常 璐, 姬 祥

(西安建筑科技大學 信息與控制工程學院, 陜西 西安 710055)

?

自動消防水炮滅火系統(tǒng)

常 璐, 姬 祥

(西安建筑科技大學 信息與控制工程學院, 陜西 西安 710055)

介紹了自動消防水炮滅火系統(tǒng)的原理,主要分析了探測報警模塊和消防給水模塊,并對系統(tǒng)界面進行了設計。提出自動消防水炮滅火系統(tǒng)利用探測報警模塊探測火源,將火源信息傳遞給消防給水模塊,根據(jù)火源坐標位置和消防水炮當前位置計算轉動角度,實現(xiàn)火源初期探測和定點滅火,保證大空間建筑的消防安全。

大空間建筑; 自動消防水炮滅火系統(tǒng); 探測報警模塊; 界面設計

0 引 言

在大空間建筑中,由于人員密集、疏散工作困難、室內燃料堆置較多、防火等級高等問題,須提前做好防火措施,及時發(fā)現(xiàn)火源并完成撲救。因此,需要自動消防滅火系統(tǒng)能早期探測和精確定位火源,從而較好地預防火災的發(fā)生。

隨著計算機技術和圖像處理技術的快速發(fā)展,圖像型火災識別和定位技術成為近年來的研究熱點。結合大空間建筑的特殊性,傳統(tǒng)的滅火裝置已不能滿足大空間的防火需求。目前,在大空間建筑中火災探測技術方面的研究已取得了較大進步,智能型主動噴水滅火系統(tǒng)、自動消防水炮滅火系統(tǒng)應用較廣泛,主要原理都是火災自動探測技術和定位技術融合,并與消防炮相結合,實現(xiàn)火源定點撲救。

1 自動消防水炮滅火系統(tǒng)的原理

自動消防水炮滅火系統(tǒng)通過計算機來模擬人的雙目視覺系統(tǒng),同時與人工智能方法相結合,使得火災探測、掃描、定位以及滅火更加自動化、智能化,適用于在凈高度6～20 m間的空間中使用。具體原理是一旦發(fā)生火災,及時動態(tài)分析火災的特征信息,同時傳輸相應的數(shù)據(jù)信息給現(xiàn)場控制器,利用現(xiàn)場控制器控制消防炮,轉向火源位置,完成火源初期探測和定點滅火。系統(tǒng)優(yōu)點是參考火源距離,自動改變噴水方式,水流量較大,噴射較遠的距離,可以傳輸彩色圖像,應用范圍更廣,綜合性更強;缺點是在圖像處理的過程中,影響實時性和定位精度。

自動消防水炮滅火系統(tǒng)包括探測報警模塊和消防給水模塊[1-4]。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

自動消防水炮滅火工作原理:首先利用探測報警模塊探測火源,其次將火源信息傳遞給消防給水模塊,然后根據(jù)探測到火源的坐標位置和水炮當前位置計算轉動角度,最后啟動電動閥和消防水泵進行滅火。自動消防水炮滅火系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 自動消防水炮滅火系統(tǒng)工作流程

2 雙目視覺的原理

雙目立體視覺是計算機視覺中的重要分支,模仿了人類雙眼獲取圖像的原理,用兩個攝像頭對同一場景進行拍攝,獲取該場景在不同角度下的圖像對序列,再搜索圖像,通過對應同名點間的視差來判斷目標物體的空間位置和幾何形狀,從而獲取物體的三維信息[5]。

雙目視覺獲取圖像工作原理如圖3所示。三維空間中的任意一點P,用攝像機Ol進行拍攝,則在Ol上的成像點為pl,但在直線OlP上所有的點對應的成像點都在pl點,而且單靠Ol攝像機無法確定空間點P的三維坐標。如果有另外一個攝像機Or,P點在Or上的成像點pr。P點既在直線OrP上,又在直線OlP上,則空間點P的坐標就成為OrP和OlP兩直線的交叉點。通過坐標之間的關系和三角測量的原理就可以確定該點的三維坐標。

