視頻火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計

湯曉芳

（浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院 浙江省杭州市 310012）

自總線制火災(zāi)探測系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以來，以火災(zāi)自動報警為核心的消防系統(tǒng)已經(jīng)普及，實際工程設(shè)計時按相關(guān)規(guī)范要求確定是否設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)?；馂?zāi)自動報警系統(tǒng)旨在火災(zāi)早期通過火災(zāi)探測設(shè)備及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，通過報警設(shè)備發(fā)送火災(zāi)警報，并通過聯(lián)動相關(guān)設(shè)備盡早控制火災(zāi)，減小甚至避免火災(zāi)帶來的損害?；馂?zāi)發(fā)生時常伴有煙霧、高溫、火光等現(xiàn)象，火災(zāi)探測器通過檢測上述物理量，獲知火災(zāi)的發(fā)生。目前常用的火災(zāi)探測器主要為感煙、感溫、感光等幾種傳統(tǒng)火災(zāi)探測器。感煙傳感器用于對火災(zāi)初期陰燃階段產(chǎn)生的煙霧進行檢測；光電傳感器用于響應(yīng)火災(zāi)的光特性；感溫傳感器安裝在升溫較快或不適用感煙傳感器的場所，用于監(jiān)測火災(zāi)時溫度的上升。傳統(tǒng)火災(zāi)探測器需要火焰亮度、煙霧濃度、溫度等參數(shù)達到一定閾值才能產(chǎn)生報警信號，因此報警存在一定的延遲。同時，傳統(tǒng)火災(zāi)探測器不適用于開放空間、大空間等場所，如大型商場、停車場、戶外場所等[1]。采用多傳感器探測信息融合技術(shù)可在一定程度上提高火災(zāi)報警系統(tǒng)準(zhǔn)確率和可靠性，但系統(tǒng)復(fù)雜且不經(jīng)濟，實際項目中絕大部分場所仍根據(jù)場所的主要特征選擇設(shè)置其中一種火災(zāi)探測器。近年來，基于圖像的火災(zāi)探測技術(shù)成為消防報警領(lǐng)域的研究熱點[2-5]。圖像型火災(zāi)探測系統(tǒng)利用攝像機作為火災(zāi)探測器，由于攝像機的安裝不受場所、環(huán)境的限制，探測距離大，檢測更加直觀，可以對更大的空間進行監(jiān)控，因而可以在很大程度上彌補傳統(tǒng)火災(zāi)探測器的不足。

目前國內(nèi)市場上已應(yīng)用的基于視頻圖像探測的火災(zāi)報警技術(shù)，主要分為2 類，一類是以特殊攝像機為火災(zāi)探測器的火災(zāi)報警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)不兼容；另一類利用現(xiàn)有安防系統(tǒng)攝像機為火災(zāi)探測器[6]，使用計算機模式識別技術(shù)對視頻圖像進行火焰、煙霧識別，針對煙霧和火焰識別的兩套軟件系統(tǒng)可同時運行。無論哪種火災(zāi)類型，均可在視頻圖像內(nèi)出現(xiàn)火焰或煙霧的幾十秒內(nèi)被快速識別并報警[7]。

圖1：視頻火災(zāi)自動報警系統(tǒng)框架圖

但基于視頻監(jiān)控的火災(zāi)探測技術(shù)也有其局限性。由于視頻攜帶信息量較大，不適用于對隱私要求較高的場所。目前基于圖像的火災(zāi)探測技術(shù)有針對火焰和煙霧進行識別兩種算法[8]，在用于廚房等特殊場所時會降低算法的識別度。故而集成火災(zāi)自動報警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在一定的必要性。利用計算機綜合分析火災(zāi)報警控制器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)報警信息，可提高報警的實時性與有效性。同時，隨著數(shù)字化攝像機的普及，利用安防系統(tǒng)攝像機作為視頻火災(zāi)報警系統(tǒng)的信息采集端，在硬件設(shè)計上可避免對已有硬件設(shè)備和連接回路的改動，且發(fā)揮基于視頻圖像的火災(zāi)報警技術(shù)優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

視頻火災(zāi)自動報警系統(tǒng)總體框架如圖1所示，火災(zāi)自動報警子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)火災(zāi)探測器、火災(zāi)報警控制器（聯(lián)動型）及相關(guān)消防設(shè)備；視頻監(jiān)控子系統(tǒng)包括數(shù)字?jǐn)z像機及攝像機聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。火災(zāi)報警控制器接收、顯示和傳輸來自探測器或手動報警設(shè)備的報警信號，并對消防設(shè)備發(fā)出控制信號，聯(lián)動消防設(shè)備工作。火災(zāi)報警控制器通過雙絞線或光纖等物理傳輸媒介與本地服務(wù)器連接，服務(wù)器設(shè)于消防控制室或者監(jiān)控機房，內(nèi)設(shè)各種不同軟件功能模塊，實現(xiàn)火災(zāi)報警控制器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信連接，對視頻圖像進行實時分析與火災(zāi)識別，對火災(zāi)自動報警器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)信息進行綜合決策，并將報警信息或數(shù)據(jù)上傳至上級消防報警中心。當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)或火災(zāi)報警系統(tǒng)線路發(fā)生故障時，另一系統(tǒng)仍可獨立工作。整個系統(tǒng)包含信息采集、通信、圖像分析、報警推送等幾個部分。

