程如图5所示。

图5 刀闸到位检测算法流程图Fig.5 Algorithm flow of switch monitoring system

5 刀闸到位检测系统实验研究

本方法中采用了德国AVT Manta G-125B/C 120万像素千兆网摄像机，最高帧频 30 fps，1292×964pixel，1/2″CCD。 日本COMPUTAR百万像素固定焦距镜头M1614-MP，镜头焦距为 16 mm，视角 28.2×22.7×17.1（1/2″），分辨率 100lpm。编程环境为Windows XP下Visual Studio 6.0。

5.1 摄像系统及反射标识实验室安装及实验验证

为了对所设计的图像采集系统及逆反射标识的效果进行验证，采用上述算法，对系统进行了实验室的室内外实验，获取了图像并计算了测量结果。图6是进行室内拍摄的实验数据，X轴代表实验序号，Y轴代表角度。

图6 实验数据Fig.6 Experiment data

图6 是摄像机置于刀闸后侧上方时五次连续拍摄的图像的处理结果，从上述数据中可以看出：（1）刀闸到位与接触过程中，触头夹角在1°～11°之间变化，呈现明确的由大到小的变化过程；（2）当动触头到位并与静触头接触之后，触头夹角基本处于一个最小的数值，且基本不变；（3）可以利用触头夹角判断刀闸是否到位并接触：若夹角大于某临界值，则刀闸为到位；当夹角小于某临界值，则可靠接触。

5.2 刀闸到位检测系统重复性实验

为了对所设计的图像采集系统的稳定性及重复性进行验证，将系统进行了实验室的室内外实验，获取了图像并计算了测量结果。图7是进行室内拍摄的重复性及稳定性实验数据，X轴代表实验序号，Y轴代表角度。

图7 重复性及稳定性实验数据Fig.7 Experiment data of Repeatability and stability

如上图所示，稳定性及重复性实验的误差均在0.1°，完全可以满足系统需要。

6 结束语

本文围绕刀闸到位检测的精度难点进行了研究，提出了基于逆反射材料的实时视觉检测系统，并对其可行性、稳定性以及重复性进行了验证。其创新点是利用机器视觉代替人眼，实现24小时全天候实时高精度非接触式远距离测量。并且将逆反射技术与传统视觉检测技术相结合，利用逆反射材料的回归反射特性，降低环境光的干扰，提高视觉检测精度。实验结果表明本方法可以有效监控刀闸到位情况，并且精度较高，重复性及稳定性较好，可以准确实时在线监控刀闸到位情况，为变电站刀闸到位检测提供了新的有效的方法和手段，帮助实现智能化变电站。

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