水泥电杆病害现场监测目标特征几何分析
作者简介:
作者简介：喻志程（1987—）,男,硕士研究生,主要从事电网物资管理运行、电力物资招投标管理、电力专业技术管理、物资监测技术研究等工作
水泥电杆作为建设输送线路的关键部件,在配电网杆安全运行中起到极其重要的作用。我国幅员辽阔,自然环境复杂多变,水泥电杆长期暴露在外部环境中,受大气中腐蚀性介质的长年腐蚀以及各种外力、应力作用,电杆杆身易出现裂缝、混凝土剥落、钢圈锈蚀等病害。长此以往会缩短水泥电杆的使用寿命,影响配电网的安全运行,更换水泥电杆时,还会出现工期长、施工难度大等问题。因此,实时对水泥电杆展开病害现场监测,及时修复出现的病害就显得尤为重要[1-2]。
WANG等[2]通过对架空线路下的磁场波形进行相似性分析,提出了一种多准则融合的故障定位方法,该方法利用磁阻传感器,具有成本低、安装和维护便利等优点。胡珉等[3]在监测现场录制相关视频,通过对视频的详细分析采集现场各项数据,提取病害位置特征,并使用卷积神经网络进行识别,确定病害类别以及位置,结合马尔科夫随机场模型对辨识结果与实际场地病害结果实施一致性验证,进一步提升了结果的监测精度。高旭光等[4]使用近景摄影测量技术以及图像处理技术对待检测目标的数字化影像实施自动提取,生成病害各项特征点,基于Delaunay三角生成病害表面模型,利用移动球算法完成病害表面形态骨架线自动提取,基于提取结果实现杆体病害的精准监测。杨娜等[5]基于病害的成因,设计了一套病害监测系统,该系统通过无人机对杆体病害实施悬停拍照,根据图像的处理结果获取病害特征,使用计算机测量技术对特征进行识别,进而计算出病害的各项尺寸,完成目标的病害监测。
由于水泥电杆病害类型较多,现场监测目标结构变形量、相对位移与状态不一,杆体病害特征几何差异较大,电杆病害现场监测效果往往不理想。为此,提出杆体病害双目立体视觉特征几何分析方法,引入随机梯度下降方法,在杆体病害特征几何优化模型中设置特征几何优化结构,以膨胀系数、挤压状态值、张量固定值等众多几何值为被优化特征量,结合视差转换结果,进行水泥电杆病害现场监测效果优化。
1. 现场杆体病害视差转换
水泥电杆通常埋设于盐碱地、稻田、沼泽、苇塘和沿海地区等被盐碱水侵蚀的环境中,首先,通过复杂的现场监测过程,进行现场杆体病害位置坐标转换。
设定水泥电杆的位置坐标为q(X,Y,Z),不同位置成像仪的像主点为αl、αr,焦距为f,以此获取成像仪与水泥电杆之间的视差,以及二者之间的深度[6-7],过程为
式中：xl,xr为不同成像仪与水泥电杆之间视差；Z为成像仪与水泥电杆之间的景深；d为不同成像仪之间的距离；Tx表示成像仪温度。
水泥电杆在长期工作后会出现变形、位移等现象,当变形、位移数值过大时,结合式（1）建立水泥电杆现场的单位矩阵I,以此获取成像仪之间位置关系以及不同成像仪扫描图像之间的三维坐标对应关系,过程为
式中：Δx,Δy,Δz分别为成像仪坐标在世界坐标上的原点位置偏移；p(x,y,z)为成像仪位置坐标；（X1,Y1）,（X2,Y2）分别为不同像点在成像仪位置图像中的坐标；f1,f2分别为不同成像仪扫描焦距。
1.1 杆体病害双目立体视觉特征提取
结合病害现场图像获取图像内部数据,提取杆体裂缝、位移等相关监测指标[8-9],提取过程可分为结构变形量特征提取、相对位移特征提取与状态特征提取3个步骤,逐次优化杆体病害特征几何,详细分析水泥电杆的病害类型,为辨识病害的类型以及严重程度提供帮助。
1.1.1 结构变形量特征提取
