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1系統(tǒng)概述

車載視頻監(jiān)控攝像頭采集到車廂內(nèi)火災煙霧圖像，火災探測報警主機IPC通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)實時接收各車廂的圖像。并通過火災煙霧探測算法檢測出火災發(fā)生，由采集到煙霧圖像的攝像頭編號定位火源位置。將火警信息通過數(shù)傳電臺發(fā)送至附近車站。車站應急照明疏散系統(tǒng)通過收到火警信息生成應急疏散預案，點亮區(qū)間被的應急照明燈和調(diào)整應急標志燈指示方向，并聯(lián)動BAS系統(tǒng)區(qū)間送風設備調(diào)整送風方向，引導乘客安全疏散。其中地鐵列車火災探測與定位是地鐵列車火災探測報警系統(tǒng)的關鍵，因此地鐵列車火災探測方法決定了系統(tǒng)性能。

2基于煙霧特征的地鐵列車火災探測方案

煙為火始，通常情況下煙霧產(chǎn)生早于明火的出現(xiàn)。煙霧是火災發(fā)生的前兆，也是火災發(fā)生初期和不完全燃燒重要特征［9－10］。地鐵列車火災由于新風供給不足，產(chǎn)生不完全燃燒反應，導致大量煙霧體產(chǎn)生。因此進行煙霧探測有利于實現(xiàn)火災的早期預報和人員的疏散。

2.1火災煙霧的模糊特性

火災時列車內(nèi)煙霧運動沿著車廂內(nèi)頂部向兩側(cè)運動，此時車廂頂部的攝像頭被煙霧“淹沒”，視頻監(jiān)控設備拍攝到的圖像為煙霧圖像。煙霧是由懸浮的固相和液相顆粒及材料加熱過程中產(chǎn)生的氣相物質(zhì)所構(gòu)成，具有使圖像的模糊特性，圖像中紋理和邊緣尖銳程度下降，亮度變化率減小?；馂臒熿F圖像的模糊特征在圖像頻域中就是高頻信息衰減，低頻信息增加，在圖像空域中是圖像的灰度(亮度)變化率減小。圖2中兩幅相同背景下拍攝的圖像，可以觀察到煙霧圖像使背景變得非常模糊，灰度變化沒有正常圖像明顯。實驗表明由于火災起因和燃燒物的不同，火災煙霧顏色也不相同(主要分為白煙、灰煙和黑煙)，拍攝到的煙霧在灰度圖像里的灰度值也各不相同，但同一煙霧的圖像在光照相同時灰度值變化很小，而且煙霧濃度越大圖像變得越模糊，圖像的灰度變化率也越小。

2.2火災煙霧探測算法

通過上面分析可知利用火災煙霧模糊特性探測地鐵火災是可行的。可依據(jù)圖像中高頻信息、邊緣信息，灰度變化減小判斷出火災煙霧，常用高通濾波、小波變換等方法實現(xiàn)。但這些方法計算量大實時不夠好［9，12－13］，無法實現(xiàn)對車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)12個攝像頭(8節(jié)列車有16個)實時監(jiān)控。因此本文首次采用了空域灰度微分的方法來檢測煙霧圖像。利用火災煙霧圖像灰度值變化率很小的特征，對圖像灰度值微分，如果圖像灰度微分在一個閾值內(nèi)則判定為火災煙霧圖像。具體流程如下。(1)圖像的灰度化視頻采集的數(shù)字圖像在計算機中以RGB顏色模型存儲，彩色圖像灰度化是實質(zhì)是使RGB彩色圖像的三個基色分量值相等。灰度圖像每個像素用一個字節(jié)來表示，其表示顏色的種類為256種，即表示級別的范圍是0－255。從彩色圖像到為灰度圖的轉(zhuǎn)變可由下面公式得到。Y=0.30R+0.59G+0.11B其中，R為紅色分量，G為綠色分量，B為藍色分量。(2)圖像灰度微分對灰度圖像在水平和垂直方向求偏微分，微分值即為灰度變化率，由前面分析知其值小于一個閾值。其中f(x，y)表示像素(x，y)相對應的灰度值。在數(shù)字圖像處理中微分用差分近似替換，煙霧圖像灰度差分值小于某一閾值。其中δ為火災煙霧圖像灰度微分閾值，依據(jù)地鐵環(huán)境下火災時煙霧圖像的灰度變化特征選取合適的δ值。(3)統(tǒng)計判斷分析地鐵列車不同時段正常圖像，圖像中不滿足(1)式的像素點數(shù)在一個范圍內(nèi)(N1，N2)，N1、N2值與δ選取有關。通過大量實驗對相同背景的正常圖像和煙霧圖像(分辨率640*480)統(tǒng)計，在δ=10時，正常圖像中灰度微分大于δ的像素數(shù)是煙霧圖像的50倍以上。因此當統(tǒng)計圖像中不滿足(1)式的像素數(shù)sum＜＜N2時，則判定圖像為火災煙霧圖像。

