王　丹

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200135)

基于視頻處理的隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

王丹

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200135)

摘要:為解決傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)延遲、誤報(bào)、反應(yīng)遲鈍等問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出基于視頻處理的火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的工作原理，并與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：基于視頻的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有智能化程度高、應(yīng)用和探測(cè)范圍廣、獲取信息的成本及誤報(bào)率低、響應(yīng)靈敏度高、抗干擾和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的研究具有積極的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:視頻圖像；火災(zāi)報(bào)警；技術(shù)對(duì)比

1基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究意義及創(chuàng)新

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，高速公路上的車輛越來(lái)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(wèn)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(zāi)，會(huì)給消防工作帶來(lái)相當(dāng)大的難度，經(jīng)濟(jì)損失在所難免，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成人員傷亡。

準(zhǔn)確地探測(cè)到火災(zāi)并在火災(zāi)發(fā)生的早期及時(shí)報(bào)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(zāi)的探測(cè)一般是通過(guò)探測(cè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)生成的煙、溫和光等物理參量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些物理量通過(guò)信號(hào)處理、比較、判斷后傳至火災(zāi)報(bào)警主機(jī)，并由其發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，典型的感煙、感溫火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)逐漸暴露出了無(wú)法迅速采集火災(zāi)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(duì)隧道火災(zāi)發(fā)生的早期進(jìn)行探測(cè)和預(yù)報(bào)的需求。為解決傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在使用中暴露出的問(wèn)題，迫切需要研究和生產(chǎn)一種適應(yīng)性強(qiáng)、報(bào)警迅速、延遲性小的新型火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比，彩色圖像火災(zāi)報(bào)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(duì)火災(zāi)進(jìn)行早期探測(cè)，從而達(dá)到預(yù)防火災(zāi)的目的，其是利用火災(zāi)的顏色、運(yùn)動(dòng)和幾何學(xué)等3個(gè)特性來(lái)準(zhǔn)確判斷的?；谝曨l圖像的火災(zāi)報(bào)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(dāng)前國(guó)內(nèi)外實(shí)施情況

隨著對(duì)火災(zāi)進(jìn)行感溫、感煙、感光的技術(shù)不斷發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)技術(shù)日益成熟。目前火災(zāi)探測(cè)技術(shù)市場(chǎng)中出現(xiàn)了很多分支，火焰和煙氣是其中兩個(gè)最大的分支。

美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的西蒙·弗教授早在1996年就開始嘗試在飛機(jī)貨倉(cāng)中應(yīng)用火災(zāi)視頻圖像的亮度信息進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)。1997年，中國(guó)科技大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了此類研究，研究利用彩色影像的二基色差分進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)與定位，并在“火盜力克”計(jì)算機(jī)圖像監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)中加以應(yīng)用。

3基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)原理

圖1　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)原理圖

基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的原理見圖1，通過(guò)處理高清攝像機(jī)采集到的火災(zāi)圖像得到相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析，從而得知火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)；若系統(tǒng)探測(cè)到隧道內(nèi)發(fā)生了火災(zāi)，則會(huì)立即對(duì)系統(tǒng)前端傳來(lái)的火災(zāi)圖像信息進(jìn)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(bào)警警報(bào)。從探測(cè)到隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)刻起，火災(zāi)報(bào)警控制終端會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)啟動(dòng)高清攝像機(jī)錄像功能，用以記錄火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)；此時(shí)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)立即將監(jiān)控中心電視墻畫面切換到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，使監(jiān)控員盡快發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并作出應(yīng)急預(yù)案。

普通彩色攝像機(jī)，是整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的圖像傳感器，負(fù)責(zé)采集隧道內(nèi)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像，并將圖像幀傳輸給火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)器，再由模式識(shí)別系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。由云臺(tái)控制器控制的攝像機(jī)鏡頭能夠?qū)D像進(jìn)行跟蹤，并通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦來(lái)獲得清晰的圖像和視頻。云臺(tái)和鏡頭最佳路徑的選取是通過(guò)控制控制器并結(jié)合獲取最佳圖像的需要進(jìn)行的。為更加精確地判斷火災(zāi)是否發(fā)生，系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)云臺(tái)控制器的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的巡航，圖像收集由鏡頭的清晰對(duì)焦成像來(lái)完成，從而保證攝像機(jī)獲取清晰的視頻圖像[1]。

