基于紅外熱成像技術(shù)的城市軌道交通隧道火災(zāi)探測研究

張文慶，沙 健

（1.山東瑞康安全評價(jià)有限公司安徽分公司，安徽 蕪湖 241000；2.四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230093）

城市軌道交通隧道由于其狹長型結(jié)構(gòu)，環(huán)境較為密閉，空間小且通風(fēng)條件差，一旦發(fā)生火災(zāi)，可燃物產(chǎn)生的濃煙將沿隧道迅速擴(kuò)散，很快充滿整個(gè)空間，對人員的生命造成威脅，同時(shí)也大大增加了滅火救援及安全疏散的難度[1-3]。對隧道環(huán)境及車輛實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，并進(jìn)行早期的火災(zāi)探測是預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的重要手段[4-5]?，F(xiàn)有火災(zāi)探測技術(shù)包括感煙型、感溫型、感光型等[6-7]，由于城市軌道交通隧道使用環(huán)境影響，誤報(bào)率高，早期火災(zāi)準(zhǔn)確預(yù)警困難[8]。隨著機(jī)器視覺、圖像識別技術(shù)的發(fā)展，圖像型火災(zāi)探測技術(shù)也逐步得到了廣泛應(yīng)用[9]。采用紅外熱成像技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控視頻信息，還可以對物體溫度信息在線監(jiān)控，同時(shí)具備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、探測距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[10]，對于實(shí)現(xiàn)城市軌道交通隧道火災(zāi)的準(zhǔn)確預(yù)警具有重要意義。本文利用火焰在紅外熱像儀內(nèi)的成像特點(diǎn)，結(jié)合圖像識別及在線溫度監(jiān)測技術(shù)，提出了2 種識別算法，并成功開展了將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通隧道火災(zāi)早期探測的試驗(yàn)研究。

1 基于紅外熱成像技術(shù)的火焰探測算法

對于火焰探測算法，可以從火焰的視頻圖像特征來進(jìn)行分析，一般可以從它的形態(tài)特征劃分為以下2種：一種是靜態(tài)特征，另一種是動(dòng)態(tài)特征。對比于靜態(tài)特征的容易獲取，動(dòng)態(tài)特征顯得格外復(fù)雜，主要是其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的獲得和解析相對較難。在以往的火災(zāi)中，火焰多為非平穩(wěn)狀態(tài)，隨著不同時(shí)刻的變化，火焰的各個(gè)特征如形狀、面積、強(qiáng)度等，在不同階段都會(huì)發(fā)生改變。所以，處理火焰圖像的過程實(shí)際上就是處理一幅連續(xù)的火焰動(dòng)態(tài)圖像，利用多種不同的算法來求取圖像中各個(gè)物體與先前的圖像之間的對應(yīng)關(guān)系，最后得到的結(jié)果就是圖像上各個(gè)物體在變化過程中相繼改變的規(guī)律。

運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)檢測其實(shí)是計(jì)算機(jī)在處理視覺方面技術(shù)的關(guān)鍵難題之一，魯棒性的目標(biāo)檢測方法有助于后期一些步驟的進(jìn)行，如特征提取、目標(biāo)識別和跟蹤等。通過紅外線成像所獲得的視頻，其視頻圖像上像素?cái)?shù)值與探測傳感器上的紅外線輻射量相對應(yīng)，紅外圖像上灰度所對應(yīng)的數(shù)值與目標(biāo)的溫度成相對關(guān)系，也就是說，紅外熱圖像實(shí)際構(gòu)成了一個(gè)溫度分布圖。另外，因?yàn)樯a(chǎn)成本高，雖然熱成像儀設(shè)備具有高精度，但其分辨率大大降低。清晰度與畫面質(zhì)量息息相關(guān)，即清晰度越高，圖像細(xì)節(jié)越多。利用紅外熱成像技術(shù)所建立的火焰探測算法，是以所取的溫度特性為基礎(chǔ)，來判斷圖像中是否存在疑似對象。其次，在對已獲取的圖像進(jìn)行預(yù)置處理，這樣就會(huì)使之前的溫度圖像轉(zhuǎn)換為規(guī)范化的灰度圖像，然后，對于圖像中的噪聲和孔洞，可以利用圖像的目標(biāo)分割算法和形態(tài)學(xué)處理方法來進(jìn)行消除處理，同時(shí)也可以快速提取火焰的動(dòng)態(tài)特征，如面積波動(dòng)、火焰形狀及其變化和頻譜特征等，基于火焰的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特征，可以使其構(gòu)造一組特征向量來實(shí)現(xiàn)對物體的跟蹤匹配操作，以此來構(gòu)建火焰的特征模型，最后利用決策樹機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的分類和識別工作。

