基于图像处理的输电线路防外力破坏检测方法

唐慧娟，李军民，宋昌林

（西华大学机械工程学院，成都　610039）

基于图像处理的输电线路防外力破坏检测方法

唐慧娟，李军民，宋昌林

（西华大学机械工程学院，成都610039）

四川省教育厅项目（No.12ZB129）

0　引言

输电线路是电力系统的重要部分，是将电力传输到用户手中的基础设备[1]。电力是日常生活不可或缺的组成部分，一旦输电线路发生故障，将严重影响社会的稳定和发展。输电线路环境复杂、覆盖面广，不仅容易受到自然环境的威胁，外力破坏的影响也日趋严重。现代技术的不断进步使输电线路通道受到自然环境的影响减弱，外力破坏已上升为影响输电线路安全的主要因素之一[2]。

输电线路防外力破坏技术也在不断的发展，在一定程度上发挥了有效的作用，减少了外力破坏故障，但缺陷也日趋显现。早期的主要是利用红外探测、声控技术和激光探测等技术监测输电电路防外力破坏行为，但红外、微波探测的预警系统探测距离近、误报高[3]。激光探测的预警系统探测范围虽然范围广，但无法自动识别运动目标，误报率高。数字图像技术不断发展，视频检测技术已经得到广泛的普及和应用。输电线路防外力破坏在线检测装置的应用，虽然减少了输电电路外力破坏行为，但传统的检测模式的不足也日趋显现。传统的检测装置只能实时的进行远程监控，无法对输电线路通道内的外力破坏隐患进行识别，需要监控人员从大量图像数据进行人工筛选来判断现场是否出现异常，工作量非常大，由于监控人员工作简单枯燥，重复性较强，注意力无法长时间集中，监控的质量也难以预料[4]。输电线路外力破坏行为具有突发性、隐蔽性和经常性等特点，本文提出了一种基于图像处理的输电线路防外力破坏的检测方法，该方法利用图像对运动目标进行检测和识别，自动判断运动目标是否进入输电线路安全警戒区域和智能报警，能有效的预防和减少输电线路外力破坏故障。

1　基于图像的输电线路防外力破坏算法

目前，已有的基于图像处理对输电线路实施监控和防外力破坏的技术只能简单的检测运动目标，不能自动识别运动目标，当检测到运动目标后仍需人工判别。本文提出了一种能识别运动目标和自动报警的算法，弥补了现有的检测方法的不足，算法基本思想的流程图如图1 所示。

如图1 所示在对输电线路实时监测之前要进行背景预处理,背景预处理的主要作用是确定输电线路安全警戒区。其次是进行实时状态监测，自动判别运动目标。当检测到运动目标时，算法自动识别，并判断该运动目标是否进入输电线路安全警戒区，当该运动目标进入安全警戒区时，自动识别目标和自动警报，从而预防输电线路外力破坏行为。

图1　算法流程图

2　运动目标检测

运动目标检测是从视频序列中检测和提取出运动目标的关键技术。运动目标检有利于提高视频监控的质量、减少监控人员劳动强度、提高报警的准确率和可靠性[5]。帧间差分法、背景差分法和光流法是当前常用的基本的运动目标的检测方法。背景差分法原理简单，能较好地提取出运动目标的信息，但是该方法对背景的变化非常敏感，容易误报。光流法检测准确率高，但运算复杂，易受噪声影响，不适合实际应用[6]。帧差法算法简单，具有较好的实时性和稳定性，对环境的适应性好。运动目标检测常采用帧间差分法和三帧差分法。

帧差法是最为常用的运动目标检测和分割方法之一，基本原理就是在图像序列相邻两帧或三帧采用基于像素的时间差分通过阈值化来提取图像中的运动区域。三帧差分法是将连续三帧中的相邻两帧做差分运算，将差分运算的结果进行“与”运算，就可将运动目标的轮廓从背景中分割出来。三帧差法能快速准确地检测出运动目标，具有较强的实时性。设在某一视频序列中，设连续三帧为fk-1、fk、fk+1，将中间帧分别与前后两帧做差分得到Dn-1、Dn，最后将差分结果做“与”操作得到最后结果gk，如公式（1）。

3　运动目标识别

运动目标检测无法识别运动目标和判断是否可能对输电线路安全造成威胁，运动目标识别是识别目标减少误报的一种有效方法。运动目标识别是从视频序列中提取具有特征的运动目标。异物短路、盗窃、吊车碰线是当前输电线路外力破坏常见的类型，这类外力破坏的主要检测目标是人、高空漂浮物、大型工程机械。针对不同类型的外力破坏故障的特点采用不同的识别方法是提高算法速度和报警准确率的一种方法。

