基于红外温度场持久同调分析的设备温升早期预警方法与流程

本发明涉及红外热成像技术与设备状态监测，尤其涉及基于红外温度场持久同调分析的设备温升早期预警方法。

背景技术：

1、红外热成像技术通过非接触方式获取被测目标的温度场分布，在电力设备状态监测、工业设备故障诊断等领域得到了广泛应用。现有的红外热像温升评估方法主要包括以下几类。

2、第一类是基于温度阈值的静态评估方法。此类方法通过将最高温度或相对温差与预设阈值进行比较，当温度超过阈值时触发报警。该方法只有在温度升高到预设阈值后才能触发报警，属于事后报警而非事前预警；且固定阈值难以适应不同环境温度、不同负载工况下的设备温升差异。

3、第二类是基于温升速率的动态评估方法。此类方法通过计算相邻时刻的温度变化率来判断设备温度变化趋势，当温升速率超过设定阈值时发出预警。该方法对测量噪声敏感，温度数据的瞬时波动容易导致速率突变而产生误报。

4、第三类是基于数据驱动的趋势预测方法。近年来，部分研究引入深度学习模型进行温升趋势预测。然而，此类方法属于黑箱模型，预测结果缺乏物理可解释性；模型训练依赖大量标注数据，实施门槛高、部署成本大。

5、第四类是近年来出现的基于拓扑数据分析的方法。已有研究将持久同调应用于光伏红外热斑图像的识别与分类，通过提取图像的拓扑特征实现对热斑的静态识别。然而，上述应用属于静态分析或基于单一时间断面的分析，未涉及对温度场拓扑结构随时间连续演化的动态追踪与预警。

6、综上所述，现有红外热像温升评估技术在早期微弱信号的检测灵敏度、抗噪声干扰能力以及评估结果的物理可解释性等方面仍存在显著不足。如何在温度数值尚未明显升高时，从温度场的空间结构变化中提前识别异常信号，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提出了基于红外温度场持久同调分析的设备温升早期预警方法，旨在解决现有技术中存在的红外热像温升评估方法难以在温度数值明显升高前从温度场的空间结构变化中识别早期异常信号以实现早期预警的技术问题。

2、本发明提供了基于红外温度场持久同调分析的设备温升早期预警方法，包括：

3、步骤s1，连续采集被测设备的红外热像图像序列，对每帧红外图像进行非均匀性校正、盲元替换和温度定标后生成温度矩阵；

4、步骤s2，对每一帧所述温度矩阵进行多阈值子水平集分解，在多个温度阈值下分别提取上水平集，获得各温度阈值下的连通分量集合；

5、步骤s3，对每一帧所述温度矩阵进行持久同调计算，将所述温度矩阵中的所有像元按照温度值从低到高排序并依次激活，记录所述连通分量随温度阈值变化的诞生过程与消亡过程，生成每一帧温度矩阵的持久性图；

6、步骤s4，从各帧持久性图中提取拓扑时间序列特征，所述拓扑时间序列特征包括贝蒂零维最大寿命序列、贝蒂一维最大寿命序列，以及当前持久性图与基准持久性图之间的瓦瑟斯坦距离序列；

7、步骤s5，基于所述拓扑时间序列特征计算综合异常指数，根据所述综合异常指数判定设备状态等级；

8、步骤s6，根据所述设备状态等级输出相应的分级预警信息。

9、进一步地，所述步骤s2中，所述上水平集按照下式确定：

10、；

11、其中，为时刻温度矩阵中坐标处的温度值，为温度阈值，表示温度大于或等于阈值的所有像元构成的集合。

12、进一步地，所述步骤s3中，所述连通分量的诞生条件为：当一个新像元被激活且该像元的所有相邻像元均未被激活时，一个新的连通分量诞生；所述连通分量的消亡条件为：当两个连通分量通过新激活的像元连接时，较晚诞生的连通分量消亡；每个连通分量在所述持久性图中表示为一个点，该点的横坐标为诞生时的温度阈值，纵坐标为消亡时的温度阈值。

