【摘 要】 飛機(jī)貨倉(cāng)可燃物較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)發(fā)展迅猛，具有較大的撲救難度。此外，飛機(jī)火災(zāi)很難進(jìn)行有效的人員疏散，易造成較大人員傷亡。因此在早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并撲滅火災(zāi)具有重要意義。但是，目前常用的光電感煙探測(cè)產(chǎn)品易受環(huán)境條件的干擾，誤報(bào)率較高。圖像感煙探測(cè)產(chǎn)品是基于機(jī)器視覺(jué)和圖像處理的智能化火災(zāi)探測(cè)新產(chǎn)品，尤其適用于飛機(jī)貨倉(cāng)中進(jìn)行快速火災(zāi)探測(cè)和火災(zāi)確認(rèn)。本文介紹了圖像感煙探測(cè)產(chǎn)品及相關(guān)的幾種常見(jiàn)的煙霧識(shí)別技術(shù)，并介紹了飛機(jī)貨倉(cāng)中圖像火災(zāi)探測(cè)產(chǎn)品的應(yīng)用研究。最后分析并總結(jié)了圖像感煙火災(zāi)探測(cè)產(chǎn)品在飛機(jī)貨倉(cāng)火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 火災(zāi)探測(cè) 光電感煙探測(cè)器 圖像感煙探測(cè)器 飛機(jī)火災(zāi)

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.07.006

1 前言

目前，飛機(jī)貨倉(cāng)中安裝的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)通常為光電感煙火災(zāi)探測(cè)器，這類探測(cè)器的誤報(bào)率非常高，通常達(dá)到90%以上，主要有以下幾方面原因：

（1）飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境條件（如溫度、濕度、壓強(qiáng)、電磁干擾、地面裝卸設(shè)備的尾氣排放）的改變?cè)斐商綔y(cè)器靈敏度發(fā)生變化；

（2）飛機(jī)制造者對(duì)于探測(cè)器使用環(huán)境的了解不足或者是探測(cè)器制造商對(duì)于航空環(huán)境的了解不足；

（3）探測(cè)器的穩(wěn)定性發(fā)生變化；

（4）貨倉(cāng)中貨物運(yùn)輸揚(yáng)起的灰塵的干擾；

（5）盥洗室中水霧的干擾；

（6）探測(cè)器長(zhǎng)期使用被污染未及時(shí)清理。

飛機(jī)貨倉(cāng)可燃物較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)發(fā)展迅猛，具有較大的撲救難度，此外，飛機(jī)火災(zāi)很難進(jìn)行有效的人員疏散，易造成較大人員傷亡。目前飛機(jī)通常使用的是光電感煙火災(zāi)探測(cè)器，但是根據(jù)FAA技術(shù)中心David Blake[1]等人的統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)上現(xiàn)有火災(zāi)探測(cè)器的誤報(bào)率在90%以上。為保證安全，飛機(jī)上一旦發(fā)生火警信號(hào)時(shí)，必須按真火警程序進(jìn)行處置。因此，在飛機(jī)貨艙發(fā)生火災(zāi)后，飛行員會(huì)立刻啟動(dòng)滅火系統(tǒng)，然后緊急降落。然而過(guò)多的假火警會(huì)給航空公司帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)于飛機(jī)上的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高誤報(bào)率是不可接受的。

根據(jù)國(guó)際上通常使用的航空標(biāo)準(zhǔn)FAR/JAR 25.858規(guī)定，飛機(jī)上的火災(zāi)探測(cè)及確認(rèn)時(shí)間不能超過(guò)60s。因此，如何在進(jìn)行快速火災(zāi)探測(cè)的同時(shí)避免誤報(bào)的發(fā)生，一直是困擾飛機(jī)上火災(zāi)探測(cè)的技術(shù)難題。

近年來(lái)，火災(zāi)探測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，可靠性更高的智能型探測(cè)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。圖像火災(zāi)探測(cè)技術(shù)具有響應(yīng)速度快、探測(cè)距離遠(yuǎn)、保護(hù)范圍大的特點(diǎn)，并可自動(dòng)切換現(xiàn)場(chǎng)圖像便于進(jìn)行快速火災(zāi)確認(rèn)。此外，圖像火災(zāi)探測(cè)技術(shù)不受溫濕度、氣流、壓強(qiáng)等環(huán)境條件的影響，尤其適用于飛機(jī)貨倉(cāng)等特殊受限空間中的快速、低誤報(bào)火災(zāi)探測(cè)需求。

