中国电力 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (2): 203-215.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202311070
收稿日期:
2023-11-14
接受日期:
2024-04-11
出版日期:
2025-02-28
发布日期:
2025-02-25
作者简介:
任明(1987—),男,通信作者,博士,副教授,从事高电压试验技术、状态检测智能传感器、图像融合与故障可视化研究,E-mail:renming@xjtu.edu.cn基金资助:
Ming REN(), Qianyu LI(
), Changjie XIA, Ming DONG
Received:
2023-11-14
Accepted:
2024-04-11
Online:
2025-02-28
Published:
2025-02-25
Supported by:
摘要:
对线路复合绝缘子的污秽状态进行及时、准确的在线评估,可以有效防止污闪事故的发生。提出一种线路复合绝缘子污秽状态可视化评估方法。首先,结合图像配准算法和目标区域框选构建多源反射光谱图像半自动化配准方法,解决多目相机固有的图像配准难题;其次,利用低成本、轻量化、高成像质量的多目式稀疏光谱成像设备拍摄人工染污样品并进行模型预训练,进一步通过真实自然积污样品进行迁移训练,构建复合绝缘材料表面污秽等级诊断模型;最后,借助无人机平台,在不同拍摄条件下对线路复合绝缘子污秽状态进行实测分析。结果表明,该方法对于人工染污和自然积污样品污秽等级的划分准确率分别为95.3%和87.8%,实际线路复合绝缘子污秽等级划分准确率可达90%,污秽分布区域显示清晰。通过无人机实测分析验证了基于稀疏光谱成像技术的线路绝缘子污秽等级评估和污秽分布可视化诊断的可行性,为线路绝缘子状态巡视和检修决策提供了新的技术手段。
任明, 李乾宇, 夏昌杰, 董明. 基于稀疏光谱成像的线路复合绝缘子积污状态可视化评估[J]. 中国电力, 2025, 58(2): 203-215.
Ming REN, Qianyu LI, Changjie XIA, Ming DONG. Visualized Estimation of Composite Insulator Pollution Status of Transmission Line Based on Reflective Multispectral Imaging[J]. Electric Power, 2025, 58(2): 203-215.
参数名称 | 数值 | |
质量/g | 640 | |
中心波长(带宽)/nm | 450 (35)、555 (25)、660 (22.5)、 720 (10)、750 (10)、840 (30) | |
量化位数/bit | 12 | |
图像分辨率 | ||
CMOS尺寸 | 1/3′′ | |
像元尺寸/μm | 3.75×3.75 |
表 1 多目式稀疏光谱图像采集设备主要参数
Table 1 Main parameters of multi-lens multispectral image acquisition device
参数名称 | 数值 | |
质量/g | 640 | |
中心波长(带宽)/nm | 450 (35)、555 (25)、660 (22.5)、 720 (10)、750 (10)、840 (30) | |
量化位数/bit | 12 | |
图像分辨率 | ||
CMOS尺寸 | 1/3′′ | |
像元尺寸/μm | 3.75×3.75 |
配准算法 | 综合互信息 | 配准时间/s | ||
基于SIFT的配准算法 | 0.780 2 | 2.587 5 | ||
基于SURF的配准算法 | 0.775 0 | 0.881 3 | ||
基于ORB的配准算法 | 0.751 4 | 0.868 8 |
表 2 不同配准算法的互信息和配准时间
Table 2 Mutual information and registration time of different registration algorithms
配准算法 | 综合互信息 | 配准时间/s | ||
基于SIFT的配准算法 | 0.780 2 | 2.587 5 | ||
基于SURF的配准算法 | 0.775 0 | 0.881 3 | ||
基于ORB的配准算法 | 0.751 4 | 0.868 8 |
污秽等级 | NaCl | CaSO4 | 高岭土 | |||
0 | 0 | 0 | 0 | |||
Ⅰ | 0.016 | 0.040 | 0.336 | |||
Ⅱ | 0.028 | 0.070 | 0.588 | |||
Ⅲ | 0.070 | 0.175 | 1.470 | |||
Ⅳ | 0.100 | 0.250 | 2.100 |
表 3 不同等级污秽的NaCl和高岭土含量
Table 3 NaCl and Kaolin content of different pollution grades 单位:mg/cm2
污秽等级 | NaCl | CaSO4 | 高岭土 | |||
0 | 0 | 0 | 0 | |||
