Разработка и реализация концепции построения систем дистанционной диагностики транспортно-энергетических объектов

Актуальность работы. Основное назначение оптико-электронных съемочных систем состоит в формировании изображений наблюдаемых сцен на значительном удалении от них. Именно это свойство, а также возможность количественного анализа и обработки изображений с целью извлечения информации об исследуемых объектах привели к широкому применению подобных систем в метеорологии, картографии, военной сфере и других областях [1−4]. Особая роль отводится системам тепловидения, которые функционируют в ближней (3−5 мкм) или дальней (8−12 мкм) областях спектра электромагнитного излучения и регистрируют поток, определяемый поверхностной температурой и излучательной способностью объектов. Получаемые изображения дают представление о температурном различии наблюдаемых объектов, что оказывается весьма важным в медицине, дефектоскопии, энергосбережении и диагностике различного рода инженерных объектов [2,5−8].

На сегодняшний день существует ряд практических задач, которые не решены или решаются крайне неэффективно с помощью имеющихся теплови-зионных систем. К таким задачам, в первую очередь, относится воздушная и наземная диагностика объектов электроэнергетики (состояние электроизоляторов воздушных линий электропередачи — ЛЭП, технологического оборудования трансформаторных подстанций и др.), а также обследование объектов железнодорожного транспорта (контроль работоспособности колесных тележек железнодорожных вагонов, оперативная оценка массы перевозимых в цистернах и вагонах грузов и т. п.). Это вызвано тем, что в настоящее время для дистанционного обследования применяются кадровые или однолучевые системы тепловидения, обладающие рядом функциональных ограничений [9−14]. Во-первых, кадровые системы имеют ограниченное поле зрения, что при съемке протяженных объектов, например, ЛЭП или железнодорожных вагонов приводит к снижению пространственного разрешения и, соответственно, потере точности диагностики. Во-вторых, при кадровой съемке движущихся объектов возникает «смаз» получаемого изображения и полная потеря его измерительных характеристик. Применение же однолучевых ИК-систем не обеспечивает требуемой точности и функциональной полноты решения задачи бесконтактного обследования. И, наконец, в силу физических принципов работы тепловизион-ной аппаратуры получаемые изображения являются слабоконтрастными и трудно дешифрируемыми, что вызывает значительные сложности при практическом использовании существующих диагностических систем.

В то же время реализованный в системах дистанционного зондирования Земли принцип многозональной сканерной съемки свободен от недостатков, присущих кадровым системам. Кроме того, в последние годы в нашей стране и за рубежом освоен выпуск многорядных линеек теплочувствительных элементов, применяемых в военной технике в системах наблюдения и позволяющих получать изображения с высоким температурным и пространственным разрешением [15]. Это создает предпосылки создания более совершенных диагностических систем, способных решать упомянутые задачи.

Диссертационная работа посвящена разработке и практической реализации концепции построения нового поколения диагностических систем, основанных на принципах скановой съемки наблюдаемых объектов и совместного анализа изображений, получаемых в видимом и тепловом спектральных диапазонах. Работа нацелена на создание диагностических систем, способных эффективно решать задачи контроля объектов электроэнергетики и обеспечения безаварийной работы железнодорожного транспорта.

Степень разработанности темы. В области создания систем дистанционного наблюдения и обработки получаемых материалов хорошо известны работы отечественных и зарубежных ученых, таких как Арманд Н. А., Журкин И. Г., Журавлев Ю. И., Злобин В. К., Селиванов А. С., Сойфер В. А., Шилин Б. В., Gonzalez R., Pratt W. и др. [6,16−19]. Их труды составляют научно-методическую основу для решения поставленных в диссертационной работе задач.

Вместе с тем, вопросы создания дистанционных диагностических систем, использующих принцип скановой съемки, имеют ряд специфических особенностей, не рассматривавшихся ранее в публикациях. Например, в работах [9, 20−23] приводятся описания однолучевых ИК-систем, применяемых при воздушной съемке и диагностике нефте-, 1 газопроводов и других инженерных сооружений. Однако при этом отсутствуют сведения о моделях геометрической обработки скановых изображений и кадровых снимков, получаемых теплови-деосъемочным комплексом. Не рассматривается решение задачи по распознаванию на снимках и геопривязки к местности неисправного электрооборудования ЛЭП.

