圖像識(shí)別火災(zāi)探測(cè)技術(shù)在艦船消防中的應(yīng)用分析

方萬(wàn)水，安中昌，吳曉偉

(中國(guó)人民解放軍 92942部隊(duì)，北京 100161)

0 引 言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，隨著艦船大型化以及不沉性設(shè)計(jì)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，導(dǎo)彈直接將艦船擊沉已經(jīng)越來(lái)越困難，造成船舶沉沒(méi)的主要原因更多的歸因于一次毀傷后的次生災(zāi)害。而在所有次生災(zāi)害中，火災(zāi)越來(lái)越成為威脅艦船生命力的首要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)二戰(zhàn)后有85%左右的艦船被導(dǎo)彈命中產(chǎn)生大火毀傷[1]。除了戰(zhàn)時(shí)武器命中導(dǎo)致的火災(zāi)，艦船平時(shí)訓(xùn)練、停泊、維修期間各類事故也經(jīng)常誘發(fā)大火，威脅著艦船和艦員的安全。因此做好艦船的火災(zāi)防控工作是提高艦船生命力的重要保證。

對(duì)于船舶火災(zāi)來(lái)講，其與一般建筑的火災(zāi)存在一定的差異。船舶火災(zāi)的發(fā)生率高，火災(zāi)載荷較大，且散熱困難，因此火災(zāi)一旦發(fā)展開(kāi)來(lái)，往往很難撲救，造成極嚴(yán)重的后果[2]。因此對(duì)于船舶火災(zāi)，特別是艦船火災(zāi)提倡“早期探測(cè)，快速滅火”，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)盡早探測(cè)報(bào)警，并實(shí)施有效滅火，確保人員和艦艇的安全。船舶的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展逐步演化出了幾種主流的探測(cè)方式，包括感溫探測(cè)、感煙探測(cè)等[3]。但該類探測(cè)普遍存在響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，在受到空間高度、空氣流速、溫度和濕度等外界因素的干擾下易引起頻繁誤報(bào)或漏報(bào)的現(xiàn)象，因此難以對(duì)早期火災(zāi)做出準(zhǔn)確預(yù)警。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)也正朝著圖像化、智能化的方向轉(zhuǎn)變，近年來(lái)基于圖像識(shí)別的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多[4–6]?；谝曨l圖像的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)具有智能化程度高、探測(cè)范圍廣、響應(yīng)靈敏度高、抗干擾和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，代表了目前火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的較高水平。因此本文對(duì)圖像識(shí)別火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的基本原理及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)在艦船的適用性進(jìn)行分析。

1 火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)基本原理

一個(gè)火災(zāi)圖像的識(shí)別可以分為5個(gè)步驟，其完整流程如圖1所示。第1步是圖像信息的獲取，火災(zāi)圖像通過(guò)探測(cè)器記錄下來(lái)，并通過(guò)光電掃描將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，以便后續(xù)處理；第2步是對(duì)獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理，即使用一些相關(guān)技術(shù)手段來(lái)改善圖像的質(zhì)量；第3步是對(duì)圖像進(jìn)行圖像分割，即把目標(biāo)圖像從背景中分割出來(lái)；第4步是圖像的特征提取，主要根據(jù)相應(yīng)的判據(jù)對(duì)火災(zāi)火焰特征進(jìn)行準(zhǔn)確的辨識(shí)；第5步是進(jìn)行火焰識(shí)別，通過(guò)建立火災(zāi)圖像識(shí)別算法模型，將火災(zāi)特征作為模型的輸入信息從而分析判斷有無(wú)火災(zāi)發(fā)生[7]。

