基于復(fù)合熱煙火圖像處理的 大跨度煤場火災(zāi)定位技術(shù)試驗(yàn)研究

吳孚輝 翁建明 鮑麗娟 吳超 張恒 王君偉

摘要：文章基于對現(xiàn)階段于大跨度煤場內(nèi)運(yùn)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行探討，將以單攝像頭視頻圖像為基礎(chǔ)的火災(zāi)定位以及探測技術(shù)提出，同時(shí)通過全尺寸的大跨度煤廠，實(shí)施了具體的驗(yàn)證過程。

關(guān)鍵詞：圖像處理;大跨度煤場火災(zāi)探測;火災(zāi)定位

對于大跨度煤場而言，火災(zāi)事故屬于較為多見的事故，只要出現(xiàn)此類事故，就很有可能導(dǎo)致財(cái)務(wù)損失以及人員傷亡。其跟露天情況下所出現(xiàn)的火災(zāi)存在一定的差異，下列為其具體特征：會(huì)產(chǎn)生濃煙，沒有太好的能見度，溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速提高。假若無法于第一時(shí)間實(shí)施控制，不需要多久火勢就會(huì)很快蔓延開來，同時(shí)讓洞內(nèi)溫度出現(xiàn)飆升的情況。根據(jù)不少大跨度煤場所出現(xiàn)的火災(zāi)案例能夠看出，假若相關(guān)的運(yùn)營管理部門可以在第一時(shí)間察覺到大跨度煤場內(nèi)所產(chǎn)生的火情，馬上通過相應(yīng)的應(yīng)急措施實(shí)施處理，便可以規(guī)避火勢蔓延的情況出現(xiàn)，使財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡降到最低。根據(jù)這一現(xiàn)狀，中國絕大多數(shù)公路隧道當(dāng)中均會(huì)裝設(shè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)?，F(xiàn)階段在大跨度煤場中所用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以感溫型（比方說分布式光纖以及光纖光柵類的）、感火型（比方說三波長以及雙波段類的）為主。盡管如今所用的報(bào)警系統(tǒng)可以達(dá)到火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的目的，可是其功能方面卻依舊有缺陷：首先，感溫型的系統(tǒng)無法快速響應(yīng)，只要出現(xiàn)縱向風(fēng)，便會(huì)使之無法精準(zhǔn)確定位報(bào)警的具體位置;其次，雙/三波長類的系統(tǒng)如若是出現(xiàn)規(guī)模不大的火災(zāi)，則無法快速進(jìn)行響應(yīng)，且一旦出現(xiàn)遮擋，對于火災(zāi)具體的位置則很難確認(rèn)，特別是當(dāng)煤場具備較大跨度時(shí)，不僅得將縱向方面的位置確認(rèn)下來，同時(shí)還得將橫向方面的位置確認(rèn)下來。所以該采取怎樣的方式對能夠檢測大跨度煤場內(nèi)是否出現(xiàn)火情的相關(guān)技術(shù)加以利用，同時(shí)跟自動(dòng)消防設(shè)備互相配合，將火災(zāi)消滅于初級(jí)階段，不受濃煙帶來的干擾，精準(zhǔn)確定貨源位置，然后對消防設(shè)備進(jìn)行控制，第一時(shí)間滅火，屬于具備較大跨度的煤場必須要馬上解決的情況。

現(xiàn)階段所用到的火災(zāi)圖像定位技術(shù)以雙目以及單目攝像機(jī)定位技術(shù)為主。前者對雙目攝像機(jī)加以利用，拍攝火源之后，將具體的圖像信息計(jì)算后，利用三角形測量原理，將其具體的空間坐標(biāo)獲取;后者則是對CCD攝像頭加以利用，使之進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，然后將所獲的火源圖像利用具體的坐標(biāo)，將其具體的位置確認(rèn)下來。就前者而言，其有十分顯著的滯后性，不具備充足的定位精度;而后者所用的方面以民用高達(dá)空間建筑為主，對于大跨度煤場方面，并沒有實(shí)施太多研究，由于該類空間不具備很好的能見度，同時(shí)擁有一個(gè)十分狹長的空間，因此已有技術(shù)對于此類環(huán)境適應(yīng)度尚顯不足。這一研究對圖像處理技術(shù)加以運(yùn)用，進(jìn)而對具體的活在圖像特征進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)將火災(zāi)報(bào)警發(fā)出，將具體火災(zāi)出現(xiàn)的位置確認(rèn)下來。

一、圖像火災(zāi)探測及定位原理

就圖像火災(zāi)探測技術(shù)而言，所用到的技術(shù)以圖像處理為主，通過攝像機(jī)對相關(guān)視頻圖像實(shí)施捕捉，然后實(shí)施處理。進(jìn)行處理之際，具體的步驟有捕捉目標(biāo)、對圖像實(shí)時(shí)預(yù)處理、提取目標(biāo)、對目標(biāo)進(jìn)行匹配、對特征進(jìn)行提取、將目標(biāo)確定，下列內(nèi)容是處理過程：

