基于紅外探測與圖像分析的火勢監控裝置設計研究

作者簡介：崔昕睿（2003—），女，蒙古族，山西太原人，本科在讀，研究方向：危化品道路運輸安全；劉勇（1984—），男，漢族，湖南寧鄉人，博士，副教授，研究方向：危化品道路運輸安全。

摘要：準確判斷建筑火災的火勢發展是快速、有效撲救火災的首要前提。在火災蔓延過程中，建筑空間的限制和煙霧的擴散會干擾對火勢發展的判斷。針對現有圖像型火災監控技術的不足，設計了一種基于紅外探測與圖像分析的火勢監控裝置，將煙霧濃度與擴散方向監測和燃燒火焰發展動態監測相結合，具有火勢動態實時可視化功能。根據紅外輻射值觸發煙霧濃度監測，將煙霧和火焰發展動態可視化于移動顯示器，便于因地制宜，采取適當的救援措施，減少救援人員的風險。

關鍵詞：可視化；火勢監控；煙霧濃度；閾值對比

引言

近年來，我國建筑火災形勢嚴峻。從2023年1月至10月期間，建筑物發生火災共計31萬起，各類住宅火災24.4萬起，造成979人死亡、1244人受傷，分別占總數的32.8%、70.9%和60.3%。建筑火災的傷亡率占比較大。因此，為及時撲救建筑火災、減少人員傷亡和財產損失，需要能夠識別早期火情、自動報警和監控火勢動態的系統。針對建筑內部易發生火災的區域，建筑內空間相對封閉，建筑結構復雜，一旦發生火災，火勢的發展包含較多不確定因素，火災報警和監測對于人身安全有著重要作用。因此，對于火災自動報警系統設計的探討^[1-2]越來越多。在硬件方面，火災探測器^[3-6]、煙霧探測裝置^[7-8]、傳感器等設備不斷升級換代，性能更加穩定可靠；在軟件方面，火災報警算法不斷優化，提高了報警的準確性和可靠性。此外，隨著物聯網、大數據等技術的發展，火災報警系統逐漸實現了智能化、網絡化，為火災防控提供了更加有力的技術支持。

一、總體方案設計

（一）信息處理流程

系統主要包括火勢監測模塊、煙霧濃度監測模塊、信息綜合處理模塊、警報模塊、云端儲存器和移動端（整體結構見圖1、概念圖見圖2）。火勢監測模塊用于采集監控環境內的火勢信號和紅外輻射值，根據紅外輻射值觸發煙霧濃度監測模塊。煙霧濃度監測模塊用于采集煙霧圖像和煙霧濃度，火勢信號和煙霧信號由各自的傳輸模塊通過無線傳輸裝置傳輸至信息綜合處理模塊，經處理后傳輸至警報模塊、云端儲存器和移動端。同時，探測器中的蜂鳴報警器發出對應的警報音量和頻率，移動端設備實時顯示火場內的發展動態，掌握火勢發展趨勢，救援人員就可手持移動端設備，根據警報音量來判斷區域的安全程度。

信息處理模塊主要構件為終端信息接收器、圖像整合處理器、數據綜合處理器。終端信息接收器用于接收無線傳輸模塊發送的無線信號；圖像整合處理器用于將無線信號整合成對應的圖像信息（見圖3），根據圖像信息生成可視化圖像。數據綜合處理器用于將無線信號整合成對應的火勢煙霧數據，并將火勢煙霧數據發送至閾值對比監測模塊。

（二）裝置定位

探測器安裝于長方形空間的對角位置（可根據空間大小增加或減少）。以對角安裝兩個探測器為例，長方形空間的兩邊長分別為b，c，在O點建立直角坐標系，以便于探測器捕捉的數據矢量化，如圖4。