2 煙霧圖像特征分析

飛機(jī)貨倉(cāng)中，由于擺放的貨物較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒的火焰易被貨物遮擋而無(wú)法被攝像機(jī)捕捉到，因此，飛機(jī)貨倉(cāng)中宜選擇圖像感煙火災(zāi)探測(cè)技術(shù)。

煙霧圖像探測(cè)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)煙霧圖像的空間分布和擴(kuò)散特性選取特征識(shí)別方法，并與干擾圖像有效區(qū)分開(kāi)。煙霧特征識(shí)別方法通常包括以下幾種：

2.1 顏色特征

火災(zāi)煙霧具有特定的顏色分布，陰燃產(chǎn)生的煙霧通常為灰白色，而明火產(chǎn)生的煙霧通常為灰黑色。因此，可通過(guò)建立煙霧顏色分布模型來(lái)分析和判斷視頻圖像中各個(gè)區(qū)域像素的顏色或亮度分布來(lái)辨識(shí)火災(zāi)煙霧。由于顏色模型原理簡(jiǎn)單、計(jì)算量較低，因此是最常用的煙霧圖像特征。Chen[2]的研究通過(guò)在RGB顏色空間中建立相應(yīng)的煙霧顏色分布模型來(lái)進(jìn)行火災(zāi)煙霧識(shí)別。

2.2 模糊特征

煙霧的模糊特征是指在煙霧遮擋下，背景圖像中物體的邊緣逐漸變模糊的圖像特征。

圖1 背景圖像

圖2 煙霧模糊特征圖像

圖1所示圖像中，白色墻壁邊緣清晰可見(jiàn)。對(duì)比圖2有煙霧的圖像，可以看出煙霧遮擋了背景圖像，造成白色墻壁邊緣變得模糊不清，這就是煙霧的模糊特征。B.U.Toreyin[3]對(duì)背景圖像和煙霧圖像分別進(jìn)行小波變化，比較變換前后背景物體邊緣能量譜的變化來(lái)提取煙霧的模糊特征。

2.3 紋理特征

紋理就是通常意義的花紋，紋理是由許多相互接近的、互相編織的元素構(gòu)成，有的紋理還具有周期性。煙霧圖像同樣具有紋理特征。煙霧圖像具有不同層次的灰度空間分布，但同時(shí)又不具有清晰的紋理邊緣，這就構(gòu)成了煙霧圖像獨(dú)特的紋理分布特征。紋理特征的提取通常首先計(jì)算圖像的灰度共現(xiàn)矩陣（GLCM），然后利用模式識(shí)別計(jì)算對(duì)矩陣的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類識(shí)別，以判斷是否為煙霧圖像。Yu Cui[4]利用小波分析和灰度共現(xiàn)矩陣（GLCM）來(lái)提取和分析煙霧的紋理特征，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征值進(jìn)行分類。

2.4 輪廓特征

輪廓特征提取是圖像處理常用的特征分析方法。煙霧的輪廓形狀具有不規(guī)則性，且其分布特征隨著時(shí)間和空間不斷變化。熊子佑[5]研究并提出了一種煙霧輪廓特征識(shí)別方法，該方法將煙霧圖像的輪廓和面積的像素個(gè)數(shù)帶入到特定的方程中，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)描述煙霧輪廓的不規(guī)則特征。

2.5 運(yùn)動(dòng)特征

煙霧是一種湍流現(xiàn)象，具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特征。Yuan[6]的研究提出了基于多幀圖像累積的視頻煙霧檢測(cè)方法，由于連續(xù)幀的計(jì)算相對(duì)較復(fù)雜，為了加快計(jì)算速度，該方法基于模板匹配技術(shù)對(duì)圖像分塊統(tǒng)計(jì)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)方向，并在連續(xù)幀中，計(jì)算運(yùn)動(dòng)方向的累積量，從而實(shí)現(xiàn)煙霧運(yùn)動(dòng)特征的提取。