4基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

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

1) 受環(huán)境影響較小。系統(tǒng)是通過(guò)光學(xué)鏡頭與外界發(fā)生接觸來(lái)獲取探測(cè)信號(hào)、通過(guò)電荷耦合器(Charge Coupled Device，CCD)攝像機(jī)來(lái)攝取視頻圖像的，而視頻中獲取的圖像又是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)處理的，這就使得視頻圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠免受被探測(cè)物的高度、空間大小和空間氣流的影響。在隧道中，為光學(xué)鏡頭配備防護(hù)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(bào)警。系統(tǒng)是通過(guò)處理實(shí)時(shí)的圖像來(lái)判斷火災(zāi)是否發(fā)生的。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，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(guò)實(shí)時(shí)分析和處理這些捕捉到的圖像，實(shí)現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生的早期進(jìn)行報(bào)警。

3) 自動(dòng)化程度高。在該系統(tǒng)中，人的視覺被攝像設(shè)備所代替，人的識(shí)別分析能力被檢測(cè)算法所代替。當(dāng)隧道中有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，自動(dòng)報(bào)警取代了人為的通知，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度較高的無(wú)人值守監(jiān)控場(chǎng)景。

4) 報(bào)警的準(zhǔn)確性高。系統(tǒng)通過(guò)分析研究火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息(火焰顏色、頻率、形態(tài)等)，運(yùn)用對(duì)火災(zāi)進(jìn)行識(shí)別的算法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)火災(zāi)進(jìn)行系統(tǒng)地判斷。避免了傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器(溫、光、煙)判斷依據(jù)單一的缺陷，有效地提高了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

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

基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有智能化和靈敏度高、獲取信息的成本和誤報(bào)率低、應(yīng)用和探測(cè)范圍廣、抗干擾性和適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行廣泛應(yīng)用有著非常積極的現(xiàn)實(shí)意義。

5基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

目前高速公路隧道中應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是基于光纖光柵的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。下面從工作原理、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)、光學(xué)性能和實(shí)現(xiàn)方式等方面，對(duì)基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1工作原理對(duì)比

兩種報(bào)警系統(tǒng)工作原理對(duì)比見表1。

表1　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)工作原理對(duì)比表

5.2關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的探測(cè)距離，主要由探測(cè)器鏡頭的焦距數(shù)來(lái)決定。對(duì)隧道應(yīng)用而言，符合產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)器，焦距越長(zhǎng)，探測(cè)距離越遠(yuǎn);而光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是通過(guò)自身材料的熱脹冷縮和熱光效應(yīng)來(lái)判斷火災(zāi)與否發(fā)生的，需在整個(gè)隧道鋪設(shè)光纖光柵。兩種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表2。

表2　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

5.3處理器設(shè)計(jì)對(duì)比

基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件都是基于嵌入式設(shè)計(jì)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(zāi)報(bào)警系統(tǒng)則是采用火災(zāi)探測(cè)信號(hào)處理器來(lái)完成信號(hào)的處理的。兩種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)對(duì)比見表3。

表3　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)處理器設(shè)計(jì)對(duì)比表

5.4光學(xué)性能對(duì)比

目前大多數(shù)基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中均采用雙光路多頻譜探測(cè)模式;而光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)則利用光纖纖芯物質(zhì)的光敏特性。兩種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的光學(xué)性能對(duì)比見表4。

5.5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比

兩種報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比見表5。

表4　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)光學(xué)性能對(duì)比表

表5　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比表

基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)論在工作原理還是技術(shù)指標(biāo)方面，都優(yōu)于光纖光柵型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，更能滿足市場(chǎng)和用戶的需求。

6基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用及前景

2014年末，四川省高速集團(tuán)對(duì)綿廣高速公路分石甕子和水嶺隧道進(jìn)行了改造，其中火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。這是該類型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)首次在四川高速公路上應(yīng)用。

