基于紅外探測與圖像分析的火勢監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)研究

作者簡介：崔昕睿（2003—），女，蒙古族，山西太原人，本科在讀，研究方向：?；返缆愤\(yùn)輸安全；劉勇（1984—），男，漢族，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，副教授，研究方向：危化品道路運(yùn)輸安全。

摘要：準(zhǔn)確判斷建筑火災(zāi)的火勢發(fā)展是快速、有效撲救火災(zāi)的首要前提。在火災(zāi)蔓延過程中，建筑空間的限制和煙霧的擴(kuò)散會(huì)干擾對火勢發(fā)展的判斷。針對現(xiàn)有圖像型火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種基于紅外探測與圖像分析的火勢監(jiān)控裝置，將煙霧濃度與擴(kuò)散方向監(jiān)測和燃燒火焰發(fā)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測相結(jié)合，具有火勢動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化功能。根據(jù)紅外輻射值觸發(fā)煙霧濃度監(jiān)測，將煙霧和火焰發(fā)展動(dòng)態(tài)可視化于移動(dòng)顯示器，便于因地制宜，采取適當(dāng)?shù)木仍胧?，減少救援人員的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：可視化；火勢監(jiān)控；煙霧濃度；閾值對比

引言

近年來，我國建筑火災(zāi)形勢嚴(yán)峻。從2023年1月至10月期間，建筑物發(fā)生火災(zāi)共計(jì)31萬起，各類住宅火災(zāi)24.4萬起，造成979人死亡、1244人受傷，分別占總數(shù)的32.8%、70.9%和60.3%。建筑火災(zāi)的傷亡率占比較大。因此，為及時(shí)撲救建筑火災(zāi)、減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，需要能夠識(shí)別早期火情、自動(dòng)報(bào)警和監(jiān)控火勢動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。針對建筑內(nèi)部易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，建筑內(nèi)空間相對封閉，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢的發(fā)展包含較多不確定因素，火災(zāi)報(bào)警和監(jiān)測對于人身安全有著重要作用。因此，對于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討^[1-2]越來越多。在硬件方面，火災(zāi)探測器^[3-6]、煙霧探測裝置^[7-8]、傳感器等設(shè)備不斷升級(jí)換代，性能更加穩(wěn)定可靠；在軟件方面，火災(zāi)報(bào)警算法不斷優(yōu)化，提高了報(bào)警的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化，為火災(zāi)防控提供了更加有力的技術(shù)支持。

一、總體方案設(shè)計(jì)

（一）信息處理流程

系統(tǒng)主要包括火勢監(jiān)測模塊、煙霧濃度監(jiān)測模塊、信息綜合處理模塊、警報(bào)模塊、云端儲(chǔ)存器和移動(dòng)端（整體結(jié)構(gòu)見圖1、概念圖見圖2）。火勢監(jiān)測模塊用于采集監(jiān)控環(huán)境內(nèi)的火勢信號(hào)和紅外輻射值，根據(jù)紅外輻射值觸發(fā)煙霧濃度監(jiān)測模塊。煙霧濃度監(jiān)測模塊用于采集煙霧圖像和煙霧濃度，火勢信號(hào)和煙霧信號(hào)由各自的傳輸模塊通過無線傳輸裝置傳輸至信息綜合處理模塊，經(jīng)處理后傳輸至警報(bào)模塊、云端儲(chǔ)存器和移動(dòng)端。同時(shí)，探測器中的蜂鳴報(bào)警器發(fā)出對應(yīng)的警報(bào)音量和頻率，移動(dòng)端設(shè)備實(shí)時(shí)顯示火場內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握火勢發(fā)展趨勢，救援人員就可手持移動(dòng)端設(shè)備，根據(jù)警報(bào)音量來判斷區(qū)域的安全程度。

信息處理模塊主要構(gòu)件為終端信息接收器、圖像整合處理器、數(shù)據(jù)綜合處理器。終端信息接收器用于接收無線傳輸模塊發(fā)送的無線信號(hào)；圖像整合處理器用于將無線信號(hào)整合成對應(yīng)的圖像信息（見圖3），根據(jù)圖像信息生成可視化圖像。數(shù)據(jù)綜合處理器用于將無線信號(hào)整合成對應(yīng)的火勢煙霧數(shù)據(jù)，并將火勢煙霧數(shù)據(jù)發(fā)送至閾值對比監(jiān)測模塊。

（二）裝置定位

探測器安裝于長方形空間的對角位置（可根據(jù)空間大小增加或減少）。以對角安裝兩個(gè)探測器為例，長方形空間的兩邊長分別為b，c，在O點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，以便于探測器捕捉的數(shù)據(jù)矢量化，如圖4。

