基于視頻處理的隧道火災報警系統(tǒng)

王　丹

(中海網(wǎng)絡科技股份有限公司，上海 200135)

基于視頻處理的隧道火災報警系統(tǒng)

王丹

(中海網(wǎng)絡科技股份有限公司，上海 200135)

摘要:為解決傳統(tǒng)火災探測報警系統(tǒng)延遲、誤報、反應遲鈍等問題，結(jié)合計算機技術和數(shù)字圖像處理技術，提出基于視頻處理的火災檢測系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的工作原理，并與傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)進行對比分析。結(jié)果表明：基于視頻的火災報警系統(tǒng)具有智能化程度高、應用和探測范圍廣、獲取信息的成本及誤報率低、響應靈敏度高、抗干擾和適應性強等優(yōu)點。該火災探測技術的研究具有積極的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。

關鍵詞:視頻圖像；火災報警；技術對比

1基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)的研究意義及創(chuàng)新

近年來，隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，高速公路上的車輛越來越多，如何保證車輛在高速公路上特別是隧道中行駛的安全是目前迫切需要解決的問題。隧道空間通常較為密閉，車輛往往帶有大量汽油，一旦在隧道內(nèi)發(fā)生火災，會給消防工作帶來相當大的難度，經(jīng)濟損失在所難免，嚴重時還會造成人員傷亡。

準確地探測到火災并在火災發(fā)生的早期及時報警是保衛(wèi)隧道安全的積極手段。目前高速公路隧道中火災的探測一般是通過探測火災發(fā)生時生成的煙、溫和光等物理參量來實現(xiàn)的。這些物理量通過信號處理、比較、判斷后傳至火災報警主機，并由其發(fā)出火災報警信號。經(jīng)過多年的應用，典型的感煙、感溫火災探測報警系統(tǒng)逐漸暴露出了無法迅速采集火災發(fā)出的煙溫變化信息或采集的信息具有延遲性等缺陷，這難以滿足對隧道火災發(fā)生的早期進行探測和預報的需求。為解決傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)在使用中暴露出的問題，迫切需要研究和生產(chǎn)一種適應性強、報警迅速、延遲性小的新型火災探測報警系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)相比，彩色圖像火災報警系統(tǒng)的創(chuàng)新在于不僅可以有效地發(fā)現(xiàn)火焰，而且可以對火災進行早期探測，從而達到預防火災的目的，其是利用火災的顏色、運動和幾何學等3個特性來準確判斷的?；谝曨l圖像的火災報警系統(tǒng)可以在森林、隧道、大禮堂等廣闊開放的空間使用。

2當前國內(nèi)外實施情況

隨著對火災進行感溫、感煙、感光的技術不斷發(fā)展，火災探測技術日益成熟。目前火災探測技術市場中出現(xiàn)了很多分支，火焰和煙氣是其中兩個最大的分支。

美國佛羅里達大學的西蒙·弗教授早在1996年就開始嘗試在飛機貨倉中應用火災視頻圖像的亮度信息進行火災探測。1997年，中國科技大學火災科學國家重點實驗室也進行了此類研究，研究利用彩色影像的二基色差分進行火災探測與定位，并在“火盜力克”計算機圖像監(jiān)控報警系統(tǒng)中加以應用。

3基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)原理

圖1　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)原理圖

基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)的原理見圖1，通過處理高清攝像機采集到的火災圖像得到相關數(shù)據(jù)，并對其進行分析，從而得知火災發(fā)生的時間和地點；若系統(tǒng)探測到隧道內(nèi)發(fā)生了火災，則會立即對系統(tǒng)前端傳來的火災圖像信息進行分析和判斷，然后將分析結(jié)果上傳至監(jiān)控中心，并發(fā)出報警警報。從探測到隧道內(nèi)發(fā)生火災的時刻起，火災報警控制終端會觸發(fā)系統(tǒng)啟動高清攝像機錄像功能，用以記錄火災現(xiàn)場；此時視頻監(jiān)測系統(tǒng)立即將監(jiān)控中心電視墻畫面切換到火災現(xiàn)場，使監(jiān)控員盡快發(fā)現(xiàn)火災并作出應急預案。

普通彩色攝像機，是整個火災報警系統(tǒng)的圖像傳感器，負責采集隧道內(nèi)的火災現(xiàn)場圖像，并將圖像幀傳輸給火災報警系統(tǒng)探測器，再由模式識別系統(tǒng)對其進行識別。由云臺控制器控制的攝像機鏡頭能夠?qū)D像進行跟蹤，并通過自動對焦來獲得清晰的圖像和視頻。云臺和鏡頭最佳路徑的選取是通過控制控制器并結(jié)合獲取最佳圖像的需要進行的。為更加精確地判斷火災是否發(fā)生，系統(tǒng)將驅(qū)動云臺控制器的電機，實現(xiàn)云臺的巡航，圖像收集由鏡頭的清晰對焦成像來完成，從而保證攝像機獲取清晰的視頻圖像[1]。

