大空間自動跟蹤射流滅火系統火焰定位裝置設計

摘 要：設計基于紅外和圖像復合探測技術的大空間自動跟蹤射流滅火系統火焰定位裝置，實現了對著火點的自動跟蹤定位，文中對火焰的識別方法和實現方式做了介紹，并給出了系統噴水滅火的實際測試結果。

關鍵詞：火焰跟蹤定位 紅外火焰探測 圖像火災探測 自動射流滅火

中圖分類號：TJ53文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0243-02

隨著我們國家經濟的發展，近年來一些新型、大型、高層、地下大空間建筑大量涌現，倉儲規模日趨擴大。這些場所內往往人員多、物資多、財產高，火災危險性極大。國家《火災自動報警系統設計規范》和《固定消防炮滅火系統設計規范》中規定高度超過8m的室內場所為大空間場所，不宜采用傳統的感溫、感煙探測器和噴淋系統，滅火裝置應當采用消防炮這種出水量大的滅火系統。

在此背景下，大空間建筑的火災探測監控和滅火逐漸成為世界各國火災科學及消防科技工作者極為關注的課題之一，并且隨著近年重特大事故頻發引起了國家相關部門的極大關注。本文闡述的大空間自動跟蹤射流滅火系統采用紅外和圖像復合探測技術，自主探測并定位大空間內早期火災，并自動噴水滅火，同時將火場實時圖像顯示于消防控制室，并聯動聲光報警、排煙、實時錄像、報警電話等。火焰定位裝置是自動跟蹤射流滅火系統的技術核心部分，其性能優劣決定了整個系統的火災滅火效果。

1 滅火裝置結構和火焰定位方案

如圖1所示，本滅火裝置通過水平方向和垂直方向上的兩個驅動電機的作用可以控制消防水炮噴頭實現兩自由度的轉動。火焰定位系統主要由水平紅外火焰定位器、垂直紅外火焰定位器和圖像火焰定位器三部分組成。安裝保護區域內有火災發生時，裝置便通過機械運轉伺服機構在火焰定位器的引導下實現對著火點位置的定位。

紅外火焰定位器響應速度快，但由于火焰紅外輻射面大、易擴散，紅外火焰定位器難以精確定位火焰中心區域，因此我們選用圖像輔助定位技術進一步實現火焰的精確定位。當紅外火焰定位器完成定位后，著火點已被鎖定在一個較小區域內，進而啟動紅外圖像定位系統。圖像火焰定位器采集定位區域的現場圖像，并傳送到火災監控主機，由監控主機進行圖像處理分析，以進一步確定火災的發生。

其中：（1）水平驅動電機（2）豎直驅動電機 （3）水平紅外定位器 （4）豎直紅外定位器（5）圖像定位器（6）監控攝像機 （7）消防水炮噴頭

2 紅外火焰定位器實現

紅外火焰定位器是利用可燃物體在燃燒時，所產生大量的紅外線輻射為誘導源，采用裝有紅外光學透鏡的高靈敏的紅外感知器件來感知它的發生和存在。滅火裝置使用兩種波長不同的光學紅外傳感器來進行火焰探測，其中一種傳感器作為背景紅外輻射的探測，水平扇形紅外火焰定位器安裝有四個傳感器，扇狀形成一個接近于90度的探測范圍；垂直圓筒形紅外定位器使用一個傳感器，同時在探頭前面加裝光學鏡頭，使圓筒形定位器探測范圍視角足夠小近似一條直線。本火焰定位器基于紅外線的接收、篩選技術，對自然界的其他非火源的紅外線如太陽光、電焊弧光、白熾燈、日光燈等具有較高的抗干擾能力。

紅外火焰定位器是以微控制器為核心，實時采樣光學紅外傳感器的輸出信號，采樣信號經過濾波放大處理，送至單片機進行處理分析。若分析結論為火焰信號，紅外火焰定位器將信號傳送給自動跟蹤滅火裝置驅動控制器，并啟動圖像火焰定位器進行分析以確認是否真的火焰信號。紅外火焰定位器電路原理框圖如圖2所示：

這部分主要解決的技術問題有：

（1）紅外光學部件包括透鏡組和敏感元的選擇和設計，紅外輻射光經紅外光學透鏡組的濾光、聚焦作用，有效聚焦到鉭酸鋰紅外熱釋電傳感器上，產生電信號。如何提高紅外光的透過率、對目標紅外波段以外光的有效濾除、更多目標紅外光的聚焦、紅外敏感元的選型是設計的關鍵。圖3是本設計的前端探測組件結構圖。