設(shè)探測器位于A點(diǎn)，安裝高度距地面為a，則有：

OA=（0，0，c）；AB=（b，0，-a）；CB=（b，-c，0）

設(shè)平面ABC的法向量為n=（x，y，z），則有：

bx-cy=0

bx-az=0

令x=acb，解得n=（acb，a，c），設(shè)直線OA與面ABC的夾角為α，則有：

sinα=|OA·n||OA|·|n|=c²a²c³b²+c³+a²c

根據(jù)探測器的安裝高度，可以調(diào)節(jié)探測器的俯仰角度（探測器與直線OA的夾角，即α），還可據(jù)此確定探測器的相對位置。

（三）動(dòng)態(tài)圖像處理

對于動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理，主要集中在圖像整合處理器。利用圖像處理算法對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理和特征提取。煙霧探測圖像預(yù)處理階段包括圖像去噪、增強(qiáng)、邊緣檢測等操作，以提高圖像質(zhì)量和突出煙霧特征。特征提取是從處理后的圖像中提取出與煙霧相關(guān)的特征信息，如顏色、紋理、運(yùn)動(dòng)特性等。探測器會(huì)將提取出的煙霧特征與預(yù)先設(shè)定的煙霧特征模型進(jìn)行比對和匹配。如果匹配成功，即判斷為存在煙霧。利用圖像差分法計(jì)算圖像的連續(xù)幀或固定間隔圖像的差值，得到變化區(qū)域。假設(shè)A_t（x，y）圖像和A_t+n（x，y）圖像的視頻間隔為n幀，利用差分法計(jì)算后得到的圖像為ΔA_t（x.y），關(guān)系式如下：

ΔA_t=|A_t+n（x，y）-A_t（x，y）|

檢測到的圖像擴(kuò)散特性也具有一定規(guī)律。一般來說，在火災(zāi)初期，煙氣會(huì)沿火焰方向豎直擴(kuò)散，受頂棚阻擋，會(huì)向四周擴(kuò)散，因此探測到同一數(shù)值的圖像面積是不斷擴(kuò)大的。當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到中后期，煙霧面積一般又會(huì)有變小的趨勢。計(jì)算其面積動(dòng)態(tài)變化率ρ_s為：

ρ_s=|A_i-A_i-1A_i|

面積動(dòng)態(tài)變化率ρ_s是時(shí)刻變化的，不可能發(fā)生突變。在融合過程中，需要考慮不同信息源之間的互補(bǔ)性和相關(guān)性。由于不同探測器發(fā)出的信息源可能具有局限性，因此通過融合可以提高整體觀測性能。同時(shí)，考慮到信息之間的冗余性，以避免融合結(jié)果中的信息冗余和噪聲。圖像生成子單元用于根據(jù)無線信號(hào)，生成對應(yīng)的紅外熱成像圖和煙霧濃度等值線圖；圖像信息整合子單元用于根據(jù)可視化圖像、紅外熱成像圖、煙霧濃度等值線圖和預(yù)備的建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，整合成對應(yīng)的可視化圖像。

（四）圖像顯示

數(shù)據(jù)顯示部分為臺(tái)式數(shù)據(jù)顯示設(shè)備和移動(dòng)端顯示設(shè)備。其中，信息處理模塊包括臺(tái)式數(shù)據(jù)顯示單元，臺(tái)式數(shù)據(jù)顯示單元與圖像信息整合子單元連接，以顯示并推送可視化圖像。移動(dòng)端設(shè)備主要包括移動(dòng)無線接收單元和移動(dòng)顯示處理單元。移動(dòng)無線接收單元用于接收子單元發(fā)送的圖像信息或者火勢煙霧數(shù)據(jù)；移動(dòng)顯示處理單元用于整合圖像信息，生成并推送可視化圖像。通過移動(dòng)顯示處理單元將圖像信息轉(zhuǎn)化成可視化圖像，方便救援人員了解火災(zāi)現(xiàn)場的具體情況。一般情況下，移動(dòng)端設(shè)備與報(bào)警模塊一體化設(shè)置，能及時(shí)提醒救援人員，越危險(xiǎn)警報(bào)音量越大。同時(shí)，移動(dòng)端設(shè)備還包括GPS定位裝置，便于救援人員了解現(xiàn)場情況和人員位置。移動(dòng)端顯示面積A₀與所觀測實(shí)際面積A之間的比例關(guān)系如下k=f（A₀，A）：

k=A₀A

無墻壁阻隔的同一建筑空間在信息窗口顯示時(shí)，圖像中各點(diǎn)及移動(dòng)端顯示點(diǎn)與幾何中心點(diǎn)的關(guān)系為：

實(shí)際移動(dòng)端位置和火情變動(dòng)點(diǎn)與探測器基點(diǎn)位置關(guān)系H（x，y）如下：

臺(tái)式數(shù)據(jù)顯示單元可顯示圖像數(shù)據(jù)和手持移動(dòng)顯示器的GPS共享定位，便于后方監(jiān)控指揮救援作業(yè)，從而采取相應(yīng)的措施和確定最佳的滅火方案。