水泥电杆外部钢筋锈蚀以及盐碱地的骨料反应,会使电杆内部混凝土出现膨胀现象,从而引发杆体裂缝。水泥电杆杆体出现裂缝病害前,首先需要根据获取的病害现场图像数据采集结果,提取水泥电杆的结构变形量。过程中设定水泥电杆的位移基准值为B0,内部膨胀系数为β,实测温度为Tsw,则水泥电杆的结构变形量H可表示为
式中：l为位移最小读数；B为实测水泥电杆位移输出值；χ为温度修正系数；T0为温度基准值。
1.1.2 相对位移特征提取
若水泥电杆位于沿海地区,在常年潮湿多雨的环境下,其外部会被雨水大风侵蚀,导致混凝土剥落,出现杆体倒塌等现象。基于上述提取出的结构变形量以及获取的相关参数,设定水泥电杆的原始位移观测值为G0,经过m次观测后的位移值为Gn,则水泥电杆的净空相对位移值ζm可表示为
由于提取位移值时,气候温度会给提取结果带来影响,所以需要将观测时的测量基线设定为J,以完成水泥电杆净空相对位移值的误差校正,校正结果表示为
式中：t0为初始测量温度；tm为第m次测量温度；δ为膨胀系数；ζ′m为校正后的位移值。
1.1.3 状态特征提取
水泥电杆通常立于土地之上,杆体内部应力以及外部压力的挤压,会使得杆体状态特征差异较大,对电杆进行准确的屈服强度提取,能够有效获得电杆外部挤压状态值。因此,设定水泥电杆的应力张量固定值为I1,偏张量固定值为Ip2,则水泥电杆当前状态的屈服强度Qqd可表示为
式中：ε为水泥电杆内摩擦角常数；ϕ为黏聚力因子。
1.2 杆体病害特征几何优化
确定具体扫描位置后,获取不同位置的两幅或多幅二维图像,构建杆体病害特征几何优化模型,即
式中：f(x)为水泥电杆监测模型的目标函数；s.t.为约束条件；F为双目立体视觉特征提取模型；Hγ为水泥电杆的失稳状态预警临界值,Hmax为其最大临界值；ζmγ为相对位移预警临界值,ζ′mmax为其最大临界值；Qqdγ为屈服强度临界值,Qqd max为其最大临界值；γ为双目立体视觉特征；ωn为权重。
依据病害监测模型目标函数以及约束条件,引入随机梯度下降方法对模型展开训练与求解[10-11],获取水泥电杆的病害严重程度。建立杆体病害特征集合,随机选取训练样本Nij展开梯度迭代,过程为
式中：η为学习率；tN(t)为训练参数动量；R为加权系数；κ为梯度下降指数。
构建几何映射结构,如图1所示。根据图1所示关系,可知分析目标与成像仪之间的三维坐标关系,输入结构变形量特征、相对位移特征与状态特征,输出双目立体视觉特征的几何映射结果,即可求解水泥电杆的病害类型以及病害严重程度,逐次区分侵蚀病害,腐蚀病害,外力、应力挤压病害等相关内容。
2. 试验过程与结果分析
2.1 算例分析
以某沿海地区农配网电杆及其制品现场监测平台的后台数据为算例样本,使用Canon EOS 5D Mark IV摄像头进行电杆数据的扫描和采集。通过Adobe Photoshop软件对采集到的图片进行去噪、增强对比度等操作。使用AUTODESK AutoCAD将电杆的钢筋空间排列转化为3D图像排列,并标注钢筋的具体规格和尺寸信息。采用DY-1000检测仪测量电杆的保护层厚度,Mitutoyo 500-196-30仪测量电杆的钢筋直径大小等参数。通过MATLAB软件对采集到的数据进行处理和分析。基于深度学习框架TensorFlow实现杆体病害双目立体视觉特征几何分析,将钢筋内部分布图转化为三维彩色效果图,该模型如图2所示。
由图2可知,钢筋直径、钢筋数量、网格扫描、保护层厚度、波形测试、剖面测试、密集钢筋厚度等参数数据均可直观显示,分别采用杆体病害双目立体视觉特征几何分析（文章方法）、文献[3]方法（公路隧道视频预处理和病害识别算法）、文献[4]方法（建筑裂缝近景摄影测量法观测与空间模型建立）开展算例分析。