圖3 雙目視覺獲取圖像工作原理

如果兩個攝像頭能夠獲取到目標物體表面的所有點,則經(jīng)過計算就能得知目標物的全部三維坐標,就能完全恢復目標物的形狀和位置。以形狀規(guī)則的多面體為例,只需要獲知各個頂點的坐標信息,就能唯一確定該物體的形狀信息。在這種情況下,用簡單的雙目立體視覺就可以對該物體進行識別和定位,只需獲取幾個關鍵點就可以實現(xiàn)。

3 探測報警模塊

火災探測的基本原理是用一種敏感元件對火災氣體、煙霧、溫度和火焰等火災信息作出有效反應,并通過對火災信息參量的測量、分析,判斷被測區(qū)域是否有火災存在。

圖像型火災探測器利用攝像原理發(fā)現(xiàn)火災,由于給出的是圖像信號,因此具有很強的可視和火源空間定位功能,有助于減少誤報警和縮短火災確認時間,增加人員疏散時間和實現(xiàn)早期滅火。圖像火焰探測系統(tǒng)采用智能算法,將火災探測與圖像監(jiān)控有機結合,從而實現(xiàn)高大空間火災探測與監(jiān)控。相對于傳統(tǒng)的火焰探測器,圖像型火焰探測器提供了更多的火災信息,從而提高了火災探測的可靠性和靈敏性。

3.1 火焰識別

火焰在燃燒過程中存在迅速和持續(xù)的氧化現(xiàn)象,具有顏色鮮明、形狀不規(guī)則和閃爍等多方面的特征?；鹧娴撵o態(tài)特征和動態(tài)特征具有多種表征參數(shù),綜合兩者才能設計出準確性和普適性較高的算法。通過對火災圖像中火焰進行研究分析,將利用火焰的特征對火焰進行識別,從而設計出能滿足視頻火焰檢測的實時性、魯棒性和準確性的檢測系統(tǒng)。

基于視頻的火災探測方法中常用到的特征[6]有面積變化、邊緣變化、形體變化、閃動規(guī)律和整體移動。基于圖像的火災探測方法中常用到的特征有顏色特征、邊緣、角點和區(qū)域。

探測報警模塊主要采用文獻[7]提出的基于改進層次聚類和SVM的圖像型火焰識別算法進行火焰識別,該算法主要根據(jù)火焰顏色和亮度信息檢測出火焰像素,并用多幀的火焰顏色分割結果構成運動累計矩陣,實現(xiàn)一次分割。然后使用改進的層次聚類法獲得包括火焰連通區(qū)域的最小特征,在此矩形內將本組RGB圖像二值化,獲得火焰疑似區(qū)域。最后提取本組中疑似火焰區(qū)域的相關性、面積變化率、紅綠分量比、亮度均值、形心位移5個特征,作為SVM的輸入變量,實現(xiàn)火災綜合判定。

3.2 火焰定位

火焰定位是指根據(jù)火焰的圖像信息準確計算出火焰的深度信息,是自動消防水炮滅火中重要功能之一。

在提取出疑似火焰區(qū)域的輪廓后,可以計算出疑似火焰的多種靜態(tài)特征。根據(jù)對特征矩的定義,火焰的質心和一階矩特性可以用來表示火焰的形體特征信息。用式(1)計算出的火焰區(qū)域的零階矩M00即為該區(qū)域的面積大小[7],而火焰區(qū)域在x、y方向的一階矩M10用來計算火焰的質心。

(x,y)=(M10/M00,M01/M00)

(1)

由式(1)可計算出左右兩幅圖像中火焰的質心,然后將兩幅圖像火焰的質心作為匹配點,對輸入攝像機的投影矩陣來計算火焰的深度信息。

4 消防給水模塊

消防水炮由消防炮體、現(xiàn)場控制器組成,結合微控技術、機械轉動控制技術、圖像傳輸技術、圖像匹配技術、計算機視覺原理,自動尋找著火點,精確定位并有效快速撲滅火源;根據(jù)著火點遠近,自動進行直流柱狀或噴霧散花式射水,有效滅火,同時保護人身及財物安全;具有現(xiàn)場手動操作控制及圖像顯示功能;可根據(jù)其他消防報警系統(tǒng)的聯(lián)動信號進行強制啟動探測火源;并可進行地面靈敏度參數(shù)設置及調試。消防給水模塊的主要原理是計算控制云臺當前位置到目標位置的轉動角度,然后轉動水泵到火源方向,最后噴射水來達到定點滅火的目的。消防水炮適用于石油化工企業(yè)、儲罐區(qū)、飛機庫、倉庫、港口碼頭、車庫等場所,性能特點如下:

