基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測

摘 要：針對輸電線路耐張線夾的缺陷檢測存在圖像清晰度低、錯誤檢出率低和工作量減少率低的問題， 提出基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法。采用X射線無損探傷技術(shù)獲取輸電線路耐張線夾圖像，結(jié)合Retinex圖像增強算法和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽D像進(jìn)行增強處理；為了消除X射線強弱對檢測結(jié)果的影響，通過自適應(yīng)通態(tài)濾波方法對耐張線夾圖像進(jìn)行處理；采用Canny算子邊緣提取方法獲取圖像邊緣，在形態(tài)學(xué)運算的基礎(chǔ)上獲取最大連通域；將連通域的長寬比和圓形度作為缺陷特征，完成輸電線路耐張線夾缺陷的檢測。實驗結(jié)果表明：所提方法的圖像清晰度高、錯誤檢出率高、工作量減少率高。

關(guān)鍵詞：X射線無損探傷；輸電線路；圖像增強；邊緣檢測；耐張線夾缺陷檢測

中圖分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-5276（2024）04-0264-07

Defect Detection of Transmission Line Tensile Clamps Based on X-ray Non-destructive Inspection

PENG Fang¹，LIU Tiantian¹，SU Jiangwen²， REN Junda¹，LU Weilong²（1. Big Data Center of State Grid Corporation of China，Beijing 100053， China;2. Fujian Yirong Information Technology Co.， Ltd.， Fuzhou 350003， China）

Abstract：To improve the poor image clarity， low error detection and workload reduction rates in detecting the defects of strain clamp of transmission line by current method， a new method for detecting the defects of the tension clamp of transmission lines based on X-ray non-destructive testing is proposed. The X-ray non-destructive testing technology is used to obtain the image of the tension clamp of the transmission line， which is enhanced by combining the Retinex image enhancement algorithm with the empirical mode decomposition method. In order to eliminate the effect of X-ray strength on testing results， the image of tension clamp is processed by the adaptive on-state filtering method， the edge of the image is gained with the edge extraction method of Canny operator， the largest connected domain is obtained on the basis of morphological calculation， and the length-to-width ratio of connected domain and circularity are treated as the defect features to complete the detection of the strain clamp defect of the transmission line. The experimental results show that the proposed method has good image clarity， high error detection and workload reduction rates.

Keywords：X-ray non-destructive inspection; transmission line; image enhancement; edge detection; defect detection of tensile clamp

0 引言

開發(fā)風(fēng)能、太陽能等是推動清潔低碳能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。隨著“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實施，新能源進(jìn)入快速發(fā)展階段。在雙碳背景下，鋁制或鐵制金屬附件被廣泛地應(yīng)用在不同電壓等級的輸電線路中，在輸電線路運行過程中上述金屬附件承受的壓力較大^[1]。以輸電線路的耐張線夾為例，在生產(chǎn)耐張線夾的過程中，如果操作不規(guī)范，會導(dǎo)致耐張線夾內(nèi)部存在缺陷，這類缺陷不易被檢測到，在晝夜溫差和風(fēng)載等影響下耐張線夾會發(fā)生裂紋，甚至?xí)?dǎo)致其失效斷裂^[2-3]，進(jìn)而造成大面積停電和輸電中斷等故障。因此需要對耐張線夾中存在的缺陷進(jìn)行檢測。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對輸電線路耐張線夾缺陷檢測做出了研究，并取得了一定的研究成果。彭向陽等^[4]提取輸電線路圖像的拉普拉斯邊緣，并獲取圖像的紋理特征，對角度間特征和角度內(nèi)特征進(jìn)行聚類處理，根據(jù)聚類結(jié)果完成輸電線路耐張線夾缺陷的檢測，該方法沒有對圖像進(jìn)行增強處理，導(dǎo)致圖像的清晰度較低。侯春萍等^[5]在FasterR-CNN（全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）框架中采用AlexNet、VGG16訓(xùn)練檢測器和分類器，組合訓(xùn)練后的檢測器與分類器構(gòu)成級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，利用級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)檢測輸電線路耐張線夾缺陷，該方法在缺陷檢測過程中的錯誤檢出率較低。王偉超等^[6]根據(jù)輸電線路的特點，對輸電線路進(jìn)行劃分，并對耐張線夾的缺陷程度進(jìn)行量化處理，采用隸屬度分析方法根據(jù)缺陷歷史數(shù)據(jù)對耐張線夾的缺陷值進(jìn)行計算，完成耐張線夾缺陷檢測，該方法的工作量較大。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法。首先對輸電線路耐張線夾圖像進(jìn)行預(yù)處理，利用X射線無損探傷技術(shù)采集耐張線夾圖像，結(jié)合Retinex圖像增強算法和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒ㄟM(jìn)行圖像增強處理，提升輸電線路耐張線夾缺陷檢測的精度?；谧赃m應(yīng)同態(tài)濾波及邊緣檢測提升圖像邊緣清晰度，以圖像連通域的長寬比和圓形度作為缺陷特征，實現(xiàn)輸電線路耐張線夾缺陷的檢測。

