智能識別在隧道火警上的應用

文/劉劍慧

眾所周知，中國隨著經濟的飛速發展，交通公路的鋪設也越來越廣泛和密集，由于中國多山川內河的特點，部分高速公路和火車干路勢必會架設一部分貫山隧道或者水底隧道。由于隧道內車流量日益增加，隧道內的能見度比室外要差，因此，隧道內的火災時有發生，并且在發生后的報警也會時延較長。我國有多位專家進行了相關的研究，如夏潤雨[1]根據告訴公路隧道火災事故特性，規劃了高速公路隧道智能應急消防系統，設計隧道消防軌道車，對火勢較小的車輛進行滅火；李夢[2]通過隧道火災模擬實驗平臺，對不同滅火位置進行了細水霧滅火模擬實驗，研究不同風速對隧道火災的溫度、氣體濃度和熱輻射等的影響。

本文根據作者對物聯網行業的研究，基于視頻監控為主要手段，附加人工智能識別后臺及報警傳輸，擬建立一套全自動的火災報警監控系統，保證隧道的運營安全。

1 隧道火災的基本特征

隧道火災具有一般火災的特性，即隨機性和突發性，而且隧道火災一般由車輛導致，較少發生環境火災，所以火災的誘因更是無跡可尋。通過對于之前火災的發生記錄可以觀測到以下一些規律：

1.1 時間分布

隧道火災和其他火災具有一些共性，容易發生在6-8月和12-2月，也就是天氣干燥的季節。另外，車流量較高的日子容易發生事故引起火災，因此國定假日，寒暑假期間是火災易發時間段。

1.2 地點分布

雖然隧道內燈光條件已經很充足了，但是隧道的出入口是一段能見度較低的地段，因此容易產生火災事故。

1.3 火災起因

一般由汽車追尾、汽車自燃、貨車裝載易燃物品一因氣候原因引起燃燒等原因導致。

2 行業內系統的一般做法。

可以看到，火災報警是一個很常見的課題，目前業內最常用的解決方案，也是一般用于大型室內商場等地方使用的，無外乎有兩種方法。

2.1 煙霧探測報警

煙霧探測器也被稱為感煙式火災探測器、煙感探測器、感煙探測器、煙感探頭和煙感傳感器，主要應用于消防系統，在安防系統建設中也有應用。煙霧探測器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統中，性能遠優于氣敏電阻類的火災報警器。煙霧探測器的優點是設備小巧，安裝方便，一個設備可以監測20-30平方米的空間。且設備的靈敏度高，但是功耗小，可用于長期監測。目前此類設備已經有有線和無線傳輸兩種方式，可將監測信號通過協議方式傳至后臺監控系統。但是煙霧探測器也有比較致命的缺點，那就是容易誤報。一些吸煙或者焚香等煙霧，粉塵濃度較高的情況也會觸發火警警報。另外，由于本文討論的是隧道內的火警情況，隧道頂端離地面距離較遠，且如果監控整條隧道，需要密布大量的探測器，而且需要煙霧濃度達到一定程度才會觸發，因此此方案不適用于隧道內的火警警報。

2.2 熱傳感監控

熱傳感探測的使用也比較廣泛。一般此類方法將設備安裝在空間頂部，根據火源的溫度高低來判斷是否有火災發生。與煙霧濃度探測器一樣，此類設備也可以通過標準協議接口將火災信息傳遞到后臺監控系統。相較于煙霧濃度監控，此類設備的監控信息更加準確，不容易受到其他干擾。但是此方案也有一定缺陷，隧道內的溫度上升也有小概率會觸發誤報警，同時，隧道內經常發生車輛自燃等火災，而火災發生后，車輛很可能還在高速移動中，因此，很可能溫度傳遞還沒達到監控判斷要求，車輛已經從監控點“一閃而過”，因此此類方案適用于隧道內的定點火災報警，對于運動中的車輛無法準確定位。

綜上所述，隧道火災報警通過煙霧和溫度等火災的“表面現象”來監控雖然可以起到一定效果，但是不是解決問題的最終方案，因此，作者提出了視頻結合人工智能監控的方案。

3 視頻火災分析

由于隧道內車輛是在行駛，因此需要利用視頻監控系統，將行駛的車輛通過的視頻畫面按幀數截取后進行定位分析，利用人工智能的手段，準確定位火災發生的位置，火情等。

3.1 火焰識別

采用基于高斯濾波的火焰視頻圖像特征提取算法。算法首先對提取出來的多幀視頻圖像用高斯函數模板濾波進行火焰圖像分割，然后分別計算分割區域的面積變化率，閃爍頻率及面積變化趨勢特征參數等，最后結合火焰面積的小波分析特征曲線對提取的各項特征進行綜合分析，從而實現火災的探測和判別。

3.2 煙霧識別

采用基于光流法的視頻火災煙霧圖像識別方法，通過計算機對由監控攝像機得到的視頻圖像提取煙霧運動區域角點的光流，通過計算前景圖像中所有角點光流速度大小組成數組的平均值和方差及光流速度方向組成數組的平均值和方差，根據設定閾值判斷是否為火災。

3.3 火災監控識別的技術特征：

（1）同時偵測煙霧和火焰；

（2）自帶紅外背景光源，能夠在全黑條件下探測煙霧；

（3）能輸出火災報警信息、火災概率信息、火災位置信息等；

（4）具有被遮擋、被偏轉、被污染故障偵測功能，故障響應時間不超過2min；

（5）能在75%污染遮擋減光率條件下可靠探測火焰；

（6）最高靈敏度不低于0.1m2 汽油火（或正庚烷火）探測范圍100m

根據以上視頻火災分析識別的原理，可以看出，相較于傳統識別的煙霧探測器和熱傳感識別，視頻火災識別有他獨有的優勢：

（1）視頻火災探測比傳統火災探測的響應速度更快，判斷更準確，不容易收到外界的干擾而產生誤報警。

（2）視頻火災探測使用一般的視頻設備即可，設備要求低，能耗不高，傳輸速度快，監測火災的時效性大大增強。

（3）視頻火災除了能定位火災發生的位置，火情的大小之外，還可以提供火災現場畫面，以便于監控人員迅速做出響應的等級。

（4）設備受環境影響的因素較低，無需頻繁維護。

（5）誤報警的可能性大大降低。

4 結束語

隨著我國智能科技的不斷進步，隧道火災警報的要求也不斷提高，因此對于這一領域的研究還有許多工作要做，如何提高報警的及時性，如果最大可能的避免誤報警等等還有待于思考和研究。