4基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的火災探測器相比，基于視頻處理的火災探測系統(tǒng)具有很多優(yōu)點[2]。

1) 受環(huán)境影響較小。系統(tǒng)是通過光學鏡頭與外界發(fā)生接觸來獲取探測信號、通過電荷耦合器(Charge Coupled Device，CCD)攝像機來攝取視頻圖像的，而視頻中獲取的圖像又是通過計算機來處理的，這就使得視頻圖像監(jiān)測技術能夠免受被探測物的高度、空間大小和空間氣流的影響。在隧道中，為光學鏡頭配備防護罩可以有效消除濕氣和粉塵的影響，使之能夠在較惡劣的環(huán)境中正常工作。

2) 早期報警。系統(tǒng)是通過處理實時的圖像來判斷火災是否發(fā)生的。當隧道發(fā)生火災時，不管是早期產(chǎn)生的濃濃的煙霧還是直接燃燒所產(chǎn)生的火焰，都能被鏡頭捕捉。系統(tǒng)通過實時分析和處理這些捕捉到的圖像，實現(xiàn)在火災發(fā)生的早期進行報警。

3) 自動化程度高。在該系統(tǒng)中，人的視覺被攝像設備所代替，人的識別分析能力被檢測算法所代替。當隧道中有火災發(fā)生時，自動報警取代了人為的通知，從而實現(xiàn)了自動化程度較高的無人值守監(jiān)控場景。

4) 報警的準確性高。系統(tǒng)通過分析研究火災現(xiàn)場的圖像信息(火焰顏色、頻率、形態(tài)等)，運用對火災進行識別的算法，根據(jù)計算結(jié)果對火災進行系統(tǒng)地判斷。避免了傳統(tǒng)火災探測器(溫、光、煙)判斷依據(jù)單一的缺陷，有效地提高了火災報警系統(tǒng)的可靠性和準確性。

5) 提供直觀的火災圖像信息。系統(tǒng)不僅能夠完整地展現(xiàn)和記錄火災發(fā)生的過程，而且能夠提供較為豐富和直觀的火災信息。

基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)具有智能化和靈敏度高、獲取信息的成本和誤報率低、應用和探測范圍廣、抗干擾性和適應性較強等優(yōu)點，對該系統(tǒng)進行廣泛應用有著非常積極的現(xiàn)實意義。

5基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)技術對比

目前高速公路隧道中應用最廣泛的傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)是基于光纖光柵的火災報警系統(tǒng)。下面從工作原理、關鍵技術指標、硬件設計指標、光學性能和實現(xiàn)方式等方面，對基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與光纖光柵型火災報警系統(tǒng)進行對比分析。

5.1工作原理對比

兩種報警系統(tǒng)工作原理對比見表1。

表1　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與光纖光柵型火災報警系統(tǒng)工作原理對比表

5.2關鍵技術指標對比

基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)的探測距離，主要由探測器鏡頭的焦距數(shù)來決定。對隧道應用而言，符合產(chǎn)品國家標準的探測器，焦距越長，探測距離越遠;而光纖光柵火災報警系統(tǒng)是通過自身材料的熱脹冷縮和熱光效應來判斷火災與否發(fā)生的，需在整個隧道鋪設光纖光柵。兩種火災報警系統(tǒng)的關鍵技術指標對比見表2。

表2　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與光纖光柵型火災報警系統(tǒng)關鍵技術指標對比表

5.3處理器設計對比

基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)硬件都是基于嵌入式設計的，采用TI公司的數(shù)字處理(Digital Signal Process，DSP)芯片；而光纖光柵型火災報警系統(tǒng)則是采用火災探測信號處理器來完成信號的處理的。兩種火災報警系統(tǒng)的處理器設計對比見表3。

表3　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與光纖光柵型火災報警系統(tǒng)處理器設計對比表

5.4光學性能對比

目前大多數(shù)基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)在設計中均采用雙光路多頻譜探測模式;而光纖光柵型火災報警系統(tǒng)則利用光纖纖芯物質(zhì)的光敏特性。兩種火災報警系統(tǒng)的光學性能對比見表4。

5.5系統(tǒng)實現(xiàn)方式對比

兩種報警系統(tǒng)的實現(xiàn)方式對比見表5。

表4　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與光纖光柵型火災報警系統(tǒng)光學性能對比表

表5　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)與光纖光柵型火災報警系統(tǒng)實現(xiàn)方式對比表

基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)無論在工作原理還是技術指標方面，都優(yōu)于光纖光柵型火災報警系統(tǒng)，更能滿足市場和用戶的需求。