1.比較通過連續(xù)采集所獲圖像，對其實(shí)施是不是存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測;2.若是有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在，那么需要對視頻圖像實(shí)施二值化預(yù)處理;3.緊接著對目標(biāo)實(shí)施提取以及匹配，將周期不變的視頻圖像處理完成，然后將目標(biāo)鏈表內(nèi)不同目標(biāo)所具備動(dòng)、靜態(tài)特點(diǎn)提取出來，同時(shí)實(shí)施已經(jīng)結(jié)合了各項(xiàng)特征的目標(biāo)判決，對是不是出現(xiàn)火災(zāi)進(jìn)行確定;4.只要確定有火災(zāi)出現(xiàn)，馬上處理報(bào)警圖像，然后將具體的位置確認(rèn)下來。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對全尺寸大跨度煤場加以利用，落實(shí)具體的火災(zāi)探測和精準(zhǔn)定位相關(guān)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所選的煤場長寬高分別是200m、25m、68m結(jié)構(gòu)形式是鋼結(jié)構(gòu)。在煤場入口位置的側(cè)壁馬道上對該探測器進(jìn)行裝設(shè)，具體的裝設(shè)高度是15m。

讓復(fù)合型火災(zāi)探測器所擁有的主機(jī)跟視頻硬盤錄像機(jī)連接在一起的方式是對線纜加以利用，二者均在控制室進(jìn)行設(shè)置。

在實(shí)施試驗(yàn)點(diǎn)火之際，需要對手持式照度計(jì)測器加以利用，對火源點(diǎn)位置所具備的光強(qiáng)照度實(shí)施測量，同時(shí)需要對手持式熱線風(fēng)速儀加以利用，對火源上游大概2m位置所具備的風(fēng)速實(shí)施測量。

三、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）探測響應(yīng)時(shí)間分析

實(shí)施試驗(yàn)之際，所用的火源是汽油池火，燃料所放的容器是油盆，制作材料是鋼板，具體厚度是2mm，高是10cm。尚未正式試驗(yàn)之際，需要保證探測器能夠正常使用，能夠正常打開視頻錄像和相應(yīng)的記錄設(shè)備;當(dāng)出現(xiàn)點(diǎn)火信號(hào)以后，對具體的時(shí)間進(jìn)行記錄;完成試驗(yàn)，則需要對報(bào)警時(shí)間進(jìn)行記錄。在這中間，探測器所具備的安裝高度是15m，表1所呈現(xiàn)內(nèi)容便是試驗(yàn)工況和具體的報(bào)警時(shí)間結(jié)果。此番所進(jìn)行的試驗(yàn)對于大跨度煤場當(dāng)中所具備的光亮、風(fēng)速和具體的火源大小給圖像型火災(zāi)探測器具體的報(bào)警時(shí)間帶來的相關(guān)影響進(jìn)行了具體觀察。根據(jù)試驗(yàn)所獲結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，一共14個(gè)探測器，沒有保持10s內(nèi)進(jìn)行報(bào)警的只有一個(gè)。

1.光照強(qiáng)度

該類型的火災(zāi)探測器所用的系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)紅外/可見光雙視系統(tǒng)，在該系統(tǒng)當(dāng)中，通過對紅外鏡頭加以利用，可以將可見光之類的光照強(qiáng)度所帶來的影響消除。當(dāng)具備同等火源大小之際，1至3號(hào)工況呈現(xiàn)出了11.8lx、25lx、9.8lx的光照強(qiáng)度，但是4號(hào)工況則呈現(xiàn)出了758lx的光照強(qiáng)度。數(shù)十倍于另外三個(gè)工況，其平均數(shù)都處于10s以下;9至12號(hào)工況所呈現(xiàn)出來的試驗(yàn)結(jié)果一樣。該結(jié)果意味著光照強(qiáng)度大體上不會(huì)影響到該類火災(zāi)探測器所具備的報(bào)警時(shí)間。

2.火源尺寸及探測距離

進(jìn)行試驗(yàn)之際，所用的火源尺寸一共有四類，分別是15cm×

15cm、25cm×25cm、40cm×40cm以及70cm×70cm。工況1、2、5、9、10具備大致一樣的探測距離（具體是40m至55m之間）。工況1、2（大致具備15cm×15cm的火源尺寸）具備大概6.75s的平均響應(yīng)時(shí)間，工況5（大致具備25cm×25cm的火源尺寸）則具備大概2是的平均響應(yīng)時(shí)間。最終的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，一旦具備一致的探測距離，如若火源具備較大的尺寸，則探測器就會(huì)發(fā)出更快的響應(yīng)。之所以如此，是因?yàn)榛鹪淳邆涓蟮囊?guī)模，鏡頭所能夠收集到的視頻圖像也會(huì)更大，當(dāng)火焰出現(xiàn)形狀改變時(shí)，效果更為顯著，對于探測器發(fā)出報(bào)警信號(hào)更為有利。

