基于视频分析技术的变电站现场作业管控开发.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除基于视频分析技术的变电站现场作业管控开发摘要：视频监控系统是变电站无人值守的重要基础。本文结合当前视频技术、计算机技术和图像视频分析技术的发展，本文介绍基于视频内容场景智能分析的变电站视频监控系统的研究和应用。关键词：变电站；智能视频；分析1 引言随着电力工业的迅猛发展电力网络的覆盖范围迅速扩大，变电站地理位置分布越来越广。为了提高经济效益和劳动生产率在变电站系统日常的生产过程中大量采用无人值守模式。为防范变电站在运行中出现操作失误、火灾、设备被盗窃以及非工作人员闯入等突发事故，电力部门通过建立视频监控系统1。将所属变电站各个监视点的实时运行图像以及防火防盗等智能设备报警信息传输到监控中心，实现对所属变电站的远程实时视频监控、远程故障和意外情况告警接收处理。以此来提高变电站运行和维护的安全性及可靠性。但受技术发展的局限，现有变电站视频监控系统大多仅能提供现场监视等简单功能2。无形中降低了监控的效果。以计算机视觉与模式识别为基础的视频分析技术，能够自动地从纷繁的视频图像中分辩、识别和提取出关键目标的有用信息3。利用这一优点，将视频分析技术应用于变电站监控系统。使其能够不问断地自动分析监控视频，向监控人员及时提供有用信息。可极大地发挥与拓展现有监控系统的作用与能力，实现真正意义上智能化的无人值守变电站远程视频监控系统。2 相关背景研究2.1 无人值守变电站视频监控现状无人值守变电站远程视频监控系统和安防应用中常见的网络视频监控系统类似，一般是采用典型的客户服务器体系结构，可分为前端现场系统、中间数据传输系统和后端管控系统三个部分4。其中前端客户系统设在变电站监控现场，设备有摄像机、视频服务器、门禁感应器、烟雾探测器等，负责现场音视频信号、报警信号等数据的采集、编码和上传，控制信号的下载和解码，实现对摄像机的控制和本地监控任务。中间传输系统主要由网络通信设备和网络通道组成，用来完成前端和后端之间的数据传输交换任务。网络通道一般使用已有的2Mbps的E1 通道5。某些情况下，也可以使用3G 无线网络作为监控系统的网络通道。后端系统是监控中心，能够对各变电站客户端传送过来的音视频等数据进行解码、监控、存储和管理，实现对所属变电站的远程实时视频监控，使管理者能够实时、准确和直接地了解和掌握各个变电站的情况，并及时对发生的情况做出反应。同时，前端也对所有的监控用户进行统一的管理。 无人值守变电站现有监控系统存在的主要问题是：一是监控图像的内容分析仍需依靠人工实时观看、手动调阅，因此，多用作视频监视的多，很少做到视频识别与监控，通常只是录制视频图像，只能用作事后取证6；二是各类电子感应探测器提供的信息都比较单一有限，不能直观全面地反映监控现场的实际状况，且随环境条件的改变，其工作稳定性没有保证；三是视频监控获得的信息和电子感应探测信息没有融合充分利用。以上问题将成为充分发挥无人值守变电站监控系统效能的瓶颈，会严重地制约电网生成效率的进一步提高。2.2 智能视频分析技术智能视频分析源自计算机视觉技术，是人工智能研究的分支之一7。AI主要用于建立图像及图像描述之间的映射关系，使计算能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容。智能视频分析是指计算机图像视觉分析技术，通过将场景中背景和目标分离进而分析并追踪在摄像机场景内出现的目标8。用户可以根据视频的内容分析功能，通过在不同摄像机的场景中预设不同的报警规则，一旦目标在场景中出现了违反预定义规则的行为，系统会自动发出报警，监控工作站自动弹出报警信息并发出警示音，用户可以通过点击报警信息，实现报警的场景重组并采取相关措施。