6基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)的應用及前景

2014年末，四川省高速集團對綿廣高速公路分石甕子和水嶺隧道進行了改造，其中火災報警系統(tǒng)采用基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)。這是該類型火災報警系統(tǒng)首次在四川高速公路上應用。

2015年1月工程完工驗收時，完成了隧道內(nèi)點火試驗(見圖2)。以視頻圖像火災探測100 m的距離為試驗距離，以汽油為燃燒物，燃燒面積為0.2 m×0.2 m。系統(tǒng)預期最遠探測范圍為150 m，點火時分別做了100 m、120 m及150 m的探測距離試驗(見表6)。

表6　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)點火試驗結(jié)果統(tǒng)計表

由點火試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)，有效果報警距離為150 m，響應時間快、誤報率低，能夠滿足當前火災報警的需求。

圖2　基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)點火試驗現(xiàn)場及報警圖像

2012年四川廣陜高速公路交工驗收時，對明月峽隧道進行了光柵火災報警系統(tǒng)的點火試驗，試驗數(shù)據(jù)見表7。

表7　光柵火災報警系統(tǒng)點火試驗結(jié)果統(tǒng)計表

通過對兩種火災報警系統(tǒng)的試驗結(jié)果進行對比可知，基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)在響應時間上遠優(yōu)于傳統(tǒng)的光柵火災報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了火災早期報警的功能，對提前預防和控制火災有著積極的作用。

基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)，不僅能夠用在半封閉的隧道中，而且可以應用于森林、大禮堂等空曠的場所。通過對兩種火災報警系統(tǒng)進行試驗得知，基于視頻處理的火災報警系統(tǒng)，在火災響應時間和報警點的準確度上，優(yōu)于傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)。

7結(jié)語

火災是是最經(jīng)常、最普通地威協(xié)公共安全和社會發(fā)展的主要災害之一。越早控制火災的發(fā)展，越能有效減少其給人們生命財產(chǎn)帶來的損失。基于視頻處理的隧道火災報警系統(tǒng)，能夠很好地解決火災早期警報的難題，及時、準確地提供火災發(fā)生的時間、地點等信息，可為應急與救援爭取寶貴時間。

參考文獻：

[1]胡文. 圖像型火災報警系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學，2010.

[2]林宏. 火災預警的機器視覺方法研究[D].昆明理工大學，2007.

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：王丹(1986—)，男，四川廣漢人,碩士,助理工程師,主要從事智能交通工程研發(fā)工作。

文章編號：1674-5949(2015)03-078-05

中圖分類號：TP277;U453

文獻標志碼：B

Video Based Tunnel Fire Alarm System

WangDan

(China Shipping Network Technology Co ., Ltd，Shanghai 200135, China)

Abstract:The video based tunnel fire alarm system incorporates the achievements in digital image processing and computer technology to solve the problems in common fire alarm systems, such as false alarm, response lag and alarm delay. The working principle of the system is explained and the performances of the system are compared with those of common systems. The developed system features high level of intelligence, low false alarm rate, high sensitivity, strong interference immunity and good flexibility.

Key words:video image; fire alarm; technology comparison

港口部分收費取消

交通運輸部、國家發(fā)改委日前印發(fā)了《關于調(diào)整港口船舶使費和港口設施保安費有關問題的通知》(以下簡稱《通知》)，要求規(guī)范船舶使費收費項目，港口經(jīng)營人和引航機構(gòu)提供船舶進出港服務，可收取引航(移泊)費、拖船費、停泊費、圍油欄費、駁船取送費、特殊平艙費以及垃圾處理、供水、供油、供電服務收費等費用，除此之外不得收取其他任何費用。取消現(xiàn)行收取的靠墊費，以及引航費中的引航員滯留費和引航計劃變更費，將系解纜費和開關艙費并入停泊費收取。

根據(jù)《通知》要求，我國將改進船舶使費計費辦法。如航行國際航線船舶引航費起碼計費噸由500凈噸提高到2 000凈噸，40 001~80 000凈噸部分和超過80 000凈噸部分收費標準(引航距離在10 n mile以內(nèi))分別降低到每凈噸0.45元、0.425元。節(jié)假日和夜間對航行國際航線船舶進行引航和拖船作業(yè)的，引航費和拖船費加收的比例降為45%?！锻ㄖ愤€強調(diào)，港口經(jīng)營人和引航機構(gòu)要嚴格執(zhí)行國家規(guī)定的價格政策。

此外，交通運輸部等部門還要求降低港口設施保安費收費標準。如對外貿(mào)進出口20 ft和40 ft重箱的港口設施保安費收費標準分別降低到每箱10元、15元，其他貨物收費標準降低到每噸0.25元。