紅外熱成像技術(shù)在大空間區(qū)域防火監(jiān)控中的應(yīng)用

文/袁琳 左超

針對(duì)轄區(qū)內(nèi)的森林、園林、大型公園、大型商場(chǎng)、會(huì)展中心、影劇院、博物館等火災(zāi)易發(fā)多發(fā)區(qū)域，存在較大安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，無(wú)法快速遏制，并且對(duì)整個(gè)區(qū)域?qū)?lái)巨大的損失。對(duì)于在森林、園林等開(kāi)闊地區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)，基本上采取較落后的傳統(tǒng)防火手段，如人工巡邏、常規(guī)可見(jiàn)光監(jiān)控等，無(wú)法快速發(fā)現(xiàn)火情從而將火點(diǎn)及時(shí)扼殺。對(duì)于具有高大空間的建筑中也一般采取傳統(tǒng)的探測(cè)報(bào)警器對(duì)火警進(jìn)行預(yù)警。一般有：通過(guò)探測(cè)大空間內(nèi)顆粒物濃度的光電、離子、吸氣式感煙探測(cè)報(bào)警器進(jìn)行探測(cè)；通過(guò)探測(cè)大空間內(nèi)的溫度變化的感溫火災(zāi)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；通過(guò)探測(cè)大空間內(nèi)火焰發(fā)出可見(jiàn)光的波長(zhǎng)的紅外、紫外火焰探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)；通過(guò)探測(cè)由于煙氣和熱騷動(dòng)影響光線強(qiáng)度變化的線型光束火災(zāi)探測(cè)器；通過(guò)捕捉分析火災(zāi)特征進(jìn)行圖像分析來(lái)識(shí)別火焰特征進(jìn)行探測(cè)報(bào)警的圖像型火災(zāi)探測(cè)器。每種探測(cè)方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及局限性。

1 大型空間的火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法

所謂的大空間，一般指森林、園林、大型公園、大型商場(chǎng)、會(huì)展中心、影劇院、博物館等。對(duì)于森林、園林、大型公園等屬于室外超大空間，對(duì)于大型商場(chǎng)、會(huì)展中心、影劇院、博物館屬于在建筑物內(nèi)部的高大空間。所以目前不同類型的大空間區(qū)域所用的防火監(jiān)控所采用的手段也是不同的。

1.1 室外大區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)測(cè)

對(duì)于森林、園林、大型公園等開(kāi)闊的大型區(qū)域采用的防火監(jiān)控手段一般是比較傳統(tǒng)的。由于在室外，所需監(jiān)控的空間較大，如果安裝傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器會(huì)有很多局限性。例如：

（1）不易安裝。

（2）所需探測(cè)器數(shù)量過(guò)多，成本造價(jià)過(guò)高。

（3）后期維護(hù)成本過(guò)高。

（4）探測(cè)器供電有局限性。

本文力圖引將紅外熱成像技術(shù)引入到消防防火監(jiān)控系統(tǒng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控防控方法，紅外熱成像技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于室外大空間的防火監(jiān)控傳統(tǒng)方法一般采用：

（1）人工巡邏和瞭望，但是受天氣和環(huán)境影響較大。在夜間或者霧天的時(shí)候容易造成觀測(cè)上的失誤，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，同時(shí)人力成本較大。

（2）采用可見(jiàn)光視頻監(jiān)控（CCD），這種監(jiān)控方式可以代替一部分人工。但是，受夜間和濃霧等天氣因素影響也較大。只有發(fā)生明火時(shí)才可能觸發(fā)報(bào)警，并且報(bào)警的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。往往火災(zāi)發(fā)生一段時(shí)間后才被發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)過(guò)了最佳的救火時(shí)間。

（3）激光夜視監(jiān)控，完善了CCD監(jiān)控不能夜間觀測(cè)的問(wèn)題，但它夜間觀測(cè)由于是靠激光照明，激光照明雖然照射距離遠(yuǎn)，但照射范圍卻很窄，容易造成漏測(cè)，不利于遠(yuǎn)距離大面積監(jiān)控。除此之外，激光夜視監(jiān)控的其它弊端和可見(jiàn)光監(jiān)控是一樣的。

