一種絕緣子破損檢測方法與流程
本發明涉及輸電安全檢測技術，尤其涉及高鐵接觸網的絕緣子破損檢測方法。
背景技術：
隨著高速鐵路運輸技術的進一步發展及其廣泛應用，高鐵接觸網作為向機車提供電能的重要設施，其是否處于安全的工作狀態也越來越受到關注。為保證接觸網處于良好工作狀態，以利于電氣化鐵道的安全運營，應盡早發現并處理接觸網故障。高鐵接觸網絕緣子在掛網后，由于受到機電負荷，風吹雨淋等環境因素的影響，導致絕緣子的機電性能下降，常常會發生絕緣子積污閃絡、開裂破損等缺陷，從而引起線路故障，對高速鐵路的安全運營有很大影響，目前對于高鐵線路上的絕緣子檢測主要采用的是直接觀察法，這種人工巡檢的維護方式存在著很多很多弊端，例如人為因素的不確定性，這種非受控的方式可能使得隱患不能被及時發現，容易引起線路事故的發生；另外，人工巡檢的維護方式需要更多的費用，而且需要更多的時間。
目前，掛網絕緣子運行狀況的檢測方法有：(1)用短路叉、火花間隙放電叉或絕緣子串電壓分析儀等人工登桿塔方法。這種傳統的絕緣子檢測方法不僅勞動強度大、安全性差、效率低，而且受電磁干擾等原因，易造成誤檢或漏檢。(2)采用紅外熱成像技術的無損非接觸檢測。故障絕緣子與正常絕緣子的表面熱場分布不同，根據被動紅外成像中是否出現異常熱像特征即可判斷絕緣子是否出現故障。由于絕緣子紅外熱像受絕緣子表面發射率、絕緣子負荷等級、檢測距離、大氣吸收、天氣和紅外檢測儀器等多種因素的影響，其探測精度和準確性有待進一步提高。(3)超聲技術。將超聲波以一定角度照射絕緣子，引起絕緣子產生微弱振動，由于破損絕緣子的振動特性有別于完好絕緣子，通過分析接收到的絕緣子超聲回波的特征，即可判斷瓷體是否存在裂紋和絕緣子不同材料的結合狀態。通常使用帶電操作桿將超聲換能器 接近待檢絕緣子。此種方法工作效率低，安全性差。
參考專利文獻：
專利文獻1：一種絕緣子圖像缺陷檢測方法，申請日：2014年4月5日，申請號/專利號：201410136596.8，公開號：cn103886610a
專利文獻2：基于圖像識別的絕緣子缺陷識別方法，申請日：2013年12月3日，申請號/專利號：201310642444.0，公開號：cn103605981a
專利文獻1描述了一種絕緣子圖像缺陷檢測方法，主要是通過直升機巡檢的方式獲取輸電線路的彩色絕緣子圖像，其主要是利用彩色圖像中絕緣子的顏色呈現聚類的特性，通過在lab顏色空間中利用k均值聚類算法將絕緣子從復雜的背景圖像中初步分割出來；然后利用絕緣子在圖像形成的長條對稱特性，采用基于主成分分析的連通區域判決方法定位出絕緣子的具體位置；在此基礎上，通過統計分析絕緣子相鄰盤片之間的距離識別出絕緣子缺陷區域。專利文獻1獲取的是彩色圖像，因此在圖像處理上較為復雜，相應地，缺陷判定的方法也較為繁復。
專利文獻2描述了一種基于圖像識別的絕緣子缺陷識別方法，包括：對采集的包含絕緣子串的圖片進行圖像處理，得到每條絕緣子串的中心直線；以中心直線為參考線，以像素為單位，沿著參考線遍歷絕緣子串的二值圖像，每遇到一個參考線的垂線的像素點個數先增長后縮減的參考區域，且該參考區域內像素點最多的垂線到參考線的垂線距離大于平均值，則求取該區域內像素點最多的垂線在參考線上的坐標；計算每相鄰兩個坐標點的距離，如果某兩個相鄰坐標點之間的距離大于參考距離的1.7倍，那么該處有絕緣子缺失，否則該處絕緣子完整。專利文獻2描述的方法主要用于高壓輸電線路上的絕緣子，而且對于缺陷絕緣子片成像在絕緣子中間而非邊緣部分時可能無法有效檢出。
