97、基于定位的监控系统与韩国城市燃气设施无线通信方法研究

基于定位的监控系统与韩国城市燃气设施无线通信方法研究

一、基于定位的监控系统相关技术

1.1 像素权重与尺寸变换

在图像相关处理中，涉及到像素权重的计算。有四个坐标 (v_1)、(v_2)、(v_3)、(v_4) ，实数 (d)（取值在 0 到 1 之间）是第二个像素与实数坐标的距离。对应 (v_1) 的像素权重值由 (f(1 + d)) 确定，对应 (v_2) 的像素权重值由 (f(d)) 确定，由此得到方程 1：
[
f(x)=\begin{cases}
x^3 - 2x^2 + 1, & 0\leq|x|\leq1\
-4x^3 + 8|x|^2 - 5|x| + 2, & 1\leq|x|\leq2\
0, & |x|>2
\end{cases}
]
当用 -1 替代 (a) 重写该方程时，得到方程 2：
[
f(x)=\begin{cases}
x^3 - 2|x| + 1, & 0\leq|x|\leq2\
-4x^3 + 8|x|^2 - 5|x| + 2, & 1\leq|x|\leq2\
0, & |x|>2
\end{cases}
]
计算用此函数插值的值并展开方程，得到方程 3，用于尺寸变换：
[
v = v_1(d^3 - 2d^2 + 1)+v_2(-2d^3 + 3d^2)+v_3(2d^3 - 3d^2 + 1)+v_4(d^3 - d^2)
]

1.2 高斯高通滤波器

自然界中产生的所有信号都可以表示为特定函数的组合。傅里叶变换是一种以正弦函数和余弦函数为基函数的表示方法，本文使用了流行的快速傅里叶变换（FFT）来提高速度。在傅里叶变换中，像素值突然变化的部分称为高频分量，分布在中间，低频分量分布在两侧。使用方程 4 来通过高通滤波器：
[
H(u,v)=1 - e^{-\frac{D^2(u,v)}{2D_0^2}}
]
其中，(D(u,v)) 表示从滤波器中心坐标到 ((u,v)) 坐标的距离，(D_0) 是截止频率，它决定了高通滤波器将过滤的频率分量的数量。

1.3 哈里斯角点检测

图像的角点广泛用于图像分析。哈里斯角点基本上是通过分析窗口移动引起的像素值变化来确定的。
- 平坦区域：窗口移动时像素值始终恒定。
- 边界区域：水平移动时像素值有变化，垂直移动时无变化。
- 哈里斯角点：水平和垂直移动时像素值都有变化。

用方程 5 表示：
[
M(x,y)=\sum_{x,y}w(x,y)\begin{bmatrix}
I_x^2 & I_xI_y\
I_xI_y & I_y^2
\end{bmatrix}
]
[
c(x,y)=\sum_{x,y}w(x,y)[I(x + \Delta x,y+\Delta y)-I(x,y)]^2
]
其中，(\Delta x) 和 (\Delta y) 表示 (x) 和 (y) 方向的小变化，(w) 表示窗口。函数 (c(x,y)) 表示变化量，在平坦区域值小，在角点处值大。用泰勒级数将此关系表示为方程 6：
[
\begin{cases}
Tr(M)=\lambda_1+\lambda_2\
Det(M)=\lambda_1\lambda_2\
R = Det(M)-K(Tr(M))^2
\end{cases}
]
如果 (\lambda_1) 和 (\lambda_2) 的值都小，则为平坦区域；如果一个小一个大，则为边界；如果都大，则为角点。

1.4 局部重建后的识别

通过针对从图像中检测到的角点重建 41 * 41 大小的图像，并从两幅图像的差异计算中找到固定比例来进行识别。使用广泛用于检测入侵者的差异计算方程 7：
[
h(x,y)=f(x,y)-g(x,y)
]
仅提取差异显示为 92.16% 或更高的点，然后通过对提取的点应用 Max&Min 算法再次选择在最大值点有变化周期的点。从这些点中 70% 以上有两个或更多点的区域创建一个域，最后基于这些域进行合并。

1.5 实验结果

对静态图像的组合精度和合成速度进行了测试，使用了两种类型的图像：
|算法|尺寸|列文伯格（秒）|InlineCCTV（秒）|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| |640 * 480|1.56749|2.395820|
| |1024 * 768|2.12447|3.681138|

• 识别率 ：640 * 480 样本的识别率略低于 SIFT 或列文伯格，但 768 * 1024 样本的结果几乎相同，这是由于图像尺寸调整的影响。
• 速度 ：与 SIFT 时间差异明显，仅与列文伯格进行比较，所提出的方法比列文伯格快约 1 秒。可以得出结论，不使用向量的域识别的识别率略低，但速度比其他方法快。提高识别率是未来的研究目标。

