本發(fā)明涉及在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的輸電線路走廊煙火識別系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

輸電線路運行環(huán)境復雜，其中各種原因引起的山火日益成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的嚴重威脅?，F(xiàn)有的山火預防主要有：人工巡線，法律法規(guī)宣傳和視頻煙火檢測。其中人工巡線和視頻煙火檢測無法在夜晚實現(xiàn)煙火實時檢測。人工巡線能發(fā)現(xiàn)和處理一些潛在的煙火威脅，如果有真正的煙火發(fā)生時往往不能及時發(fā)現(xiàn)；法律法規(guī)的防火宣傳其威懾勸阻效果有限；現(xiàn)有的視頻煙火檢測在一定程度上可以實現(xiàn)煙火報警，其基本原理主要是對火焰進行顏色分析和對煙霧運動進行分析，真正對輸電線路有危害的煙火，往往從線路和桿塔上看不到著火點明顯的火焰，且由于輸電線路運行環(huán)境非常復雜，一天中的日照強度不同、植被和天氣變化都會導致目標檢測所需的背景建模困難，提取出來的運動目標往往包含云影、樹蔭、車輛、彩帶和氣球等非煙火目標，這些運動目標在視頻檢測時極易發(fā)生誤報警信號。因此需要一種新的輸電線路走廊煙火識別技術(shù)，可以對輸電線路走廊內(nèi)煙火進行實時檢測，以便針對輸電線路進行安全性防護和管理，為輸電線路安全運行提供保障。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了實現(xiàn)全天候?qū)崟r在線的輸電線路走廊煙火檢測，本發(fā)明提供一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的輸電線路走廊煙火識別系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)供電依靠從輸電線路感應(yīng)卡環(huán)取電裝置，并有一個帶有充放電控制電路的鋰電池蓄能系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測結(jié)果的輸出通過gsm模塊實現(xiàn)。為了避免單一傳感器的靈敏度低或者誤報警高，本發(fā)明采用三種共7個傳感器，將傳感器檢測結(jié)果經(jīng)過多傳感器數(shù)據(jù)融合算法得到報警輸出。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的輸電線路走廊煙火識別系統(tǒng)，包括感應(yīng)卡環(huán)取電裝置、傳感器模組電路板、嵌入式計算機系統(tǒng)，

所述感應(yīng)卡環(huán)取電裝置包括卡環(huán)、鋰電池、充放電控制電路；卡環(huán)感應(yīng)從線路上取電，卡環(huán)輸出連接充放電控制電路，充放電控制電路的輸出端連接鋰電池；當卡環(huán)取電電能充足時，充放電控制電路將多余電能存儲在鋰電池中，當卡環(huán)取電不足時，充放電控制電路控制鋰電池對外供電。

所述傳感器模組電路板包括3個日盲紫外線傳感器、3個紅外傳感器、1個煙霧報警傳感器；傳感器模組電路板3連接嵌入式計算機系統(tǒng)，嵌入式計算機系統(tǒng)連接gsm短信模塊。

所述3個日盲紫外線傳感器、3個紅外傳感器的檢測方向，指向線路下方的走廊。

所述嵌入式計算機系統(tǒng)的電路板上集成有無線通訊模塊。

本發(fā)明一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的輸電線路走廊煙火識別系統(tǒng)及方法，有效效果在于：1)實現(xiàn)了無源無線無人值守的實時在線輸電線路走廊煙火檢測；2)本發(fā)明方法采用了三種共7個傳感器，避免了單一傳感器的靈敏度低或者誤報警率高；3)使用結(jié)構(gòu)簡單的嵌入式系統(tǒng)，并且使用了卡環(huán)取電裝置，節(jié)約數(shù)據(jù)通訊流量和成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計流程圖。

圖4是本發(fā)明的多傳感器融合算法設(shè)計實現(xiàn)線路走廊的煙火判定和預警原理圖。

圖5是本發(fā)明的監(jiān)測裝置和輸電線路位置關(guān)系圖。

圖6是本發(fā)明的傳感器的位置視圖。

具體實施方式

如圖1、圖4所示，一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的輸電線路走廊煙火識別系統(tǒng)，包括感應(yīng)卡環(huán)取電裝置、傳感器模組電路板、嵌入式計算機系統(tǒng)。

所述感應(yīng)卡環(huán)取電裝置包括卡環(huán)、鋰電池、充放電控制電路；卡環(huán)感應(yīng)從線路上取電，卡環(huán)輸出連接充放電控制電路，充放電控制電路的輸出端連接鋰電池；當卡環(huán)取電電能充足時，充放電控制電路將多余電能存儲在鋰電池中，當卡環(huán)取電不足時，充放電控制電路控制鋰電池對外供電。本發(fā)明整個系統(tǒng)都由感應(yīng)卡環(huán)取電裝置供電。