（2）微弱紅外信號的有效提取，系統利用運算放大器OP07集成芯片配以RC器件組成前端的模擬調理電路，把小至幾十微伏級的紅外輻射信號，經放大、濾波、變換等電路處理后，經過A/D轉換器轉換為數字信號后送至單片機處理。圖4為系統信號調理部分帶通濾波放大電路原理圖，系統選用兩級選頻放大，通頻帶1～40 Hz，電壓放大增益為72 dB。

（3）火焰判別的計算和分析程序設計，內置的微處理器對紅外傳感器的采樣信號進行時域和頻域信號處理，分析其閃頻和幅值特性，是否滿足閾值、相關和比值等條件，從而判斷出是否存在火焰信號。

3 圖像火焰定位器實現

火災發生時火焰具有著火面積逐漸增大、邊緣抖動、較強的紅外輻射等明顯的特征，在圖像中表現為三點：（1）顯著的顏色特征；（2）火焰的不穩定燃燒造成目標的閃爍，面積變化以及整體位置的移動；（3）燃燒時向環境中散發的大量紅外輻射。

系統工作時通過圖像采集設備連續獲得監視區域的圖像信號，主機處理器在獲得連續的幀信號后，首先將輻射強度超過某預定值的部分分割出來作為感興趣區域，通過對感興趣區域做一定時間段的觀察，分析該區域中是否存在動態閃爍幅度和頻率都超過預定值的部分，從而有效降低固定光源對系統的影響，最后我們對目標區域的高度、寬度、體態比、周長和面積做進一步分析判斷，滿足所有判據后，則認為該區域為火焰區域，同時給出目標的圖像坐標。

識別出火焰圖像后，火災控制主機根據圖像定位后火焰圖像距紅外圖像中心點距離，進行坐標換算。根據坐標變換得出的炮口最終位置信息，自動跟蹤滅火裝置驅動控制器可以驅動兩自由度的伺服電機分步把噴水炮口對準著火點，最終完成火焰的精確定位。

在火焰圖像的識別算法中，采用一種在CCD前加裝紅外濾光裝置的方式，將彩色圖像轉化為紅外圖像有效過濾掉周圍環境中的干擾因素，計算機將采集到的現場火焰圖像fx首先通過自適應閾值的二值化操作，得到火焰模板的二值圖像Fc：

根據S判斷是否存在火災異常：如果火焰區域大于給定的閾值M時則認為存在火災異常。

4 實際測試效果

為了驗證滅火系統運行的可靠性，將滅火裝置安裝在10米高位置，在0到50米處任選10個點位，用試驗火（試驗火是在直徑570 mm，高70 mm的油盤內加入30 mm高的清水，再加入500 mL的車用汽油，點燃油盤的汽油開始燃燒）誘發系統啟動跟蹤定位動作并對準目標射流滅火，以此為一次成功的試驗。如此重復10次，每次間隔5 min，進行滅火試驗。滅火裝置現場安裝如圖5所示，圖6是設備在室內大空間試驗場安裝調試后，實際噴水滅火過程被系統硬盤錄像機錄像的截圖，從中我們可以看出實際落水點均在試驗火盤1m范圍之內。

此外，為了測試系統的抗環境光線干擾性能，我們在室內和有太陽光的室外，分別將系統接通電源，使其處于監控狀態，用4只40 W白熾燈組（組成邊長為40CM的正方形）和4只40 W日光燈組（間距20CM組成縱向排列）作為模擬干擾源，在距系統的定位探頭中心水平2 m處對系統定位進行干擾性照射，每次照射1 s，間隔1 s，兩種干擾源各進行10次，試驗未發現設備誤報警、誤定位、誤動作。

綜上，實際測試表明系統能夠對試驗火完成啟動、自動跟蹤定位、自動射流滅火，滅火系統火焰定位可靠準確。

5 結語

本文中自動跟蹤射流滅火系統火焰定位裝置采用“多波段光學火焰探測”和“圖像處理火焰探測”的復合探測方式，實驗測試表明，系統對干擾光有好的免疫力，火災探測定位迅速、滅火準確。系統對于迅速探知并撲滅火災，提高工礦企業及民用大空間建筑物抵御火災的能力，保護其消防安全，確保人民生命財產安全起到至關重要的作用。基于本火焰定位技術的自動滅火裝置產品已成功應用于體育場館、物流倉庫、商場等典型大空間場所。

參考文獻

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