面向消防裝備的穿戴檢測系統*

李倩

(泰山職業技術學院,山東泰安 271000)

0 概述

隨著社會的快速發展和復雜化,各種各樣的火災隱患也在不斷增加,火災已經成為頻繁發生的災害,隨時威脅著廣大人民群眾的生命和財產安全。因此,消防工作與大眾生活密切相關,它不僅是國民經濟和社會發展的重要組成部分,更是發展社會主義市場經濟不可缺少的保障條件。2019年修正的《消防法》第三十七條明確規定:“國家綜合性消防救援隊、專職消防隊按照國家規定承擔重大災害事故和其他以搶救人員生命為主的應急救援工作”。對于消防部門來說,如何有效地提高業務能力并切實保證部隊整體戰斗力至關重要。從硬件上說,消防裝備的更新換代和全面列裝有助于部隊提升整體實力;從軟件上說,提高戰士對于消防裝備的熟悉程度和使用水平,有利于充分發揮消防裝備的預期性能,同樣有助于部隊提升整體實力。本文主要關注于有效地提高戰士對于消防裝備的熟悉程度的問題,并為此設計并實現了面向消防裝備的穿戴檢測系統。本系統主要用于識別消防裝備的穿戴順序,以判斷戰士是否正確著裝了全部消防裝備。相對于人工直接參與的訓練過程來說,本系統具有實時高效的優點,同時所有訓練過程記錄為視頻文件的形式,便于回溯和復習。

1 相關工作

消防裝備作為消防部門正常開展工作的重要組成部分,近些年來得到了越來越多的關注。

陳亞鋒[1]等人相對系統地闡述了新時代下消防任務所面臨的問題,提出了對于新式消防裝備的要求和期望,也明確指出了滅火救援對象的日趨復雜性、多樣性和差異化的前提下,現代消防裝備技術發展的大致趨勢。曲翔宇[2]等人以第十八屆中國國際消防展為基點,討論我國消防裝備發展趨勢的同時,也對消防隊伍在裝備訓練上做出了一定的討論,與虛擬現實等計算機相關技術相結合的訓練方式可以系統地提升參訓人員的實操技能,培訓針對性較強。張飛軍[3]等人則對國內消防裝備存在的問題做出了討論并給出了一定的解決方法,其中明確提到了注重相關隱形能力的提高和提高裝備操作能力。郭瑞旗[4]等人討論了現代消防裝備的優勢,也討論了影響現代消防裝備發揮優勢的主要原因,其中明確提到了消防戰士的訓練水平和技術可能難以跟上現代消防裝備應用的節奏。劉偉華[5]等人討論了新時期消防裝備現代化的要求,其中提到了與其前沿科學技術相結合的觀點,主張與其他領域的技術相結合。商靠定[6]等人在討論消防部隊戰斗力建設存在的問題和對策時,提到了加強現代化消防技術裝備訓練,實現人與裝備的最佳結合的觀點。張耿[7]等人在討論消防器材裝備的現狀分析及發展方向的問題時,提到了消防戰士無法準確掌握裝備性能的問題,并提出了創新訓練方式、強化訓練意識的解決方案。朱偉祺[8]等人在討論消防裝備建設的重要性問題時,提到了消防戰士合理使用個人防護裝備的重要性。張銳[9]等人在討論消防裝備使用效能問題時,給出了學訓結合、加強裝備操作訓練,充分發揮消防裝備作戰效能的建議。

因此,結合跨領域的前沿科學技術來切實提升消防戰士的裝備使用水平已經得到了相當程度的認可,本文提出的面向消防裝備的穿戴檢測系統正是這種思想下的產物。

2 系統設計

本系統中的消防裝備共有八個部位,分別是:褲子防護靴、戰斗服、腰帶、阻燃頭套、空氣呼吸器、面罩供氣、頭盔和手套。系統以網絡攝像頭作為硬件采集設備獲取外界數據,從攝像頭圖像中實時分析裝備的穿戴順序情況,在戰士穿戴過程中進行實時提示和計時,在穿戴完成后保存穿戴視頻并生成對應的記錄文件。系統中攝像頭捕獲到的圖像如圖1所示。消防戰士在穿戴消防裝備的過程中會從地面上拿取裝備后返回初始位置進行穿戴,或者拿取裝備后直接就地進行穿戴。

