基于图像模式识别的变电站隐蔽区域异物入侵监测预警三维平台系统

庞瑾　成兵　杨芬

摘 要：本系统平台尝试在变电站隐蔽区域入口处布设高清晰度数字摄像机和辅助光源，利用摄像机内置自动图像模式识别技术，当有异物入侵时，系统可对监控画面中图像变化的原因进行分析研判，感知并确认“异物入侵”这类型的事件，及时触发摄录取证并报警。同时，将监测预警系统以三维实景平台展示，辅以人物模式和眼睛模式两种模式进行场景呈现，让监测人员对前方隐蔽区域产生直观沉浸感，给监控操作带来极大的便利。

关键词：异物入侵；报警；监控

中图分类号：TP391.4

随着科技的发展，视频分析、人工智能、网络通信等技术在人们生产生活中发挥着不可替代的作用，但如何将上述先进技术在电力安全运行及维护管理上实现“物联化”、“实用化”、“智能化”的突出运用是电力企业一直关注的重点。

芜湖供电公司担负着整个芜湖地区的电力发展规划、电网安全经济运行、电力设施建设维护等生产管理和电力营销工作。为了进一步提高变电站管理水平、确保供电可靠性、规范变电站的日常管理和设备运维保障，公司研制出一套布设于隐蔽区域，集成化程度高、侦测灵敏且误报少的异物入侵防范系统。

地下电缆等电力设施设备，敷设在地面以下，且电缆沟空间狭小，不容易观测[1]。电缆沟、电缆夹层、防静电地板下面、屏柜内部等这类通常作为线缆、电路传输的主要汇聚通道和狭小空间都属较为隐蔽的区域。

如图1中所示，上述区域巡检探查困难，却经常遭遇蛇、鼠等小型外来异物攀爬，往往带来不可预控的安全隐患或设备损毁（诸如：短路、绝缘层破损以及电源击穿等）。此类因异物入侵行为导致重大损失的后果因其事发前的隐蔽特性而防范不易，而目前的防范手段耗费诸多人力却效果不佳。

鉴于此，公司尝试在变电站隐蔽区域入口处布设高清晰度数字摄像机和辅助光源，利用摄像机内置自动图像模式进行识别。当有异物入侵时，系统可对监控画面中图像变化进行分析研判，感知并确认“异物入侵”事件，及时触发摄录取证，并将报警信号通过网络传输到监控中心或管理人员的移动终端，可有效预防由此隐患导致重大事故的发生。同时，将监测预警系统以三维实景平台展示，辅以人物模式和眼睛模式进行场景呈现，让监测人员对前方隐蔽区域产生直观沉浸感，给监控操作带来极大的便利。

1 平台构成

异物入侵监测预警系统是能在隐蔽区域进行智能监控以及对异物入侵监测预警这样一种特定的融合智能化数字视频、智能警卫、一键巡视、音频驱离、预警播报、警情分析等于一体的远程统一智能监控平台。结合自动视频监控分析与图像模式识别，可实现对前端采集数据信息存储备份，同步检索查看，隐蔽现场巡视，记录分析警情数据，远程告警画面推送、定时定人策略报警等功能。异物入侵监测预警实时、准确为安全生产管理提供第一手数据和有效手段。所有这些功能均是在三维平台上应用展示，场景图像直观、监控操作便利。系统构成如图2中所示：

2 摄像机的移动侦测功能

摄像机的移动侦测功能是监测异物入侵的核心。摄像头按照不同帧率采集得到的图像会被CPU按照一定算法进行计算和比较，当画面有变化时（如有异物闯入或移动等）计算比较结果得出的数字会超过阈值，摄像机能根据设定做出相应的动作，发出告警声或播放事先设定好的声音（如猫叫用以驱赶老鼠）。

首先，影像侦测先进行测量步骤，即是将影像切割成数个不连续部分，测定这些影像部分在各时段内的光线变化，然后辨别出这些变化究竟是导客观条件转换还是物体移动。一般而言，切割影像的方式有以下几种：

