基于多傳感器融合的自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張釗 左威 景江 姜一博 李誠(chéng) 任四武 程濤

摘要：針對(duì)壓裂井場(chǎng)作業(yè)設(shè)備密集、易發(fā)生大規(guī)模火災(zāi)的工況提出了一種基于多傳感器融合的自動(dòng)消防滅火系統(tǒng)。介紹了不同種類傳感器的特性和功能，進(jìn)行了有針對(duì)性的選擇；基于透視變換原理進(jìn)行圖像型火焰探測(cè)器與雙目相機(jī)的圖像配準(zhǔn)，使火焰探測(cè)與距離感知功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)火焰的自動(dòng)探測(cè)定位；通過(guò)對(duì)波段型火焰探測(cè)器、圖像型火焰探測(cè)器的報(bào)警信息進(jìn)行綜合分析，確定多傳感器融合報(bào)警的策略，提高報(bào)警準(zhǔn)確率、減少誤報(bào)；通過(guò)對(duì)水流落點(diǎn)與消防炮之間的距離以及對(duì)應(yīng)消防炮的俯仰角度進(jìn)行擬合，確定落點(diǎn)距離與俯仰角度的擬合關(guān)系用于消防炮轉(zhuǎn)向時(shí)的俯仰角度計(jì)算；進(jìn)行了多次場(chǎng)內(nèi)實(shí)地測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示能夠較好地?fù)錅绮煌恢玫拿骰穑瑴缁鹦Ч显O(shè)計(jì)預(yù)期。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)滅火；多傳感器融合；圖像配準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：X913.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）09-0001-03

近年來(lái)，壓裂井場(chǎng)消防管理體系和技術(shù)手段不斷優(yōu)化，從整體來(lái)看，井場(chǎng)各區(qū)域的消防水平都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但依然存在很多問(wèn)題，比如監(jiān)控有盲區(qū)、現(xiàn)有滅火設(shè)施反應(yīng)速度慢、滅火不精準(zhǔn)等。因此，通過(guò)智能化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)消防滅火的自動(dòng)化和智能化、大幅提升滅火效率的需求是非常迫切的。

消防炮是一種大空間的遠(yuǎn)程消防設(shè)備，以射流形式噴射滅火劑的裝置[1]。按控制方式可分為手動(dòng)消防炮、電控消防炮、液控消防炮等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前市面上出現(xiàn)了一種自動(dòng)跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)，是利用紅外線、數(shù)字圖像或其他火災(zāi)探測(cè)組件對(duì)火、溫度等探測(cè)進(jìn)行早期火災(zāi)的自動(dòng)跟蹤定位，并運(yùn)用自動(dòng)控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)滅火的各種室內(nèi)外固定射流滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由探測(cè)組件、滅火組件及供液組件組成[2]。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)消防炮及相關(guān)組件進(jìn)行了研究，孫靖對(duì)定流量消防水炮射流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與軌跡研究，提出了一種基于空氣阻力的射流軌跡理論模型，對(duì)空氣阻力系數(shù)的組成進(jìn)行了分析，以某種水炮進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了消防水炮射流軌跡模型和指數(shù)函數(shù)作為其系數(shù)擬合函數(shù)的正確性，但是只對(duì)噴嘴處的射流進(jìn)行了數(shù)值模擬，簡(jiǎn)化了炮身和炮頭模型[3]。陳川等設(shè)計(jì)了一種采用DSP和FPGA基于火焰識(shí)別與定位智能消防炮系統(tǒng)，給出了主要模塊具體的硬件電路設(shè)計(jì)和程序的設(shè)計(jì)模塊[4]。薛節(jié)著重研究了如何進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)及火源定位，在火災(zāi)探測(cè)方面進(jìn)行了火災(zāi)識(shí)別相關(guān)算法的研究，為火災(zāi)探測(cè)的準(zhǔn)確性可靠性提供了保障。在火源定位技術(shù)方面，研究了一種基于雙目視覺(jué)的火源的定位方法，根據(jù)雙目視覺(jué)的測(cè)距原理，通過(guò)視差，結(jié)合火焰質(zhì)心坐標(biāo)，進(jìn)行三維建模，為大空間自動(dòng)滅火建立了基礎(chǔ)，但是并沒(méi)有考慮可見(jiàn)光及煙霧等的影響，定位精度不高[5]。Chen等人基于一個(gè)安裝在消防炮出口端的單目CCD相機(jī)進(jìn)行火焰檢測(cè)，依據(jù)消防炮轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)圖像特征在圖像中的位移關(guān)系，結(jié)合相機(jī)焦距，利用三角幾何關(guān)系對(duì)著火點(diǎn)進(jìn)行空間定位[6]。

