一种电弧形态分形定量表征方法及其应用

本发明涉及电接触部件健康监测，尤其涉及一种电弧形态分形定量表征方法及其应用。

背景技术：

1、电弧现象在电气设备和系统中广泛存在，对设备的稳定性、寿命和安全性有重要影响。例如，在弓网系统中，列车运行时受电弓滑板与接触网之间的接触压力会因振动和安装误差而波动。当接触压力和接触面积减小时，可能导致接触分离，形成电离气体通道并产生电弧。电弧的高温会使受电弓滑板和接触线表面发生熔焊和氧化。在高速运行时，剪切力会加剧氧化物的脱落，造成严重磨损，增加维护成本，甚至引发设备故障。此外，电弧还会导致电流和电压波形的畸变，影响系统的载流质量和运行可靠性，因此，电弧表征是电接触部件健康监测的基础。

2、公开号为cn113406455a的专利文件提出了一种通过电弧电压数据来表征电弧状态的方法。电弧产生伴随着电压波动，但电压波动不代表产生了电弧，更不能直接反映电弧参数，因为接触电阻或负载波动也会引起界面电压变化。相比之下，直接分析电弧形态更加精确。文献《大电流真空开关电弧形态特性及开关柜温度场研究》提出了电弧形态边缘检测方法，采用小波方法提取电弧形态，实现电弧形成、燃烧、熄灭过程的观测。文献《真空开关电弧形态诊断及其模型可视化》提出了采用电弧面积表征电弧，通过电弧面积的变化研究电弧的动态发展过程。现有技术存在以下问题：（1）电弧中心亮度高，由中心到边缘灰度值逐渐降低，在轮廓特征提取过程中，阈值选取大则得到的电弧轮廓区域小，即电弧轮廓提取受灰度阈值的影响；（2）电弧轮廓不规则，不同像素高速相机拍摄的图像轮廓细节不同，电弧轮廓特征与相机的像素相关；（3）现有电弧图像处理技术以提取电弧轮廓为目的，用于观察电弧的形态，无法建立形态与电弧能量的关系，而电弧能量是引起表面烧蚀的重要物理量。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明的第一目的为提供一种电弧形态分形定量表征方法，通过图像处理提取电弧形态特征，并计算分形维数，可以准确反映电弧形态的复杂性和不规则程度，通过对电弧的表征，建立电弧形态与电弧功率的定量关系，从而有助于监测或评估电气设备和系统的运行安全性和可靠性；

2、第二目的为提供上述电弧形态分形定量表征方法在铁路弓网系统中的应用，提高铁路系统的安全性和可靠性。

3、技术方案：本发明所公开的电弧形态分形定量表征方法，包括以下步骤：

4、s1、电弧图像灰度化处理；

5、s2、图像去噪处理；

6、s3、电弧图像均衡化，将电弧划分中心燃烧区域和辐射区域；

7、s4、电弧形态分割，基于灰度分割值的图像处理方法，在电弧图像二值化处理中提供准确的分割阈值，分割电弧中心燃烧区和电弧辐射区；

8、s5、图像二值化处理；

9、s6、边缘特征提取；

10、s7、采用分形维数来定量表征电弧形态。

11、进一步的，s1采用his灰度变换法与自适应阈值函数对电弧图像进行灰度化处理；

12、首先将电弧图像从rgb模式转换为hsi模式，并将亮度作为图像分量单独分离出来，形成灰度图像；利用自适应阈值函数计算不同形态电弧的自适应灰度阈值。

13、进一步的，s2利用小波变换阈值去噪法对灰度图像进行去噪处理。

14、进一步的，s3将原图像的直方图转换为较为均匀的分布形式，通过调整像素灰度值的动态区间，增强图像对比度。

15、进一步的，s4包括以下步骤：

16、s4-1、获取不同形态电弧的灰度值高度图；

17、s4-2、设置多个不同的分割灰度值；

18、s4-3、采用不同的分割灰度值对电弧图像进行分割处理，去除灰度值以下的像素点，保留灰度值以上的像素点，从而消除电弧辐射区域的杂乱低灰度值像素点，并保留电弧中心燃烧区域；