1 圖像獲取與處理

1.1 基于X射線無損探傷技術(shù)的圖像獲取

耐張線夾是一種用于固定導(dǎo)線，以承受導(dǎo)線張力，并把導(dǎo)線掛至耐張串組或桿塔上的一種金屬工具。輸電線路耐張線夾是由耐張預(yù)絞絲和配套的連接金具構(gòu)成的。耐張線夾是電力系統(tǒng)中重要的連接件，它既起到電線的傳導(dǎo)作用，又能承受電線的所有張力。在惡劣的工作條件下，耐張線夾在極限負(fù)荷下，經(jīng)常會出現(xiàn)失效的情況。因此，對電線耐張線夾缺陷進(jìn)行檢測是保證電力系統(tǒng)運行質(zhì)量的重要手段。本文采用X射線數(shù)字成像板進(jìn)行輸電線路耐張線夾圖像的X射線無損探傷成像，裝置原理圖如圖1所示。

如圖1所示，通過采用X射線無損探傷技術(shù)采集耐張線夾圖像，X射線波長在0.001～10nm之間，波長極短，X射線是由陽極上的電子光束以較快的速度碰撞而產(chǎn)生的，電子光束則是由一個加強的自由電子所構(gòu)成。從量子理論的角度來看，單個 X射線光子的能量為

式中：h為普朗克常量；γ為振動頻率；c為光速；λ為波長。

X射線成像是通過 X射線與對象的相互作用而產(chǎn)生的，它具有穿透性。在X光穿過被檢對象耐張線夾時，由于其密度和厚度的差異，各對象對X射線吸收的程度不同，所以在穿過對象后，X射線的殘留量也會發(fā)生變化，從而在屏幕上形成了不同的黑白反差影像。要想獲得符合人體肉眼的影像，就需要通過X射線數(shù)字成像板進(jìn)行顯影，以確保 X光能轉(zhuǎn)化成黑白對比度高、層次分明的輸電線路耐張線夾X射線影像。

根據(jù)圖像質(zhì)量指標(biāo)對X射線無損探傷技術(shù)的焦距進(jìn)行選擇，利用最優(yōu)焦距獲取輸電線路耐張線夾圖像。

1）圖像不清晰度

用U₀表示輸電線路耐張線夾圖像的最小不清晰度，其表達(dá)式如下。

式中：U_S為熒光不清晰度；U_g為幾何不清晰度。U_g可通過幾何成像關(guān)系^[7-9]計算得到：

式中：d為射線源焦點尺寸；L₁為受檢工件與焦點之間的距離；L₂為成像板與受檢工件之間的距離。

設(shè)M為圖像放大倍數(shù)，可通過幾何原理計算得到：

U₀與M之間的關(guān)系可通過下式進(jìn)行描述：

式中U為輸電線路耐張線夾圖像的不清晰度。對上式進(jìn)行分析可知，U₀隨著M的增大而減小。

結(jié)合上述分析結(jié)果，獲取最佳放大倍數(shù)M_opt，其表達(dá)式如下：

2）圖像對比度

對于細(xì)微物體，人類視覺的主觀識別程度就是圖像分辨率^[10-12]。X射線穿透工件后，會發(fā)生散射或吸收，成像板接收到的射線能量不同。因此，X射線穿透工件后能量變化區(qū)域的圖像灰度值受材料特性和透照厚度的影響^[13-14]。X射線穿透工件后的圖像對比度計算公式為