（1）画素分割：将影像分割成非常小的图画成分（画素），可以有百万个区块；

（2）小区块分割：将影像分隔为几百个或几千个等比大小或不同大小的区块；

（3）大区块分割：将影像分为百来个不同大小的区块。

画素分割方式会获得相当多的影像资讯[2]，因此需要大量的电脑演算资源进行辨别。而大区块分割的方式虽不会造成电脑资源的负担，但由于提供的影像资讯较少，因此不容易区分出大环境的变化。因此，本系统采用小区块分割方式，既可获得足够的影像识别资讯，又不用担心造成电脑演算负荷。

其次，进行辨识程序。本平台以物体大小进行侦测，然后观察一段时间内的移动历程与空间大小，以推断持续的移动方位。因为本平台所应用的场景多为变电站电缆沟等封闭隐蔽区域，有效地设定移动物体尺寸，是增加移动侦测准确率的关键。而且设定时也要特别注意当入侵者接近摄影机时，物体尺寸会比远离摄影机要大。

再次，进行移动识别，因为应用场景是电缆沟等封闭隐蔽区域，在这些黑暗区域摄像机会同时配上灯光长期照明，这就避免了室外光线变化对辨识所产生的影响而造成误判的可能。可以通过背景减除法、时间差分法、光流法等算法进行识别，做出判断。

3 双视野模式的三维平台展示

本监测预警系统是在三维实景平台中展示的。此三维平台将隐蔽场景用三维逼真模型真实再现地展示在监控操作人员面前，从而让场景更直观，操作更便利。如图3为隐蔽场所圖：

如图4所示为3D逼真展示隐蔽场所图，可见，在中心平台建立变电站隐蔽区域（如电缆沟、电力隧道）的三维模型，报警点位可以清晰的在三维模型上进行移步换景般的直观显示、图像推送，准确定位以及多维数据融合展示。

同时，在这三维实景平台中，操作人员的视角可以选择虚拟人物视角或眼睛视角。

如图5所示为虚拟人物视野，虚拟人物的视角即是在场景中监控人员以第三人的视角看虚拟人物在场景中的巡视；而眼睛视角即是在场景中监控人员以自己的视角看在场景中的巡视，如图6所示。虚拟人物视角可以对整个场景的宏观更好把握，因为有虚拟人物在场景中作为比照，不过这种模式也有很大的局限性，虚拟人物视角不能脱离虚拟人物，必须实时跟随虚拟人物动作，否则会失去真实性和体验效果；而采用眼睛模式模拟虚拟人物的眼睛来操作，可实现虚拟人物无法完成的操作，如：抬头，低头，左看，右看，前置和后置；此时眼睛模式的视野可脱离虚拟人物进行操作，而不失真实性和体验，相反，实现3D变电站隐蔽场所复杂场景的多视角，灵活、准确，并且便捷查看。眼睛模式需满足以下条件：

（1）眼睛模式的默认位置为：现实中人的眼睛位置1：1映射到虚拟人物中。

（2）眼睛模式的视野对于虚拟人物不可见。

4 结束语

异物入侵监测预警系统的应用将大大降低人员在隐蔽区域巡视的劳动强度和作业难度，解决传统检查有死角的隐患，让值班员摆脱频繁、重复的检查工作，节约了人力。通过对隐蔽区域异物入侵的侦测报警发布，提示相关人员进行有针对性检查，可提高工作效率。

本系统可使防小动物检查达到标准化作业，及时并有针对性的检查封堵，并能够及时发现电缆缺陷、异物入侵情况[3]。本项目实施将有助于提高电网的安全、稳定运行性，减少小动物造成的线路跳闸停电事故发生率，保障企业、居民用电，提升供电公司服务形象和服务质量，提升经济和社会效益。

参考文献：

[1]易礼鸿，傅波，谷颖.浅析三维可视化在电缆运维管理中的应用[J].科学致富向导，2014（20）.

[2]常波.画面分割技术在视频监测中的应用[J].辽宁广播电视技术，2012（04）.

[3]鲁守银，钱庆林，张斌.变电站设备巡检机器人的研制[J].电力系统自动化，2006（13）.

作者简介：庞瑾（1987-），女，河南西华人，助理工程师，本科，神南运维站副站长；成兵（1967-），男，安徽芜湖人，高级工程师，本科，综合检修班班长；杨芬（1977-），女，安徽芜湖人，工程师，本科，技术员。

作者单位：国网芜湖供电公变电运维工区，安徽芜湖 241000