19、s4-4、对分割后的电弧图像进行二值化及边缘特征提取；

20、s4-5、利用盒维数法分别计算在不同分割灰度值下电弧边缘的分形维数；

21、s4-6、选取分形维数最小的灰度值作为中心燃弧区域的最优灰度值，选取分形维数最大的灰度值作为辐射区域的最优灰度值。

22、进一步的，s5利用最大类间方差法，结合分割灰度值，找到电弧图像中心燃烧区域和电弧辐射区域的合适二值化阈值，进行图像二值化处理。

23、进一步的，s6通过sobel算子对二值化图像进行边缘特征提取。

24、进一步的，s7包括如下步骤：

25、s7-1、获取电弧图像的灰度等值曲线边缘，使用不同尺度的方盒覆盖电弧图像的灰度等值曲线边缘，计算边缘的分形维数，方盒边长为 𝑟，覆盖整个边缘所需的盒子总数为𝑁𝑟；

26、s7-2、记录不同的ln(r)a和ln(nr)a值，拟合双对数坐标下的直线，其斜率的相反数即为电弧边缘的分形维数；

27、s7-3、计算不同形态电弧在不同分割灰度值下的分形维数；

28、s7-4、对计算结果进行非线性拟合；

29、s7-5、计算不同形态电弧的中心燃烧区域和辐射区域的分形维数均值：

30、s7-6、通过燃弧区分形维数有效表征电弧功率，通过辐射区分形维数有效表征电弧形态。

31、将上述电弧形态分形定量表征方法应用于铁路弓网系统中。

32、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：

33、（1）通过提取电弧形态特征和进行分形定量表征，能够更准确地反映电弧的能量释放过程，克服了传统方法仅依靠电流和电压测量的局限性；

34、（2）采用his灰度变换、自适应阈值函数、小波变换去噪和直方图均衡化等技术，对电弧图像进行处理，显著提高图像质量和对比度，强化电弧中心燃弧区和辐射区的区分效果；

35、（3）通过建立尺度与测度的关系，采用分形维数表征电弧形态特征，不受摄像头像素大小影响，确保表征的客观性；

36、（4）通过计算不同形态电弧在不同分割灰度值下的分形维数，揭示电弧形态特征与电弧功率之间的关系，有助于提高电气设备和系统的运行安全性和可靠性。

技术特征：

1.一种电弧形态分形定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于：s1采用his灰度变换法与自适应阈值函数对电弧图像进行灰度化处理；

3.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于：s2利用小波变换阈值去噪法对灰度图像进行去噪处理。

4.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于：s3将原图像的直方图转换为较为均匀的分布形式，通过调整像素灰度值的动态区间，增强图像对比度。

5.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于，s4包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于：s5利用最大类间方差法，结合分割灰度值，找到电弧图像中心燃烧区域和电弧辐射区域的合适二值化阈值，进行图像二值化处理。

7.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于：s6通过sobel算子对二值化图像进行边缘特征提取。

8.根据权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法，其特征在于，s7包括如下步骤：

9.权利要求1所述的电弧形态分形定量表征方法在铁路弓网系统中的应用。

技术总结
本发明公开了一种电弧形态分形定量表征方法，包括以下步骤：电弧图像灰度化处理；图像去噪处理；电弧图像均衡化，将电弧划分中心燃烧区域和辐射区域；电弧形态分割，基于灰度分割值的图像处理方法，在电弧图像二值化处理中提供准确的分割阈值，分割电弧中心燃烧区和电弧辐射区；图像二值化处理；边缘特征提取；采用分形维数来定量表征电弧形态。本发明通过图像处理提取电弧形态特征，并计算分形维数，可以准确反映电弧形态的复杂性和不规则程度，通过对电弧的表征，建立电弧形态与电弧功率的定量关系，从而有助于监测或评估电气设备和系统的运行安全性和可靠性。

技术研发人员：左雪,文达,周元凯,张建,蒋小伟,倪侃,丁宇
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/23