2015年1月工程完工驗(yàn)收時(shí)，完成了隧道內(nèi)點(diǎn)火試驗(yàn)(見圖2)。以視頻圖像火災(zāi)探測(cè)100 m的距離為試驗(yàn)距離，以汽油為燃燒物，燃燒面積為0.2 m×0.2 m。系統(tǒng)預(yù)期最遠(yuǎn)探測(cè)范圍為150 m，點(diǎn)火時(shí)分別做了100 m、120 m及150 m的探測(cè)距離試驗(yàn)(見表6)。

表6　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由點(diǎn)火試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，有效果報(bào)警距離為150 m，響應(yīng)時(shí)間快、誤報(bào)率低，能夠滿足當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警的需求。

圖2　基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及報(bào)警圖像

2012年四川廣陜高速公路交工驗(yàn)收時(shí)，對(duì)明月峽隧道進(jìn)行了光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的點(diǎn)火試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7　光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)兩種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間上遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)早期報(bào)警的功能，對(duì)提前預(yù)防和控制火災(zāi)有著積極的作用。

基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，不僅能夠用在半封閉的隧道中，而且可以應(yīng)用于森林、大禮堂等空曠的場(chǎng)所。通過(guò)對(duì)兩種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)得知，基于視頻處理的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，在火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間和報(bào)警點(diǎn)的準(zhǔn)確度上，優(yōu)于傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

7結(jié)語(yǔ)

火災(zāi)是是最經(jīng)常、最普通地威協(xié)公共安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。越早控制火災(zāi)的發(fā)展，越能有效減少其給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的損失?；谝曨l處理的隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，能夠很好地解決火災(zāi)早期警報(bào)的難題，及時(shí)、準(zhǔn)確地提供火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等信息，可為應(yīng)急與救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]林宏. 火災(zāi)預(yù)警的機(jī)器視覺方法研究[D].昆明理工大學(xué)，2007.

收稿日期：2015-05-04

作者簡(jiǎn)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(hào)：1674-5949(2015)03-078-05

中圖分類號(hào)：TP277;U453

文獻(xiàn)標(biāo)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(fèi)取消

交通運(yùn)輸部、國(guó)家發(fā)改委日前印發(fā)了《關(guān)于調(diào)整港口船舶使費(fèi)和港口設(shè)施保安費(fèi)有關(guān)問(wèn)題的通知》(以下簡(jiǎn)稱《通知》)，要求規(guī)范船舶使費(fèi)收費(fèi)項(xiàng)目，港口經(jīng)營(yíng)人和引航機(jī)構(gòu)提供船舶進(jìn)出港服務(wù)，可收取引航(移泊)費(fèi)、拖船費(fèi)、停泊費(fèi)、圍油欄費(fèi)、駁船取送費(fèi)、特殊平艙費(fèi)以及垃圾處理、供水、供油、供電服務(wù)收費(fèi)等費(fèi)用，除此之外不得收取其他任何費(fèi)用。取消現(xiàn)行收取的靠墊費(fèi)，以及引航費(fèi)中的引航員滯留費(fèi)和引航計(jì)劃變更費(fèi)，將系解纜費(fèi)和開關(guān)艙費(fèi)并入停泊費(fèi)收取。

根據(jù)《通知》要求，我國(guó)將改進(jìn)船舶使費(fèi)計(jì)費(fèi)辦法。如航行國(guó)際航線船舶引航費(fèi)起碼計(jì)費(fèi)噸由500凈噸提高到2 000凈噸，40 001~80 000凈噸部分和超過(guò)80 000凈噸部分收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)(引航距離在10 n mile以內(nèi))分別降低到每?jī)魢?.45元、0.425元。節(jié)假日和夜間對(duì)航行國(guó)際航線船舶進(jìn)行引航和拖船作業(yè)的，引航費(fèi)和拖船費(fèi)加收的比例降為45%。《通知》還強(qiáng)調(diào)，港口經(jīng)營(yíng)人和引航機(jī)構(gòu)要嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的價(jià)格政策。

此外，交通運(yùn)輸部等部門還要求降低港口設(shè)施保安費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。如對(duì)外貿(mào)進(jìn)出口20 ft和40 ft重箱的港口設(shè)施保安費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)分別降低到每箱10元、15元，其他貨物收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)降低到每噸0.25元。