其中對(duì)圖像的數(shù)字處理是整個(gè)流程的核心，是能否通過(guò)圖像準(zhǔn)確探測(cè)火災(zāi)的關(guān)鍵所在。數(shù)字圖像處理主要包括流程中的圖像預(yù)處理、火災(zāi)特征的提取以及火災(zāi)圖像識(shí)別3個(gè)部分。其中對(duì)火災(zāi)圖像的預(yù)處理常采用的方法包括圖像的增強(qiáng)、濾波和細(xì)化等[8]。火災(zāi)圖像特征提取中常采用的火災(zāi)識(shí)別判據(jù)有火焰面積變化、火焰形態(tài)變化、火焰圓形度、火焰相對(duì)穩(wěn)定性、火焰尖角特性、火焰相似度等[9]?；馂?zāi)圖像識(shí)別則采用基于規(guī)則或統(tǒng)計(jì)的智能學(xué)習(xí)算法，主要方法有概率與統(tǒng)計(jì)方法、貝葉斯估計(jì)法、支持向量機(jī)、模糊邏輯法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。

2 火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

區(qū)別于其他的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，火災(zāi)圖像探測(cè)更關(guān)心火災(zāi)在圖像上的表征。火災(zāi)圖像是一種包含對(duì)象強(qiáng)度、形體、位置等信息的信號(hào)，能夠明顯區(qū)別于其他的物理量，因此火災(zāi)探測(cè)的準(zhǔn)確性相比傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器更高。國(guó)內(nèi)外對(duì)圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行大量研究，并推出了相應(yīng)的產(chǎn)品，這里將主要就視頻火災(zāi)探測(cè)技術(shù)和圖像型火災(zāi)探測(cè)產(chǎn)品2個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)外火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)根據(jù)探測(cè)對(duì)象及識(shí)別算法的不同，通?？煞譃閳D像火焰探測(cè)技術(shù)和圖像煙霧探測(cè)技術(shù)。其中，圖像型火焰探測(cè)技術(shù)是指采用視頻圖像來(lái)分析燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的火焰，從而進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)報(bào)警。在理論研究方面，Noda等[10]利用隧道已有的黑白電視監(jiān)控系統(tǒng)在灰度圖像上實(shí)現(xiàn)火災(zāi)圖像檢測(cè)；Liu[11]提出一種火焰區(qū)域的光譜、時(shí)間和空間模型，通過(guò)自回歸模型來(lái)描述火焰輪廓的變化情況，從而得到火焰的識(shí)別判據(jù)；One等[12]利用紅色分量圖的差影圖對(duì)火焰可疑區(qū)域進(jìn)行提取，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)火焰特征量進(jìn)行識(shí)別。吳龍標(biāo)等[13]則釆用火焰尖角數(shù)量隨時(shí)間的變化對(duì)火焰進(jìn)行了判定。

圖像型煙霧火災(zāi)探測(cè)則是采用視頻圖像方式分析燃燒或熱解過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧，從而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)?；馂?zāi)煙霧在色彩、亮度等圖像特征上相對(duì)于火焰往往更不明顯，因此煙霧圖像特征的提取在技術(shù)上難度更大。近年來(lái)，隨著模式識(shí)別和圖像處理等技術(shù)的不斷發(fā)展，使用煙霧視頻進(jìn)行探測(cè)逐漸變?yōu)榭赡?。Chen[14]通過(guò)在RGB顏色空間中建立相應(yīng)的煙霧顏色分布模型對(duì)火災(zāi)煙霧進(jìn)行了識(shí)別。Guillemant等[15]對(duì)森林火災(zāi)煙霧探測(cè)的計(jì)算方法進(jìn)行研究，算法通過(guò)多維時(shí)空聚類成功分析了森林火災(zāi)場(chǎng)景和干擾源圖像顏色分布的差異。

2.2 火災(zāi)圖像探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的火災(zāi)視頻探測(cè)系統(tǒng)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前主要的產(chǎn)品有[16–17]：科大立安公司開(kāi)發(fā)的雙波段火災(zāi)探測(cè)器、北京智安邦科技有限公司開(kāi)發(fā)的VSFD系統(tǒng)、美國(guó)SigniFire系統(tǒng)以及美國(guó)MicroPack公司的FDS系統(tǒng)。

1）科大立安LIAN-DC系統(tǒng)