3 飛機(jī)圖像火災(zāi)探測(cè)產(chǎn)品技術(shù)研究

德國(guó)杜伊斯堡大學(xué)火災(zāi)探測(cè)實(shí)驗(yàn)室的Wolfgang[7]開(kāi)發(fā)了飛機(jī)貨艙火災(zāi)圖像確認(rèn)系統(tǒng)（Cargo Fire Verification System，簡(jiǎn)寫(xiě)為CFVS），旨在降低飛機(jī)貨倉(cāng)中使用的傳統(tǒng)感煙探測(cè)技術(shù)誤報(bào)的影響，該CFVS系統(tǒng)采用了圖像感煙探測(cè)技術(shù)。為了研究飛機(jī)貨倉(cāng)中煙霧圖像特征，該研究在飛機(jī)貨倉(cāng)中拍攝了煙霧視頻，如圖3為視頻截圖。

圖3 A340-500飛機(jī)貨倉(cāng)中煙霧視頻截圖

為了比較CFVS系統(tǒng)與傳統(tǒng)光電感煙探測(cè)器的探測(cè)性能的差別，該研究建立了A340-500型飛機(jī)貨倉(cāng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置（如圖4），并在其中安裝了CFVS系統(tǒng)和A340-500型飛機(jī)上所使用的感煙探測(cè)器。通過(guò)實(shí)體火試驗(yàn)和干擾試驗(yàn)比較了兩種探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能和抗干擾能力。結(jié)果表明，CFVS系統(tǒng)在所有實(shí)體火試驗(yàn)中都比A340感煙探測(cè)系統(tǒng)早20s～350s，在粉塵試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，CFVS系統(tǒng)未發(fā)生誤報(bào)，而光電感煙探測(cè)器隨著粉塵濃度的增加發(fā)生誤報(bào)。

4 結(jié)論與討論

圖像感煙火災(zāi)探測(cè)產(chǎn)品在飛機(jī)上的應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）響應(yīng)速度快。傳統(tǒng)的光電感煙探測(cè)器，需煙霧到達(dá)探測(cè)器位置才會(huì)有所響應(yīng)，而火災(zāi)早期煙霧的運(yùn)動(dòng)速度是非常緩慢的。煙霧圖像探測(cè)技術(shù)利用CCD攝像機(jī)采集監(jiān)控場(chǎng)景圖像信息，以光為傳播媒介，不受空間的限制，響應(yīng)速度優(yōu)于感煙探測(cè)器。

（2）為火災(zāi)確認(rèn)提供便利。發(fā)生火警后，飛行員可利用圖像火災(zāi)探測(cè)器的采集前端直接切換出監(jiān)控場(chǎng)景視頻信息，判斷是否為真火警。圖像火災(zāi)探測(cè)可為火災(zāi)確認(rèn)提供直觀的圖像信息，極大地提高了飛機(jī)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

（3）提供火源位置信息?；鹪炊ㄎ患夹g(shù)能為滅火系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的火源點(diǎn)位置信息，對(duì)于快速準(zhǔn)確的撲滅火災(zāi)具有重要意義。圖像火災(zāi)探測(cè)技術(shù)可通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法將監(jiān)控場(chǎng)景圖像中的像素坐標(biāo)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中物體的三維位置建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而在發(fā)生火災(zāi)時(shí)給出火源的位置信息，這便于飛機(jī)上發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行快速火災(zāi)確認(rèn)和進(jìn)行及時(shí)有效的火災(zāi)撲救。

綜上所述，圖像感煙火災(zāi)探測(cè)器能夠更好地滿足飛機(jī)貨倉(cāng)中火災(zāi)探測(cè)需求，在飛機(jī)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[7]Wolfgang Krull，Ingolf Willms，Radoslaw R.Zakrzewski， Mokhtar Sadok，Jeff Shirer，Bob Zeliff.Design and test methods for a video-based cargo fire verification system for commercial aircraft[J]. Fire Safety Journal 41（2006）， p290-300.

作者簡(jiǎn)介

高鍇，高級(jí)工程師，碩士，從事防火工作18年。曾發(fā)表多篇火災(zāi)探測(cè)技術(shù)方面論文，其中《人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在高靈敏吸氣型感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用》獲得中國(guó)消防協(xié)會(huì)電氣防火專業(yè)委員會(huì)第十四次學(xué)術(shù)討論會(huì)一等獎(jiǎng)。