基于上述問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化的滅火系統(tǒng)，以自動(dòng)消防水炮為執(zhí)行主體，結(jié)合點(diǎn)型多波段火焰探測(cè)器、圖像型火焰探測(cè)器、雙目攝像頭等多傳感器融合。根據(jù)火情發(fā)生的區(qū)域和火勢(shì)大小，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)消防炮的水平角度和俯仰角度，從而實(shí)現(xiàn)更加快速精準(zhǔn)地滅火，提升井場(chǎng)的智能化水平及消防管理能力，保障安全生產(chǎn)。

1 多種傳感器類型介紹

1.1? 點(diǎn)型火焰探測(cè)器

點(diǎn)型火焰探測(cè)器能夠針對(duì)不同的波長(zhǎng)頻段進(jìn)行檢測(cè)，以達(dá)到盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患的目的，一般可分為單波段、紅外、雙波段紅外、三波段紅外、紅紫外復(fù)合等多種類型[7]。

1.2? 雙目攝像頭

雙目攝像頭的原理是利用左右2個(gè)攝像頭，從不同的角度采集目標(biāo)圖像，通過(guò)模型構(gòu)建和算法形成目標(biāo)三維空間信息[8]。

1.3? 圖像型火焰探測(cè)器

圖像型火焰探測(cè)器是以CCD或CMOS攝像機(jī)為探頭，利用早期火災(zāi)煙霧的圖像特征及近紅外輻射的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)的預(yù)警。同時(shí)，通過(guò)對(duì)火焰特征的提取，可以輸出火焰中心點(diǎn)在圖像中的位置，從而能夠快速實(shí)現(xiàn)火災(zāi)視頻采集獲取、火災(zāi)分析預(yù)警等[9]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1? 整體布局方案

為使圖像型火焰探測(cè)器與雙目攝像機(jī)的安裝位置相對(duì)固定，設(shè)計(jì)專用工裝安裝固定一個(gè)圖像型火焰探測(cè)器與一個(gè)雙目攝像機(jī)，雙目攝像機(jī)與圖像型火焰探測(cè)器視野范圍盡可能重合，將該專用工裝分別固定到1、2位置點(diǎn)。

圖1為井場(chǎng)布局示意圖，TC1、TC2位于井場(chǎng)水罐上方位置，TC1、TC2處各放置一個(gè)探測(cè)定位傳感器組，本設(shè)計(jì)中探測(cè)定位傳感器組中包含一個(gè)波段火焰探測(cè)器、一個(gè)圖像型火焰探測(cè)器與一個(gè)雙目攝像機(jī)，為使探測(cè)定位傳感器組中各傳感器的安裝位置相對(duì)固定，設(shè)計(jì)專用工裝安裝固定傳感器。

消防炮安裝在井場(chǎng)的高低壓管匯橇上，通過(guò)供水泵為系統(tǒng)供水。井場(chǎng)中使用2個(gè)消防炮，圖1中SP1與SP2點(diǎn)處為消防炮1與消防炮2的安裝位置，C1-1—C1-6、C2-1—C2-6處為兩排壓裂車，消防炮覆蓋范圍可以采取遠(yuǎn)端覆蓋與近端覆蓋2種方式，本設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)端覆蓋的方式進(jìn)行噴水滅火。