2 探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用的火災(zāi)探測系統(tǒng)主要由控制軟件、監(jiān)控終端及前端紅外熱像儀3 個(gè)部分組成，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)線即可從電腦終端實(shí)現(xiàn)對前端探測設(shè)備的分析與控制，且具有自動(dòng)保存錄像，能適應(yīng)復(fù)雜使用環(huán)境的特點(diǎn)，如城市軌道交通隧道、地鐵隧道、綜合管廊等。

電腦監(jiān)控終端可在線接收前端傳輸?shù)臏囟刃畔?，并將其轉(zhuǎn)換為視頻圖像，具有可視直觀等優(yōu)點(diǎn)。通過電腦終端，用戶還可以根據(jù)監(jiān)測對象的不同，調(diào)整監(jiān)測的區(qū)域及范圍。系統(tǒng)軟件具有溫度歷史數(shù)據(jù)分析、變化趨勢預(yù)警功能，可自動(dòng)記錄報(bào)警時(shí)間，自動(dòng)進(jìn)行檢測，便于用戶對報(bào)警記錄進(jìn)行快速準(zhǔn)確查找。前端紅外熱像儀可根據(jù)監(jiān)測的距離、畫面清晰度等需要配置不同參數(shù)的探測設(shè)備。結(jié)合紅外熱成像的特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2 種探測報(bào)警模式：①模式一為在線溫度監(jiān)測報(bào)警模式，可實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的溫度信息，并根據(jù)溫度特征及區(qū)域面積特征進(jìn)行預(yù)警，具有報(bào)警靈敏性高等特點(diǎn)；②模式二為采用溫度監(jiān)測與圖像分析識別結(jié)合的模式，系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、探測準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)。

模式一在線采集前端探測設(shè)備的溫度圖像，當(dāng)監(jiān)測對象溫度異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算超過閾值范圍的面積，一旦發(fā)現(xiàn)面積超過設(shè)定的范圍，即對圖像實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，通過目標(biāo)分割及圖像分析，再次進(jìn)行提取溫度特征值，當(dāng)溫度特征值超過設(shè)定閾值時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，分析流程如圖1 所示。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生前的報(bào)警，具有提前預(yù)警、靈敏度高的特點(diǎn)。

圖1 模式一分析流程圖

模式二采用溫度監(jiān)控與圖像識別相結(jié)合的分析模式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度在正常監(jiān)控范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算溫度超過范圍的面積，當(dāng)面積超過規(guī)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提取當(dāng)前圖像，當(dāng)圖像的時(shí)間序列小于等于幀數(shù)時(shí)，即進(jìn)行檢測和目標(biāo)掛鏈分析。當(dāng)圖像的時(shí)間序列大于幀數(shù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提取當(dāng)前圖像的特征值，特征值主要為火焰的動(dòng)態(tài)特征，如火焰抖動(dòng)特征、火焰形狀變化特征等，提取的特征值與標(biāo)準(zhǔn)特征值比較分析，當(dāng)滿足條件時(shí)，即輸出火警信息，分析流程如圖2 所示。該探測模式具有準(zhǔn)確度高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

圖2 模式二分析流程圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

城市軌道交通隧道中火災(zāi)類型較多，有車輛及所載貨物的自燃、隧道內(nèi)電氣設(shè)備的短路自燃、車輛碰撞引發(fā)的火災(zāi)等，本文選擇了具有代表意義的木垛火、棉繩火作為試驗(yàn)對象，研究基于紅外熱成像的火災(zāi)探測系統(tǒng)在城市軌道交通隧道環(huán)境中的適應(yīng)性及對各種燃燒物質(zhì)引發(fā)火災(zāi)的探測有效性。試驗(yàn)中主要以記錄點(diǎn)火開始至探測系統(tǒng)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，來反映探測的靈敏性。通過改變火源的大小，研究探測系統(tǒng)對不同大小火源的探測適應(yīng)能力，通過改變探測設(shè)備與火源之間的距離，研究探測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的探測距離及范圍。試驗(yàn)平臺(tái)主體隧道長80 m，寬5 m，凈高5.4 m，為拱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。將紅外熱成像探測設(shè)備安裝在隧道的一側(cè)，安裝高度為4 m，安裝布置示意圖如圖3所示。

圖3 紅外熱成像探測設(shè)備布置示意圖

3.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.2.1 木垛火探測試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中采用了尺寸為25 cm×25 cm×25 cm、50 cm×50 cm×50 cm 的2 種木垛，木垛均由相同材質(zhì)、相同形狀的杉木條拼裝而成，木垛表面澆上一定量的汽油進(jìn)行引燃。試驗(yàn)過程中，保持前端紅外探測攝像頭與火源之間無遮擋物。試驗(yàn)中分別設(shè)置探測距離為30 m、60 m、75 m，表1 為各工況下3 次試驗(yàn)探測響應(yīng)的平均時(shí)間。