二、韩国城市燃气设施无线通信方法选择

2.1 韩国城市燃气安全管理系统现状

韩国的城市燃气安全管理可分为状态、设施和操作系统：
- 状态管理系统 ：旨在管理最优预维护和紧急后恢复，如 SCADA、总控制中心和设施实时管理系统。
- 设施管理系统 ：通过收集和积累大量设施资源数据库来正确估计安全性，如地理信息系统、统计过程控制/定量风险评估（SPC/QRA）和管道网络分析。
- 运营管理系统 ：通过对运营的估计和改进来提高业务效率，包括系统的基本设计、对设施状态的安全诊断、状态模拟和设施控制。

目前韩国的城市燃气安全管理系统努力控制上下文感知信息，大多基于使用 IT 的有线通信系统，少数系统部分引入了使用移动通信（CDMA）的远程自动抄表系统（AMR）。其架构为：终端用户通过商业移动网络将数据包发送到 WAP 服务器，WAP 服务器将移动数据转换为互联网数据并通过互联网发送到管理服务器，管理服务器计算和分析接收到的数据，当目标异常时发出警报。但这些系统仅监控远程仪表的值，不适用于控制终端用户和收集周围状态。

2.2 韩国城市燃气设施特点分析

主要的城市燃气设施大致分为管道、调节器、测试箱、燃气表等。这些设施中的上下文感知参数分为环境参数（地震、地面沉降等）和维护参数（压力、振动、泄漏气体等）。
|目标设施|可监测的上下文感知参数|
| ---- | ---- |
|地下管道|腐蚀、应力、地震、地面沉降|
|露天管道|压力、泄漏气体、应力、地面沉降、地震|
|调节器|温度、应力、振动、地震、交直流|
|阀箱|压力、泄漏气体、应力、气体沉降、地震、水位、泄漏电流|
|测试箱|腐蚀|
|仪表|压力、泄漏气体、温度|
|整流器|腐蚀、交直流|
|远程终端单元（RTU）|通信状态、交直流|
|压缩天然气（CNG）站|振动、应力、地面沉降|

通过与两家城市燃气公司协商，选择了四个优先需要普适技术的设施，并定义了目标上下文感知参数：
|目标设施|参数|单位|
| ---- | ---- | ---- |
|地下管道|腐蚀|V|
|露天管道|应力、振动|Pa(kg/cm²)、Cm/s|
|阀箱|泄漏气体、水位、泄漏电流|ppm、V|
|特殊压力监测点|压力|Mpa(kg/cm²)|

2.3 适用无线通信分析与实验

为了在城市燃气设施中发送上下文感知信息，可以使用各种方法。虽然现有方法使用有线通信（如 PLC），但无线通信方法有一些优点。根据对可测量参数和城市燃气设施特点的分析，设施在数据域特点上各不相同，应通过分析现场状态信息选择适用的无线通信方法。

考虑到为城市燃气设施建立无线短距离网络的成本以及目标设施与燃气调节器之间的距离（韩国城市燃气中调节器一般每 1 公里设置一个），如果目标设施与燃气调节器的距离小于 1 公里，可能适用无线短距离网络，否则适用无线中/长距离网络。
|目标设施|特点|适用方法|
| ---- | ---- | ---- |
|地下管道|中/高压、供电困难、仅地面通信|短距离网络|
|露天管道|平均管道长度 50m、开放环境、供电困难|短或长距离网络|
|第三方损坏管道|半封闭环境、有供电可能|短距离网络|
|阀箱| |长距离网络|
|特殊压力监测点|封闭环境、供电困难、混凝土/钢覆盖|短距离网络|

搭建了无线短距离网络测试平台来监控和控制地下管道的压力和腐蚀，由十个压力监测区域和三个燃气调节器室组成，监测区域之间的距离最大为 495 米，最小为 43 米。实验结果表明，在开放环境中，Zigbee 和蓝牙的最大传输长度约为 1 公里，RF 约为 100 米；在封闭和开放环境之间，Zigbee 约为 35 米，蓝牙约为 10 米，RF 约为 70 米。Zigbee 在开放环境中表现更好，在封闭环境中低频带宽更合适，且 Zigbee 可能显示更长的传输长度、更低的传输输出功率，并能建立自组织网络，但在封闭环境中不适用，因为高频带宽方法（如 2.4GHz）无法穿透混凝土或钢环境。

搭建了无线中/长距离网络测试平台来监控和控制十三个阀箱的泄漏气体、水位和泄漏电流。阀箱环境通常有外钢盖、内钢盖组合，平均深度为 2 米。测试了 CDMA 和 Wibro 的通信成功率，CDMA 适用，而 Wibro 不适用。从安全和商业服务的角度，还将测试 TRS 和 6LoPan。