Ⅰ | 0.016 | 0.040 | 0.336 | |||
Ⅱ | 0.028 | 0.070 | 0.588 | |||
Ⅲ | 0.070 | 0.175 | 1.470 | |||
Ⅳ | 0.100 | 0.250 | 2.100 |
分类模型 | 超参数搜索算法 | 验证准确率/% | 测试准确率/% | |||
SVM | 网格搜索 | 94.6 | 94.5 | |||
随机搜索 | 95.2 | 95.0 | ||||
贝叶斯优化 | 95.2 | 95.0 | ||||
KNN | 网格搜索 | 95.0 | 94.8 | |||
随机搜索 | 95.2 | 95.0 | ||||
贝叶斯优化 | 95.3 | 95.2 | ||||
随机森林 | 网格搜索 | 94.9 | 94.6 | |||
随机搜索 | 95.2 | 95.0 | ||||
贝叶斯优化 | 95.4 | 95.3 |
表 4 不同分类模型的评估结果
Table 4 Estimation result of different classification models
分类模型 | 超参数搜索算法 | 验证准确率/% | 测试准确率/% | |||
SVM | 网格搜索 | 94.6 | 94.5 | |||
随机搜索 | 95.2 | 95.0 | ||||
贝叶斯优化 | 95.2 | 95.0 | ||||
KNN | 网格搜索 | 95.0 | 94.8 | |||
随机搜索 | 95.2 | 95.0 | ||||
贝叶斯优化 | 95.3 | 95.2 | ||||
随机森林 | 网格搜索 | 94.9 | 94.6 | |||
随机搜索 | 95.2 | 95.0 | ||||
贝叶斯优化 | 95.4 | 95.3 |
参数名称 | 参数值 | |
决策树数量 | 486 | |
最大分离特征数 | 7 | |
决策树最大深度 | 93 | |
特征选取方法 | 基尼系数 |
表 5 污秽等级诊断模型的超参数
Table 5 Hyper-parameters of pollution grade diagnosis model
参数名称 | 参数值 | |
决策树数量 | 486 | |
最大分离特征数 | 7 | |
决策树最大深度 | 93 | |
特征选取方法 | 基尼系数 |
样本污秽等级 | 训练集数据/个 | 测试集数据/个 | ||
0 | 1 550 | 523 | ||
Ⅰ | 1 650 | 546 | ||
Ⅱ | 1 700 | 577 | ||
Ⅲ | 1 750 | 584 | ||
Ⅳ | 1 800 | 612 |
表 6 自然积污样本数据集划分
Table 6 Data set division of natural contaminated samples
样本污秽等级 | 训练集数据/个 | 测试集数据/个 | ||
0 | 1 550 | 523 | ||
Ⅰ | 1 650 | 546 | ||
Ⅱ | 1 700 | 577 | ||
Ⅲ | 1 750 | 584 | ||
Ⅳ | 1 800 | 612 |
训练集准确率/% | 测试集准确率/% | |||
迁移训练前 | 70.4 | 71.5 | ||
迁移训练后 | 90.2 | 87.8 |
表 7 迁移训练前后自然积污数据集的评估结果
Table 7 Estimation result of natural contamination dataset before and after migration training
训练集准确率/% | 测试集准确率/% | |||
迁移训练前 | 70.4 | 71.5 | ||
迁移训练后 | 90.2 | 87.8 |
组别 | 环境光照 | 拍摄角度 | 绝缘子器型 | |||
a | 晴天(60 000~80 000 lux) | 30°俯拍 | 复合悬式绝缘子 | |||
b | 晴天(60 000~80 000 lux) | 30°仰拍 | 复合悬式绝缘子 | |||
c | 阴天(10 000~15 000 lux) | 30°仰拍 | 复合悬式绝缘子 | |||
d | 阴天(10 000~15 000 lux) | 30°俯拍 | 瓷复合绝缘子 | |||
e | 阴天(10 000~15 000 lux) | 30°仰拍 | 瓷复合绝缘子 |
表 8 线路复合绝缘子拍摄计划
Table 8 Shooting plan of transmission line composite insulators
组别 | 环境光照 | 拍摄角度 | 绝缘子器型 | |||
a | 晴天(60 000~80 000 lux) | 30°俯拍 | 复合悬式绝缘子 | |||
b | 晴天(60 000~80 000 lux) | 30°仰拍 | 复合悬式绝缘子 | |||
c | 阴天(10 000~15 000 lux) | 30°仰拍 | 复合悬式绝缘子 | |||
d | 阴天(10 000~15 000 lux) | 30°俯拍 | 瓷复合绝缘子 | |||
e | 阴天(10 000~15 000 lux) | 30°仰拍 | 瓷复合绝缘子 |
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