1.2 室內(nèi)大空間的火災(zāi)監(jiān)測(cè)

相對(duì)于室外超大空間的火災(zāi)監(jiān)控，室內(nèi)大空間的火災(zāi)監(jiān)控與室外大空間火災(zāi)監(jiān)控具有較多的不同。目前，室內(nèi)大空間，例如大型商場(chǎng)、會(huì)展中心、影劇院、博物館等多數(shù)采用采用點(diǎn)型/獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)器、點(diǎn)型/獨(dú)立式感溫火災(zāi)探測(cè)器、線型光束火災(zāi)探測(cè)器、圖像型火災(zāi)探測(cè)器、紅紫外火焰探測(cè)器、吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)器等火災(zāi)探測(cè)器以及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。但是，這些探測(cè)器在高大空間內(nèi)安裝使用也有很多的局限性。在高大空間建筑物內(nèi)，由于建筑物較高，而且感煙、感溫探測(cè)器一般安裝在頂棚。起火點(diǎn)一般在地面，距離探測(cè)器的距離較遠(yuǎn)。煙氣在上升的過(guò)程中由于空氣的稀釋，煙氣逐漸分散、難以聚集、溫度逐漸降低。再加上熱風(fēng)壓效應(yīng)致使探測(cè)器基本上探測(cè)不到火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)發(fā)生并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)的時(shí)候，往往此時(shí)因?yàn)榛饎?shì)過(guò)大而無(wú)法進(jìn)行撲救。再加上建筑物內(nèi)有通風(fēng)裝置，利用天窗以及排風(fēng)裝置使煙氣無(wú)法聚集、煙氣溫度逐漸降低，同樣使得探測(cè)器無(wú)法探測(cè)到火災(zāi)信息。對(duì)于現(xiàn)行線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器，該種類型的探測(cè)器利用探測(cè)探測(cè)器探測(cè)區(qū)域內(nèi)的煙氣參數(shù)以及熱騷動(dòng)而進(jìn)行響應(yīng)的探測(cè)器。在高大空間建筑物中如果探測(cè)器安裝過(guò)高，由于煙氣流動(dòng)的分散，不利于探測(cè)器的探測(cè)。探測(cè)器報(bào)警響應(yīng)過(guò)慢，不利于火警監(jiān)測(cè)。安裝過(guò)低，會(huì)由于人為的遮擋、震動(dòng)等情況影響探測(cè)器的探測(cè)。對(duì)于圖像型火災(zāi)探測(cè)器，主要用來(lái)探測(cè)火災(zāi)發(fā)生后的明火，火災(zāi)初始時(shí)期火焰很小，并且探測(cè)過(guò)程中容易受到探測(cè)區(qū)域內(nèi)物體遮擋而導(dǎo)致探測(cè)失敗，從而影響探測(cè)報(bào)警的及時(shí)性。對(duì)于紅外、紫外火焰探測(cè)器，該種類的探測(cè)器探測(cè)火災(zāi)過(guò)程中產(chǎn)生的紅外、紫外輻射線。當(dāng)起火后，燃燒源發(fā)出紅外射線、紫外射線，探測(cè)器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警聲光信號(hào)。但是探測(cè)器容易受到其他放射源的干擾，同時(shí)由于探測(cè)器透鏡長(zhǎng)期放置會(huì)導(dǎo)致鏡頭上落滿灰塵或油污，導(dǎo)致探測(cè)器響應(yīng)緩慢,探測(cè)報(bào)警效率較低。吸氣式感煙火災(zāi)探測(cè)器利用空氣采用管，將火災(zāi)環(huán)境的煙氣吸入主機(jī)激光室內(nèi)后進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)出火災(zāi)報(bào)警聲光信號(hào)。但是該種類探測(cè)器也有它固有的缺點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確判定起火點(diǎn)位置。因?yàn)槲鼩夤苈份^多，并且煙氣收到空氣流動(dòng)的影響，導(dǎo)致起火源的位置更不易判斷。