設探測器位于A點，安裝高度距地面為a，則有：

OA=（0，0，c）；AB=（b，0，-a）；CB=（b，-c，0）

設平面ABC的法向量為n=（x，y，z），則有：

bx-cy=0

bx-az=0

令x=acb，解得n=（acb，a，c），設直線OA與面ABC的夾角為α，則有：

sinα=|OA·n||OA|·|n|=c²a²c³b²+c³+a²c

根據探測器的安裝高度，可以調節探測器的俯仰角度（探測器與直線OA的夾角，即α），還可據此確定探測器的相對位置。

（三）動態圖像處理

對于動態圖像數據處理，主要集中在圖像整合處理器。利用圖像處理算法對采集到的圖像進行預處理和特征提取。煙霧探測圖像預處理階段包括圖像去噪、增強、邊緣檢測等操作，以提高圖像質量和突出煙霧特征。特征提取是從處理后的圖像中提取出與煙霧相關的特征信息，如顏色、紋理、運動特性等。探測器會將提取出的煙霧特征與預先設定的煙霧特征模型進行比對和匹配。如果匹配成功，即判斷為存在煙霧。利用圖像差分法計算圖像的連續幀或固定間隔圖像的差值，得到變化區域。假設A_t（x，y）圖像和A_t+n（x，y）圖像的視頻間隔為n幀，利用差分法計算后得到的圖像為ΔA_t（x.y），關系式如下：

ΔA_t=|A_t+n（x，y）-A_t（x，y）|

檢測到的圖像擴散特性也具有一定規律。一般來說，在火災初期，煙氣會沿火焰方向豎直擴散，受頂棚阻擋，會向四周擴散，因此探測到同一數值的圖像面積是不斷擴大的。當火災發展到中后期，煙霧面積一般又會有變小的趨勢。計算其面積動態變化率ρ_s為：

ρ_s=|A_i-A_i-1A_i|

面積動態變化率ρ_s是時刻變化的，不可能發生突變。在融合過程中，需要考慮不同信息源之間的互補性和相關性。由于不同探測器發出的信息源可能具有局限性，因此通過融合可以提高整體觀測性能。同時，考慮到信息之間的冗余性，以避免融合結果中的信息冗余和噪聲。圖像生成子單元用于根據無線信號，生成對應的紅外熱成像圖和煙霧濃度等值線圖；圖像信息整合子單元用于根據可視化圖像、紅外熱成像圖、煙霧濃度等值線圖和預備的建筑內部結構設計圖，整合成對應的可視化圖像。

（四）圖像顯示

數據顯示部分為臺式數據顯示設備和移動端顯示設備。其中，信息處理模塊包括臺式數據顯示單元，臺式數據顯示單元與圖像信息整合子單元連接，以顯示并推送可視化圖像。移動端設備主要包括移動無線接收單元和移動顯示處理單元。移動無線接收單元用于接收子單元發送的圖像信息或者火勢煙霧數據；移動顯示處理單元用于整合圖像信息，生成并推送可視化圖像。通過移動顯示處理單元將圖像信息轉化成可視化圖像，方便救援人員了解火災現場的具體情況。一般情況下，移動端設備與報警模塊一體化設置，能及時提醒救援人員，越危險警報音量越大。同時，移動端設備還包括GPS定位裝置，便于救援人員了解現場情況和人員位置。移動端顯示面積A₀與所觀測實際面積A之間的比例關系如下k=f（A₀，A）：

k=A₀A

無墻壁阻隔的同一建筑空間在信息窗口顯示時，圖像中各點及移動端顯示點與幾何中心點的關系為：

實際移動端位置和火情變動點與探測器基點位置關系H（x，y）如下：

臺式數據顯示單元可顯示圖像數據和手持移動顯示器的GPS共享定位，便于后方監控指揮救援作業，從而采取相應的措施和確定最佳的滅火方案。

二、探測裝置

（一）火焰探測

火焰探測部分主要構件為多個探測器裝置和與各個探測器裝置對應設置的紅外探測器，其分布定位及編號信息會提前錄入信息處理模塊；紅外探測器測量可視范圍內目標的紅外線差，可以得到不同的熱紅外值，通過信號傳輸器傳輸到信息綜合處理模塊。熱紅外輻射是由物體表面的熱能輻射而來，與物體表面的溫度密切相關。當建筑內可燃物燃燒出現火焰時，火焰溫度將高于周圍環境溫度，同時火焰會對周圍環境產生預熱，t時刻熱煙氣溫度與周圍環境溫度之差ΔT為：