吊车碰线不仅会给社会带来经济损失，而且威胁到人民的生民安全。它主要是大型工程机械（如吊车、挖掘机等）在输电线路附近施工时，吊臂对输电线路距离过近，造成对地短路而产生的外力破坏行为。大型机械具有很好的直线特征，对目标进行直线提取能快速提取大型机械的吊臂，过滤小汽车、公交等运动目标，减少误报，提高报警率。hough变换是由Paul Hough提出的图像处理和直线检测的经典算法，它是常用的直线检测方法，实现一种从图像空间到参数空间的映射关系[7]。它的基本思想是点-线的对偶性，即图像空间里其共线的点对应参数空间相交的直线，反过来参数空间相交的所有直线都有共线的点与之相对应。基本原理是在图像空间的任一条直线，直线方程可描述为：

其中k为直线斜率，c为直线的截距。公式也可以改为：

式（3）可以看成以k、c为参数的函数式，在该参数空间内仍为 一条直线其中x为斜率，y为截距。如果对位于同一条直线l上的n个点进行上述变换，则原图像n个点在参数空间中对应得到n条直线，并且这些直线经过同一个点。因此图像空间中共线的点与参数空间中共点的线有对应关系，只要找出参数空间中共点的只想，就能确定图像空间中的直线。

4　输电线路安全警戒区

输电线路一旦发生故障就会对社会的生命和财产造成损失，输电线路安全关系到社会的稳定与和谐。输电线路安全警戒区是指距输电线路最小的安全距离，一旦小于安全距离，就会对输电线路产生威胁。首先，获得平行的两根输电线路间距x1m。其次，根据图像计算出这两根平行线之间占据多少个像素点d1。最后，一般输电线路最小的安全距离为5m，根据式4计算出输电线路安全区域的边界距输电线路的像素点数d2，画出输电线路边界。

5　实验结果

为了验证该方法的准确性与可靠性，以吊车为例进行实验。图2 为实时监测画面，图3 为预警图像。实验结果表明，本文算法能准确的检测到吊车并自动识别，有效地减少误报，为输电线路防外力破坏提供一种新的方法。

图2　监测图像

图3　预警图像

6　结语

实验结果表明，该方法能准确地检测出运动目标和识别，有效预防输电线路外力破坏。将图像处理应用于输电线路防外力破坏，极大地减少了监控人员的工作量，同时也提高了监控质量。该方法不仅准确率高、速度快，也提出输电线路防外力破坏的新思路。

[1]胡俊毅.电力输电线路安全运行的探讨[J].中小企业管理与科技，2015，01：200-201.

[2]龚继志.输电线路外力破坏故障原因分析与防治对策探讨[J].湖南电力，2012（1）:36-38.

[3]王立新、尹娟.高压线路防外力破坏激光检测预警系统[J].农村电气化2013，03:58-59.

[4]岳灵平，朱弘钊，俞强等.高压输电线路防外力破坏激光检测预警系统的研究[J].电力与能源 2014，35（2）176-178.

[5]柴池.基于背景差分和三帧差分的运动目标检测[J].网络安全技术与应用.2014，11:75-76.

[6]丁磊，宫宁生.基于改进的三帧差分法运动目标检测[J].电视技术.2013，37（1）:151-153.

[7]朱参世，安利.运动目标识别方法与仿真研究[J].计算机与现代化.2010，5:63-65.

Electric Transmission Line;Image Processing;External Force Damage

Detection Method for External Force Damage Detection of Transmission Line Based on Image Processing

TANG Hui-juan，LI Jun-min，SONG Chang-lin
（College of Mechanical Engineering,Xihua University，Chengdu 610065）

唐慧娟（1989-），女，河南郑州人，硕士，在读硕士研究生，研究方向为机器人视觉

李军民（1975-），男，四川营山人，副教授，博士，研究方向为机器人智能控制和导航、机器视觉、嵌入式与网络测控

宋昌林（1973-），男，四川犍为人，讲师，博士，研究方向为电气传动、信号检测与处理、计算机与通信技术

2015-12-03

2016-01-13

现代化建设速度的不断加快，工程施工频繁已严重威胁到输电线路安全，外力破坏已成为影响输电线路安全的主要因素。针对现有检测技术的不足，提出一种基于图像处理的输电线路防外力破坏的全新检测方法。该方法利用图像对运动目标的检测与识别，判断运动目标是否进入输电线路的安全警戒区，实时监测并报警。最后对吊车碰线这类最主要的输电线路外破形式进行实验验证，结果表明，该方法能有效地减少和预防输电线路事故的发生。

输电线路；图像处理；外力破坏

With the speed of modernization,the construction of the project has been a serious threat to transmission line construction;external force damage has become the main factor of transmission line fault.In view of the existing detection technology,puts forward a new detection method based on image processing of transmission line with external force damage.In this method,the moving target detection and recognition is used to determine whether the moving target is in the safe area of the transmission line,and real-time monitoring and alarming. Finally,the experimental verification of the main transmission line is carried out.The results show that the method can effectively reduce and prevent the occurrence of transmission line accidents.