Мало изученным является вопрос совместной интерпретации видео и ИК-снимков, полученных разнотипными съемочными устройствами. В то же время эта задача имеет принципиальное значение при дешифрировании тепловых изображений и обеспечении эффективного практического применения диагностических систем.

В ряде публикаций [14, 24−29] излагаются принципы функционирования тепловизионных диагностических систем, используемых на железнодорожном транспорте для контроля работоспособности колесных тележек, оперативного измерения массы груза и степени износа контактного провода электропитания. В тоже время исследования по проектированию систем аналогичного назначения, выполняющих съемку линейками теплочувствительных приемников и позволяющих реализовать функционально полное обследование наблюдаемых объектов с лучшими точностными параметрами, в литературе не освещены.

Цель диссертации состоит в разработке и практической реализации концепции построения нового поколения систем дистанционной диагностики транспортно-энергетических объектов, основанных на принципах скановой съемки, позволяющих эффективно решать задачи контроля состояния электроэнергетического оборудования и обеспечивать безаварийную работу железнодорожного транспорта.

Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• на основе анализа требований потребителей разработать направления совершенствования уже имеющихся и создания новых систем дистанционной диагностики объектов электроэнергетики и железнодорожного транспорта;

• разработать структуру воздушной и переносной систем контроля линий электрических сетей, а также модели и алгоритмы геопривязки и совместного дешифрирования видеотепловизионных материалов съемки;

• выполнить проектирование сканерных систем диагностики объектов железнодорожного транспорта, обеспечивающих комплексное и высокоточное обследование подвергающегося механическому износу оборудования;

• выполнить комплексную алгоритмизацию процессов обработки материалов дистанционных наблюдений и создать на этой основе программное обеспечение диагностических систем.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней рассматриваются вопросы создания нового поколения диагностических систем, основанных на принципах многоэлементной сканерной съемки и совместного анализа видео и ИК-снимков. Эти системы по отношению к аналогам имеют лучшие точностные характеристики, обладают более широкими функциональными возможностями и высоким уровнем автоматизации процессов обработки и интерпретации материалов дистанционных наблюдений. Новизна рассматриваемых в диссертации технических решений защищена тремя патентами Российской Федерации.

На защиту выносятся:

• системы диагностики линий электрических сетей, включающие:

— структуры воздушного и переносного вариантов построения систем;

— математическую модель геометрической обработки самолетных изображений сканового типа;

— модель геопривязки и совмещения цифровых кадровых снимков;

— алгоритмы дешифрирования и интерпретации видеотепловизионных материалов съемки;

• система и способ тепловизионного обследования колесных тележек железнодорожных вагонов;

• алгоритмическое обеспечение системы оперативной оценки массы перевозимых в металлических емкостях грузов;

• система и способ обследования контактной сети электропитания железнодорожных поездов;

• структурные решения по организации программного обеспечения диагностических систем.

Практическая ценность работы. На базе предложенных в работе структур, моделей, алгоритмов, информационных технологий и программного обеспечения обработки материалов видеотепловизионных наблюдений созданы следующие диагностические системы.

Система диагностики воздушных ЛЭП — EAGLE, с помощью которой было выполнено картирование высоковольтной трассы ЛЭП и выявлены неисправные электроизоляторы на мачтах линий электропередачи в труднодоступном районе крайнего Севера (п. Пангоды).

Переносная диагностическая система KLER, с помощью которой в течение двух лет в службе электрохозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД проводятся планово-ремонтные работы электротехнического оборудования.

Диагностическая система TeploScan, функционирующая на ст. Рыбное Московской железной дороги, которая в отличие от существующих однолуче-вых систем КТСМ-ДИСК позволяет одновременно выявлять неисправности тормозной системы и буксовых узлов колесных тележек, а также обнаруживать трещины на колесных дисках.

Реализация и внедрение. Диссертационная работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии в рамках ОКР № 31−03 и № 43−04.