以上篇幅闡述的在室內(nèi)和室外大空間區(qū)域內(nèi)對(duì)火災(zāi)監(jiān)控過(guò)程中采用傳統(tǒng)的監(jiān)控方式都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)在預(yù)警性和實(shí)用性能上的降低。所以本文引入一套探測(cè)精度高、火警預(yù)警、報(bào)警響應(yīng)速度快的防火監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)筆者長(zhǎng)時(shí)間從事消防工作總結(jié)，紅外熱成像系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。筆者搭建一套紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)解決傳統(tǒng)監(jiān)控方法的局限性。

圖2：紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)煙火識(shí)別程序

2 紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

熱成像防火系統(tǒng)旨在建立一套科學(xué)、有效的高科技智能管控系統(tǒng)，利用熱成像智能識(shí)別前端視頻、綜合分析平臺(tái)等科學(xué)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)轄區(qū)的安全生產(chǎn)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。

整個(gè)系統(tǒng)由前端系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、指揮中心系統(tǒng)三大部分組成。前端系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域的實(shí)際情況分別部署熱成像雙光譜一體化重載云臺(tái)、供電系統(tǒng)和無(wú)線傳輸系統(tǒng)。后端部署管理平臺(tái)、中心存儲(chǔ)、解碼、顯示等設(shè)備。紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 紅外熱成像防火系統(tǒng)的前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外熱成像防火系統(tǒng)的前端系統(tǒng)一般包含主攝像機(jī)、安裝支架、遠(yuǎn)程對(duì)講、機(jī)房、供電系統(tǒng)等幾個(gè)部分。其中主攝像機(jī)的主要作用是完成對(duì)所監(jiān)視區(qū)域內(nèi)煙、火的檢測(cè)識(shí)別；安裝支架主要是固定主攝像頭，如果在森林大區(qū)域內(nèi)可采用鐵塔；遠(yuǎn)程對(duì)講裝置便于遠(yuǎn)程預(yù)警；機(jī)房：可根據(jù)前端存儲(chǔ)需要選擇建設(shè)；供電系統(tǒng)：可就近取電，當(dāng)在大區(qū)域的防火監(jiān)控區(qū)域取電不便可選擇太陽(yáng)能、風(fēng)能供電。

2.2 紅外熱成像防火系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外熱成像防火系統(tǒng)的傳輸主要為有線傳輸和無(wú)線傳輸，一般情況下，對(duì)于室內(nèi)大空間防火監(jiān)控區(qū)域采用有線與無(wú)線傳輸都可，由于室內(nèi)大空間相較于室外防火區(qū)域來(lái)說(shuō)相對(duì)較小。室內(nèi)敷設(shè)有線傳輸光纜所需成本相對(duì)較低，同時(shí)便于安裝。在可以選擇傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，優(yōu)先考慮采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，這是由于防火監(jiān)控自身的特點(diǎn)所決定。在室外大空間防火監(jiān)控區(qū)域優(yōu)先采用無(wú)線傳輸方式，無(wú)線傳輸方式施工簡(jiǎn)便，成本低，一次性投入是紅外熱成像防火系統(tǒng)在大空間防火監(jiān)控中的首選。由于室外大空間防火監(jiān)控區(qū)域較大，可以搭建網(wǎng)絡(luò)中繼系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.3 紅外熱成像防火系統(tǒng)的指揮中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外熱成像防火系統(tǒng)的指揮中心的性能設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初要充分考慮日后系統(tǒng)擴(kuò)容。紅外熱成像防火系統(tǒng)的指揮中心系統(tǒng)主要包括視頻存儲(chǔ)子系統(tǒng)、大屏顯示子系統(tǒng)、視頻解碼拼控子系統(tǒng)、管理軟件等。系統(tǒng)通過(guò)前端熱成像雙光譜重載云臺(tái)對(duì)防火監(jiān)控區(qū)域內(nèi)進(jìn)行視頻監(jiān)控圖像采集,實(shí)現(xiàn)360°全方位監(jiān)控，通過(guò)熱成像重載云臺(tái)的測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)對(duì)著火點(diǎn)的智能識(shí)別，精準(zhǔn)的自動(dòng)定位，通過(guò)紅外熱成像防火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，一旦判定有火情時(shí)，紅外熱成像防火系統(tǒng)的指揮中心將會(huì)馬上發(fā)出報(bào)警信號(hào)并將著火點(diǎn)的定位發(fā)送到監(jiān)控室。及時(shí)通知相關(guān)值班人員及時(shí)清除火災(zāi)隱患。