(1) 流量大,射程遠,撲滅早期火災更迅速。

(2) 轉動機構具有離合功能,有效保護電機。

(3) 帶有電動操作柱狀/霧狀噴嘴。

(4) 雙波段探測,有效提高抗干擾能力。

(5) 具有現(xiàn)場手動人工操控功能。

(6) 具有圖像傳輸現(xiàn)場畫面功能。

(7) 具有與其他消防報警系統(tǒng)聯(lián)動功能。

(8) 現(xiàn)場地面靈敏度參數(shù)設置,方便調試。

(9) 可遠距離控制,最遠可達1 200 m。

(10) 重量輕,結構緊湊,維修簡便。

5 系統(tǒng)界面設計

設計良好的界面能夠引導用戶完成相應的操作。界面設計應遵循易用性、規(guī)范性、合理性、美觀與協(xié)調性、獨特性等基本原則。自動消防水炮滅火系統(tǒng)的模擬界面如圖4所示。

圖4 自動消防水炮滅火系統(tǒng)的模擬界面

6 結 語

在大空間中自動消防水炮滅火系統(tǒng)的設計是一項復雜的工作,由于很多大空間建筑都是超規(guī)范的,因此需要相關的專家根據(jù)建設工程使用功能和消防安全要求,運用消防安全工程學原理,對建設工程消防設計方案進行綜合分析評估,以確保大空間建筑的消防安全。

[1] 李玉臻,聶品,劉炳海,等.大空間場所火災早期預報和自動滅火技術應用[J].消防科學與技術,2005,24(2):202-204.

[2] 茍紅英,劉拓.各種自動滅火系統(tǒng)在消防設計中的靈活應用[J].山西建筑,2013,39(5):113-114.

[3] 王朝霞,張鳳,李玉,等.淺析大空間建筑消防[J].價值工程,2010,29(23):95-95.

[4] 謝志宏,葉浩生.大空間火災自動報警系統(tǒng)設計[J].安裝,2014(2):27-29.

[5] 周芳.雙目視覺中立體匹配算法的研究與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學,2013.

[6] 榮建忠.基于多特征的火焰圖像探測研究及實現(xiàn)[D].合肥:中國科學技術大學,2012.

[7] 賈陽,王慧琴,胡燕,等.基于改進層次聚類和SVM的圖像型火焰識別[J].計算機工程與應用,2014(5):165-168.

【編輯部聲明】

本刊已許可萬方數(shù)據(jù)、重慶維普、中國學術期刊(光盤版)電子雜志社在其網(wǎng)站及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中以數(shù)字化方式復制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡傳播本刊全文。該社著作權使用費與本刊相關費用抵消。如作者不同意文章被收錄，請在來稿時向本刊聲明，本刊將做適當處理。

《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部

Design of Automatic Fire Gun System in Large Space BuildingCHANG Lu, JI Xiang

This paper introduced the principle of automatic fire gun system in large space building,and mainly analyzed the detection alarm module and fire water supply module.The system interface was designed.It is pointed out that the automatic fire gun system detects the fire sourec through the detection alarm module,and the informations of the fire source are transmitted to the fire water supply module.According to the positions of fire source and fire gun,the rotation angle of fire gun is calculated.The automatic fire gun system realizes the early fire detection and orientating fire extinguishing,and ensures the fire safety of the large space building.

large space building; automatic fire gun system; detection alarm module; interface design

姬 祥(1990—),男,碩士研究生,研究方向為控制工程。

常 璐(1989—),女,碩士研究生,研究方向為圖像處理、計算機技術。

TU 892

B

1674-8417(2016)12-0016-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.12.004

2016-05-28

(Information and Control Engineering School, Xi’an University of
Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)