2.2? 多種火焰探測(cè)確定火情邏輯

使用波段火焰探測(cè)器與圖像型火焰探測(cè)器探測(cè)火焰，波段火焰探測(cè)器輸出是否存在火焰的開(kāi)關(guān)量，圖像型火焰探測(cè)器輸出標(biāo)識(shí)火焰的圖像。為了解決不同探測(cè)器靈敏度差異以及盡可能的消除誤報(bào)率，可能會(huì)存在以下幾種探測(cè)結(jié)果，分別采取不同的策略應(yīng)對(duì)[10]：

一是2種探測(cè)器都發(fā)現(xiàn)火情：當(dāng)波段型火焰探測(cè)器探測(cè)到火焰后發(fā)出可能發(fā)生火災(zāi)的開(kāi)關(guān)量，一段時(shí)間內(nèi)圖像型火焰探測(cè)器探測(cè)到火焰，進(jìn)一步計(jì)算火焰的空間位置坐標(biāo)。

二是波段型探測(cè)器報(bào)警，圖像型探測(cè)器不報(bào)警：當(dāng)波段型火焰探測(cè)器探測(cè)到火焰后發(fā)出可能有火的開(kāi)關(guān)量，一段時(shí)間內(nèi)圖像型火焰探測(cè)器沒(méi)有探測(cè)到火焰，則在界面系統(tǒng)中進(jìn)行報(bào)警提醒，提醒工作人員通過(guò)監(jiān)控畫面或者現(xiàn)場(chǎng)查看確定是否真實(shí)存在火情。

2.3? 多傳感器融合計(jì)算火焰的空間坐標(biāo)

2.3.1? 同位置圖像型火焰探測(cè)器與雙目攝像機(jī)的圖像配準(zhǔn)

通過(guò)圖像配準(zhǔn)可以對(duì)不同位置的圖像型火焰探測(cè)器與雙目攝像圖像進(jìn)行匹配對(duì)齊，獲得2幅圖像在空間位置的對(duì)應(yīng)映射關(guān)系，圖1中同一專用工裝內(nèi)的圖像型火焰探測(cè)器與雙目攝像機(jī)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，選擇基于特征的圖像配準(zhǔn)方法，步驟包括特征提取、特征匹配、計(jì)算變換模型。

2.3.2? 計(jì)算著火點(diǎn)相對(duì)于統(tǒng)一坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)

圖像型火焰探測(cè)器探測(cè)到火焰后，輸出火焰在探測(cè)器圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)配準(zhǔn)后的位置變換模型計(jì)算火焰點(diǎn)在雙目攝像機(jī)圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)，利用雙目攝像機(jī)測(cè)量得到著火點(diǎn)相對(duì)于該雙目攝像機(jī)坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)（X'，Y'，Z'），基于雙目攝像機(jī)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣得到著火點(diǎn)在同一坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)（X，Y，Z） 。

2.3.3? 計(jì)算著火點(diǎn)相對(duì)于消防炮的空間坐標(biāo)

圖2中O點(diǎn)為攝像機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的位置，其他位置的雙目攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)一到該坐標(biāo)系下，B、C點(diǎn)處為消防炮的位置，D為雙目攝像機(jī)探測(cè)到的著火點(diǎn)位置，著火點(diǎn)在攝像機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)記作（X，Y，Z），計(jì)算消防炮在攝像機(jī)中的空間坐標(biāo)的方式為：深度圖、點(diǎn)云圖上點(diǎn)選2個(gè)消防炮位置，讀取2個(gè)消防炮在攝像機(jī)統(tǒng)一坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)。

2個(gè)消防炮的空間坐標(biāo)，分別記作（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），、為著火點(diǎn)相對(duì)于B、C消防炮的空間坐標(biāo)，，即 （X-X1，Y-Y1，Z-Z1），同理，即（X-X2，Y-Y2，Z-Z2），本設(shè)計(jì)選擇消防炮遠(yuǎn)端覆蓋的方式，圖2中B消防炮距著火點(diǎn)D的距離比C消防炮距著火點(diǎn)D的距離遠(yuǎn)，選擇用消防炮B對(duì)著火點(diǎn)D進(jìn)行噴水滅火，圖2中為消防炮到著火點(diǎn)的空間向量。