式中L_y為檢測區(qū)域的有效長度。

3）檢測焦距

在透照布置原理的基礎(chǔ)上對X射線角度θ進(jìn)行計算：

設(shè)F為透照檢測焦距，可通過下式計算得到：

根據(jù)確定的透照檢測焦距獲取輸電線路耐張線夾圖像。

1.2 圖像增強處理

基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法結(jié)合Retinex圖像增強算法和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽Λ@取的輸電線路耐張線夾圖像進(jìn)行增強處理，具體步驟如下。

1）用I（x，y）表示獲取的輸電線路耐張線夾圖像，對其做直方圖均衡化處理^[15-16]，將RGB空間中存在的圖像I（x，y）轉(zhuǎn)變到HSV空間中，提取圖像中存在的顏色分量，即亮度V_org、飽和度S_org和色調(diào)H_org。

2）設(shè)置照射倍數(shù)n₁，n₂，…，n_m，對亮度分量V_org進(jìn)行提高處理，在不同光照條件下獲得m幅耐張線夾圖像V_org1（x，y），V_org2（x，y），…，V_orgm（x，y）；

3）采用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒?sup>[17-18]對耐張線夾圖像V_org1（x，y），V_org2（x，y），…，V_orgm（x，y）進(jìn)行分解，獲得一個剩余分量r_ik（x，y）和一個內(nèi)蘊模式分量imf_ij（x，y），i=0，1，2，…，m；j=0，1，2，…，l；k=0，1，2，…，l。

4）取亮度V_org剩余分量r_0k（x，y）對應(yīng)的對數(shù)，即

并采用Retinex圖像增強算法^[19-20]對其進(jìn)行處理，獲得r′_0k（x，y），并通過下式對剩余分量進(jìn)行增強處理：

加權(quán)處理V_org1（x，y），V_org2（x，y），…，V_orgm（x，y）的亮度剩余分量對數(shù)r′_0k（x，y），獲得增強分量R_0k（x，y）。

5）將亮度設(shè)置為V_org=max0，min（1，imf_ij），其中max為最大算子。

6）在HSV（六角椎體模型）空間中利用亮度V_org、飽和度S_org和色調(diào)H_org將耐張線夾圖像轉(zhuǎn)回到RGB（色彩空間）空間中，完成圖像的增強處理。

綜上所述，耐張線夾圖像預(yù)處理流程如圖2所示。

2 輸電線路耐張線夾缺陷檢測

1）自適應(yīng)同態(tài)濾波

由照射-反射模型可知，可通過反射分量r（x，y）和照射分量i（x，y）的乘積表示耐張線夾圖像f（x，y），其中0lt;i（x，y）lt;∞，0lt;r（x，y）lt;1。

通過傅里葉變換^[21-22]控制照射分量i（x，y）和反射分量r（x，y）。取圖像f（x，y）的對數(shù)z（x，y），分離照射分量i（x，y）和反射分量r（x，y），圖像f（x，y）在區(qū)間[0，255]內(nèi)取值，采用f（x，y）+1代替f（x，y），以避免ln（0）的出現(xiàn)：

z（x，y）=ln[f（x，y）+1]=ln[i（x，y）]+ln[r（x，y）]（12）

通過下式傅里葉變換z（x，y）：

Z（u，v）=F[z（x，y）]（13）

式中F[·]為傅里葉變換函數(shù)。

通過傅里葉變換，可以將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻域，并在頻域中進(jìn)行處理，得到每個頻率分量的幅度Z（u，v）。設(shè)置濾波器H（u，v），通過下式濾波處理Z（u，v）：