如圖1所示，感應(yīng)卡環(huán)取電裝置的工作原理是：當電流大于30a時取電的功率不小于6w，不需要提供額外的供電電源，節(jié)約成本。還采用了一定容量的鋰電池和充放電控制電路，實現(xiàn)當線路電流不足以提供電能時，該供電系統(tǒng)可維持低功耗模式時的10天運行供電，形成電源變換與保護電路。

如圖1所示，所述傳感器模組電路板包括3個日盲紫外線傳感器、3個紅外傳感器、1個煙霧報警傳感器；傳感器模組電路板3連接嵌入式計算機系統(tǒng)，嵌入式計算機系統(tǒng)連接gsm短信模塊。傳感器將采集到的光信號、溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，便于后面的處理，且用3種不同種類的傳感器，對煙霧進行全面的監(jiān)測，以免出現(xiàn)誤判。

傳感器模組電路板的使用：本發(fā)明使用了三種共7個傳感器，包括日盲紫外線傳感器、紅外溫度傳感器和煙霧氣體傳感器。紫外線傳感器是利用光敏元件將紫外線信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器；紅外溫度傳感器利用輻射熱效應(yīng)，使探測器件接收輻射能后引起溫度升高，進而使傳感器中一欄與溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射；煙霧氣體傳感器可以檢測煙霧濃度。用這三種不同種類的傳感器，可以對煙霧的各個方面實現(xiàn)檢測，避免由單一傳感器所引起的誤判。

多傳感器數(shù)據(jù)融合算法：利用多個傳感器所獲取的關(guān)于對象和環(huán)境全面、完整的信息，將每一目標各傳感器數(shù)據(jù)進行合成，得到該目標的一致性解釋與描述，在本發(fā)明中可以用該方法判斷輸電線路走廊內(nèi)是否有煙火。

如圖4所示，對于傳感器采集到的信號，將使用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法對所有傳感器采集到的信號進行分析。多傳感器數(shù)據(jù)融合(datafusion)或多傳感器情報融合(informationfusion)是多譜傳感器系統(tǒng)的一項核心技術(shù)，它不同于一般型號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義可以概括為把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術(shù)對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層融合。由于多傳感器數(shù)據(jù)融合比單一傳感器信息有如下優(yōu)點，即容錯性、互補性、實時性、經(jīng)濟性，所以逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，已適用于自動化技術(shù)、機器人、海洋監(jiān)視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學診斷、遙感技術(shù)等方面。本文以置信距離測度作為數(shù)據(jù)融合的融合度,利用置信矩陣、關(guān)系矩陣得到多傳感器的最佳融合數(shù),以bayes估計理論為基礎(chǔ)得到多傳感器最優(yōu)融合數(shù)據(jù)；

多傳感器數(shù)據(jù)融合的原理包括：

1)、n個不同類型的傳感器(有源或無源的)收集觀測目標的數(shù)據(jù)；

2)、對傳感器的輸出數(shù)據(jù)(離散的或連續(xù)的時間函數(shù)數(shù)據(jù)、輸出矢量、成像數(shù)據(jù)或一個直接的屬性說明)進行特征提取的變換，提取代表觀測數(shù)據(jù)的特征矢量yi；

3)、對特征矢量yi進行模式識別處理。如聚類算法，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他能將矢量yi變換成目標屬性判決的統(tǒng)計模式識別法等，完成各傳感器關(guān)于目標的說明；

4)、將各傳感器關(guān)于目標的說明數(shù)據(jù)按同一目標進行分組，即關(guān)聯(lián)；

5)、利用融合算法將每一目標各傳感器數(shù)據(jù)進行合成，得到該目標的一致性解釋與描述。

本發(fā)明利用基于bayes估計的多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法，對多傳感器數(shù)據(jù)進行融合，主要由以下步驟：

步驟(1)：置信距離測度、置信距離矩陣及最佳融合數(shù)的確定：多傳感器測量同一指標參數(shù)時，設(shè)第i個傳感器和第j個傳感器測得的數(shù)據(jù)為xi、xj，其中xi和xj都服從正態(tài)分布，以他們的pdf曲線作為傳感器的特征函數(shù)，記成pi(x)、pj(x)，xi、xj為xi、xj的一次觀測值(讀數(shù))。為反映xi、xj之間的偏差大小，引進置信距離測度，設(shè)：

式中，

式中，xi、xj分別表示第i和第j個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)；xi、xj為xi、xj的一次觀測值(讀數(shù))；pi(x)、pj(x)表示各傳感器的特征函數(shù)；σi和σj分別表示傳感器i和傳感器j的標準偏差；

其中，dij的值稱為第i個傳感器與第j個傳感器讀數(shù)的置信距離測度，dij的值越小，i、j兩個傳感器的觀測值越相近，否則偏差就很大，因此也稱dij為i、j兩個傳感器的融合度。dij的值可借助于誤差函數(shù)erf(θ)直接求得。誤差函數(shù)為：