13、进一步地，所述相邻像元为以目标像元为中心的八邻域范围内的像元。

14、进一步地，所述步骤s4中，所述贝蒂零维最大寿命序列为每一帧持久性图中所有贝蒂零维特征的最大寿命值，所述寿命为消亡温度阈值与诞生温度阈值之差；所述贝蒂一维最大寿命序列为每一帧持久性图中所有贝蒂一维特征的最大寿命值。

15、进一步地，所述步骤s4中，所述当前持久性图与基准持久性图之间的瓦瑟斯坦距离通过计算两个持久性图中所有拓扑特征点之间的最优匹配距离得到，所述基准持久性图为设备在正常运行状态下温度矩阵的持久性图。

16、进一步地，所述步骤s5中，所述综合异常指数；

17、其中，为时刻的贝蒂零维最大寿命，为第一寿命阈值，为时刻的瓦瑟斯坦距离，为第一距离阈值，和为权重系数，且。

18、进一步地，所述分级预警方式为：当小于第一指数阈值时判定为正常状态；当大于或等于所述第一指数阈值且小于第二指数阈值时判定为关注状态；当大于或等于所述第二指数阈值且小于第三指数阈值时判定为预警状态；当大于或等于所述第三指数阈值时判定为报警状态。

19、进一步地，所述步骤s1中，所述非均匀性校正包括：根据每个像元的增益校正系数和偏置校正系数对每个像元的响应值进行校正；所述盲元替换包括：基于预先建立的盲元表识别响应异常像元，采用邻域插值方法对所述响应异常像元进行替换修复；所述温度定标包括：基于黑体辐射源标定实验建立的像元灰度值与温度值的映射关系，将校正后的灰度图像转换为所述温度矩阵。

20、进一步地，所述红外热像图像序列的分辨率为384乘288，采样频率大于或等于1赫兹；所述被测设备为电力变压器、高压电动机、开关柜或电气连接件。

21、本发明公开的技术方案的技术效果是：

22、第一，本发明通过持久同调分析将每一帧红外温度矩阵转换为持久性图，从温度场的拓扑结构层面刻画温度场的空间形态特征。设备早期故障首先改变的是温度场的空间分布形态，然后才改变温度场的数值大小，因此拓扑结构的变化在时间上早于温度数值的明显升高，使得本发明能够在温度变化幅度较小时即检测到可识别的拓扑异常信号，相比传统阈值法大幅提前了预警时间。

23、第二，本发明通过从各帧持久性图中提取贝蒂零维最大寿命、贝蒂一维最大寿命和瓦瑟斯坦距离等拓扑时间序列特征，实现了对温度场拓扑结构随时间的连续演化追踪。贝蒂零维最大寿命反映温度场中最显著高温连通分量的持久性，设备正常运行时温度场平滑连通，贝蒂零维最大寿命短，设备出现局部热点时孤立高温连通分量诞生，贝蒂零维最大寿命显著增长。瓦瑟斯坦距离量化当前温度场拓扑结构与正常状态拓扑结构的整体差异程度。三个特征从不同维度刻画温度场拓扑结构的演化，相互补充。

24、第三，本发明通过将贝蒂零维最大寿命和瓦瑟斯坦距离加权融合为综合异常指数，实现了对温度场拓扑结构异常的综合量化评估。贝蒂零维最大寿命对孤立高温连通分量的出现敏感，瓦瑟斯坦距离对温度场拓扑结构的整体变化敏感，两者结合后兼顾了检测的灵敏度和可靠性。

25、第四，本发明的持久性图、贝蒂数、瓦瑟斯坦距离等拓扑特征均具有严格的数学定义和明确的物理对应关系，评估结果可解释、可追溯。同时，持久同调计算仅涉及对温度矩阵的排序、连通性分析和最优化匹配，计算复杂度可控，无需依赖大规模神经网络训练，可在嵌入式系统中实时部署。