ΔT=345log₁₀（8t+1）

（二）煙霧探測

通過內置的攝像頭對監控區域進行實時的圖像拍攝。這些攝像頭會連續不斷獲取監控區域的圖像，并將其轉化為電信號進行傳輸。在獲取到圖像后，利用圖像處理算法對圖像進行一系列處理和分析。這個過程包括濾波、特征提取等，旨在提取圖像中與煙霧相關的特征信息。例如，圖像處理單元可能會分析圖像中的顏色變化，檢測是否有灰色或白色的煙霧區域；分析圖像的紋理變化，判斷是否有模糊或不規則的紋理出現，這些都可能是煙霧跡象。

為確保得到準確的煙霧濃度值，監測單元還包括多個依次排列成方陣的紅外發光二極管作為發射裝置以及設有紅外濾片的CCD攝像頭作為接收端。利用煙霧對紅外線的吸收和反射生成煙霧濃度信號，并傳輸至信息處理模塊。紅外發射裝置與接收裝置同時安裝在探測器裝置上，兩種光電器件成一定角度放置，采集多個紅外發射器對應值，基于Lambert-Beer定律，可得到入射光強度I_in與出射光強度I_ou之間的關系：

T=I_ouI_in

上式中，T為光透率，c為濃度，l為光程，從而可以得到煙氣光學密度D和能見度V：

D=-lgT

D₀=DI=εc2.303

V=R2.303D₀

三、傳輸與儲存

為保證該探測器得到的信號可以在火災高溫條件下傳輸，在火勢監測模塊和信息處理模塊之間設有無線傳輸模塊。該傳輸模塊用于傳輸無線信號至信息處理模塊。一方面，可以避免電線損壞導致的信息失真；另一方面，對于距離沒有太大限制，方便救援人員在較遠的距離接收火災現場的火勢信號和煙霧信號，進一步保護救援人員安全。

四、警報裝置

警報模塊包括閾值對比監測模塊和蜂鳴報警器。蜂鳴報警器安裝在探測器中，為保證探測器和蜂鳴報警器在火場高溫條件下可以正常工作，探測器外殼選用保溫隔熱材料。蜂鳴報警器啟動源于對探測器得到的數據的對比處理，主要經閾值對比監測模塊實現，包括閾值對比圖像生成單元和無線信號發送單元。閾值對比圖像生成單GT6ER3dfqdG0jmcKLJt/GQ==元用于根據火勢煙霧數據與預設火勢煙霧數據生成閾值對比圖像，閾值對比圖像是一個可變動的柱形圖。同時，閾值對比監測模塊通過無線傳輸的方式與蜂鳴報警器連接，蜂鳴報警器可根據超出閾值的大小關系改變警報聲音量。救援人員攜帶可接收閾值對比監測模塊的移動端設備，根據警報音量大小判斷是否在危險區域，便于救援人員的火災撲救。

結語

為解決現有的防火報警系統監測火勢發展動態單一化問題，本文通過監測煙霧濃度、擴散方向和燃燒火焰發展動態相結合的方式，更精準掌握火勢的發展趨勢，并將實時監測數據轉化為可視化圖像，對于建筑火災特殊燃燒形式的溫度和煙霧進行動態捕捉，有利于救援人員采取適當的救援措施，減少救援人員的救援風險。

參考文獻

[1]管越.高層住宅的火災自動報警系統設計探討[J].中國住宅設施，2021（09）：31-32.

[2]李宗峰.高層民用住宅火災自動報警系統的設計及安全性分析[D].中國石油大學（華東），2021.

[3]袁琳，左超.紅外熱成像技術在大空間區域防火監控中的應用[J].電子技術與軟件工程，2019（03）：80-81.

[4]周俊曉.紅外熱成像技術在煙草企業火災預警中的應用[J].科技創新與應用，2023，13（14）：123-126.

[5]畢振波，樂天，潘洪軍，等.圖像型火災探測預處理方法綜述[J].消防科學與技術，2016，35（01）：87-91.

[6]Liu Z，Hadjisophocleous G，Ding G，et al.Study of a Video Image Fire DetectionSystem for Protection of Large Industrial Applications and Atria[J].Fire Te-chnology，2012，48（02）：459-492.

[7]羅丹妮.一種零照度環境下的主動紅外視頻煙霧識別方法[J].國外電子測量技術，2018，37（11）：42-46.

[8]吳力淞.區域加熱對光學煙霧傳感器的影響[D].中國礦業大學，2023.