又已知，

其中，xi、xj為xi、xj的一次觀測值(讀數(shù))；σi和σj分別表示傳感器i和傳感器j的標準偏差；

若有m個傳感器測量同一指標參數(shù)，置信距離測度dij(i,j＝1,2,…,m)構(gòu)成一個矩陣dm。

dm稱為多傳感器數(shù)據(jù)的置信距離矩陣。

用多傳感器從不同的方法測量同一參數(shù)時，根據(jù)經(jīng)驗或多次試驗的結(jié)果，給出dij的界線值βij(i,j＝1,2,…,m)。設(shè)

稱rm為多傳感器的關(guān)系矩陣。

若rij＝0，則認為第i個傳感器和第j個傳感器相融性差，或稱它們相互不支持。若rij＝1，則認為第i個傳感器和第j個傳感器相融性好，稱第i個傳感器支是支持第j個傳感器的。若rij＝rji＝1，則稱第i個傳感器和第j個傳感器相互支持。如果一個傳感器被一組傳感器做支持，或只被少數(shù)傳感器做支持，則這個傳感器的讀數(shù)是無效的，應(yīng)把這樣的讀數(shù)刪掉。多傳感器測量同一參數(shù)時，所有有效數(shù)據(jù)的集合稱為融合集，融合集中數(shù)據(jù)的個數(shù)稱為最佳融合數(shù)。

步驟(2)：bayes估計理論：在矩陣估計、總概率最大值法、極大似然法中，都是在未知參數(shù)作為非隨機變量的情況下討論參數(shù)估計問題，若事先可以提供未知參數(shù)的某些附加信息，這對參數(shù)的估計是有益的，這就是bayes估計的基本思想。

定義1(bayes估計)設(shè)總的分布函數(shù)f(x,θ)中參數(shù)θ為隨機變量，對任一決策函數(shù)d(ξ1,ξ2,…,ξn)，若有一決策函數(shù)d^*(ξ1,ξ2,…,ξn)使得

則稱d^*為參數(shù)θ的bayes估計量。其中b(d)稱為決策函數(shù)d(ξ1,ξ2,…,ξn)的貝葉斯風險。

定理1如果損失函數(shù)取二次式

l(θ,d)＝[θ-d(ξ1,…,ξn)]²

則參數(shù)θ的bayes估計量為：

d(ξ1,…,ξn)＝e(θ|ξ1,…,ξn)＝∫ωθp(θ|ξ1,…,ξn)dθ(7)

因此要求θ的bayes估計，只要先求p(θ|ξ1,…,ξn)即可。

步驟(3)：基于bayes估計的多傳感器測量數(shù)據(jù)的最優(yōu)融合數(shù)據(jù)：設(shè)m個傳感器測量同一參數(shù)所得測量數(shù)據(jù)中，最佳融合數(shù)為l，(l≤m)，融合集為x＝{x1,x2,…,xl}，下面用bayes估計方法求由融合集中的數(shù)據(jù)融合成一個最佳融合數(shù)據(jù)，并把它作為被測量參數(shù)的最后結(jié)果。

若參數(shù)μ服從n(μ0，σ0²)，且xk服從n(μ0，σk²)，并令α與μ無關(guān)的常數(shù)。因此

上式中的指數(shù)部分是關(guān)于μ的二次函數(shù)。因此p(μ|x1,x2,…,xl)仍為正態(tài)分布，假設(shè)服從n(μn,σn²)，即

比較(8)、(9)兩式的參數(shù)得：

其中，μ表示各個傳感器讀數(shù)的平均值；μ0表示正態(tài)分布中的標準平均值；σk表示第k個傳感器檢測值的標準偏差；σ0表示正態(tài)分布中的標準偏差。

因此μ的bayes估計為

所以，即為μ的最優(yōu)融合數(shù)據(jù)。

如圖1所示，嵌入式計算機系統(tǒng)為專門設(shè)計低功耗、小尺寸、高穩(wěn)定性、高可靠性和功能強大的計算機系統(tǒng)，主要作用是完成傳感器數(shù)據(jù)采集、電源管理和剩余電量不足報警、與遠程監(jiān)控中心的gsm短信通訊。嵌入式計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，電源管理單元為整個系統(tǒng)供電，arm處理器主要完成對傳感器信號的采集，gsm短信模塊的主要作用是向線路維護人員發(fā)短信通知。無線通訊模塊集成在嵌入式嵌入式計算機系統(tǒng)的電路板上，根據(jù)多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)果輸出，如果有煙火報警時，則向gsm模塊發(fā)送多個手機號的群發(fā)短信，這些手機號包括：監(jiān)控中心服務(wù)器連接的gsm模塊和輸電線路運行維護相關(guān)運行人員手機。

嵌入式計算機系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計的流程如圖3所示，不斷對傳感器收集的信號進行分析，如果有煙霧的報警，則通過gsm模塊將信息發(fā)送出去。

如圖6所示，圖中表示了監(jiān)測系統(tǒng)與輸電線路的位置關(guān)系以及7個傳感器應(yīng)該安放的位置。3個紫外和紅外傳感器的檢測方向指向線路下方的走廊，從而形成一個煙火檢測傳感器組電路板。