視頻火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端包括傳統(tǒng)火災(zāi)探測器與數(shù)字?jǐn)z像機。傳統(tǒng)火災(zāi)探測器、手動報警設(shè)備的報警信號通過總線傳遞給火災(zāi)報警控制器。控制器對探測器傳輸過來的電信號進行分析判斷，同時可接收其他手動報警設(shè)備觸發(fā)的火災(zāi)報警信號。攝像機實時進行視頻采集，通過RTSP 協(xié)議上傳至邊緣視頻接入網(wǎng)關(guān)。攝像機使用安防系統(tǒng)數(shù)字化攝像機，可通過網(wǎng)線直連局域網(wǎng)或通過NVR、DVR等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。利用NVR、DVR等設(shè)備時錄像可本地存儲。

火災(zāi)報警控制器對探測器傳輸過來的所有數(shù)據(jù)進行分析判斷，同時可接受其他手動報警設(shè)備觸發(fā)的火災(zāi)報警信號，發(fā)出聲光報警，并聯(lián)動排煙風(fēng)機、消防水泵等消防設(shè)備動作。對于規(guī)模較大的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，圖1 中的火災(zāi)報警控制器為集中控制器。消防聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用“區(qū)域-集中”的聯(lián)網(wǎng)方案，區(qū)域火災(zāi)報警控制器控制局部區(qū)域的消防報警和聯(lián)動設(shè)備，信息上傳集中控制器，實現(xiàn)消防網(wǎng)絡(luò)的分層管理，便于集中管理整個網(wǎng)絡(luò)的控制器?；馂?zāi)報警控制器通過雙絞線或光纖等物理傳輸媒介與本地服務(wù)器相連接，將探測器、手動報警按鈕等的報警、控制器手動或自動工作狀態(tài)、消防設(shè)備狀態(tài)等信息傳輸至服務(wù)器。

對攝像機獲取的視頻圖像的預(yù)處理、火災(zāi)圖像算法分析與識別均在服務(wù)器中實現(xiàn)。對視頻圖像進行實時分析對服務(wù)器性能要求較高，數(shù)據(jù)計算量巨大，以往要實現(xiàn)視頻圖像實時分析需要配建大規(guī)模的服務(wù)器及附屬機房，現(xiàn)階段在服務(wù)器中安裝高密度GPU 模塊進行硬件支持，單機即可處理大量的視頻結(jié)構(gòu)化信息，可滿足視頻圖像實時處理分析的需求。

服務(wù)器火災(zāi)信息實時分析軟件包括協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、視頻接入網(wǎng)關(guān)、圖像處理算法模塊與中控模塊，完成火災(zāi)自動報警器報警信息及基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的報警信息的輸入與輸出。目前不同廠家的火災(zāi)報警控制器具有不同的通訊協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將各類不同通信格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式再提供給中控模塊，實現(xiàn)對不同火災(zāi)報警設(shè)備進行統(tǒng)一操作的功能。視頻接入網(wǎng)關(guān)模塊拉取RTSP 視頻流并抽取關(guān)鍵幀，調(diào)用圖像處理算法模塊對圖像進行實時處理并做出判斷。若識別到火災(zāi)則將報警信息傳輸至中控模塊。中控模塊同時接收火災(zāi)報警控制器和視頻接入網(wǎng)關(guān)的報警信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則進行綜合決策，將火災(zāi)報警信息轉(zhuǎn)換成設(shè)備的告警事件，可通過各手機廠商推送服務(wù)（如蘋果的APNS、華為的HMS 等）向管理人員發(fā)送報警信息，并將報警事件做持久化存儲，便于后續(xù)查詢。不同于以往火災(zāi)報警系統(tǒng)依賴于硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，基于視頻監(jiān)控圖像的火災(zāi)識別系統(tǒng)通過算法的改進、軟件的更新迭代即可進行逐步優(yōu)化。

