井下明火識(shí)別及報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

楊曉陽

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦安監(jiān)站， 山西 大同 037000）

煤炭資源作為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要礦產(chǎn)能源，在國民消費(fèi)中占比75%左右，專家預(yù)測(cè)未來十年左右的時(shí)間，我國的發(fā)展主要還是依靠煤炭資源，煤炭開采過程中的安全問題也越來越受到重視[1-2]。由于開采過程中使得煤炭與空氣接觸，可能導(dǎo)致煤料自燃，發(fā)生火災(zāi)[3]。礦井火災(zāi)發(fā)生后，由于空間狹小，工人的撤離困難，極易造成井下工人的傷亡、并且會(huì)損害礦井資源，破壞環(huán)境、燒毀井下重要設(shè)備，嚴(yán)重影響煤礦正常的生產(chǎn)運(yùn)營。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，還會(huì)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)造成破壞，逆轉(zhuǎn)輸送的風(fēng)流方向，井下存在的大量煤塵與瓦斯，容易發(fā)生二次爆炸，造成進(jìn)一步的損失[5-6]。因此，對(duì)井下明火識(shí)別及報(bào)警系統(tǒng)的研究非常有意義，可以盡早的遏制礦井火災(zāi)的發(fā)生，避免煤礦的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。

1 系統(tǒng)總體方案的研究與設(shè)計(jì)

礦井中容易發(fā)生火災(zāi)的地方主要有三個(gè)：采煤工作面、掘進(jìn)工作面與皮帶輸送機(jī)，其中采煤工作面與掘進(jìn)工作面主要由于煤炭開采過程中與機(jī)械設(shè)備的摩擦，再加上與空氣的接觸，造成的火災(zāi)，皮帶輸送機(jī)主要是因?yàn)槠c煤炭之間的摩擦生熱，最終誘發(fā)火災(zāi)。除上述情況之外，一些設(shè)備的老化與工人的不規(guī)范操作都可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生[7-8]。

本文決定以三個(gè)火災(zāi)常發(fā)地點(diǎn)作為基礎(chǔ)，建立一種基于視頻監(jiān)控的明火識(shí)別及報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由攝像機(jī)、接口轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、報(bào)警裝置與通信模塊等組成，將攝像機(jī)安裝于三個(gè)工作面的最佳監(jiān)控位置，系統(tǒng)在正常工作時(shí)，攝像機(jī)監(jiān)測(cè)工作面，將采集到的畫面信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)處理與圖像分析識(shí)別技術(shù)，判別是否發(fā)生火災(zāi)，如果有火災(zāi)發(fā)生，系統(tǒng)報(bào)警，見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 明火識(shí)別技術(shù)分析與研究

本系統(tǒng)在檢測(cè)時(shí)主要分為以下四個(gè)步驟：視頻畫面采集、圖像預(yù)處理、明火與環(huán)境的圖像分割和火焰的特征提取與判斷，如圖2 所示。本節(jié)將對(duì)圖像處理技術(shù)與火焰特征提取技術(shù)進(jìn)行研究。

圖2 系統(tǒng)明火檢測(cè)的步驟

2.1 圖像處理技術(shù)的分析

基于視頻監(jiān)控的明火識(shí)別系統(tǒng)主要依靠攝像機(jī)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是由于井下工作環(huán)境的復(fù)雜性，難免會(huì)有噪聲等干擾因素的存在，導(dǎo)致圖像特征提取時(shí)產(chǎn)生一定的偏差，所以要運(yùn)用一定的處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分析。

數(shù)字圖像主要以二維圖像的方式儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)當(dāng)中，攝像頭采集到的圖像多數(shù)為彩色圖像，而彩色圖像存儲(chǔ)時(shí)需要三個(gè)通道，占用了大量的空間，但是在實(shí)際的信息處理中，彩色圖像所包含的很多信息是不需要的，所以要對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理。在RGB 模型中，R、G、B為取值在0～255 的三個(gè)值，當(dāng)R=G=B時(shí)，此時(shí)的數(shù)值稱為灰度值，在對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理時(shí)，通常采用加權(quán)平均法、最大值法和平均值法。

其中加權(quán)平均法是將R、G、B三個(gè)分量加權(quán)平均，得到比較合理的灰度圖像，如下公式（1）所示，所得到的灰度圖像綠色較高，藍(lán)色較低，符合人眼對(duì)色彩識(shí)別的敏感度。