系統與用戶之間進行交互的用例圖如圖2所示。本系統的用戶是指協助或指導消防戰士進行裝備穿戴訓練的人員。

從用例圖2中可以看出,用戶可以實時查看硬件捕獲到的視頻流并隨時開始穿戴檢測。當檢測開始時,用戶輸入當前檢測人員的關鍵字(姓名)用于記錄和存檔。系統接收到開始檢測的指令后開始計時并根據攝像頭實時圖像進行區域判斷以確定裝備穿戴情況,檢測完成后系統結束計時并根據開始檢測時用戶輸入的關鍵字對檢測過程的視頻和檢測結果進行存檔。用戶在檢測完成后可以初始化系統以開始下一次檢測。

圖1 網絡攝像頭捕獲圖像

圖2 系統交互用例圖

圖3 系統整體功能架構圖

系統共有三種運行狀態,三種狀態在一定條件下可以進行轉換,但是轉換方向收到一定的限制,且系統在正常情況下允許在預覽態及完成態時退出系統。

系統啟動后的初始狀態為預覽態,此時可直接預覽網絡攝像頭捕獲到的視頻圖像,并查看視頻源相關信息及登陸信息。通過菜單欄的“開始檢測”按鈕,系統可以從預覽態轉換至檢測態。系統檢測態下會繼續維持預覽態下預覽網絡攝像頭捕獲視頻的功能和視頻源及登陸相關信息查看的功能,同時將彈出新的檢測窗體用于實時顯示檢測結果。順序檢測完成后系統彈出窗口提示檢測完成并自動將檢測過程和檢測結果分別保存為視頻和文檔的形式進行存檔。該狀態下,系統不再對“開始檢測”按鈕進行響應。用戶點擊檢測完成提示窗口的“確定”按鈕后,系統將從檢測態轉換至完成態。如果檢測過程中出現任何意外問題需要重新開始,關閉檢測窗體后通過菜單欄“系統重置”按鈕可使系統重新回到預覽態以響應下一次檢測過程。系統完成態下依舊會維持預覽態下預覽網絡攝像頭捕獲視頻的功能和視頻源及登陸相關信息查看的功能,但系統不再對“開始檢測”按鈕做出響應。通過菜單欄的“系統重置”按鈕,系統可以從完成態重新轉換為預覽態以響應下一次檢測過程。由于需要系統在不同狀態下始終保證主窗體的視頻預覽功能的正常運行,因此本系統中使用了多線程技術來保證不同窗體之間的同時活動。

本系統主要由三個子系統構成,分別是數據基礎子系統、交互子系統和實時檢測子系統,其中,實時檢測子系統為核心子系統。本系統的整體功能架構如圖3所示。

數據基礎子系統為系統提供底層的數據支持。視頻流獲取模塊負責與攝像頭交互并從硬件端獲取原始數據。圖像差分模塊負責將獲得的原始圖像數據與預存的圖像進行差分處理并將結果存儲為矩陣形式。數據基礎子系統獲取到視頻流數據后,取出其中一幀圖像數據與差分基準圖像進行對比,基于圖像差分法獲取差分矩陣,該矩陣將保留在內存中,作為該幀圖像的直接數據供其他子系統使用。

交互子系統負責處理用戶的具體輸入,并在處理完成后允許實時檢測子系統進行實際檢測操作。系統重置模塊用于初始化系統中所有基礎變量,以允許系統開始下一次完整的檢測流程。記錄存檔模塊在實時檢測子系統開始執行時進行計時并記錄視頻數據,在實時檢測子系統完成操作后停止計時并將所有視頻數據和檢測結果存檔為文件形式。數據基礎子系統的流程圖如圖4所示,交互子系統的流程圖如圖5所示。

從圖5的流程圖中可以看出,系統啟動后首先進入預覽態并在開始檢測之前始終處于預覽態。開始檢測后,記錄存檔模塊讀入用戶輸入的關鍵字作為存檔依據,并委托實時檢測子系統完成實質檢測工作,此時系統進入檢測態。在系統檢測態下,交互子系統不間斷地檢查是否收到實時檢測子系統的反饋,在收到反饋后將整體系統狀態轉換至完成態并將檢測流程和檢測結果以文件的形式進行存檔。系統完成態下啟動系統重置功能將調用系統重置模塊,該模塊將初始化實時檢測所需要的變量并注銷現有的全部檢測線程。