S（u，v）=H（u，v）Z（u，v）=H（u，v）F[i（u，v）]+H（u，v）F[r（u，v）]（14）

傅里葉變換濾波處理后的圖像：

s（x，y）=IFFT[S（u，v）]（15）

式中IFFT為傅里葉逆變換操作。

根據(jù)上述過程，獲得最終耐張線夾圖像：

g（x，y）=e^s（x，y）－1=i₀（x，y）r₀（x，y） （16）

式中：g（x，y）為灰度值；i₀（x，y）為耐張線夾圖像經(jīng)過處理后的照射分量；r₀（x，y）為耐張線夾圖像經(jīng)過處理后的反射分量。

對上述過程進(jìn)行分析可知，為了提高輸電線路耐張線夾圖像中細(xì)節(jié)信息的清晰度，需要降低低頻信息，增強高頻信息，所提方法利用高斯高通濾波器^[23-24]對圖像進(jìn)行處理：

H（u，v）=（γ_H－γ_L）e^{（－aD2（u，v）/D}₀^）+γ_L（17）

式中：γ_Hgt;1、γ_Llt;1描述的是濾波器對應(yīng)的幅度范圍；a為常數(shù)；D為穿越頻率；D₀為截止頻率。

通過下式對常數(shù)a進(jìn)行計算：

式中：P¹_m為第1個最大幅值；P²_m為第2個最大幅值。

2）邊緣檢測

通過高斯濾波器Q_ij對耐張線夾圖像進(jìn)行處理，消除圖像中存在的噪聲，平滑圖像：

式中：η為噪聲點像素值；σ的取值為1.4。

將高斯濾波器核Q中的元素與窗口A中的元素相乘，獲得濾波處理后耐張線夾圖像中心像素點e對應(yīng)的灰度值。

設(shè)G為中心像素點對應(yīng)的梯度，θ為中心像素點對應(yīng)的方向，其計算公式分別如下：

式中G_x、G_y分別為Sobel算子S_x、S_y對應(yīng)的梯度。

通過比較像素的梯度，判斷像素是否為邊緣點，當(dāng)像素為邊緣點時，予以保留，當(dāng)像素為非邊緣點時，抑制該像素點，完成耐張線夾圖像邊緣檢測^[25-27]。

3）形態(tài)學(xué)運算

針對圖像I，通過結(jié)構(gòu)元素B完成灰度膨脹操作，并用IB表示：

基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法，通過圓盤結(jié)構(gòu)元素S_E進(jìn)行灰度膨脹操作，其表達(dá)式如下：

4）最大連通域

消除耐張線夾圖像中存在的噪聲點，并通過連通域方法標(biāo)記所有連通域，保留最大連通域^[28-29]。

5）缺陷檢測

設(shè)C為連通域?qū)?yīng)的周長，S₂為連通域?qū)?yīng)的面積，通過連通域的長寬比D₂和圓形度R對缺陷進(jìn)行判斷，完成輸電線路耐張線夾的缺陷檢測：

式中L為最小矩形長邊對應(yīng)的長度。

輸電線路耐張線夾缺陷檢測流程如圖3所示。

3 實驗與結(jié)果

為了驗證基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法的整體有效性，需要對基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法進(jìn)行測試。

3.1 實驗對象

實驗對象選取100個NLD-1型號耐張線夾為待檢測對象。其結(jié)構(gòu)特點為線夾強度高、對絞線應(yīng)力分布均勻，能夠提升線路抗振能力，同時耐腐蝕性較好。NLD-1型號耐張線夾的缺陷情況如表1所示。

本文研究的耐張線夾的缺陷統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

根據(jù)透照厚度與X射線管相關(guān)的電壓特性，獲取X射線認(rèn)可的管道電壓上限值。輸電線路耐張線夾的透照參數(shù)如表3所示。

3.2 實驗指標(biāo)及實驗環(huán)境

檢測的模擬平臺為MATLAB2019，采用Java編程語言進(jìn)行算法的試驗?zāi)M。本文選用的耐張線夾缺陷圖像包括耐張線夾鋼芯鼓肚、鋼錨凹槽處鋁管嚴(yán)重欠壓、鋼錨管變形和鋼錨管存在毛刺的缺陷。實驗指標(biāo)如下：