2 火災(zāi)報警及控制流程

圖2：傳統(tǒng)圖像識別與深度學(xué)習(xí)圖像識別過程

火災(zāi)報警控制器有手動、自動兩種工作模式，無論系統(tǒng)工作狀態(tài)如何設(shè)置，手動功能均有效并優(yōu)先。在自動模式下，發(fā)生火災(zāi)時，不需要人工確認(rèn)即可按預(yù)定的火災(zāi)模式直接啟動相關(guān)消防設(shè)備。在手動模式下，發(fā)生火災(zāi)時需要人工確認(rèn)，若發(fā)現(xiàn)為誤報則人工復(fù)位報警控制器，若確實發(fā)生火災(zāi)，則進行火災(zāi)確認(rèn)操作。視頻火災(zāi)報警系統(tǒng)的報警源可以是計算機軟件識別到攝像機視頻中出現(xiàn)明火及煙霧，也可以是火災(zāi)自動報警子系統(tǒng)的自動報警信號或人工觸發(fā)的報警信號。若報警源為傳統(tǒng)探測器的報警信號或手動報警信號，火災(zāi)報警控制器主機發(fā)送指令讓防排煙、消防水泵等消防設(shè)備動作。通過預(yù)錄入的探測器和攝像頭位置信息，服務(wù)器可根據(jù)報警信息自動尋址到報警信號發(fā)生附近的攝像頭，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可將畫面自動切換至起火位置的視頻圖像。若報警源為服務(wù)器火災(zāi)識別算法結(jié)果，則通過各手機廠商推送服務(wù)（如蘋果的APNS、華為的HMS 等）向管理人員發(fā)送報警信息，管管理人員可通過實時視頻查看現(xiàn)場動態(tài)，進行火災(zāi)確認(rèn)，若出現(xiàn)誤報可及時復(fù)位火災(zāi)報警控制器，避免誤報且減少報警延時。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)對火災(zāi)控制器的外部聯(lián)動技術(shù)，可將服務(wù)器火災(zāi)圖像識別算法結(jié)果作為輸出節(jié)點，火災(zāi)報警控制器主機的輸入模塊作為信號輸入點，實現(xiàn)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)報警信號時對消防設(shè)備的聯(lián)動。也可通過在服務(wù)器端利用相關(guān)軟件實現(xiàn)。

3 火災(zāi)圖像檢測與識別技術(shù)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的火災(zāi)識別主要利用計算機軟件對視頻圖像的火焰、煙霧進行識別。圖像處理算法模塊通常包括圖像預(yù)處理、特征提取、分類識別等步驟，如圖2所示。圖像預(yù)處理主要對視頻圖像進行過濾、歸一化和降維處理，以提高識別度，減少計算量[2]。運行相關(guān)識別算法完成煙霧或火焰等特征提取后，可將獲取的特征向量輸入分類器，通過分類器（如LR 邏輯回歸算法或SVM 支持向量機）輸出檢測結(jié)果[3]。若檢測到異常，則將時間、事件類型等信息上傳至中控模塊，由中控模塊作出決策后傳輸報警信息?；跈C器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的圖像識別算法的研究是近幾年的主流研究方向，如CNN 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[2-3]。近年來互聯(lián)網(wǎng)巨頭在智能視頻監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用的算法主要為CNN 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，已在車牌識別、安防等領(lǐng)域取得一定的成果。理論上通過編寫不同的圖像識別算法程序，識別精度可根據(jù)算法的更新迭代而不斷提高。

4 結(jié)論

基于視頻圖像的火災(zāi)探測可利用現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備，在現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改良，大大降低開發(fā)成本和復(fù)雜程度，且具有以下優(yōu)勢：

（1）實時性高，報警響應(yīng)速度快。因為視頻監(jiān)控設(shè)備對光的反應(yīng)速度遠遠高于傳統(tǒng)探測器對溫度、煙霧濃度等參數(shù)的反應(yīng)速度，視頻圖像火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)相對于傳統(tǒng)火災(zāi)探測技術(shù)反應(yīng)較快；

（2）可探測范圍更廣，為能在更早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)提供了可能；（3）可視化報警，視頻信號可提供火災(zāi)位置信息，可以記錄事件發(fā)生的過程，而不像煙感、溫感只提供大致的地址信息[9]。

此外，傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)實際使用時為了降低誤報率，經(jīng)常將自動模式關(guān)閉，啟用手動模式，存在較大的安全隱患。若能自動推送報警信息，可以在一定成都上彌補這個不足。與傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)相比，視頻火災(zāi)報警系統(tǒng)報警信息更加準(zhǔn)確、快速、及時，誤報率較低。為便于火災(zāi)的確認(rèn)和存儲，火災(zāi)探測系統(tǒng)可以與視頻存儲系統(tǒng)相連，達到保存數(shù)據(jù)的目的。

然而目前智能視頻監(jiān)控在車牌識別、入侵報警等領(lǐng)域已取得一定成果，但大部分視頻監(jiān)控系統(tǒng)仍作為一種報警復(fù)核手段，在火災(zāi)報警領(lǐng)域中的應(yīng)用較少。監(jiān)控攝像機一般設(shè)置在主要通道、重要房間以及出入口等處，其點位如何設(shè)置能更好地覆蓋所有場所需進一步的研究。智能視頻監(jiān)控技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的核心技術(shù)尚不夠成熟，目前基于視頻監(jiān)控的火災(zāi)探測技術(shù)只能作為常規(guī)火災(zāi)報警系統(tǒng)的一種輔助報警。目前火災(zāi)自動報警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多為有線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)的實時報警系統(tǒng)具有安裝費用高、維護困難，建設(shè)及擴建困難，誤報率、漏報率高等缺陷。無線網(wǎng)絡(luò)安裝方便，電線消耗少，相比于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)性能更好，是未來的發(fā)展方向[9]。未來智能報警系統(tǒng)將向分布式智能系統(tǒng)發(fā)展，即前端攝像機、傳感器等具備智能分析功能，基于嵌入式芯片的發(fā)展及計算資源成本的降低，相信前端智能的攝像機及傳感器的大規(guī)模應(yīng)用即將到來。