表1 木垛火探測試驗(yàn)報(bào)警結(jié)果

通過表1 試驗(yàn)結(jié)果可以看出：基于紅外熱成像的火災(zāi)探測系統(tǒng)在2 種探測模式下對木垛火均具有良好的探測響應(yīng)能力，未出現(xiàn)漏報(bào)及錯(cuò)報(bào)現(xiàn)象，可以在75 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對城市軌道交通隧道木垛火的監(jiān)控探測，充分體現(xiàn)了紅外熱成像具有探測距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)探測距離相同時(shí)，比較分析工況a1 與A1、工況a2 與A2、工況a3 與A3，可以發(fā)現(xiàn)木垛火火源規(guī)模的增大對探測響應(yīng)時(shí)間的影響較小，因?yàn)槌跗邳c(diǎn)燃時(shí)，火源未完全充分燃燒，溫度升高區(qū)域的面積及形成火焰的面積均相當(dāng)，所以初期火災(zāi)探測時(shí)，響應(yīng)時(shí)間的一致性較高。當(dāng)火源規(guī)模相同時(shí)，隨著探測距離的加大，2種模式下探測的響應(yīng)時(shí)間均有增長，這是因?yàn)殡S著探測距離的增大，相同大小的物體在探測設(shè)備內(nèi)成像的面積會(huì)隨著減小，系統(tǒng)在分析時(shí)，報(bào)警信息就會(huì)稍晚發(fā)出。

3.2.2 棉繩火探測試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用0.2 kg、0.4 kg、0.8 kg 的棉繩作為火源，將棉繩固定在金屬圓環(huán)上，然后懸掛在支架上，在棉繩下端點(diǎn)火。試驗(yàn)過程中，保持前端紅外探測攝像頭與火源之間無遮擋物。試驗(yàn)中分別設(shè)置探測距離為30 m、60 m、75 m，表2 為各工況下3 次試驗(yàn)探測響應(yīng)的平均時(shí)間。

表2 棉繩火探測試驗(yàn)報(bào)警結(jié)果

通過表2 試驗(yàn)結(jié)果可以看出：探測系統(tǒng)對棉繩火同樣具有較高的反應(yīng)靈敏度，在75 m 范圍內(nèi)對不同火源大小的棉繩火在15 s 的時(shí)間內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了報(bào)警，且無漏報(bào)。但從整體來看，在相同距離條件下，系統(tǒng)對棉繩火的探測時(shí)間要大于系統(tǒng)對木垛火的探測時(shí)間，這主要是因?yàn)槊蘩K在被點(diǎn)燃時(shí)，溫度及煙氣的變化為其主要特征，而火勢的蔓延速度要低于木垛火，火焰的面積要比木垛火小。在相同火源大小、相同探測距離的情況下，模式一的探測響應(yīng)時(shí)間要短于模式二的響應(yīng)時(shí)間，主要是因?yàn)槊蘩K在初期被點(diǎn)燃時(shí)，以溫度升高的特征較為明顯，而此時(shí)火焰的發(fā)展尚在較小范圍內(nèi)，所以在溫度監(jiān)測模式下更易被捕捉，更容易報(bào)警。在探測距離相同時(shí)，特別是在30 m 及60 m 范圍內(nèi)，火源規(guī)模的大小對報(bào)警時(shí)間的影響較小，主要是由于在點(diǎn)燃初期時(shí)，火焰的大小及過火的面積接近，系統(tǒng)的探測時(shí)間也就接近。同樣，在相同的火源規(guī)模時(shí)，探測距離越大，火焰面積及溫度超出閾值的面積顯現(xiàn)在圖像中的比例就會(huì)越小，響應(yīng)的時(shí)間也就越長。

4 結(jié)論

本文利用紅外熱成像可以在線測溫及遠(yuǎn)距離探測的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合火焰在紅外熱像儀內(nèi)的成像特點(diǎn)，提出了2 種火災(zāi)探測分析的模式，分別為在線溫度監(jiān)測報(bào)警模式及溫度監(jiān)測與圖像識別結(jié)合的模式，并在城市軌道交通隧道試驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行了實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)。結(jié)果表明：城市軌道交通隧道實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)中2 種探測模式均可以在75 m范圍內(nèi)能有效實(shí)現(xiàn)對早期火災(zāi)的探測報(bào)警，且無漏報(bào)，具有反應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)；2 種探測模式下，當(dāng)探測距離相同時(shí)，火源規(guī)模的增大對探測響應(yīng)時(shí)間的影響較??；在以溫度及煙氣為主要特征的棉繩火試驗(yàn)中，模式一的探測靈敏性要高于模式二的探測靈敏性。