视频监控中所提到的智能视频内容分析主要指的是自动的分析和抽取视频源中的关键信息。如果把摄像机看作人的眼睛，而智能视频系统或设备则可以看作人的大脑。智能视频技术借助计算机强大的数据处理功能，对视频画面中的海量数据进行高速分析，过滤掉用户不关心的信息，仅仅为监控者提供有用的关键信息。智能视频分析主要目的是化被动监控为主动监控事前预警；计算机代替人工完成实时监视任务事中处理；在海量视频数据中快速搜索目标事件事后取证。3 项目背景及设计3.1 项目背景西双版纳供电局现有9座110KV变电站和2座220KV变电站均已建设了远程图像视频监控系统，现在原系统基础上利用目前业内最先进的智能视频分析技术为变电站现场运行作业管理保驾护航。本次升级改造主要由变电站站端系统改造和主站平台改造两部分组成，为智能分析平台提供优良的部署环境和数据交互存储。本期主站平台改造需要部署2套PC服务器、1套NAS磁盘阵列、1套三层核心交换机、1套42U服务器专用机柜、1套图形工作站、2套无线移动视频终端；变电站站端需要部署27套站端智能跟踪高速球摄像机、11套站端视频智能分析服务器和11套站端视频分析工作站硬件设备。网络主干采用1000M速率的光接口通过变电站内IOMC综合数据网传输至主站集控中心核心交换机接入，桌面级访问终端对所有服务器访问必须经过访问控制列表进行过滤与验证。3.2 技术要求基于视频分析技术的变电站现场作业管控开发与研究项目是结合各变电站现场作业风险分析报告以及目前各变电站内视频监控系统摄像机的分布情况，在各变电站内部署智能分析设备，并在西双版纳供电局集控中心平台上部署作业行为的智能分析系统，并将西双版纳供电局以往大量的人工数据统计资料录入至智能分析软件的数据库，通过智能分析软件中的行为预警模块对各变电站现场中的行为的对比、跟踪、分析，对各变电站现场中的人员与设备状态进行报警确认与无线移动视频终端进行上传，在各变电站内存在盲区和死角部位增加部署智能分析一体化球型摄像机进行完善。站端硬件部署主要实现以视频智能算法的任务计算负荷，承担系统整体运行的稳定性和实时传输性。因变电站现场环境复杂，为防止事故发生需要站端系统硬件处理能力和计算能力满足视频智能算法的所需资源负荷，针对智能算法的几种数学模型类型如下：（1）单高斯背景模型法：单高斯背景法适用于室内环境或是背景不是很复杂的室外环境。主要由以下两个步骤组成：初始化背景图像；更新背景图像。初始化背景图像。在该步骤中计算一段时间内视频序列图像 中每一像素的平均灰度值 及像素灰度值的方差 ，由和构成初始背景图像的高斯分布图 ，如式(1)所示： ( 1 )简化如下： ( 2 ) ( 3 )更新背景图像。若场景发生变化，则背景模型需响应该变化。算法利用视频序列提供的实时信息对背景模型进行更新，如式(4)所示。其中表示时刻的实时图像，表示时刻的背景图像，背景更新率 是一个常数，用来反映当前对象对背景图像的更新速度。 ( 1 )（2）基于区域法跟踪模板匹配的目标跟踪算法，通过距离加权、模板更新及局部匹配的方法来提高不同光照条件及变形情况下得鲁棒性，不再采用简单的平方差度量、相关匹配度量和相关系数度量，而是采用如式(5)所示的相似性度量函数： ( 2 )各投标人需针对上述两种算法数学模型进行充分考虑并出具硬件部署优化设计方案，所部署硬件设备必须满足上述算法的计算处理能力要求，并支持多线程浮点运算处理能力。硬件平台应采用当今世界上先进而成熟的技术和设备，具备开放性的网络环境，丰富的网络服务，且具有良好的升级，可扩展性，便于今后网络发展的需要。采用主干1000Mbps的以太网作为信息传递和数据传输的媒体以及相应的网络设备、接口设备、应用服务器、工作站和计算机终端设备等。投标人必须选择先进的随机操作系统和数据库管理软件，使软件应用系统具备开放性、可升级性、通用性、标准化、高效性和高安全性。