大空間自動跟蹤射流滅火系統(tǒng)火焰定位裝置設(shè)計

摘 要：設(shè)計基于紅外和圖像復(fù)合探測技術(shù)的大空間自動跟蹤射流滅火系統(tǒng)火焰定位裝置，實(shí)現(xiàn)了對著火點(diǎn)的自動跟蹤定位，文中對火焰的識別方法和實(shí)現(xiàn)方式做了介紹，并給出了系統(tǒng)噴水滅火的實(shí)際測試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：火焰跟蹤定位 紅外火焰探測 圖像火災(zāi)探測 自動射流滅火

中圖分類號：TJ53文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0243-02

隨著我們國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來一些新型、大型、高層、地下大空間建筑大量涌現(xiàn)，倉儲規(guī)模日趨擴(kuò)大。這些場所內(nèi)往往人員多、物資多、財產(chǎn)高，火災(zāi)危險性極大。國家《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》和《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定高度超過8m的室內(nèi)場所為大空間場所，不宜采用傳統(tǒng)的感溫、感煙探測器和噴淋系統(tǒng)，滅火裝置應(yīng)當(dāng)采用消防炮這種出水量大的滅火系統(tǒng)。

在此背景下，大空間建筑的火災(zāi)探測監(jiān)控和滅火逐漸成為世界各國火災(zāi)科學(xué)及消防科技工作者極為關(guān)注的課題之一，并且隨著近年重特大事故頻發(fā)引起了國家相關(guān)部門的極大關(guān)注。本文闡述的大空間自動跟蹤射流滅火系統(tǒng)采用紅外和圖像復(fù)合探測技術(shù)，自主探測并定位大空間內(nèi)早期火災(zāi)，并自動噴水滅火，同時將火場實(shí)時圖像顯示于消防控制室，并聯(lián)動聲光報警、排煙、實(shí)時錄像、報警電話等?；鹧娑ㄎ谎b置是自動跟蹤射流滅火系統(tǒng)的技術(shù)核心部分，其性能優(yōu)劣決定了整個系統(tǒng)的火災(zāi)滅火效果。

1 滅火裝置結(jié)構(gòu)和火焰定位方案

如圖1所示，本滅火裝置通過水平方向和垂直方向上的兩個驅(qū)動電機(jī)的作用可以控制消防水炮噴頭實(shí)現(xiàn)兩自由度的轉(zhuǎn)動?；鹧娑ㄎ幌到y(tǒng)主要由水平紅外火焰定位器、垂直紅外火焰定位器和圖像火焰定位器三部分組成。安裝保護(hù)區(qū)域內(nèi)有火災(zāi)發(fā)生時，裝置便通過機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)伺服機(jī)構(gòu)在火焰定位器的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)對著火點(diǎn)位置的定位。

紅外火焰定位器響應(yīng)速度快，但由于火焰紅外輻射面大、易擴(kuò)散，紅外火焰定位器難以精確定位火焰中心區(qū)域，因此我們選用圖像輔助定位技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)火焰的精確定位。當(dāng)紅外火焰定位器完成定位后，著火點(diǎn)已被鎖定在一個較小區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而啟動紅外圖像定位系統(tǒng)。圖像火焰定位器采集定位區(qū)域的現(xiàn)場圖像，并傳送到火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行圖像處理分析，以進(jìn)一步確定火災(zāi)的發(fā)生。

其中：（1）水平驅(qū)動電機(jī)（2）豎直驅(qū)動電機(jī) （3）水平紅外定位器 （4）豎直紅外定位器（5）圖像定位器（6）監(jiān)控攝像機(jī) （7）消防水炮噴頭

2 紅外火焰定位器實(shí)現(xiàn)

紅外火焰定位器是利用可燃物體在燃燒時，所產(chǎn)生大量的紅外線輻射為誘導(dǎo)源，采用裝有紅外光學(xué)透鏡的高靈敏的紅外感知器件來感知它的發(fā)生和存在。滅火裝置使用兩種波長不同的光學(xué)紅外傳感器來進(jìn)行火焰探測，其中一種傳感器作為背景紅外輻射的探測，水平扇形紅外火焰定位器安裝有四個傳感器，扇狀形成一個接近于90度的探測范圍；垂直圓筒形紅外定位器使用一個傳感器，同時在探頭前面加裝光學(xué)鏡頭，使圓筒形定位器探測范圍視角足夠小近似一條直線。本火焰定位器基于紅外線的接收、篩選技術(shù)，對自然界的其他非火源的紅外線如太陽光、電焊弧光、白熾燈、日光燈等具有較高的抗干擾能力。

紅外火焰定位器是以微控制器為核心，實(shí)時采樣光學(xué)紅外傳感器的輸出信號，采樣信號經(jīng)過濾波放大處理，送至單片機(jī)進(jìn)行處理分析。若分析結(jié)論為火焰信號，紅外火焰定位器將信號傳送給自動跟蹤滅火裝置驅(qū)動控制器，并啟動圖像火焰定位器進(jìn)行分析以確認(rèn)是否真的火焰信號。紅外火焰定位器電路原理框圖如圖2所示：

這部分主要解決的技術(shù)問題有：

（1）紅外光學(xué)部件包括透鏡組和敏感元的選擇和設(shè)計，紅外輻射光經(jīng)紅外光學(xué)透鏡組的濾光、聚焦作用，有效聚焦到鉭酸鋰紅外熱釋電傳感器上，產(chǎn)生電信號。如何提高紅外光的透過率、對目標(biāo)紅外波段以外光的有效濾除、更多目標(biāo)紅外光的聚焦、紅外敏感元的選型是設(shè)計的關(guān)鍵。圖3是本設(shè)計的前端探測組件結(jié)構(gòu)圖。