絕緣子視覺檢測是一種非接觸檢測方法，它利用ccd攝像機獲取待檢測瓷絕緣子的一幅或多幅圖像，通過圖像分析與處理，判斷瓷絕緣子外表破損和表面積污程度，為掛網瓷絕緣子破損檢測提供了一種新的手段。
高鐵接觸網的絕緣子的檢測在實際應用中，主要還是靠人工查驗法。主要有兩個方面：一方面是通過人工上線登桿作業；另一方面是通過攝像機拍攝絕緣子圖，然后人工看圖，找缺陷。這樣的方法無疑作業周期長，且受專業人員素質的影響較大。
因此，研究一種既快速又高效的非接觸式絕緣子缺損檢測方法對高速鐵路的安全運營有著很重要的意義。
技術實現要素：
本發明提出了一種基于圖像的高鐵接觸網絕緣子破損檢測方法，利用絕緣子邊緣輪廓特征以及絕緣子片狀特征進行破損檢測，并從正反兩面同時檢測。
本發明通過安裝在檢測車車頂的室外圖像采集設備實時采集所運行線路中的每個接觸網定位裝置的絕緣子正反面的高清圖像，并對這些獲取的圖像進行實時在線分析處理，自動對每幅圖片進行檢測，對于有缺陷的圖片給出缺陷預警信息，以此指導接觸網絕緣子的維護工作。
本發明提供一種絕緣子破損檢測方法，包括：獲得絕緣子外觀圖像；對獲得的絕緣子外觀圖像進行預處理，以得到待測絕緣子圖像；將待測絕緣子圖像分為絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域以及絕緣子中間區域；對絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域通過形態學方法進行分割，計算分割后每個小區域的連通性；比較絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的各個連通區域；檢測絕緣子中間區域的絕緣子邊緣；如果在比較絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的各個連通區域的過程中以及在檢測絕緣子中間區域的絕緣子邊緣的過程中發現異常，則判斷絕緣子在相應區域的相應位置存在破損。
在本發明的方法中，通過攝像機抓拍同一絕緣子的正反兩面的外觀圖像。對獲得的正面絕緣子外觀圖像進行預處理，以得到待測絕緣子圖像；對獲得 的反面絕緣子外觀圖像進行軸向旋轉使得圖像反轉，然后進行與正面絕緣子外觀圖像相同的預處理，以得到待測絕緣子圖像。
在本發明的方法中，從獲得的絕緣子外觀圖像中提取絕緣子區域圖像；將絕緣子區域圖像進行二值化以得到二值化圖像；根據二值化圖像，利用形態學方法得到絕緣子二值圖；通過仿射變換使得絕緣子二值圖處于水平位置；將絕緣子二值圖大小歸一化為固定值以得到待測絕緣子圖像。
在本發明的方法中，計算絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的連通區域的個數；比較絕緣子輪廓上區域中的連通區域的個數與絕緣子輪廓下區域中的連通區域的個數。如果絕緣子輪廓上區域中的連通區域的個數與絕緣子輪廓下區域中的連通區域的個數不相等，則絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域二者中連通區域的個數較少的一個區域中存在破損。
在本發明的方法中，計算絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的各個連通區域的屬性特征及特征均值；將各個連通區域的屬性特征與特征均值進行比較；對于比較結果為差值超出閾值的連通區域，判斷該連通區域中存在破損。
優選地，所述的連通區域的屬性特征是以下特征之一：連通區域的面積、連通區域的高度、連通區域的寬度。