最大值法是將彩色圖像中三個(gè)顏色分量最大的作為灰度值，如公式（2）：

平均值法是將三個(gè)顏色分量求平均得到一個(gè)灰度值：

除灰度化之外，還可使用二值法對(duì)圖像進(jìn)行處理，即將彩色圖像用黑色和白色兩種色彩表示出來。二值法的原理如公式（4）所示：

式中：F（x，y）表示圖片處理后的像素值，f（x，y）表示處理前的像素值，T表示系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的闕值，有上式可以看出，通過對(duì)T值的設(shè)定，可以確定可能有火焰的區(qū)域，減小需要檢測(cè)的范圍。

2.2 火焰特征的識(shí)別與提取

明火的每個(gè)特征都可以作為本系統(tǒng)的識(shí)別與提取對(duì)象，本文研究的是井下工作面的明火識(shí)別系統(tǒng)，為了加快系統(tǒng)的識(shí)別速度，結(jié)合系統(tǒng)的工作環(huán)境，排除一定的非干擾因素，決定只對(duì)火焰的圓形度、頻率特性和面積變化特性三個(gè)特征進(jìn)行提取識(shí)別。

圓形度是用來衡量物體形狀與圓近似程度的值，火焰在燃燒過程中，火苗不停的跳動(dòng)，而象礦井內(nèi)的其他干擾源如礦燈的燈光等，形狀比較規(guī)整，圓形度比火焰要高很多，所以可以用圓形度作為礦井下明火的一個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)。圓形度的計(jì)算公式如下：

式中：Ls為圖形形狀的周長，As為面積，其中火焰的圓形度一般在0.2～0.3 范圍之內(nèi)，而其他干擾源的圓形度在0.7～0.9 范圍之內(nèi)，所以通過圓形度可以較好地區(qū)分火焰與干擾源。

火焰在燃燒時(shí)看起來會(huì)毫無規(guī)律的閃爍，但其實(shí)閃爍的頻率都會(huì)在一定的范圍之內(nèi)，通過計(jì)算得到圖像的閃爍頻率，與火焰的頻率范圍對(duì)比可以作為火焰識(shí)別的判據(jù)之一。本文中圖像閃爍頻率的計(jì)算公式如下：

式中：F為檢測(cè)圖像的頻率，fdi為第i幀畫面的檢測(cè)結(jié)果，值為0 或1，t為n幀畫面使用的時(shí)間。系統(tǒng)檢測(cè)一段視頻時(shí)，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理后，篩選疑似火焰區(qū)域，對(duì)灰度值的變化頻率進(jìn)行檢測(cè)，與火焰燃燒時(shí)的頻率3～15 Hz 進(jìn)行對(duì)比，可作為識(shí)別火焰的一個(gè)特征判據(jù)。

火災(zāi)在發(fā)生時(shí)，由于受到井下空氣流動(dòng)的影響，火焰雖然整體趨勢(shì)是增大的，但也可能忽大忽小，所以本文通過火焰的面積變化特性來識(shí)別火情的大小，根據(jù)情況，做出具體的救援或滅火措施?；鹧婷娣e變化特性用其增長率Q表示，如公式（7）：

式中：A為火焰區(qū)域的面積，根據(jù)公式可求得在一段時(shí)間內(nèi)火焰面積的變化率，進(jìn)而判斷火勢(shì)的變化。

3 系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

軟件部分的主程序流程圖如圖3 所示。首先系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)系統(tǒng)的攝像機(jī)等硬件設(shè)備，攝像機(jī)將視頻資料經(jīng)過轉(zhuǎn)換器傳輸回系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括灰度化處理與二值化處理等，并對(duì)疑似火災(zāi)區(qū)域的范圍進(jìn)行特征提取，包括圖像的圓度值和閃爍的頻率特性，通過與明火特征的參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比，判別是否有火情，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到工作面有火情發(fā)生時(shí)，通過響鈴裝置進(jìn)行報(bào)警，并可由火焰面積變化特性判別火情的大小及趨勢(shì)，方便救援人員制定滅火等措施。

圖3 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 結(jié)語

本文研究設(shè)計(jì)了一種用于井下生產(chǎn)工作面的明火識(shí)別及報(bào)警系統(tǒng)，通過攝像機(jī)的視頻監(jiān)控，對(duì)火災(zāi)起到預(yù)警的作用，盡早地遏制火災(zāi)的發(fā)生，減小煤礦的經(jīng)濟(jì)損失，保護(hù)工人的生命安全。