2.3.4? 消防炮與著火點(diǎn)的坐標(biāo)、角度轉(zhuǎn)換

設(shè)定消防炮炮筒水平、俯仰的初始角度，對(duì)消防炮到著火點(diǎn)的空間向量（X，Y，Z）進(jìn)行向量分解得到水平、俯仰角度α、β，水平角為：

俯仰角為：

3 全系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試

為了擬合出水炮的俯仰角與噴水落點(diǎn)距離關(guān)系的關(guān)系式，在測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行多項(xiàng)數(shù)據(jù)標(biāo)定測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試，選出一組較符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)，如表1所示。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二次擬合曲線與實(shí)際情況最符合，因此采用二次方程擬合。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提出了基于多傳感器融合的自動(dòng)滅火技術(shù)，通過(guò)多傳感器融合實(shí)現(xiàn)火源的自動(dòng)識(shí)別和定位，控制系統(tǒng)將計(jì)算后的旋轉(zhuǎn)角度下發(fā)給消防炮，消防炮通過(guò)自身的運(yùn)動(dòng)部件完成轉(zhuǎn)向滅火，實(shí)現(xiàn)了消防炮滅火的自動(dòng)化與智能化。

①基于透視變換原理進(jìn)行圖像型火焰探測(cè)器與雙目相機(jī)的圖像配準(zhǔn)，使火焰探測(cè)與距離感知功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)火焰自動(dòng)探測(cè)定位。

②通過(guò)對(duì)波段型火焰探測(cè)器、圖像型火焰探測(cè)器的報(bào)警信息進(jìn)行綜合分析，確定多傳感器融合報(bào)警的策略，提高報(bào)警準(zhǔn)確率、減少誤報(bào)。

③通過(guò)對(duì)消防炮水流落點(diǎn)與消防炮之間的距離以及對(duì)應(yīng)消防炮的俯仰角度進(jìn)行擬合，確定落點(diǎn)距離與俯仰角度的擬合關(guān)系用于消防炮轉(zhuǎn)向時(shí)的俯仰角度計(jì)算。

通過(guò)理論計(jì)算分析與實(shí)際聯(lián)調(diào)測(cè)試，證明了本方案是切實(shí)可行且具有較好自動(dòng)滅火效果的。本方案能夠改善壓裂井場(chǎng)安全現(xiàn)狀，提升井場(chǎng)消防滅火的安全保障能力，保護(hù)井場(chǎng)作業(yè)人員的安全性。接下來(lái)，需要進(jìn)一步完善算法的可靠性及穩(wěn)定性，持續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的功能優(yōu)化和性能提升，以滿足產(chǎn)品大規(guī)模市場(chǎng)推廣的要求。

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Design of automatic fire extinguishing system based on multi-sensor fusion

Zhang Zhao1， Zuo Wei1， Jing Jiang1， Jiang Yibo2， Li Cheng2， Ren Siwu1， Cheng Tao1

（1. Downhole Operation Company of China National Petroleum Corporation Western Drilling Engineering Co.， Ltd.， Xinjiang Karamay 834000;

2. Yantai Jereh Petroleum Equipment Technology Co.， Ltd.， Shandong Yantai 264000）

Abstract： An automatic fire extinguishing system based on multi-sensor fusion is proposed for the working conditions of intensive fracturing well site equipment and prone to large-scale fires. The characteristics and functions of different types of sensors are introduced， and targeted selections are made. Based on the principle of perspective transformation， the image registration between the image flame detector and the binocular camera is carried out， and the flame detection and distance sensing functions are combined to realize the automatic detection and positioning of the flame. Through the comprehensive analysis of the alarm information of the band flame detector and the image flame detector， the multi-sensor fusion alarm strategy is determined to improve the alert accuracy and reduce false alarms. By fitting the distance between the water drop point and the fire gun and the pitch angle of the corresponding fire gun， the fitting relationship between the drop point distance and the pitch angle is determined for the calculation of the pitch angle when the fire gun is turned. A number of field tests were carried out， and the test results showed that the open flames at different locations could be well extinguished， and the fire extinguishing effect was in line with the design expectations.

Keywords： automatic fire extinguishing; multi-sensor fusion; image registration