3 紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

3.1 火災(zāi)探測(cè)報(bào)警更準(zhǔn)確

紅外熱成像技術(shù)利用在大空間區(qū)域防火監(jiān)控中較傳統(tǒng)防火監(jiān)控方式是有很多優(yōu)勢(shì)的。對(duì)于大空間的防火監(jiān)控來(lái)說(shuō),當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),大量的濃煙快速地冒出。煙氣隨著空氣的流動(dòng)迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致防火監(jiān)控工作者無(wú)法準(zhǔn)確的識(shí)別起火點(diǎn)。在實(shí)際防火巡查中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)煙火誤報(bào)集中在一些不需要監(jiān)控且干擾源較多的區(qū)域，在室外防火監(jiān)控區(qū)域內(nèi)主要是建筑物/光伏，太陽(yáng)能板等，室內(nèi)防火監(jiān)控區(qū)域內(nèi)一般是鏡面等易反光物體。針對(duì)此類區(qū)域重載云臺(tái)可以設(shè)置煙火屏蔽區(qū)域，針對(duì)該區(qū)域不進(jìn)行監(jiān)控、分析，從而減少誤報(bào)的發(fā)生。在發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)之后，前端還可以利用可見(jiàn)光進(jìn)行火情的清晰確認(rèn)。可以利用可見(jiàn)光的同軸定位功能，無(wú)偏離同步定位查看細(xì)節(jié)；同時(shí)，可見(jiàn)光可自動(dòng)調(diào)整倍率快速聯(lián)動(dòng)跟蹤，確認(rèn)火點(diǎn)。紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)煙火識(shí)別的程序如圖2所示。

在提升報(bào)警準(zhǔn)確率的同時(shí)，系統(tǒng)采取了多種措施來(lái)降低誤報(bào)。采用對(duì)煙火進(jìn)行二次判斷的算法，根據(jù)形態(tài)學(xué)、溫度分布分析等算法進(jìn)一步的判斷，過(guò)濾干擾源，降低誤報(bào)。

3.2 系統(tǒng)更穩(wěn)定

紅外熱成像防火監(jiān)控系統(tǒng)所采用的熱成像雙光譜重載云臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)霧、霾、雨等惡劣天氣的抗干擾能力強(qiáng)，即使在多雨霧環(huán)境下也能清晰成像，實(shí)現(xiàn)了室外大空間防火與室內(nèi)大空間防火的全天候監(jiān)控預(yù)警；同時(shí)重載云臺(tái)具備網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)功能，即使數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生丟包傳輸網(wǎng)絡(luò)仍然能正常運(yùn)行。同時(shí)該系統(tǒng)能夠在±20%寬幅電壓波動(dòng)情況下正常工作，能夠在惡劣的工作條件下完成火災(zāi)監(jiān)控工作。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展, 基于紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外積極開(kāi)展研究的一個(gè)熱門方向, 在眾多領(lǐng)域也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。熱成像防火系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程傳遞，打破環(huán)境，區(qū)域和距離的限制，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的信息資源和智能識(shí)別分析的同步共享，達(dá)到了高效保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全目的。