二、探測裝置

（一）火焰探測

火焰探測部分主要構(gòu)件為多個(gè)探測器裝置和與各個(gè)探測器裝置對應(yīng)設(shè)置的紅外探測器，其分布定位及編號(hào)信息會(huì)提前錄入信息處理模塊；紅外探測器測量可視范圍內(nèi)目標(biāo)的紅外線差，可以得到不同的熱紅外值，通過信號(hào)傳輸器傳輸?shù)叫畔⒕C合處理模塊。熱紅外輻射是由物體表面的熱能輻射而來，與物體表面的溫度密切相關(guān)。當(dāng)建筑內(nèi)可燃物燃燒出現(xiàn)火焰時(shí)，火焰溫度將高于周圍環(huán)境溫度，同時(shí)火焰會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生預(yù)熱，t時(shí)刻熱煙氣溫度與周圍環(huán)境溫度之差ΔT為：

ΔT=345log₁₀（8t+1）

（二）煙霧探測

通過內(nèi)置的攝像頭對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像拍攝。這些攝像頭會(huì)連續(xù)不斷獲取監(jiān)控區(qū)域的圖像，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行傳輸。在獲取到圖像后，利用圖像處理算法對圖像進(jìn)行一系列處理和分析。這個(gè)過程包括濾波、特征提取等，旨在提取圖像中與煙霧相關(guān)的特征信息。例如，圖像處理單元可能會(huì)分析圖像中的顏色變化，檢測是否有灰色或白色的煙霧區(qū)域；分析圖像的紋理變化，判斷是否有模糊或不規(guī)則的紋理出現(xiàn)，這些都可能是煙霧跡象。

為確保得到準(zhǔn)確的煙霧濃度值，監(jiān)測單元還包括多個(gè)依次排列成方陣的紅外發(fā)光二極管作為發(fā)射裝置以及設(shè)有紅外濾片的CCD攝像頭作為接收端。利用煙霧對紅外線的吸收和反射生成煙霧濃度信號(hào)，并傳輸至信息處理模塊。紅外發(fā)射裝置與接收裝置同時(shí)安裝在探測器裝置上，兩種光電器件成一定角度放置，采集多個(gè)紅外發(fā)射器對應(yīng)值，基于Lambert-Beer定律，可得到入射光強(qiáng)度I_in與出射光強(qiáng)度I_ou之間的關(guān)系：

T=I_ouI_in

上式中，T為光透率，c為濃度，l為光程，從而可以得到煙氣光學(xué)密度D和能見度V：

D=-lgT

D₀=DI=εc2.303

V=R2.303D₀

三、傳輸與儲(chǔ)存

為保證該探測器得到的信號(hào)可以在火災(zāi)高溫條件下傳輸，在火勢監(jiān)測模塊和信息處理模塊之間設(shè)有無線傳輸模塊。該傳輸模塊用于傳輸無線信號(hào)至信息處理模塊。一方面，可以避免電線損壞導(dǎo)致的信息失真；另一方面，對于距離沒有太大限制，方便救援人員在較遠(yuǎn)的距離接收火災(zāi)現(xiàn)場的火勢信號(hào)和煙霧信號(hào)，進(jìn)一步保護(hù)救援人員安全。

四、警報(bào)裝置

警報(bào)模塊包括閾值對比監(jiān)測模塊和蜂鳴報(bào)警器。蜂鳴報(bào)警器安裝在探測器中，為保證探測器和蜂鳴報(bào)警器在火場高溫條件下可以正常工作，探測器外殼選用保溫隔熱材料。蜂鳴報(bào)警器啟動(dòng)源于對探測器得到的數(shù)據(jù)的對比處理，主要經(jīng)閾值對比監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)，包括閾值對比圖像生成單元和無線信號(hào)發(fā)送單元。閾值對比圖像生成單GT6ER3dfqdG0jmcKLJt/GQ==元用于根據(jù)火勢煙霧數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)火勢煙霧數(shù)據(jù)生成閾值對比圖像，閾值對比圖像是一個(gè)可變動(dòng)的柱形圖。同時(shí)，閾值對比監(jiān)測模塊通過無線傳輸?shù)姆绞脚c蜂鳴報(bào)警器連接，蜂鳴報(bào)警器可根據(jù)超出閾值的大小關(guān)系改變警報(bào)聲音量。救援人員攜帶可接收閾值對比監(jiān)測模塊的移動(dòng)端設(shè)備，根據(jù)警報(bào)音量大小判斷是否在危險(xiǎn)區(qū)域，便于救援人員的火災(zāi)撲救。

結(jié)語

為解決現(xiàn)有的防火報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測火勢發(fā)展動(dòng)態(tài)單一化問題，本文通過監(jiān)測煙霧濃度、擴(kuò)散方向和燃燒火焰發(fā)展動(dòng)態(tài)相結(jié)合的方式，更精準(zhǔn)掌握火勢的發(fā)展趨勢，并將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化圖像，對于建筑火災(zāi)特殊燃燒形式的溫度和煙霧進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，有利于救援人員采取適當(dāng)?shù)木仍胧?，減少救援人員的救援風(fēng)險(xiǎn)。

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