Результаты диссертационной работы в виде дистанционных диагностических систем внедрены в ЗАО «ЦПНТ», в службе электроснабжения и вагонного хозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД, а также в ООО «НАДЫМГАЗПРОМ».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-х международных и 5-и всероссийских научных конференциях и семинарах: международной студенческой научной конференции «Памяти пионеров космонавтики и астронавтики» (МАИ г. Москва, 1990) — 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2004, 2005) — 2-й и 3-й открытой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004, 2005) — научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (г. Адлер, Россия, 2004) — 10-й всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2005» (г. Рязань, 2005) — 15-й всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2005) — 7-й международной конференции «Распозна-вание-2005» (г. Курск, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ: 3 патента на изобретение, 5 статей, 12 тезисов докладов на международных всероссийских конференциях и семинарах.

Личный вклад соискателя в опубликованных материалах состоит в следующем:

— в работе [47] соискателем сформулированы направления по созданию нового поколения систем дистанционной диагностики;

— в работах [49−52] соискателем разработана структура систем диагностики линий электрических сетей, модель геопривязки самолетных изображений и технологические операции по обработке и интерпретации получаемых видеоматериалов;

— в работах [36, 74−76] соискателем предложен сканерный принцип построения системы диагностики колесных тележек, а также алгоритмы нормализации и температурного анализа тепловизионного изображения, совместно с соавторами выполнены их алгоритмизация, практическая реализация и внедрение;

— в работе [77] соискателю принадлежит идея оперативного измерения массы перевозимой в металлических емкостях жидкости;

— в работах [44, 78, 79] соискателем разработаны алгоритмы измерения параметров контактного провода на основе субпиксельно смещенных ПЗС-линеек;

— работы [48, 55, 56, 71−73] выполнены без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 132 е., в том числе: основное содержание — 97 е., рисунки — 22 е., список литературы (81 наименование) — 8 е., приложение — 5 с.

4.4. Основные результаты.

4.4.1. Показано, что для снижения трудозатрат и повышения надежности разработку программного обеспечения диагностических систем следует выполнять в виде базового ядра, присутствующего во всех программных комплексах, и специализированных модулей обработки, учитывающих особенности реализации конкретных систем. Установлено, что главной задачей, связанной с созданием базового ядра, является разработка унифицированного формата, описывающего структуру представления видеоданных от различного типа съемочных устройств, и средств визуализации растровых изображений. Предложена архитектура такого формата, основанная на использовании универсальных полей данных — тегов.

4.4.2. Разработано программное обеспечение систем контроля электроэнергетических объектов, реализующее алгоритмы и модели обработки ИК-и видеоинформации, рассмотренные во 2-й главе, и представленное двумя одноименными программными комплексами EAGLE и KLER.

Показано, что геометрическая обработка теплового изображения и видеокадров выполняется по единой технологической схеме, основанной на независимых преобразованиях отдельных сканов по кусочно-линейным функциям обратного координатного соответствия. Приводятся результаты практической апробации ПО EAGLE при обработке изображений воздушных ЛЭП, подтвердившие высокую эффективность всей системы особенно при обследовании объектов электроэнергетики в труднодоступных и малонаселенных районах крайнего Севера.

Рассмотрены принципы функционирования ПО KLER и показаны примеры решения основных задач по совместному анализу ИКи видеоснимков. Результаты многолетнего использования системы KLER в службе электрохозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД подтвердили правильность предложенных технических решений и простоту освоения специалистами службы интерфейса программы.

4.4.3. Разработана архитектура многомашинного ПО системы диагностики колесных тележек железнодорожных вагонов (ПО TeploScan), включающего программу Сервер обработки и две программы Сервер управления. Рассмотрены алгоритм организации вычислительного процесса в программе Сервер управления, а также функции программных модулей, составляющих основу прикладной части программы Сервер обработки системы TeploScan.

Приводится описание технологических операций, выполняемых ПО TeploScan, в ходе обследования железнодорожных составов на ст. Рыбное Московской железной дороги, а также экранные формы, иллюстрирующие интерфейс программы при обработке ИК-снимков.