（1）结构变形（裂缝）分析
分析变形量的几何属性,现场杆体病害定位的算例分析结果如图3所示。
由图3可知,以3条主要裂缝为例,在水泥电杆病害现场监测时,文章方法能够完整地提取出杆体全部裂缝特征,而其他两种方法的裂缝特征提取结果均不完整。其中,文献[3]方法和文献[4]方法在提取杆体病害位置特征时,未能考虑杆体状态,在生成数字化影像时,也未能充分考虑视差影响,导致获取的病害场景图像与实际场景之间存在误差；而文章方法在病害监测时,不仅考虑到图像生成时的视差影响,还借助双目视觉三维成像技术,获取了实际病害场景的虚拟三维图像,现场杆体病害结构变形量特征的几何映射效果较优。
（2）杆体相对位移分析
采用文章方法、文献[3]方法以及文献[4]方法开展病害监测时,得到的杆体相对位移值结果如表1所示。
由表1可知,在水泥电杆病害监测过程中,文章方法测试出的相对位移值与实际水泥电杆相对位移值一致,而文献[3]方法以及文献[4]方法测试出的电杆相对位移值与实际结果之间存在误差,且使用文章方法的监测精度要优于其他两种方法精度,说明经过杆体病害特征几何优化后,相对位移值测量结果精度较高,实际应用性能得到保证。
2.2 实例分析
将文章方法应用于笔者所在单位编号为JF2022004的项目中,该项目的主题是新型水泥电杆相关制品现场测试成像仪的开发和应用。采用瑞士PROCEQ公司生产的Profoscope+便携式钢筋扫描仪,内置MicroSD记忆卡,确定成像仪扫描位置后,对某水泥电杆病害展开扫描,获取320像素×240像素的水泥电杆病害现场图像。
在开展水泥电杆病害监测时,温度设置为0 ℃,当相邻钢筋的净距和钢筋保护层厚度比值为1.3~1.5时,要求检测误差不大于±1 mm；当混凝土保护层厚度为20 mm时,钢筋间距检测误差不大于±3 mm,纵向交叉配筋结构双目立体视觉成像结果如图4所示。
基于图4,以腐蚀强度为分析指标,设定水泥电杆二氧化碳影响系数为μ,相对湿度为RH,环境温度为T,则t时刻的腐蚀强度可表示为
式中：Xmc为随机变量；ω(t)为水泥电杆t时刻的腐蚀强度。
对不同方法的水泥电杆腐蚀强度监测结果进行实例分析,分析结果如图5所示（1 mpy=0.025 4 mm/a）。
由图5可知,在计算水泥电杆腐蚀强度时,其他两种方法均未能在病害监测前依据杆体病害特征详细分析杆体的腐蚀病害形成原因,分析结果与实际腐蚀强度相差较大。文章方法计算得到的水泥电杆腐蚀强度与实际电杆腐蚀强度一致,能够准确计算出水泥电杆的腐蚀程度,对于腐蚀病害的监测具有较高的准确性和可靠性。
选择一组具有不同类型和程度病害的水泥电杆样本。分别采用文章方法、文献[3]方法和文献[4]方法进行样本扫描和分析,记录所需时间、准确性和检测到的病害数量,结果如表2所示。
由表2可知,文章方法在水泥电杆监测方面具有更快的检测速度、更高的裂缝和腐蚀区域准确性以及更多的病害检测数量。因此,文章方法是一种有效的水泥电杆病害监测方法。
3. 无损检测证书挂靠网结语
针对水泥电杆病害现场监测问题,提出了一种双目立体视觉特征几何分析方法。试验结果表明,文章方法在结构变形（裂缝）分析、杆体相对位移分析和腐蚀强度监测方面显示出较优的效果,具备较高的准确性和实用性。该方法在实际应用中具有较大的潜力,可以为水泥电杆病害管理和维护提供有力支持。
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