3地鐵列車火災探測報警系統(tǒng)

下面主要介紹地鐵火災探測報警系統(tǒng)硬件實現(xiàn)過程，系統(tǒng)硬件在空間上可分為車載火災探測報警設備和車站火警聯(lián)動設備。

3.1車載火災探測設備

車載火災探測報警設備是由地鐵火災探測報警主機、數(shù)傳電臺和車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成。考慮到地鐵列車內(nèi)空間有限且內(nèi)部結(jié)構(gòu)不允許輕易改動，火災探測報警主機采用小巧、堅固的工控機(IPC)。將工控機接入車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)的局域網(wǎng)，將數(shù)傳電臺通過串口線與主機相連。圖3為連接示意圖。車載視頻系統(tǒng)由前端攝像部分、網(wǎng)絡交換機和視頻監(jiān)控服務器組成。前端攝像部分有攝像頭和單路視頻服務器構(gòu)成，完成圖像的采集;網(wǎng)絡交換機通過網(wǎng)線連接攝像部分和視頻監(jiān)控主機組成局域網(wǎng);視頻監(jiān)控主機將視頻圖像進行實時顯示和存儲。視頻監(jiān)控主機在地鐵列車兩端司機室各有一臺，兩臺主機一個為主控一個為備用，可以通過程序切換。系統(tǒng)主機IPC通過網(wǎng)絡交換機接入車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在它上面安裝上視頻監(jiān)控軟件客戶端，可以與視頻監(jiān)控主機同步接收網(wǎng)絡上個攝像頭上傳的視頻圖像，安裝在IPC上的火災探測算法軟件實時檢測收到的圖像是否為火災煙霧圖像。在檢測到火災時，數(shù)傳電臺通過串口接收IPC的火警信息，并發(fā)送給附近車站。

3.2車站火警聯(lián)動設備

車站火警聯(lián)動設備包括應急照明疏散指示系統(tǒng)和BAS系統(tǒng)聯(lián)動設備。應急照明疏散指示系統(tǒng)由一臺應急照明控制器、若干集中電源和分配電裝置、若干消防應急照明燈具和若干消防標志燈具。應急照明疏散指示系統(tǒng)通過在控制器中安裝一臺數(shù)傳電臺實現(xiàn)與車載火災探測設備通信，同時通過RS485總線與BAS系統(tǒng)主機相連，實現(xiàn)收到火警信息時聯(lián)動BAS系統(tǒng)控制區(qū)間送風設備。如圖4示火警聯(lián)動設備連接關系。

4實驗與結(jié)果分析

為了驗證地鐵列車火災探測報警系統(tǒng)的算法，在實驗室模擬地鐵列車車廂火災現(xiàn)場實驗。實驗硬件平臺為雙核3.2GHzCPU，操作系統(tǒng)為WindowsXP，實驗軟件采用LabVIEW2010設計的地鐵列車火災探測報警仿真平臺，可實現(xiàn)檢測640*480分辨率圖像每幀時間20ms。在一個光源條件與地鐵列車基本相同的小房間內(nèi)，引燃塑料泡沫、樹葉、紙張、棉布等不同材質(zhì)以獲取濃度不同顏色不一的煙霧，采集六組視頻圖像作為測試樣本。圖5中6個視頻圖像集是煙霧和非煙霧圖像視頻，測試圖像為隨機抽取100幀圖像，火災煙霧圖像灰度微分閾值δ=10。圖6中為仿真平臺測試界面，(a)圖為測試正常圖像，(b)圖為測試煙霧圖像界面。仿真平臺探測火災煙霧時，火警指示燈變紅，并提示發(fā)送火警信息成功。通過下表統(tǒng)計可以看出，本文地鐵火災探測算法能夠準確檢測出地鐵火災煙霧，具有較高的實用價值和應用前途。

5結(jié)束語

本文首次提出利用煙霧圖像的模糊特性通過圖像空域微分探測地鐵火災，填補該領域的技術空白。本課題研發(fā)的地鐵列車火災識別報警系統(tǒng)具有探測可靠性高、系統(tǒng)硬件構(gòu)成簡單，設計成本低安裝使用方便等特點，有很強的開發(fā)利用價值。在基于地鐵車載視頻系統(tǒng)和站臺應急照明疏散系統(tǒng)中可以很方便的擴展實現(xiàn)火災的探測與報警功能。

作者：陳文輝，張述杰單位：沈陽航空航天大學電子信息工程學院