3.3 系统设计本方案在原有电力变电站监控系统的基础上，在前端变电站增加智能视频分析服务器，在中心运行管理所增加报警管理平台。整个系统利用智能视频分析服务器在前端进行实时视频检测，运行管理所监控人员利用报警管理平台进行报警管理和现场证据收集。主要功能以及实现方式如下变电所室外重点区域：对变电所周界进行入侵检测。一旦发现有人在监控区域外围徘徊、滞留等行为时，及时预警；一旦确认有人进入监控区域时，及时报警并上传到监控中心。变电所室内：对室内门口区域进行入侵检测。一旦确认有人进入监控区域时，及时报警并上传到监控中心。在监控中心运行管理所设置报警管理平台，对前端变电站放置的智能视频分析服务器进行规则管理，对上传的报警信息进行存储和分类。 本系统无需改动原有的电力变电站监控系统，只需要把原有的监控摄像机信号源分出2路，其中一路视频接入智能视频分析服务器，即在现有监控系统基础上可以实现迅速，平滑的升级为智能视频监控系统。升级后前端变电站监控系统的结构图如下：图1 升级后前端变电站监控系统的结构图升级后监控中心的结构图如下：图2 升级后监控中心的结构图在前端变电站，智能视频分析服务器根据预设的规则处理摄像机输入的视频图像，对可疑目标进行自动跟踪和预警，一旦确定目标违反预设规则，立即触发现场告警，并通过电力专网传输现场报警信息到运行管理所,管理所的报警管理平台收到报警消息后通过视频弹出，声音提示+文字提示3种方式提醒监控人员。新系统可通过原有平台进行实时视频浏览，同时实现了人员入侵实时报警及抓拍, 解决了现有监控系统报警准确率低和误报率较高的问题，仅以较小的存储资源来保存报警发生时的实时抓图，极大提高了监控管理效率。本方案主要目的是提高变电站监控系统的智能化水平，为监控中心提供准确可靠的报警并尽量减少漏报，并及时提供和保留报警现场证据。本系统主要功能为：（1）运动目标检测、识别和跟踪目标检测是指检测出监控区域的各个运动目标；目标识别是指对监控区域的运动目标进行识别，识别出人、车和其它物体；目标跟踪是通过对运动目标的轨迹定位来描述其运动。目标检测、识别和跟踪是智能视觉分析的前提。（2）绊线穿越检测绊线穿越检测支持单向或双向穿越单条或多条绊线的行为，每一条绊线可以指定穿越绊线的方向（单向或双向）。（3）区域入侵检测区域入侵检测支持各种独立入侵或联合入侵的人、车或其它目标，支持设定8个任意形状的防区，多个防区位置可以重叠，互不影响。（4）物品防盗检测物品防盗检测是指自动检测出监控防区内被搬移的物品并自动发出报警，支持被搬移时及时报警和被搬移一段时间未放回时报警。3.4 系统实现系统主要实现了以下业务功能：前端检测规则设置：主要为报警区域、触发方式；系统管理：设备管理、用户管理、地图管理、系统设置、布防设置；报警窗口：报警类型、报警图片、报警视频、电子地图；历史报警信息查询：报警图片、报警视频、报警类型、报警时间；地图查看：查看布置点位、点位报警状态。5 结论在当前电力行业中大量变电站采用无人值守工作模式。其正常运行直接关系到电力企业或整个电网的正常运作。针对无人值守变电站远程视频监控系统的现状及不足将视频分析技术应用于现有的监控系统。给出了相应的设计方案，对典刑的变电站安防需求进行了实例分析。虽然，融合了视频分析技术的监控系统能够给无人值守变电站的运行带来更高的安全性，但由于变电站自身的地理位置、设施布局、天气环境等比较复杂，因此在安装监控系统时还需要根据变电站的具体条件。选择好监控没备的安装点，并对视频分析算法相关参数以及监控进行反复调试。使整个系统获得最佳的监控性能。参考文献1 罗朝阳，罗建军数宁视频远程监控系统在变电站的应用J. 电力系统通信，2012，(3)：47502 杨俊宏，李晓彤电力远程图像监控系统建设J云南电力技术，2011，37(2)：36373 郑远锋，何林泰元人值班变电站遥视系统的应用J陕西电力，