在本發明的方法中，檢測絕緣子中間區域的絕緣子邊緣可以包括：提取絕緣子邊緣輪廓特征，以確定各個邊緣位置；計算相鄰的每兩個邊緣位置之間的距離；比較相鄰的每兩個邊緣位置之間的距離；如果上述距離不相等且差值超過閾值，則判斷距離較大的兩個邊緣位置之一存在破損。
優選地，所述絕緣子可以是高鐵接觸網的絕緣子或高壓輸電線中的絕緣子串。
優選地，當判斷絕緣子在相應區域的相應位置存在破損時，給出預警信 息。
本發明所涉及的高鐵接觸網絕緣子缺損檢測方法主要是通過對夜間檢測車載圖像設備抓拍所得黑白圖像進行處理，由于是夜間拍攝圖像，背景相對較為簡單，所以只需要利用絕緣子的特征進行絕緣子的精確定位而無須更多繁復的處理，最后在缺損的判定方面則利用了絕緣子邊緣輪廓特征以及絕緣子片狀特征進行破損檢測的方法。因此，本發明與專利文獻1所利用的拍圖設備不同，圖像處理方法也不同，最后的缺陷判定方法也不同。
本發明利用旋轉校正后使用絕緣子邊緣輪廓特征以及絕緣子片狀特征進行破損檢測的方法，這與專利文獻2不同，并且專利文獻2描述的方法可能對于缺陷絕緣子片成像在絕緣子中間而非邊緣部分時無法有效檢出，而本發明則可以對圖像中絕緣子邊緣和中間區域的缺陷都能有效檢出。另外專利文獻2描述的絕緣子主要是高壓輸電線路上的，不一定適用于高鐵接觸網。
與現有技術相比，本發明的優點在于：
1、本發明為非接觸式的智能圖像檢測模式，節省人力；
2、本發明通過正反面同時檢測，檢測區域無死角；
3、本發明不但可以檢測圖像中的絕緣子外邊緣是否破損，而且可以對圖像中間的每個絕緣子片都做了檢測，真正做到了全面檢測。
本發明采用非接觸式的智能圖像檢測技術，不僅能夠更及時的發現缺陷，并且節省了大量的人力，對于高鐵的安全運行有著重要意義。
附圖說明
下面參考附圖結合實施例說明本發明。在附圖中：
圖1是通過攝像機采集到的正面絕緣子圖像的示例；
圖2是通過攝像機采集到的反面絕緣子圖像的示例；
圖3是通過攝像機采集到的絕緣子初始圖像的示例；
圖4是對待測絕緣子圖像進行檢測區域劃分的示意圖；
圖5是根據本發明的絕緣子破損檢測方法的流程圖；
圖6是根據本發明的實施例的處理絕緣子正反面圖像的方法的流程圖；
圖7是根據本發明的實施例的對獲得的絕緣子外觀圖像進行預處理的方法的流程圖；
圖8是根據本發明的一個實施例的檢測絕緣子輪廓上區域和下區域中的破損的方法的流程圖；
圖9是根據本發明的另一實施例的檢測絕緣子輪廓上區域和下區域中的破損的方法的流程圖；
圖10是根據本發明的實施例的檢測絕緣子中間區域的破損的方法的流程圖。
具體實施方式
下面將結合具體應用來描述本發明的實施例。
本發明首先通過安裝在檢測車頂部的攝像機抓拍得到同一絕緣子的正反兩面的黑白圖像。圖1是通過攝像機采集到的正面絕緣子圖像的示例。圖2是通過攝像機采集到的反面絕緣子圖像的示例。從圖中可以看出，絕緣子在其正反面圖像中，在形態上并無太大區別，因此可以適用相同或相似的檢測方法。在上下文的描述中，盡管將圖1所示的方向稱為正面，將圖2所示的方向稱為反面，但本領域技術人員應該理解，這里的“正面”和“反面”是此情況或其他情況中是可以互換使用的，而不影響本發明的教導與范圍。
圖5是根據本發明的絕緣子破損檢測方法500的流程圖。圖5的方法500開始于步驟s501，首先獲得絕緣子外觀圖像。如上所述，通過安裝在檢測車頂部的攝像機抓拍得到同一絕緣子的正反兩面的黑白圖像。圖3是通過攝像機采集到的絕緣子初始圖像的示例。如圖3所示，在圓圈所圈出的部分中可能存在破損。
根據本發明，對于正面圖像采用以下的檢測步驟。
在圖5的步驟s503，對獲得的絕緣子外觀圖像進行預處理，以得到待測絕緣子圖像。在這一步驟中，所述的預處理如圖7中所示。圖7是根據本 發明的實施例的對獲得的絕緣子外觀圖像進行預處理的方法700的流程圖。根據圖7，方法700包括如下步驟：在步驟s701，從獲得的絕緣子外觀圖像中提取絕緣子區域圖像；在步驟s703，將絕緣子區域圖像進行二值化以得到二值化圖像；在步驟s705，根據二值化圖像，利用形態學方法得到絕緣子二值圖；在步驟s707，通過仿射變換使得絕緣子二值圖處于水平位置；在步驟s709，將絕緣子二值圖大小歸一化為固定值以得到待測絕緣子圖像。
在一個實施例中，首先利用均值濾波等圖像預處理手段突出感興趣區域的特征，例如，處理后使得絕緣子區域的圖像能夠充滿整個視圖。然后，通過閾值法將絕緣子區域的圖像二值化得到絕緣子所在區域的二值圖像。在深夜進行的拍攝時，由于背景色為黑色而絕緣子本色為白色，因此使用這樣的二值化圖像就能簡便地檢測出絕緣子的破損來。接下來，利用形態學的閉運算，即先膨脹后腐蝕算法來去除目標內所有空洞；再利用形態學的開運算，即先腐蝕后膨脹算法得到絕緣子的二值化圖像，即精確定位了的絕緣子二值圖。此時得到的絕緣子二值圖已經被精確地定位于處理圖像中，但由于拍攝角度的限制，這樣的二值圖并非絕緣子的平視圖，而是帶有一定垂直仰角和/或一定水平方位角的視圖。所以接下來，計算此時絕緣子所在區域的長軸與水平線之間的夾角，然后應用上述夾角完成仿射變換，從而使得絕緣子圖處于水平位置。最后，歸一化絕緣子區域中絕緣子的圖像的大小為固定值，以便后續的統一模塊化處理。以上的圖像預處理的過程，還將在下文的具體實施例中被再次詳細描述。
在步驟s505，將待測絕緣子圖像分為絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域以及絕緣子中間區域。圖4是對待測絕緣子圖像進行檢測區域劃分的示意圖。本領域技術人員應該明白，圖4中的圖像并非待測絕緣子圖像，因為其并非完全的二值圖像，申請人只是在其上做出區域劃分，以示意如何對待測絕緣子圖像進行劃分。根據圖4的示意，將圖像中絕緣子的輪廓區域分為上區域和下區域，對這兩個區域可以進行相同或相似的圖像檢測處理。另一方面，劃分了絕緣子輪廓上區域和下區域之后，剩下的中間部分是圖像中絕緣子的中間區域，對中間區域可以進行不同的圖像檢測處理。也就是說，將絕緣子分為三個矩形檢測區域，即上、中、下三個區域。其中，上和下區 域分別用來檢測絕緣子的輪廓區域是否有缺損，而中間區域主要用來檢測各絕緣子片的輪廓是否有破損。
回到圖5，在步驟s507，對絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域通過形態學方法進行分割，計算分割后每個小區域的連通性。
接下來，在步驟509，比較絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的各個連通區域。
如果在比較絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的各個連通區域的過程中發現異常，即步驟s513的結果為“有”，則在步驟s515判斷絕緣子在相應區域的相應位置存在破損。在判斷出存在破損的情況下，方法500可以結束；可替換地或者附加地，當判斷絕緣子在相應區域的相應位置存在破損時，給出預警信息。
具體地，圖8是根據本發明的一個實施例的檢測絕緣子輪廓上區域和下區域中的破損的方法800的流程圖。
圖8的方法800承接于圖5的步驟s507，即對絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域通過形態學方法進行分割，計算分割后每個小區域的連通性。在圖8的步驟s801，計算絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的連通區域的個數。在步驟s803，比較絕緣子輪廓上區域中的連通區域的個數與絕緣子輪廓下區域中的連通區域的個數。如果絕緣子輪廓上區域中的連通區域的個數與絕緣子輪廓下區域中的連通區域的個數不相等，即圖8中的步驟s805的結果為“否”，則絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域二者中連通區域的個數較少的一個區域中肯定存在破損。在此情況下，可以給出預警。否則，即步驟s805的結果為“是”，則方法800繼續，即不能判斷存在破損。
為了進一步檢測出破損的具體位置，可以使用本發明的另一實施例來對上區域和下區域中的連通區域進行更細的檢測。
圖9是根據本發明的另一實施例的檢測絕緣子輪廓上區域和下區域中的破損的方法900的流程圖。
圖9的方法900可以承接于圖5的步驟s507；另一方面，如上所述，也可以承接于圖8的方法800。在圖9的步驟s901，計算絕緣子輪廓上區域和絕緣子輪廓下區域中的各個連通區域的屬性特征及特征均值。所述的連通區域的屬性特征可以是連通區域的面積、連通區域的高度或連通區域的寬度，或者上述特征的組合。在步驟s903，將各個連通區域的屬性特征與特征均值進行比較。如果比較結果為某個連通區域的屬性特征與特征均值的差值超出預先確定的閾值，即步驟s905的結果為“是”，則在步驟s907判斷該連通區域中存在破損。然后，方法900結束。在此情況下，可以給出預警。否則，即步驟s905的結果為“否”時，則方法900也結束，即不能判斷存在破損。
另一方面，針對中間區域，回到圖5，在步驟s511，檢測絕緣子中間區域的絕緣子邊緣。如果在檢測絕緣子中間區域的絕緣子邊緣的過程中發現異常，即步驟s513的結果為“有”，則在步驟s515判斷絕緣子在相應區域的相應位置存在破損。在判斷出存在破損的情況下，方法500可以結束；可替換地或者附加地，當判斷絕緣子在相應區域的相應位置存在破損時，給出預警信息。
具體地，圖10是根據本發明的實施例的檢測絕緣子中間區域的破損的方法1000的流程圖。
圖10的方法1000是針對絕緣子中間區域的。在步驟s1001，檢測中間區域中的邊緣，提取符合絕緣子邊緣輪廓特征的邊緣及其位置屬性，即提取絕緣子邊緣輪廓特征，以確定各個邊緣位置。接下來，在步驟s1003，計算相鄰的每兩個邊緣位置之間的距離。在步驟s1005，比較相鄰的每兩個邊緣位置之間的距離。提取到邊緣的位置必須是等間隔排列的，若其中兩兩之間的間隔過大，則說明存在一處邊緣異常情況。如圖10所示，如果上述距離不相等且差值超過預先確定的閾值，即在步驟s1007的結果為“是”的情況下，則在步驟s1009判斷距離較大的兩個邊緣位置之一存在破損。然后，方法 1000結束。在此情況下，可以給出預警。否則，即步驟s1007的結果為“否”時，則方法1000也結束，即不能判斷存在破損。
回到圖5，如果在針對上、下區域和中間區域的檢測中都沒有發現異常的話，即步驟s513的結果為“無”，則方法500可以結束。
對于反面圖像，首先通過軸向反轉的方法使得圖像反轉。反轉后得到的圖像可再利用上述方法檢測絕緣子是否有破損邊緣。
圖6是根據本發明的實施例的處理絕緣子正反面圖像的方法600的流程圖。圖6的方法600開始于步驟s601，即如最開始所述的通過攝像機抓拍同一絕緣子的正反兩面的外觀圖像。對于絕緣子正面圖，直接執行圖5中的步驟s503-s515；對于絕緣子反面圖，先進行軸向旋轉使得反面圖像反轉，然后再執行圖5中的步驟s503-s515。執行完步驟s503-s515之后，方法600即可結束。
例如，最后，對正反面檢測結果做綜合處理，若正反面有一面存在異常即報出缺陷信息，否則不報缺陷，至此結束檢測。
以下將給出用于實現本發明的一個具體實施例的示例。
(一)首先，對正面絕緣子圖像采用下述步驟：
(1)載入絕緣子正面圖像，圖像大小可以為2448*2048(單位為像素)；
(2)對原始圖像進行二值化，閾值可以取為15；
(3)對二值化后的圖像進行垂直投影，
(4)找到最大投影值maxprojectionvalue所在的列，再裁剪得到絕緣子所在區域圖像；
(5)再利用膨脹、腐蝕等形態學算法精細定位絕緣子圖像；
(6)利用下述公式計算絕緣子所在區域的長軸與水平線之間的夾角；
區域的面積的歸一化的矩：
其中心矩的計算為：
區域方向角計算公式為：
(7)完成仿射變換，使得絕緣子軸向為水平位置，旋轉矩陣為：
(8)歸一化圖像大小，使其均為w*h(單位為像素)；
(9)將該圖像在高度方向分為三個檢測區域，uproi、middleroi、downroi；
(10)對uproi做如下操作：通過形態學方法進行分割，計算分割后每個小區域的連通性，并計算得到在各感興趣區域中的連通區域的個數numconnectup；
(11)對downroi做如下操作：通過形態學方法進行分割，計算分割后每個小區域的連通性，并計算得到在各感興趣區域中的連通區域的個數numconnectdown；
(12)比較numconnectup是否與numconnectdown相等，若不相等，則是有異常存在，將isdefectexistzh賦值為1，跳出此面檢測；否則繼續下述步驟；
(13)對于middleroi的檢測，則主要利用邊緣檢測算法，檢測中間感興趣區域中的邊緣，并且提取符合絕緣子邊緣輪廓特征的邊緣及其位置屬性，再通過提取到的邊緣的屬性計算此絕緣子是否存在破損，即提取到邊緣的位置必須是等間隔排列的，若其中兩兩之間的間隔過大，則說明存在一處邊緣異常情況，則將isdefectexistzh賦值為1。
(二)其次對反面絕緣子圖像采用與上述正面絕緣子圖像一樣的步驟，若存在異常情況，將isdefectexistfan復制為1。
(三)最后，對于正面缺陷檢測結果變量isdefectexistzh與反正缺陷檢測結果變量isdefectexistfan的邏輯滿足情況：isdefectexistzh＝1或者isdefectexistfan＝1則說明存在缺陷，即報出此接觸網桿的缺陷信息。
本發明公開的所有方法除了個別步驟以外，均可以任何方式組合。而且，本發明中除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或者類似特征中的一個而已。
另外，盡管在實施例中，本發明用于高鐵接觸網的絕緣子破損檢測，但本發明也可用于高壓輸電線中絕緣子串的破損檢測。
上面已經描述了本發明的實施方式及其具體應用和優選實施例。但是本發明的精神和范圍不限于這里所公開的具體內容。本領域技術人員將能夠根據本發明的教導而做出更多的實施方式和應用，這些實施方式和應用都在本發明的精神和范圍內。本發明的精神和范圍不由具體實施例來限定，而由權利要求來限定。
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