LIAN-DC視頻火焰探測(cè)系統(tǒng)采用雙波段圖像火災(zāi)探測(cè)器，探測(cè)器由紅外CCD 和彩色CCD 共同組成，識(shí)別對(duì)象主要為拍攝畫面內(nèi)火焰信息，適用于大空間和其他特殊空間場(chǎng)所，且該系統(tǒng)抗振動(dòng)性能良好，在–10℃～55℃的溫度范圍內(nèi)均能正常使用。

LIAN-DC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)首先通過(guò)紅外CCD的熱成像原理采集火焰的輻射信息，然后根據(jù)火災(zāi)面積的判據(jù)對(duì)火焰進(jìn)行識(shí)別，并利用FFT（傅里葉變換）提取圖像幀序列中火焰面積變化的頻率，從而利用火焰相似度計(jì)算確認(rèn)火情信息。另外，該套系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與前端的火災(zāi)探測(cè)器、自動(dòng)消防炮等設(shè)備進(jìn)行連接，組成一個(gè)核心管理系統(tǒng)，可完成對(duì)探測(cè)器的管理、配置、報(bào)警顯示、日志記錄查詢、打印和消防聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火情的智能分析、分布式探測(cè)和集中式管理。

圖2 LIAN-DC視頻火焰探測(cè)系統(tǒng)Fig. 2 LIAN-DC video flame detection system

2）北京智安邦VSFD系統(tǒng)

VFSD（Video Fire& Smoke Detection）智能視頻煙火探測(cè)系統(tǒng)，由視頻火災(zāi)探測(cè)器（包括攝像機(jī)、VFSD智能視頻煙火識(shí)別處理器）、控制室監(jiān)控管理平臺(tái)等組成[17]。在火災(zāi)探測(cè)時(shí)，攝像機(jī)首先采集火災(zāi)視頻信號(hào)并將其傳送到識(shí)別處理器中，處理器應(yīng)用火災(zāi)智能識(shí)別算法對(duì)視頻圖像內(nèi)的火焰和煙霧進(jìn)行識(shí)別，最終產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警并傳輸?shù)交馂?zāi)監(jiān)控管理平臺(tái)。

該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于采用了獨(dú)立的圖像型火災(zāi)信息處理器，可以獨(dú)立采集、分析攝像機(jī)傳出的視頻信號(hào)并對(duì)視頻信號(hào)中的圖像信息進(jìn)行識(shí)別，最終輸出控制和報(bào)警信號(hào)。另外，VFSD采用DSP數(shù)字處理技術(shù)，具有強(qiáng)大的信息吞吐及處理能力，可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的在線實(shí)時(shí)處理（Real-Time），大大提高了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。

3）美國(guó)SigniFire系統(tǒng)

SigniFire系統(tǒng)是一款美國(guó)開(kāi)發(fā)的圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，其在車場(chǎng)碼頭、商超館園都有應(yīng)用，是目前最先進(jìn)，效率最高的圖像型探測(cè)系統(tǒng)。該公司開(kāi)發(fā)了基于DSP數(shù)字處理技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式的獨(dú)立式圖像型火災(zāi)探測(cè)器即SigniFire IP系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)采用SigniFire IP視頻煙霧探測(cè)攝像機(jī)，具有高分辨率和畫面清晰度。另外該系統(tǒng)還能同時(shí)識(shí)別火焰和煙霧信息，可檢測(cè)信號(hào)包括：1）攝像機(jī)視野內(nèi)存在的火焰；2）火焰被阻擋時(shí)反射的火光；3）羽化的煙云和環(huán)境煙霧。其中對(duì)于火焰的識(shí)別算法更是融合了火焰的頻閃信息和色區(qū)信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫燃燒區(qū)和焰角（焰冠）的邊緣識(shí)別。

在管理終端，火災(zāi)視頻通過(guò)SPYDERGUARD監(jiān)控軟件進(jìn)行分析，該軟件旨在通過(guò)企業(yè)范圍的網(wǎng)絡(luò)或Internet無(wú)縫訪問(wèn)多個(gè)圖像探測(cè)服務(wù)器，實(shí)時(shí)提供各位置的報(bào)警信息，從而及時(shí)對(duì)火情進(jìn)行處理。另外，該軟件提供搜索和回放功能，以便對(duì)釀成火災(zāi)的事件進(jìn)行事故分析。

