智能识别在隧道火警上的应用

文/刘剑慧

众所周知，中国随着经济的飞速发展，交通公路的铺设也越来越广泛和密集，由于中国多山川内河的特点，部分高速公路和火车干路势必会架设一部分贯山隧道或者水底隧道。由于隧道内车流量日益增加，隧道内的能见度比室外要差，因此，隧道内的火灾时有发生，并且在发生后的报警也会时延较长。我国有多位专家进行了相关的研究，如夏润雨[1]根据告诉公路隧道火灾事故特性，规划了高速公路隧道智能应急消防系统，设计隧道消防轨道车，对火势较小的车辆进行灭火；李梦[2]通过隧道火灾模拟实验平台，对不同灭火位置进行了细水雾灭火模拟实验，研究不同风速对隧道火灾的温度、气体浓度和热辐射等的影响。

本文根据作者对物联网行业的研究，基于视频监控为主要手段，附加人工智能识别后台及报警传输，拟建立一套全自动的火灾报警监控系统，保证隧道的运营安全。

1 隧道火灾的基本特征

隧道火灾具有一般火灾的特性，即随机性和突发性，而且隧道火灾一般由车辆导致，较少发生环境火灾，所以火灾的诱因更是无迹可寻。通过对于之前火灾的发生记录可以观测到以下一些规律：

1.1 时间分布

隧道火灾和其他火灾具有一些共性，容易发生在6-8月和12-2月，也就是天气干燥的季节。另外，车流量较高的日子容易发生事故引起火灾，因此国定假日，寒暑假期间是火灾易发时间段。

1.2 地点分布

虽然隧道内灯光条件已经很充足了，但是隧道的出入口是一段能见度较低的地段，因此容易产生火灾事故。

1.3 火灾起因

一般由汽车追尾、汽车自燃、货车装载易燃物品一因气候原因引起燃烧等原因导致。

2 行业内系统的一般做法。

可以看到，火灾报警是一个很常见的课题，目前业内最常用的解决方案，也是一般用于大型室内商场等地方使用的，无外乎有两种方法。

2.1 烟雾探测报警

烟雾探测器也被称为感烟式火灾探测器、烟感探测器、感烟探测器、烟感探头和烟感传感器，主要应用于消防系统，在安防系统建设中也有应用。烟雾探测器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。烟雾探测器的优点是设备小巧，安装方便，一个设备可以监测20-30平方米的空间。且设备的灵敏度高，但是功耗小，可用于长期监测。目前此类设备已经有有线和无线传输两种方式，可将监测信号通过协议方式传至后台监控系统。但是烟雾探测器也有比较致命的缺点，那就是容易误报。一些吸烟或者焚香等烟雾，粉尘浓度较高的情况也会触发火警警报。另外，由于本文讨论的是隧道内的火警情况，隧道顶端离地面距离较远，且如果监控整条隧道，需要密布大量的探测器，而且需要烟雾浓度达到一定程度才会触发，因此此方案不适用于隧道内的火警警报。

2.2 热传感监控

热传感探测的使用也比较广泛。一般此类方法将设备安装在空间顶部，根据火源的温度高低来判断是否有火灾发生。与烟雾浓度探测器一样，此类设备也可以通过标准协议接口将火灾信息传递到后台监控系统。相较于烟雾浓度监控，此类设备的监控信息更加准确，不容易受到其他干扰。但是此方案也有一定缺陷，隧道内的温度上升也有小概率会触发误报警，同时，隧道内经常发生车辆自燃等火灾，而火灾发生后，车辆很可能还在高速移动中，因此，很可能温度传递还没达到监控判断要求，车辆已经从监控点“一闪而过”，因此此类方案适用于隧道内的定点火灾报警，对于运动中的车辆无法准确定位。

综上所述，隧道火灾报警通过烟雾和温度等火灾的“表面现象”来监控虽然可以起到一定效果，但是不是解决问题的最终方案，因此，作者提出了视频结合人工智能监控的方案。

3 视频火灾分析

由于隧道内车辆是在行驶，因此需要利用视频监控系统，将行驶的车辆通过的视频画面按帧数截取后进行定位分析，利用人工智能的手段，准确定位火灾发生的位置，火情等。

3.1 火焰识别

采用基于高斯滤波的火焰视频图像特征提取算法。算法首先对提取出来的多帧视频图像用高斯函数模板滤波进行火焰图像分割，然后分别计算分割区域的面积变化率，闪烁频率及面积变化趋势特征参数等，最后结合火焰面积的小波分析特征曲线对提取的各项特征进行综合分析，从而实现火灾的探测和判别。

3.2 烟雾识别

采用基于光流法的视频火灾烟雾图像识别方法，通过计算机对由监控摄像机得到的视频图像提取烟雾运动区域角点的光流，通过计算前景图像中所有角点光流速度大小组成数组的平均值和方差及光流速度方向组成数组的平均值和方差，根据设定阈值判断是否为火灾。

3.3 火灾监控识别的技术特征：

（1）同时侦测烟雾和火焰；

（2）自带红外背景光源，能够在全黑条件下探测烟雾；

（3）能输出火灾报警信息、火灾概率信息、火灾位置信息等；

（4）具有被遮挡、被偏转、被污染故障侦测功能，故障响应时间不超过2min；

（5）能在75%污染遮挡减光率条件下可靠探测火焰；

（6）最高灵敏度不低于0.1m2 汽油火（或正庚烷火）探测范围100m

根据以上视频火灾分析识别的原理，可以看出，相较于传统识别的烟雾探测器和热传感识别，视频火灾识别有他独有的优势：

（1）视频火灾探测比传统火灾探测的响应速度更快，判断更准确，不容易收到外界的干扰而产生误报警。

（2）视频火灾探测使用一般的视频设备即可，设备要求低，能耗不高，传输速度快，监测火灾的时效性大大增强。

（3）视频火灾除了能定位火灾发生的位置，火情的大小之外，还可以提供火灾现场画面，以便于监控人员迅速做出响应的等级。

（4）设备受环境影响的因素较低，无需频繁维护。

（5）误报警的可能性大大降低。

4 结束语

随着我国智能科技的不断进步，隧道火灾警报的要求也不断提高，因此对于这一领域的研究还有许多工作要做，如何提高报警的及时性，如果最大可能的避免误报警等等还有待于思考和研究。