圖4 數據基礎子系統流程圖

圖5 交互子系統流程圖

實時檢測子系統為本系統的核心子系統,負責實際的裝備穿戴檢測操作。區域檢測模塊針對圖像中每個確定區域判斷其內容是否發生足夠的變化,并將結果記錄在內存中。全局統籌模塊整理區域檢測模塊在內存中維護的各項記錄,確定具體區域的檢測工作是否完成并執行后續的相關操作。實時檢測子系統首先啟動全局統籌模塊,該模塊一方面初始化所有檢測所需變量并在后續流程中不間斷檢查變量以確定是否所有區域均完成了檢測,另一方面實例化八個獨立的區域檢測模塊,每個模塊用于視頻圖像中一塊區域的檢測,也對應于一件消防裝備的檢測。每個獨立的區域檢測模塊,從內存中獲取數據基礎子系統存放在內存中的差分結果矩陣,根據自身私有的區域坐標參數,對模塊自身負責區域的差分像素點數量進行計數。計數完成后,區域檢測模塊將計算當前幀負責區域中出現變化的像素總占比,連續多幀變化像素總占比均超出預設閾值即表示該區域檢測完成。連續多幀超出閾值是為了在一定程度上防止系統過于敏感,盡減少誤報的可能性。檢測完成的區域檢測模塊將修改全局統籌模塊中分配給自身的變量來標記自身狀態,而后不再從內存中獲取差分結果矩陣。全局統籌模塊在檢查到所有區域檢測模塊對應的變量均被標記為完成狀態后,將給與交互子系統反饋以告知其檢測已完成,而后全局統籌模塊終止實時檢測子系統的此次運行。

由于本系統設計有一定數量的運行參數及預設閾值,如網絡攝像頭登錄信息、區域變化百分比閾值等,出于系統便捷性及可遷移性的考慮,所有參數均存放在獨立的配置文件中。需要對系統進行修正時,只需要簡單地修改配置文件中的對應參數即可完成,不需要對系統本身的結構或代碼做出修改。

3 系統實現

基于上述設計方案,本系統在Windows平臺下使用C#語言的Winform框架進行開發,最終形成可直接執行的應用程序。系統選用的攝像頭為海康威視ICR星光級半球型網絡攝像機,具體型號為DS-2CD2146FDWD-IS。

主程序啟動后,系統將根據配置文件中登錄數據自動登錄網絡攝像頭,而后給出登錄提示,最終完成啟動后的系統主界面。系統所有功能均放置在系統菜單中,系統核心功能“開始檢測”和“系統重置”均通過標簽頁啟動,同時系統退出也從系統菜單中執行。網絡攝像頭相關的視頻流參數,僅在系統運行內存中進行修改,不會修改配置文件中的內容,以確保一定程度上的數據安全。

選擇系統菜單標簽頁的“開始檢測”按鈕后,系統在維持主界面的基礎上,將開啟新窗體用于顯示檢測結果,左列分別是需要檢測的八件消防裝備,中列是默認給出的正確穿戴順序,右列會隨著檢測的進行逐漸填充實際的裝備穿戴順序。對應消防裝備檢測完成時,不但會在右列的對應位置顯示其此次穿戴次序,還會用語音向用戶提示當前消防戰士正在穿戴的裝備。全部檢測完成后,系統將彈出檢測完成窗體。系統將自動把當前訓練過程的視頻文件按照用戶的關鍵字進行命名和保存,同時額外保存一份文本文件,其內容為本次訓練檢測到的消防裝備穿戴順序,系統菜單標簽頁的“系統重置”按鈕按下后,系統會自動初始化系統變量并注銷現有線程,同時“開始檢測”按鈕將開始響應用戶點擊。

4 結語

本文提出的面向消防裝備的穿戴檢測系統,通過攝像頭捕獲到的視頻流圖像,使用圖像差分法檢測消防裝備的穿戴順序并進行視頻記錄和文檔保存,本系統相對于人工直接參與的訓練具有實時、高效、無接觸和可回溯的優點。