圖3 SigniFire煙霧視頻探測(cè)系統(tǒng)Fig. 3 SigniFire video smoke detection system

圖4 MicroPack的FDS視頻火焰探測(cè)系統(tǒng)Fig. 4 MicroPack FDS video flame detection system

4）美國(guó)MicroPack公司的FDS系統(tǒng)

美國(guó)MicroPack公司的FDS系列探測(cè)器也是一款基于DSP數(shù)字處理器的圖像型火焰探測(cè)器（見(jiàn)圖4），其算法可以有效地識(shí)別真實(shí)火焰和發(fā)熱體、高溫CO2氣體輻射以及閃爍發(fā)光體之間的區(qū)別。并且該系統(tǒng)配備的視覺(jué)火焰探測(cè)器具有水平120°和垂直80°的視野，可提供現(xiàn)有探測(cè)器中最大的覆蓋范圍，從而降低維護(hù)和安裝成本。更為重要的是，該探測(cè)器是目前少數(shù)采用防爆設(shè)計(jì)的圖像型火焰探測(cè)器，并通過(guò)了我國(guó)的GB3836-1.2000和GB3836-2.2000的防爆認(rèn)證，其產(chǎn)品在中國(guó)石化等企業(yè)已有成功應(yīng)用。美國(guó)MicroPack公司的FDS系統(tǒng)不僅檢測(cè)視野范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短，且結(jié)合防爆型設(shè)計(jì)，適用范圍廣，是目前工業(yè)領(lǐng)域一款較為優(yōu)秀的火災(zāi)圖像識(shí)別系統(tǒng)。

3 火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)艦船適用性分析

3.1 艦船典型火災(zāi)適用性分析

3.1.1 船舶油類火災(zāi)

與陸上建筑中的可燃物不同，船舶艙室尤其機(jī)艙常常裝載大量的液態(tài)燃油，發(fā)生的火災(zāi)多以油池火和噴射火為主，并且船舶機(jī)艙為局部受限空間，火災(zāi)的發(fā)展勢(shì)必與陸地建筑物火災(zāi)有所不同。因此分析圖像型火災(zāi)探測(cè)器能否準(zhǔn)確識(shí)別船舶受限空間油類火災(zāi)早期特征是論證其適用性的關(guān)鍵。研究表明封閉空間船舶封閉艙室油類火災(zāi)的火災(zāi)初期表現(xiàn)與普通油類火災(zāi)的初期特性基本相同，火羽流形狀明顯，并隨著火災(zāi)的發(fā)展呈現(xiàn)周期性的脈動(dòng)[18]。但是值得注意的是，雖然油類火災(zāi)火羽流特征明顯，但是船舶機(jī)艙中油管布置錯(cuò)綜復(fù)雜，油品泄漏位置往往極其隱蔽，因此在火災(zāi)發(fā)生早期難以發(fā)現(xiàn)。為了避免火情的漏報(bào)，建議采用多功能型圖像火災(zāi)探測(cè)器，從感焰和感煙多個(gè)角度識(shí)別火情，保證火災(zāi)探測(cè)的準(zhǔn)確性。

3.1.2 船舶電氣火災(zāi)

電氣火災(zāi)也是船舶上較為常見(jiàn)的一種火災(zāi)類型。電纜的局部過(guò)熱或全線過(guò)熱造成溫度的上升，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)引燃電纜絕緣層、外護(hù)套及現(xiàn)場(chǎng)的其他可燃物，從而引發(fā)電氣火災(zāi)[19]。電氣火災(zāi)中電纜燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的煙塵，由于煙對(duì)光的吸收和散射作用，使得僅有一部分光可以透過(guò)煙氣，從而降低火場(chǎng)的能見(jiàn)度。煙氣的遮光性給火場(chǎng)中的圖像識(shí)別造成了很大的困難，因此僅采用感焰式的火災(zāi)探測(cè)器顯然存在不足，此時(shí)感煙式的火災(zāi)探測(cè)器反而具有較大的探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