3.環(huán)境風(fēng)速

進(jìn)行試驗(yàn)之際，對火源周邊所具備的環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行了測量。在所用的火源尺寸以及探測距離方面，工況7、8一致，工況9、10一致。前者具備1.7m/s以及0m/s的環(huán)境風(fēng)速，探測器會(huì)在7s以及4s時(shí)發(fā)出響應(yīng);后者則具備0m/s以及1.8m/s的環(huán)境風(fēng)速，探測器會(huì)在3s以及4.5s時(shí)發(fā)出響應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，如果具備一致的火源尺寸以及使用一致的探測器，出現(xiàn)環(huán)境風(fēng)速時(shí)，會(huì)讓探測器具體的響應(yīng)時(shí)間放緩，不過不會(huì)造成過大的影響。

（二）火災(zāi)定位結(jié)果分析

此番試驗(yàn)對大跨度煤場之中所具備的環(huán)境風(fēng)速、光亮度和火源大小給最終定位帶來的影響進(jìn)行了觀察，表2所呈現(xiàn)的是具體的結(jié)果。按照試驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)工況中，火源定位不會(huì)出現(xiàn)太大的誤差，通常不超過±1;與此同時(shí)，大跨度煤場當(dāng)中所具備的環(huán)境亮度也不會(huì)讓火源定位出現(xiàn)太大的誤差，不過風(fēng)速卻可以在很大程度上讓火源誤差提高，比方說當(dāng)具備超過2.2m/s的環(huán)境風(fēng)速時(shí)，在縱向定位方面，就會(huì)出現(xiàn)超過一米的誤差。

1.火源尺寸

對于工況1，所用的火源尺寸是15cm×15cm，工況5所用的火源尺寸則是25cm×25cm，工況9所用的火源尺寸是40cm×40cm，三者跟火源之間均保持大概40至50m的距離。從試驗(yàn)結(jié)果能夠看出，當(dāng)火源尺寸不一致時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)太大的誤差，橫向以及縱向兩個(gè)方面的誤差分別是不超過0.2m以及不超過0.5m。這就意味著當(dāng)探測距離不是很遠(yuǎn)之際，圖像型探測器在對火源實(shí)施定位時(shí)所出現(xiàn)的誤差不會(huì)因?yàn)榛鹪闯叽缍艿接绊憽?/p>

2.環(huán)境風(fēng)速

本次試驗(yàn)中，工況1至3以及5至11均具備不超過100m的探測距離。在這中間，3號(hào)、8號(hào)、9號(hào)工況具備0m/s的環(huán)境風(fēng)速，12號(hào)工況具備1.1m/s的環(huán)境風(fēng)速，5號(hào)、7號(hào)以及10號(hào)工況具備1.7m/s的環(huán)境風(fēng)速，6號(hào)工況則具備2.9m/s的環(huán)境風(fēng)速。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，如果沒有超過100m的探測距離，環(huán)境風(fēng)速不會(huì)給火災(zāi)定位誤差帶來太大的影響，橫縱兩向分別存在不超過0.35m以及不超過1.1m的誤差。反之，就會(huì)在一定程度上給定位誤差代理影響，最大的會(huì)在1m以上。圖3所呈現(xiàn)的內(nèi)容為不同試驗(yàn)工況所具備的火焰復(fù)合型圖像。根據(jù)圖能夠發(fā)現(xiàn)，具備較大風(fēng)速之際，因?yàn)轱L(fēng)速的緣故，火焰下部會(huì)出現(xiàn)傾斜，以至于其中心發(fā)生偏移。

四、結(jié)語

為第一時(shí)間讓負(fù)責(zé)運(yùn)營管理以及救援的相關(guān)人員獲取精準(zhǔn)的大跨度煤場內(nèi)出現(xiàn)的火災(zāi)信息，此篇文章基于讓火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警所有的功能得到滿足的情況下，提出復(fù)合型圖像處理這一方式，同時(shí)利用全尺寸試驗(yàn)，實(shí)施了具體的驗(yàn)證，通過驗(yàn)證之后所獲結(jié)果可知：

1.該類探測器可以第一時(shí)間精準(zhǔn)地找出火災(zāi)，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)發(fā)出，確保不需要超過10s的報(bào)警時(shí)間。

2.對于大跨度煤場而言，其環(huán)境亮度不會(huì)給報(bào)警時(shí)間以及定位誤差帶來太大的影響。

3.該技術(shù)能夠精準(zhǔn)地對火源實(shí)施定位，如若在100m以內(nèi)進(jìn)行探測，煤場之中具備的環(huán)境風(fēng)速不會(huì)給定位精度帶來太大的影響，所產(chǎn)生的誤差不會(huì)超過1m。

4.如果是在100m以外進(jìn)行探測，則環(huán)境風(fēng)速會(huì)在一定程度上給定位精度帶來影響，使之出現(xiàn)超過1m的誤差。

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