Материалы главы опубликованы в работах автора [50, 51, 78−80].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных в диссертации исследований получены следующие результаты.

1. Проведен патентный анализ и определен класс задач по контролю объектов электроэнергетики и железнодорожного транспорта, которые на сегодняшний день не решены или решаются не эффективно с помощью имеющихся однолучевых и кадровых тепловизионных оптико-электронных систем дистанционного наблюдения. Сформулирована и обоснована концепция создания нового поколения систем дистанционной диагностики, основанных на принципах скановой съемки контролируемых объектов и отвечающих современным требованиям по функциональной полноте, точности и уровню автоматизации решаемых задач.

2. Спроектирована структура системы воздушного обследования ЛЭП, обеспечивающей получение высокодетальных геопривязанных изображений с пространственным разрешением ~ 0,2 м и известными температурными характеристиками представленных на нем объектов. В основе функционирования системы лежат: модель геодезической привязки и геометрической коррекции скановых тепловизионных изображений, формируемых в условиях самолетной съемкиалгоритм геопривязки и совмещения видеокадров, получаемых цифровым фотоаппаратом, основанный на калибровке модели съемочной системы по опорному ИК-снимкутехнология автоматического распознавания по тепловому изображению неисправных электроизоляторов, основанная на разностном алгоритме Розенфельда обнаружения малоразмерных объектов. Реализованный в системе способ обследования ЛЭП защищен патентом РФ.

3. Разработан переносной вариант системы обследования электроэнергетических объектов, обеспечивающей получение четких цветных изображений обследуемых устройств за счет геометрического совмещения видео и ИКкадров и совместной интерпретации материалов съемки на основе пороговой бинаризации теплового снимка и последующей модуляции видеокадра.

4. Разработана система дистанционной диагностики колесных тележек железнодорожных вагонов, которая в отличие от известных однолучевых и кадровых систем позволяет одновременно выявлять неисправности тормозной системы, буксового узла и определять наличие трещин на колесном диске. Система защищена патентом РФ и обеспечивает в автоматическом режиме решение следующих задач: радиометрическую и геометрическую нормализацию формируемых многоэлементным сканером тепловизионных изображенийраспознавание и выделение на снимке отдельных узлов колесной тележки и их температурный анализ по многоуровневому критерию. Результатом практического использования системы является повышение точности и достоверности диагностики и, как следствие, повышение безопасности работы железнодорожного транспорта.

5. Предложена система контроля перевозимых на железнодорожном транспорте в металлических емкостях жидкостей, которая в отличие от аналогов реализует бесконтактное измерение массы груза в темпе перемещения цистерны относительно ИК-сканера. Алгоритмическое обеспечение системы, основанное на радиометрической и геометрической нормализации изображений и их корреляционно-экстремальном сопоставлении с эталоном, позволяет автоматически распознавать параметры емкости и определять объем перевозимой жидкости.

6. Предложена система и способ измерения степени износа контактного провода электропитания железнодорожного транспорта, основанный на измерении ширины площадки износа по изображению высокого пространственного разрешения, формируемого несколькими субпиксельно смещенными ПЗС-линейками. Система характеризуется высокой надежностью диагностики, обеспечивает привязку материалов наблюдений к местности и измерение ширины площадки износа с точностью до 0,1 мм.

7. Предложены принципы структурной организации программного обеспечения диагностических систем, проектируемого в виде базового ядра и подключаемых к нему специализированных модулей обработки, что позволяет снизить трудозатраты на разработку и повысить надежность создаваемого ПО. Разработан унифицированный формат представления изображений в базовом ядре, за счет чего обеспечивается сопряжение с различными структурами данных диагностических систем.

8. На основе базового ядра спроектировано программное обеспечение систем диагностики ЛЭП {EAGLE), технологического электрооборудования (KLER) и контроля колесных тележек железнодорожных вагонов (система Те-ploScan). С помощью системы EAGLE по заказу ООО «НАДЫМГАЗПРОМ» было выполнено обследование высоковольтных ЛЭП в Ямало-Ненецком автономном округе. Система KLER внедрена в службе электрохозяйства, a Teplo-Scan — в службе вагонного хозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД.