湯曉芳
(浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 浙江省杭州市 310012)
自總線制火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以來(lái),以火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警為核心的消防系統(tǒng)已經(jīng)普及,實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)按相關(guān)規(guī)范要求確定是否設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)旨在火災(zāi)早期通過(guò)火災(zāi)探測(cè)設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi),通過(guò)報(bào)警設(shè)備發(fā)送火災(zāi)警報(bào),并通過(guò)聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備盡早控制火災(zāi),減小甚至避免火災(zāi)帶來(lái)的損害?;馂?zāi)發(fā)生時(shí)常伴有煙霧、高溫、火光等現(xiàn)象,火災(zāi)探測(cè)器通過(guò)檢測(cè)上述物理量,獲知火災(zāi)的發(fā)生。目前常用的火災(zāi)探測(cè)器主要為感煙、感溫、感光等幾種傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器。感煙傳感器用于對(duì)火災(zāi)初期陰燃階段產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行檢測(cè);光電傳感器用于響應(yīng)火災(zāi)的光特性;感溫傳感器安裝在升溫較快或不適用感煙傳感器的場(chǎng)所,用于監(jiān)測(cè)火災(zāi)時(shí)溫度的上升。傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器需要火焰亮度、煙霧濃度、溫度等參數(shù)達(dá)到一定閾值才能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),因此報(bào)警存在一定的延遲。同時(shí),傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器不適用于開(kāi)放空間、大空間等場(chǎng)所,如大型商場(chǎng)、停車場(chǎng)、戶外場(chǎng)所等[1]。采用多傳感器探測(cè)信息融合技術(shù)可在一定程度上提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)準(zhǔn)確率和可靠性,但系統(tǒng)復(fù)雜且不經(jīng)濟(jì),實(shí)際項(xiàng)目中絕大部分場(chǎng)所仍根據(jù)場(chǎng)所的主要特征選擇設(shè)置其中一種火災(zāi)探測(cè)器。近年來(lái),基于圖像的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)成為消防報(bào)警領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-5]。圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)利用攝像機(jī)作為火災(zāi)探測(cè)器,由于攝像機(jī)的安裝不受場(chǎng)所、環(huán)境的限制,探測(cè)距離大,檢測(cè)更加直觀,可以對(duì)更大的空間進(jìn)行監(jiān)控,因而可以在很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器的不足。
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已應(yīng)用的基于視頻圖像探測(cè)的火災(zāi)報(bào)警技術(shù),主要分為2 類,一類是以特殊攝像機(jī)為火災(zāi)探測(cè)器的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)不兼容;另一類利用現(xiàn)有安防系統(tǒng)攝像機(jī)為火災(zāi)探測(cè)器[6],使用計(jì)算機(jī)模式識(shí)別技術(shù)對(duì)視頻圖像進(jìn)行火焰、煙霧識(shí)別,針對(duì)煙霧和火焰識(shí)別的兩套軟件系統(tǒng)可同時(shí)運(yùn)行。無(wú)論哪種火災(zāi)類型,均可在視頻圖像內(nèi)出現(xiàn)火焰或煙霧的幾十秒內(nèi)被快速識(shí)別并報(bào)警[7]。
圖1:視頻火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)框架圖
但基于視頻監(jiān)控的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)也有其局限性。由于視頻攜帶信息量較大,不適用于對(duì)隱私要求較高的場(chǎng)所。目前基于圖像的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)有針對(duì)火焰和煙霧進(jìn)行識(shí)別兩種算法[8],在用于廚房等特殊場(chǎng)所時(shí)會(huì)降低算法的識(shí)別度。故而集成火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在一定的必要性。利用計(jì)算機(jī)綜合分析火災(zāi)報(bào)警控制器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警信息,可提高報(bào)警的實(shí)時(shí)性與有效性。同時(shí),隨著數(shù)字化攝像機(jī)的普及,利用安防系統(tǒng)攝像機(jī)作為視頻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的信息采集端,在硬件設(shè)計(jì)上可避免對(duì)已有硬件設(shè)備和連接回路的改動(dòng),且發(fā)揮基于視頻圖像的火災(zāi)報(bào)警技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
視頻火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)總體框架如圖1所示,火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)包括傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器、火災(zāi)報(bào)警控制器(聯(lián)動(dòng)型)及相關(guān)消防設(shè)備;視頻監(jiān)控子系統(tǒng)包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及攝像機(jī)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備?;馂?zāi)報(bào)警控制器接收、顯示和傳輸來(lái)自探測(cè)器或手動(dòng)報(bào)警設(shè)備的報(bào)警信號(hào),并對(duì)消防設(shè)備發(fā)出控制信號(hào),聯(lián)動(dòng)消防設(shè)備工作?;馂?zāi)報(bào)警控制器通過(guò)雙絞線或光纖等物理傳輸媒介與本地服務(wù)器連接,服務(wù)器設(shè)于消防控制室或者監(jiān)控機(jī)房,內(nèi)設(shè)各種不同軟件功能模塊,實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警控制器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通信連接,對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與火災(zāi)識(shí)別,對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)信息進(jìn)行綜合決策,并將報(bào)警信息或數(shù)據(jù)上傳至上級(jí)消防報(bào)警中心。當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)或火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)線路發(fā)生故障時(shí),另一系統(tǒng)仍可獨(dú)立工作。整個(gè)系統(tǒng)包含信息采集、通信、圖像分析、報(bào)警推送等幾個(gè)部分。
視頻火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端包括傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警設(shè)備的報(bào)警信號(hào)通過(guò)總線傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。控制器對(duì)探測(cè)器傳輸過(guò)來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行分析判斷,同時(shí)可接收其他手動(dòng)報(bào)警設(shè)備觸發(fā)的火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。攝像機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻采集,通過(guò)RTSP 協(xié)議上傳至邊緣視頻接入網(wǎng)關(guān)。攝像機(jī)使用安防系統(tǒng)數(shù)字化攝像機(jī),可通過(guò)網(wǎng)線直連局域網(wǎng)或通過(guò)NVR、DVR等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。利用NVR、DVR等設(shè)備時(shí)錄像可本地存儲(chǔ)。
火災(zāi)報(bào)警控制器對(duì)探測(cè)器傳輸過(guò)來(lái)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷,同時(shí)可接受其他手動(dòng)報(bào)警設(shè)備觸發(fā)的火災(zāi)報(bào)警信號(hào),發(fā)出聲光報(bào)警,并聯(lián)動(dòng)排煙風(fēng)機(jī)、消防水泵等消防設(shè)備動(dòng)作。對(duì)于規(guī)模較大的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng),圖1 中的火災(zāi)報(bào)警控制器為集中控制器。消防聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用“區(qū)域-集中”的聯(lián)網(wǎng)方案,區(qū)域火災(zāi)報(bào)警控制器控制局部區(qū)域的消防報(bào)警和聯(lián)動(dòng)設(shè)備,信息上傳集中控制器,實(shí)現(xiàn)消防網(wǎng)絡(luò)的分層管理,便于集中管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制器?;馂?zāi)報(bào)警控制器通過(guò)雙絞線或光纖等物理傳輸媒介與本地服務(wù)器相連接,將探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕等的報(bào)警、控制器手動(dòng)或自動(dòng)工作狀態(tài)、消防設(shè)備狀態(tài)等信息傳輸至服務(wù)器。
對(duì)攝像機(jī)獲取的視頻圖像的預(yù)處理、火災(zāi)圖像算法分析與識(shí)別均在服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)。對(duì)視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析對(duì)服務(wù)器性能要求較高,數(shù)據(jù)計(jì)算量巨大,以往要實(shí)現(xiàn)視頻圖像實(shí)時(shí)分析需要配建大規(guī)模的服務(wù)器及附屬機(jī)房,現(xiàn)階段在服務(wù)器中安裝高密度GPU 模塊進(jìn)行硬件支持,單機(jī)即可處理大量的視頻結(jié)構(gòu)化信息,可滿足視頻圖像實(shí)時(shí)處理分析的需求。
服務(wù)器火災(zāi)信息實(shí)時(shí)分析軟件包括協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、視頻接入網(wǎng)關(guān)、圖像處理算法模塊與中控模塊,完成火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警器報(bào)警信息及基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警信息的輸入與輸出。目前不同廠家的火災(zāi)報(bào)警控制器具有不同的通訊協(xié)議,協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將各類不同通信格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式再提供給中控模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同火災(zāi)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一操作的功能。視頻接入網(wǎng)關(guān)模塊拉取RTSP 視頻流并抽取關(guān)鍵幀,調(diào)用圖像處理算法模塊對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并做出判斷。若識(shí)別到火災(zāi)則將報(bào)警信息傳輸至中控模塊。中控模塊同時(shí)接收火災(zāi)報(bào)警控制器和視頻接入網(wǎng)關(guān)的報(bào)警信息,根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則進(jìn)行綜合決策,將火災(zāi)報(bào)警信息轉(zhuǎn)換成設(shè)備的告警事件,可通過(guò)各手機(jī)廠商推送服務(wù)(如蘋(píng)果的APNS、華為的HMS 等)向管理人員發(fā)送報(bào)警信息,并將報(bào)警事件做持久化存儲(chǔ),便于后續(xù)查詢。不同于以往火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)依賴于硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),基于視頻監(jiān)控圖像的火災(zāi)識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)算法的改進(jìn)、軟件的更新迭代即可進(jìn)行逐步優(yōu)化。
圖2:傳統(tǒng)圖像識(shí)別與深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別過(guò)程
火災(zāi)報(bào)警控制器有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式,無(wú)論系統(tǒng)工作狀態(tài)如何設(shè)置,手動(dòng)功能均有效并優(yōu)先。在自動(dòng)模式下,發(fā)生火災(zāi)時(shí),不需要人工確認(rèn)即可按預(yù)定的火災(zāi)模式直接啟動(dòng)相關(guān)消防設(shè)備。在手動(dòng)模式下,發(fā)生火災(zāi)時(shí)需要人工確認(rèn),若發(fā)現(xiàn)為誤報(bào)則人工復(fù)位報(bào)警控制器,若確實(shí)發(fā)生火災(zāi),則進(jìn)行火災(zāi)確認(rèn)操作。視頻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警源可以是計(jì)算機(jī)軟件識(shí)別到攝像機(jī)視頻中出現(xiàn)明火及煙霧,也可以是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警信號(hào)或人工觸發(fā)的報(bào)警信號(hào)。若報(bào)警源為傳統(tǒng)探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)或手動(dòng)報(bào)警信號(hào),火災(zāi)報(bào)警控制器主機(jī)發(fā)送指令讓防排煙、消防水泵等消防設(shè)備動(dòng)作。通過(guò)預(yù)錄入的探測(cè)器和攝像頭位置信息,服務(wù)器可根據(jù)報(bào)警信息自動(dòng)尋址到報(bào)警信號(hào)發(fā)生附近的攝像頭,視頻監(jiān)控系統(tǒng)可將畫(huà)面自動(dòng)切換至起火位置的視頻圖像。若報(bào)警源為服務(wù)器火災(zāi)識(shí)別算法結(jié)果,則通過(guò)各手機(jī)廠商推送服務(wù)(如蘋(píng)果的APNS、華為的HMS 等)向管理人員發(fā)送報(bào)警信息,管管理人員可通過(guò)實(shí)時(shí)視頻查看現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài),進(jìn)行火災(zāi)確認(rèn),若出現(xiàn)誤報(bào)可及時(shí)復(fù)位火災(zāi)報(bào)警控制器,避免誤報(bào)且減少報(bào)警延時(shí)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)控制器的外部聯(lián)動(dòng)技術(shù),可將服務(wù)器火災(zāi)圖像識(shí)別算法結(jié)果作為輸出節(jié)點(diǎn),火災(zāi)報(bào)警控制器主機(jī)的輸入模塊作為信號(hào)輸入點(diǎn),實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)時(shí)對(duì)消防設(shè)備的聯(lián)動(dòng)。也可通過(guò)在服務(wù)器端利用相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)。
視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的火災(zāi)識(shí)別主要利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)視頻圖像的火焰、煙霧進(jìn)行識(shí)別。圖像處理算法模塊通常包括圖像預(yù)處理、特征提取、分類識(shí)別等步驟,如圖2所示。圖像預(yù)處理主要對(duì)視頻圖像進(jìn)行過(guò)濾、歸一化和降維處理,以提高識(shí)別度,減少計(jì)算量[2]。運(yùn)行相關(guān)識(shí)別算法完成煙霧或火焰等特征提取后,可將獲取的特征向量輸入分類器,通過(guò)分類器(如LR 邏輯回歸算法或SVM 支持向量機(jī))輸出檢測(cè)結(jié)果[3]。若檢測(cè)到異常,則將時(shí)間、事件類型等信息上傳至中控模塊,由中控模塊作出決策后傳輸報(bào)警信息?;跈C(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別算法的研究是近幾年的主流研究方向,如CNN 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[2-3]。近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)巨頭在智能視頻監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用的算法主要為CNN 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,已在車牌識(shí)別、安防等領(lǐng)域取得一定的成果。理論上通過(guò)編寫(xiě)不同的圖像識(shí)別算法程序,識(shí)別精度可根據(jù)算法的更新迭代而不斷提高。
基于視頻圖像的火災(zāi)探測(cè)可利用現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備,在現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良,大大降低開(kāi)發(fā)成本和復(fù)雜程度,且具有以下優(yōu)勢(shì):
(1)實(shí)時(shí)性高,報(bào)警響應(yīng)速度快。因?yàn)橐曨l監(jiān)控設(shè)備對(duì)光的反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)探測(cè)器對(duì)溫度、煙霧濃度等參數(shù)的反應(yīng)速度,視頻圖像火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)反應(yīng)較快;
(2)可探測(cè)范圍更廣,為能在更早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)提供了可能;(3)可視化報(bào)警,視頻信號(hào)可提供火災(zāi)位置信息,可以記錄事件發(fā)生的過(guò)程,而不像煙感、溫感只提供大致的地址信息[9]。
此外,傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)為了降低誤報(bào)率,經(jīng)常將自動(dòng)模式關(guān)閉,啟用手動(dòng)模式,存在較大的安全隱患。若能自動(dòng)推送報(bào)警信息,可以在一定成都上彌補(bǔ)這個(gè)不足。與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比,視頻火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警信息更加準(zhǔn)確、快速、及時(shí),誤報(bào)率較低。為便于火災(zāi)的確認(rèn)和存儲(chǔ),火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)可以與視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)相連,達(dá)到保存數(shù)據(jù)的目的。
然而目前智能視頻監(jiān)控在車牌識(shí)別、入侵報(bào)警等領(lǐng)域已取得一定成果,但大部分視頻監(jiān)控系統(tǒng)仍作為一種報(bào)警復(fù)核手段,在火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域中的應(yīng)用較少。監(jiān)控?cái)z像機(jī)一般設(shè)置在主要通道、重要房間以及出入口等處,其點(diǎn)位如何設(shè)置能更好地覆蓋所有場(chǎng)所需進(jìn)一步的研究。智能視頻監(jiān)控技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的核心技術(shù)尚不夠成熟,目前基于視頻監(jiān)控的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)只能作為常規(guī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一種輔助報(bào)警。目前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)大多為有線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)具有安裝費(fèi)用高、維護(hù)困難,建設(shè)及擴(kuò)建困難,誤報(bào)率、漏報(bào)率高等缺陷。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安裝方便,電線消耗少,相比于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)性能更好,是未來(lái)的發(fā)展方向[9]。未來(lái)智能報(bào)警系統(tǒng)將向分布式智能系統(tǒng)發(fā)展,即前端攝像機(jī)、傳感器等具備智能分析功能,基于嵌入式芯片的發(fā)展及計(jì)算資源成本的降低,相信前端智能的攝像機(jī)及傳感器的大規(guī)模應(yīng)用即將到來(lái)。