综上所述，在监控系统和城市燃气设施通信方面都有各自的技术特点和适用场景，未来在提高监控系统识别率以及优化城市燃气设施无线通信方法等方面还有很大的研究和改进空间。

三、技术总结与未来展望

3.1 监控系统技术总结

在基于定位的监控系统中，各项技术相互配合，实现了图像的处理、分析与识别。像素权重的计算和尺寸变换方程为图像的精确处理提供了基础，使得图像在不同尺寸下能够进行有效的转换。高斯高通滤波器通过傅里叶变换，突出了图像中的高频分量，有助于检测图像中的细节和变化。哈里斯角点检测则能够准确地识别图像中的角点，为后续的图像分析和识别提供了关键特征。局部重建后的识别方法，通过图像差异计算和筛选，提高了识别的准确性。

实验结果显示，该监控系统在识别率和速度方面有一定的表现。虽然在某些图像尺寸下识别率略低于其他方法，但速度较快，具有一定的应用潜力。然而，提高识别率仍然是未来需要解决的关键问题。

3.2 城市燃气设施无线通信技术总结

在韩国城市燃气设施无线通信方法的研究中，对现有安全管理系统进行了分析，发现其存在一定的局限性，无法有效控制终端用户和收集周围状态。通过对城市燃气设施特点的分析，确定了不同设施的上下文感知参数，并根据设施特点和距离因素，选择了适用的无线通信方法。

无线短距离网络和中/长距离网络的实验结果表明，不同的通信技术在不同的环境中有不同的表现。Zigbee 在开放环境中具有优势，但在封闭环境中受到限制；CDMA 在阀箱环境中适用，而 Wibro 不适用。这些结果为城市燃气设施的无线通信提供了实际的参考。

3.3 未来研究方向

• 监控系统方面
  • 提高识别率 ：可以进一步研究优化角点检测和图像识别算法，结合更多的特征信息，提高系统在各种图像尺寸和场景下的识别率。
  • 应对复杂场景 ：考虑图像旋转、光照变化等复杂场景对识别结果的影响，开发相应的处理方法，增强系统的鲁棒性。
• 城市燃气设施无线通信方面
  • 优化通信技术 ：继续研究和测试不同的无线通信技术，如 TRS 和 6LoPan，找到更适合城市燃气设施的通信方案，提高通信的稳定性和可靠性。
  • 解决供电问题 ：针对部分设施供电困难的问题，探索采用太阳能、无线充电等新型供电方式，确保无线通信设备的正常运行。
  • 建立智能管理平台 ：结合物联网和大数据技术，建立城市燃气设施的智能管理平台，实现对设施的实时监控、故障预警和智能决策。

3.4 技术应用前景

• 监控系统应用 ：该监控系统可应用于安防监控、智能交通等领域，通过准确识别目标物体，提高监控效率和安全性。
• 城市燃气设施通信应用 ：优化后的无线通信方法将有助于提高城市燃气设施的安全管理水平，实现对燃气设施的远程监控和智能控制，降低运营成本，保障城市燃气供应的安全和稳定。

3.5 整体技术流程回顾

为了更清晰地展示整个技术流程，下面给出 mermaid 格式的流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(监控系统):::process
    A --> C(城市燃气设施通信):::process
    B --> B1(像素权重与尺寸变换):::process
    B --> B2(高斯高通滤波器):::process
    B --> B3(哈里斯角点检测):::process
    B --> B4(局部重建后的识别):::process
    B --> B5(实验结果分析):::process
    C --> C1(现状分析):::process
    C --> C2(设施特点分析):::process
    C --> C3(适用通信方法选择):::process
    C --> C4(通信实验):::process
    B5 --> D{是否满足需求?}:::decision
    C4 --> D
    D -->|是| E([结束]):::startend
    D -->|否| F(未来研究改进):::process
    F --> B
    F --> C

这个流程图展示了监控系统和城市燃气设施通信技术的整体流程，包括技术处理步骤、实验分析以及未来改进的循环过程。通过不断的研究和改进，有望使这两项技术在实际应用中发挥更大的作用。

3.6 总结表格

为了更直观地总结监控系统和城市燃气设施通信技术的要点，下面给出总结表格：
|技术领域|关键技术|优点|不足|未来改进方向|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|监控系统|像素权重计算、高斯高通滤波器、哈里斯角点检测、局部重建识别|速度较快|部分图像尺寸下识别率略低|提高识别率、应对复杂场景|
|城市燃气设施通信|无线短距离和中/长距离通信技术|可远程监控、部分技术适用特定环境|部分设施供电困难、部分通信技术不适用|优化通信技术、解决供电问题、建立智能管理平台|

通过以上的总结和展望，我们可以看到监控系统和城市燃气设施通信技术在当前已经取得了一定的成果，但也存在一些需要解决的问题。未来的研究和改进将有助于推动这些技术的发展，使其更好地服务于实际应用。