（2）微弱紅外信號的有效提取，系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器OP07集成芯片配以RC器件組成前端的模擬調(diào)理電路，把小至幾十微伏級的紅外輻射信號，經(jīng)放大、濾波、變換等電路處理后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送至單片機(jī)處理。圖4為系統(tǒng)信號調(diào)理部分帶通濾波放大電路原理圖，系統(tǒng)選用兩級選頻放大，通頻帶1～40 Hz，電壓放大增益為72 dB。

（3）火焰判別的計算和分析程序設(shè)計，內(nèi)置的微處理器對紅外傳感器的采樣信號進(jìn)行時域和頻域信號處理，分析其閃頻和幅值特性，是否滿足閾值、相關(guān)和比值等條件，從而判斷出是否存在火焰信號。

3 圖像火焰定位器實(shí)現(xiàn)

火災(zāi)發(fā)生時火焰具有著火面積逐漸增大、邊緣抖動、較強(qiáng)的紅外輻射等明顯的特征，在圖像中表現(xiàn)為三點(diǎn)：（1）顯著的顏色特征；（2）火焰的不穩(wěn)定燃燒造成目標(biāo)的閃爍，面積變化以及整體位置的移動；（3）燃燒時向環(huán)境中散發(fā)的大量紅外輻射。

系統(tǒng)工作時通過圖像采集設(shè)備連續(xù)獲得監(jiān)視區(qū)域的圖像信號，主機(jī)處理器在獲得連續(xù)的幀信號后，首先將輻射強(qiáng)度超過某預(yù)定值的部分分割出來作為感興趣區(qū)域，通過對感興趣區(qū)域做一定時間段的觀察，分析該區(qū)域中是否存在動態(tài)閃爍幅度和頻率都超過預(yù)定值的部分，從而有效降低固定光源對系統(tǒng)的影響，最后我們對目標(biāo)區(qū)域的高度、寬度、體態(tài)比、周長和面積做進(jìn)一步分析判斷，滿足所有判據(jù)后，則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)榛鹧鎱^(qū)域，同時給出目標(biāo)的圖像坐標(biāo)。

識別出火焰圖像后，火災(zāi)控制主機(jī)根據(jù)圖像定位后火焰圖像距紅外圖像中心點(diǎn)距離，進(jìn)行坐標(biāo)換算。根據(jù)坐標(biāo)變換得出的炮口最終位置信息，自動跟蹤滅火裝置驅(qū)動控制器可以驅(qū)動兩自由度的伺服電機(jī)分步把噴水炮口對準(zhǔn)著火點(diǎn)，最終完成火焰的精確定位。

在火焰圖像的識別算法中，采用一種在CCD前加裝紅外濾光裝置的方式，將彩色圖像轉(zhuǎn)化為紅外圖像有效過濾掉周圍環(huán)境中的干擾因素，計算機(jī)將采集到的現(xiàn)場火焰圖像fx首先通過自適應(yīng)閾值的二值化操作，得到火焰模板的二值圖像Fc：

根據(jù)S判斷是否存在火災(zāi)異常：如果火焰區(qū)域大于給定的閾值M時則認(rèn)為存在火災(zāi)異常。

4 實(shí)際測試效果

為了驗(yàn)證滅火系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，將滅火裝置安裝在10米高位置，在0到50米處任選10個點(diǎn)位，用試驗(yàn)火（試驗(yàn)火是在直徑570 mm，高70 mm的油盤內(nèi)加入30 mm高的清水，再加入500 mL的車用汽油，點(diǎn)燃油盤的汽油開始燃燒）誘發(fā)系統(tǒng)啟動跟蹤定位動作并對準(zhǔn)目標(biāo)射流滅火，以此為一次成功的試驗(yàn)。如此重復(fù)10次，每次間隔5 min，進(jìn)行滅火試驗(yàn)。滅火裝置現(xiàn)場安裝如圖5所示，圖6是設(shè)備在室內(nèi)大空間試驗(yàn)場安裝調(diào)試后，實(shí)際噴水滅火過程被系統(tǒng)硬盤錄像機(jī)錄像的截圖，從中我們可以看出實(shí)際落水點(diǎn)均在試驗(yàn)火盤1m范圍之內(nèi)。

此外，為了測試系統(tǒng)的抗環(huán)境光線干擾性能，我們在室內(nèi)和有太陽光的室外，分別將系統(tǒng)接通電源，使其處于監(jiān)控狀態(tài)，用4只40 W白熾燈組（組成邊長為40CM的正方形）和4只40 W日光燈組（間距20CM組成縱向排列）作為模擬干擾源，在距系統(tǒng)的定位探頭中心水平2 m處對系統(tǒng)定位進(jìn)行干擾性照射，每次照射1 s，間隔1 s，兩種干擾源各進(jìn)行10次，試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)設(shè)備誤報警、誤定位、誤動作。

綜上，實(shí)際測試表明系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)火完成啟動、自動跟蹤定位、自動射流滅火，滅火系統(tǒng)火焰定位可靠準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

本文中自動跟蹤射流滅火系統(tǒng)火焰定位裝置采用“多波段光學(xué)火焰探測”和“圖像處理火焰探測”的復(fù)合探測方式，實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)對干擾光有好的免疫力，火災(zāi)探測定位迅速、滅火準(zhǔn)確。系統(tǒng)對于迅速探知并撲滅火災(zāi)，提高工礦企業(yè)及民用大空間建筑物抵御火災(zāi)的能力，保護(hù)其消防安全，確保人民生命財產(chǎn)安全起到至關(guān)重要的作用?；诒净鹧娑ㄎ患夹g(shù)的自動滅火裝置產(chǎn)品已成功應(yīng)用于體育場館、物流倉庫、商場等典型大空間場所。

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