1）圖像清晰度：圖像清晰度D的計算公式如式（24）所示，圖像清晰度D值越接近于1，表示清晰度越好。

2）錯誤檢出率：錯誤檢出率的計算公式如式（25）所示。

式中c₀、c₁分別為采用輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法前后的缺陷檢出量。

3）工作量減少率：工作量減少率的計算公式如式（26）所示。

式中t₀、t₁分別為采用輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法前后的檢測耗時。

3.3 實驗結(jié)果分析

在100個待檢測的耐張線夾測試圖像中隨機挑選4幅，采用基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對每幅圖中耐張線夾存在的缺陷進(jìn)行識別，識別結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，所提方法可以準(zhǔn)確識別出耐張線夾鋼芯鼓肚、鋼錨凹槽處鋁管嚴(yán)重欠壓、鋼錨管變形和鋼錨管存在毛刺的缺陷；而文獻(xiàn)[4]可以識別出鋼芯鼓肚、鋼錨管變形和鋼錨管存在毛刺缺陷，識別鋼錨凹槽處鋁管嚴(yán)重欠壓缺陷有限；文獻(xiàn)[5]能夠識別鋼錨凹槽處鋁管嚴(yán)重欠壓、鋼錨管變形和鋼錨管存在毛刺缺陷，鋼芯鼓肚缺陷識別效果較差。這是因為所提方法結(jié)合了Retinex圖像增強算法和經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒▽D像進(jìn)行增強處理，提高了圖像質(zhì)量，以此提升了缺陷識別能力。

在上述測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取清晰度作為指標(biāo)，采用所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對輸電線路耐張線夾圖像質(zhì)量進(jìn)行評價，結(jié)果如圖5所示。

對圖5進(jìn)行分析可知，所提方法獲取的圖像清晰度均在0.9以上，遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法。清晰度越高，表明該方法獲取的圖像質(zhì)量越高，所提方法應(yīng)用X射線無損探傷技術(shù)采集耐張線夾圖像，選取最優(yōu)焦距，提升了圖像分辨率，因此可獲取高質(zhì)量的輸電線路耐張線夾圖像。

采用所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對輸電線路耐張線夾進(jìn)行缺陷檢測，對比不同方法的錯誤檢出率，測試結(jié)果如圖6所示。錯誤檢出率越高，表明缺陷檢測性能越好。

采用所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對輸電線路耐張線夾的缺陷進(jìn)行檢測時，隨著圖像數(shù)量的增加，3種方法的錯誤檢出率均有所降低，從減小幅度出發(fā)，所提方法的錯誤檢出率減小幅度最低，且在相同圖像數(shù)量下，所提方法的錯誤檢出率均高于文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法。所提方法應(yīng)用自適應(yīng)同態(tài)濾波及邊緣檢測技術(shù)提取圖像邊緣特征，通過高斯高通濾波器實現(xiàn)邊緣保留，能夠有效提升輸電線路耐張線夾故障檢測準(zhǔn)確性。因此所提方法具有良好的檢測性能。

為了進(jìn)一步驗證方法的有效性，選取工作量減少率作為指標(biāo)進(jìn)行測試，所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的測試結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)可知，在10次測試試驗中，所提方法的工作量減少率平均值為61.14%，與文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的測試結(jié)果相比，所提方法的工作量減少率最高，表明所提方法可有效提高輸電線路耐張線夾缺陷檢測的效率。

4 結(jié)語

輸電線路耐張線夾長期受振蕩、舞動和覆冰等因素的影響，容易出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致輸電線路斷線事故的發(fā)生。目前輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法存在圖像清晰度低、錯誤檢出率低和工作量減少率低的問題，本文提出基于X射線無損探傷的輸電線路耐張線夾缺陷檢測方法，通過X射線無損探傷技術(shù)獲取輸電線路耐張線夾圖像，利用連通域的長寬比和圓形度完成缺陷檢測，提高了耐張線夾在輸電線路中的安全性和穩(wěn)定性。

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收稿日期：2022-10-12