針對(duì)輸電線路覆冰厚度測(cè)量的研究，目前很多工作大多集中在電氣特性的測(cè)量方面，例如測(cè)量導(dǎo)線應(yīng)力、導(dǎo)線弧垂、絕緣子傾角等，通過這些測(cè)量值與覆冰厚度之間的關(guān)系算法確定當(dāng)前覆冰的厚度。這些方式要求在線上安裝傳感器，安裝困難，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)極為不便，尤其是此類傳感器的可靠性目前普遍都不高，因此大范圍的推廣應(yīng)用受到了很大的限制。

本文提出了一種從覆冰圖像入手，采取通過圖像識(shí)別直接得出覆冰厚度的方法。其基本思路是，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)裝置拍攝傳回的實(shí)時(shí)覆冰照片，通過包括圖像灰度化、二維圖像分割、濾波、區(qū)域標(biāo)記等方法的圖像預(yù)處理，獲取輸電線覆冰邊界，進(jìn)而計(jì)算、分析輸電線覆冰的基本形態(tài)特征參數(shù)。當(dāng)輸電導(dǎo)線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提示管理部門及時(shí)采取除冰措施，保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 總體參數(shù)及功能簡介

在線監(jiān)測(cè)裝置采用20W太陽能板+25Ah蓄電池浮充供電方式，能保證20日無日照正常工作。在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了圖像、氣象六要素（風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣壓、雨量）的自動(dòng)采集。

其中，六要素氣象數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范算法實(shí)現(xiàn)，風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的采樣間隔為2分鐘，3秒滑動(dòng)平均值做為瞬時(shí)值，氣溫、濕度、氣壓的采樣間隔為10分鐘，1分鐘算術(shù)平均值做為瞬時(shí)值，雨量的采樣間隔為1分鐘，采樣的為雨量累計(jì)值。

系統(tǒng)采用自報(bào)與應(yīng)答兼容工作方式。在整10分鐘時(shí)刻，在線檢測(cè)裝置向中心站主動(dòng)上送風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣壓的瞬時(shí)值及雨量累計(jì)值。此外，在氣溫和濕度達(dá)到一定條件后系統(tǒng)系統(tǒng)還將拍攝并遠(yuǎn)傳一副圖片；在整點(diǎn)時(shí)刻，在線檢測(cè)裝置向中心站主動(dòng)上送風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣壓的瞬時(shí)值、風(fēng)速、風(fēng)向的10分鐘平均值，極大值，圖像，RTU狀態(tài)，同時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置還將每兩分鐘采集的風(fēng)速、風(fēng)向瞬時(shí)值進(jìn)行整編同時(shí)發(fā)送到中心站。

在任何時(shí)刻，在線監(jiān)測(cè)裝置在接收到遠(yuǎn)程平臺(tái)發(fā)送的招測(cè)命令或遠(yuǎn)程提取圖像命令時(shí)，在線監(jiān)測(cè)裝置會(huì)立即啟動(dòng)采樣或抓拍動(dòng)作，并將采集的氣象瞬時(shí)值數(shù)據(jù)或圖像遠(yuǎn)傳到中心站。

遠(yuǎn)程傳輸采用GPRS信道，ACS300-MM內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，通過控制GPRS MODEM的方式進(jìn)行GPRS收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用空閑下線的工作方式。通過避免一直在線一方面可以節(jié)省系統(tǒng)功耗，另一方面還節(jié)省了通信費(fèi)用，提高了系統(tǒng)可靠性。

2 在線監(jiān)測(cè)裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

針對(duì)輸電線路無有效供電、無人值守的特點(diǎn)，在線監(jiān)測(cè)裝置采用南京南瑞集團(tuán)公司的新型ACS300-MM微功耗、高可靠數(shù)據(jù)采集器作為核心數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了各種能耗的統(tǒng)一調(diào)度，靜態(tài)功耗小于100uA，工作功耗約為30mA。在線監(jiān)測(cè)裝置以ACS300-MM為核心實(shí)現(xiàn)了供電電源的動(dòng)態(tài)統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)的低功耗解決方案。

2.2 圖像與數(shù)據(jù)一體化傳輸

ACS300-MM數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)了多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)的一體化傳輸。這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)通過同一信道傳輸；另一方面，傳感數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。

多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)通過同一信道傳輸主要需要解決的是在GPRS/CDMA這種帶寬下如何快速、可靠地進(jìn)行圖像的傳輸。為此，ACS300-MM基于GPRS/CDMA信道的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)的文件傳輸控制協(xié)議。

覆冰只在少數(shù)氣溫、濕度均達(dá)到一定條件后才會(huì)發(fā)生，因此，絕大多數(shù)情況下是無需遠(yuǎn)程傳輸圖片的，而在滿足一定條件后，又需要密切關(guān)注當(dāng)前覆冰狀態(tài)，因此定時(shí)報(bào)的方式無法完全滿足這種需求。

為此，系統(tǒng)增加了條件報(bào)的工作方式，在氣溫和濕度達(dá)到一定條件后，自動(dòng)啟動(dòng)圖像抓拍遠(yuǎn)傳功能，而在平時(shí)，只進(jìn)行少量的圖像傳輸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平安報(bào)功能，從而一方面節(jié)省了流量費(fèi)用，另一方面也節(jié)省了功耗。

3 圖像識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)

圖1給出了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。分為5個(gè)子功能：j圖像讀取，k圖像預(yù)處理，圖像分割，圖像輪廓提取，線路特性值計(jì)算。

3.1 圖像讀取

圖像分為兩種類型處理，初次覆冰計(jì)算前，要先對(duì)該攝像頭下的裸線進(jìn)行處理分析，獲取該攝像頭對(duì)應(yīng)的拍攝參數(shù)（圖像比例系數(shù)以及圖像傾斜角度）。基于獲取的兩個(gè)值再對(duì)該攝像頭所拍其他圖像進(jìn)行覆冰厚度識(shí)別計(jì)算。

3.2 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理的目的是去除干擾、噪聲及差異，將原始圖像變成適于計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征提取的形式和質(zhì)量圖像，它包括圖像的變換、旋轉(zhuǎn)、增強(qiáng)和濾波等。

圖像變換通常是利用傅立葉變換、余弦/正弦變換、沃爾什變換、哈達(dá)碼變換、小波變換等的性質(zhì)和特點(diǎn)，將圖像轉(zhuǎn)換到頻域或空域中進(jìn)行處理，以改善圖像質(zhì)量，同時(shí)還能提高運(yùn)算處理速度。

圖像的旋轉(zhuǎn)主要是對(duì)構(gòu)成圖像的所有像素點(diǎn)進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)已達(dá)到數(shù)據(jù)分析的要求。

圖像的增強(qiáng)主要是指利用各種數(shù)學(xué)方法和變換手段提高圖像中人們感興趣部分的清晰度，突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)削弱另一些無用信息，包括圖像灰度修正、噪聲去除、圖像平滑、腐蝕、銳化、圖像邊緣增強(qiáng)等。

3.3 圖像分割與邊界輪廓提取

圖像分割與邊界輪廓提取是整個(gè)圖像識(shí)別算法的核心。

圖像分割的目的是對(duì)感興趣的目標(biāo)提取或測(cè)量。首先對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，考慮到覆冰輸電線圖像的無規(guī)則性，系統(tǒng)采用閾值處理進(jìn)行邊緣輪廓檢測(cè)。并進(jìn)一步對(duì)覆冰圖像進(jìn)行輪廓提取。圖像特征提取的作用是對(duì)圖像信息進(jìn)行整理、分析、歸納，抽取能反映圖像本質(zhì)邊界的特征，得到可用于判決的參量。判決或分類是指通過對(duì)特征量/參量與閾值進(jìn)行計(jì)算、比較和分析，判斷出圖像的狀態(tài)或本質(zhì)，得到最終的輸出結(jié)果。

圖像邊界輪廓提取所做的工作是從識(shí)別出的邊緣提取出來，便于進(jìn)一步的處理計(jì)算。經(jīng)過閾值二值化處理后的覆冰圖像，由于光線等因素影響，在覆冰輸電線輪廓中可能出現(xiàn)一些干擾區(qū)域，對(duì)線路特性值計(jì)算產(chǎn)生較大影響。通過對(duì)覆冰圖像分析，在提取的所有輪廓中，覆冰輸電線輪廓始終為最大。

同時(shí)，輸電線輪廓無法通過固定的特征進(jìn)行匹配識(shí)別。因此，將包含區(qū)域面積最大的輪廓作為覆冰輸電線輪廓，用背景灰度值填充其他輪廓區(qū)域，這樣就能順利將覆冰輸電線提取出來。

結(jié)語

以這種方式建立的覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在福建建寧縣泰舟線上成功應(yīng)用，系統(tǒng)提供兩種覆冰識(shí)別方式，一種是通過系統(tǒng)安裝調(diào)試后內(nèi)置的算法進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，覆冰厚度識(shí)別精度可以達(dá)到85%，能滿足初步的應(yīng)用需求，如需更精確的數(shù)據(jù)或適應(yīng)一些惡劣天氣條件的覆冰識(shí)別，可以進(jìn)入專家模式選擇相應(yīng)的識(shí)別算法及參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化識(shí)別。

與傳統(tǒng)的覆冰荷載應(yīng)力等監(jiān)測(cè)方式相比，基于圖像采集與識(shí)別的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝維護(hù)方便、直觀有效的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于圖像采集與識(shí)別的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，作者為曹翊軍、董興輝等。）