楊曉陽

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦安監站， 山西 大同 037000）

煤炭資源作為我國的經濟發展的重要礦產能源，在國民消費中占比75%左右，專家預測未來十年左右的時間，我國的發展主要還是依靠煤炭資源，煤炭開采過程中的安全問題也越來越受到重視[1-2]。由于開采過程中使得煤炭與空氣接觸，可能導致煤料自燃，發生火災[3]。礦井火災發生后，由于空間狹小，工人的撤離困難，極易造成井下工人的傷亡、并且會損害礦井資源，破壞環境、燒毀井下重要設備，嚴重影響煤礦正常的生產運營。在發生火災時，還會對通風系統造成破壞，逆轉輸送的風流方向，井下存在的大量煤塵與瓦斯，容易發生二次爆炸，造成進一步的損失[5-6]。因此，對井下明火識別及報警系統的研究非常有意義，可以盡早的遏制礦井火災的發生，避免煤礦的經濟損失與人員傷亡。

1 系統總體方案的研究與設計

礦井中容易發生火災的地方主要有三個：采煤工作面、掘進工作面與皮帶輸送機，其中采煤工作面與掘進工作面主要由于煤炭開采過程中與機械設備的摩擦，再加上與空氣的接觸，造成的火災，皮帶輸送機主要是因為皮帶與煤炭之間的摩擦生熱，最終誘發火災。除上述情況之外，一些設備的老化與工人的不規范操作都可能會導致火災的發生[7-8]。

本文決定以三個火災常發地點作為基礎，建立一種基于視頻監控的明火識別及報警系統。系統由攝像機、接口轉換器、計算機、報警裝置與通信模塊等組成，將攝像機安裝于三個工作面的最佳監控位置，系統在正常工作時，攝像機監測工作面，將采集到的畫面信號，通過轉換器傳輸到計算機中，計算機通過數據處理與圖像分析識別技術，判別是否發生火災，如果有火災發生，系統報警，見圖1。

圖1 系統總體方案設計

2 明火識別技術分析與研究

本系統在檢測時主要分為以下四個步驟：視頻畫面采集、圖像預處理、明火與環境的圖像分割和火焰的特征提取與判斷，如圖2 所示。本節將對圖像處理技術與火焰特征提取技術進行研究。

圖2 系統明火檢測的步驟

2.1 圖像處理技術的分析

基于視頻監控的明火識別系統主要依靠攝像機采集到的數字圖像進行監測，但是由于井下工作環境的復雜性，難免會有噪聲等干擾因素的存在，導致圖像特征提取時產生一定的偏差，所以要運用一定的處理技術對圖像進行分析。

數字圖像主要以二維圖像的方式儲存在計算機當中，攝像頭采集到的圖像多數為彩色圖像，而彩色圖像存儲時需要三個通道，占用了大量的空間，但是在實際的信息處理中，彩色圖像所包含的很多信息是不需要的，所以要對圖像進行灰度化處理。在RGB 模型中，R、G、B為取值在0～255 的三個值，當R=G=B時，此時的數值稱為灰度值，在對圖像進行灰度化處理時，通常采用加權平均法、最大值法和平均值法。

其中加權平均法是將R、G、B三個分量加權平均，得到比較合理的灰度圖像，如下公式（1）所示，所得到的灰度圖像綠色較高，藍色較低，符合人眼對色彩識別的敏感度。

最大值法是將彩色圖像中三個顏色分量最大的作為灰度值，如公式（2）：

平均值法是將三個顏色分量求平均得到一個灰度值：

除灰度化之外，還可使用二值法對圖像進行處理，即將彩色圖像用黑色和白色兩種色彩表示出來。二值法的原理如公式（4）所示：

式中：F（x，y）表示圖片處理后的像素值，f（x，y）表示處理前的像素值，T表示系統預先設定的闕值，有上式可以看出，通過對T值的設定，可以確定可能有火焰的區域，減小需要檢測的范圍。

2.2 火焰特征的識別與提取

明火的每個特征都可以作為本系統的識別與提取對象，本文研究的是井下工作面的明火識別系統，為了加快系統的識別速度，結合系統的工作環境，排除一定的非干擾因素，決定只對火焰的圓形度、頻率特性和面積變化特性三個特征進行提取識別。

圓形度是用來衡量物體形狀與圓近似程度的值，火焰在燃燒過程中，火苗不停的跳動，而象礦井內的其他干擾源如礦燈的燈光等，形狀比較規整，圓形度比火焰要高很多，所以可以用圓形度作為礦井下明火的一個判別標準。圓形度的計算公式如下：

式中：Ls為圖形形狀的周長，As為面積，其中火焰的圓形度一般在0.2～0.3 范圍之內，而其他干擾源的圓形度在0.7～0.9 范圍之內，所以通過圓形度可以較好地區分火焰與干擾源。

火焰在燃燒時看起來會毫無規律的閃爍，但其實閃爍的頻率都會在一定的范圍之內，通過計算得到圖像的閃爍頻率，與火焰的頻率范圍對比可以作為火焰識別的判據之一。本文中圖像閃爍頻率的計算公式如下：

式中：F為檢測圖像的頻率，fdi為第i幀畫面的檢測結果，值為0 或1，t為n幀畫面使用的時間。系統檢測一段視頻時，對圖像進行二值化處理后，篩選疑似火焰區域，對灰度值的變化頻率進行檢測，與火焰燃燒時的頻率3～15 Hz 進行對比，可作為識別火焰的一個特征判據。

火災在發生時，由于受到井下空氣流動的影響，火焰雖然整體趨勢是增大的，但也可能忽大忽小，所以本文通過火焰的面積變化特性來識別火情的大小，根據情況，做出具體的救援或滅火措施。火焰面積變化特性用其增長率Q表示，如公式（7）：

式中：A為火焰區域的面積，根據公式可求得在一段時間內火焰面積的變化率，進而判斷火勢的變化。

3 系統軟件功能實現

軟件部分的主程序流程圖如圖3 所示。首先系統初始化，啟動系統的攝像機等硬件設備，攝像機將視頻資料經過轉換器傳輸回系統，系統對視頻圖像進行預處理，包括灰度化處理與二值化處理等，并對疑似火災區域的范圍進行特征提取，包括圖像的圓度值和閃爍的頻率特性，通過與明火特征的參數范圍進行對比，判別是否有火情，當系統檢測到工作面有火情發生時，通過響鈴裝置進行報警，并可由火焰面積變化特性判別火情的大小及趨勢，方便救援人員制定滅火等措施。

圖3 系統軟件主程序流程圖

4 結語

本文研究設計了一種用于井下生產工作面的明火識別及報警系統，通過攝像機的視頻監控，對火災起到預警的作用，盡早地遏制火災的發生，減小煤礦的經濟損失，保護工人的生命安全。