3.2 艦船運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)性分析

3.2.1 海洋環(huán)境影響

對(duì)于艦船來(lái)說(shuō)，船舶長(zhǎng)時(shí)間在海上航行。艦船上的設(shè)備會(huì)受到海洋大氣、海水飛沫、雨雪以及凝結(jié)水的侵蝕，設(shè)備在這種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)設(shè)備的可靠性帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。另外，海上環(huán)境濕度較大，鹽霧濃度相對(duì)較高，再加上每逢夏季高溫，便形成了海上特有的“三高”環(huán)境（高溫、高濕、高鹽）。設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濃度鹽霧下是金屬材料腐蝕生銹和非金屬材料因霉菌的侵蝕而變質(zhì)的重要原因，同時(shí)配合上夏季海上高溫的環(huán)境，加劇了以上危害的惡化。環(huán)境對(duì)艦船設(shè)備的腐蝕直接影響到設(shè)備的可靠性和使用壽命，因此在設(shè)計(jì)艦用圖像型火災(zāi)探測(cè)器外殼時(shí)，要充分考慮到海洋環(huán)境的適應(yīng)性，選擇耐腐蝕的外殼材質(zhì)并且采用鋅合金電鍍層等具有優(yōu)良耐腐蝕性能的保護(hù)方法。

3.2.2 艙室環(huán)境影響

艦船內(nèi)艙室功能多樣，許多艙室中都存在有一處或者多處熱源。特別是機(jī)艙中主輔機(jī)的排氣管、鍋爐等壁面溫度相對(duì)較高，部分設(shè)備周圍的溫度可達(dá)100℃以上?；馂?zāi)探測(cè)器要在如此高溫的環(huán)境中可靠運(yùn)行，對(duì)探測(cè)器的環(huán)境適應(yīng)性提出了很高的要求。因此在局部溫度升高時(shí)采取及時(shí)有效的隔熱降溫措施是避免設(shè)備損壞的有效途徑，通?？稍趫D像探測(cè)器內(nèi)中安裝半導(dǎo)體冷卻器對(duì)探測(cè)器自身實(shí)施及時(shí)有效的冷卻。

電子設(shè)備在振動(dòng)環(huán)境下，由于振動(dòng)的疲勞性及共振現(xiàn)象，可能出現(xiàn)電性能下降，零部件失效，疲勞損傷甚至破壞的現(xiàn)象。因此振動(dòng)噪聲是影響圖像型火災(zāi)探測(cè)器產(chǎn)品艦船適用性的關(guān)鍵因素。一般情況下船舶的主要振動(dòng)是螺旋槳產(chǎn)生的低頻周期振動(dòng)，為了避免共振現(xiàn)象，探測(cè)器的固有頻率應(yīng)避開(kāi)振動(dòng)激勵(lì)的頻率，并且在設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)備的抗振動(dòng)性能上做出相應(yīng)的改進(jìn)。同時(shí)在火災(zāi)識(shí)別算法上，應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)的抗誤報(bào)算法，避免因船舶振動(dòng)引起日光燈、窗戶、甲板反光等引起的誤報(bào)現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

火災(zāi)圖像探測(cè)技術(shù)作為一種基于火災(zāi)圖像的探測(cè)方法，為早期火災(zāi)的辨識(shí)和判斷提供了可能，在艦船火災(zāi)防控上具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和良好的前景。但對(duì)于將該技術(shù)運(yùn)用于艦船環(huán)境，還有許多方面的問(wèn)題值得改進(jìn)。首先船舶典型火災(zāi)發(fā)生規(guī)律不同于普通建筑火災(zāi)，火災(zāi)圖像識(shí)別算法應(yīng)根據(jù)船舶火災(zāi)的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的修改，重點(diǎn)關(guān)注艦船油池火和電纜火在有遮擋情況下的早期識(shí)別。然后對(duì)于艦船這一特定的環(huán)境，圖像火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)重點(diǎn)提高其耐腐蝕、耐高溫、抗振動(dòng)的能力，避免因?yàn)榇暗膼毫迎h(huán)境而造成的探測(cè)器可靠性降低、壽命縮短等問(wèn)題。