煉化企業(yè)初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王軍， 張俊

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 天津分公司，天津 300270；2. 浪潮軟件集團(tuán)有限公司，北京 100089)

1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控點(diǎn)位較多且品牌復(fù)雜，人工監(jiān)控存在時(shí)間盲區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)火情后往往不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)過(guò)火災(zāi)最佳救援時(shí)機(jī)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。多個(gè)監(jiān)控平臺(tái)并存，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島，無(wú)法統(tǒng)一管理，在事故后期溯源時(shí)需通過(guò)搜尋調(diào)取存儲(chǔ)攝像，操作復(fù)雜，處理效率低下。

初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可集成各種品牌攝像機(jī)并關(guān)聯(lián)公司現(xiàn)有監(jiān)控平臺(tái)，統(tǒng)一管理，由人工監(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器全天候監(jiān)控。觸發(fā)報(bào)警后，系統(tǒng)在第一時(shí)間以語(yǔ)音彈框、短信提醒等方式通知管理人員,并發(fā)送報(bào)警信息，生成報(bào)警記錄，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、報(bào)警一體化視頻聯(lián)動(dòng)。由事后追溯轉(zhuǎn)為事初報(bào)警，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能化初期火災(zāi)預(yù)警監(jiān)控，在節(jié)約人工成本的同時(shí)，安全生產(chǎn)也得以保障。

2 初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

依托該公司現(xiàn)有視頻管理平臺(tái)及2 200個(gè)現(xiàn)場(chǎng)模擬、數(shù)字監(jiān)控視頻，對(duì)溫度達(dá)到220 ℃及以上，且易產(chǎn)生腐蝕泄漏的設(shè)備、罐區(qū)、汽車(chē)棧臺(tái)、熱油泵、高溫管線等重點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全天候智能火焰識(shí)別。發(fā)生火情時(shí)，在該公司視頻管理系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)預(yù)警、報(bào)警、存儲(chǔ)的一體化視頻聯(lián)動(dòng)。該預(yù)警系統(tǒng)主要包括： 視頻監(jiān)控管理平臺(tái)、火焰識(shí)別模型、視頻預(yù)處理和報(bào)警客戶端以及短信平臺(tái)。

3 初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用

3.1 總體架構(gòu)

利用該公司視頻專(zhuān)網(wǎng)資源及視頻監(jiān)控管理平臺(tái)，部署初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)警及視頻聯(lián)動(dòng)。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)示意

該系統(tǒng)架構(gòu)中各層主要功能如下：

1)感知層。主要包括前端監(jiān)控?cái)z像機(jī)和硬盤(pán)錄像機(jī)，用于實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻。

2)數(shù)據(jù)層。預(yù)處理程序通過(guò)該預(yù)警系統(tǒng)后臺(tái)管理端配置的相關(guān)攝像機(jī)，將實(shí)時(shí)采集的視頻流轉(zhuǎn)化為圖片，根據(jù)規(guī)則模型參數(shù)過(guò)濾數(shù)據(jù)，把有效的結(jié)果集中發(fā)送給火焰識(shí)別模型。

3)能力層。該預(yù)警系統(tǒng)采用機(jī)器深度學(xué)習(xí)框架，通過(guò)大量的樣本進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，訓(xùn)練后的火焰特征庫(kù)分類(lèi)存儲(chǔ)，以備火焰識(shí)別使用。能力層功能主要包含火焰預(yù)測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)。該預(yù)警系統(tǒng)利用現(xiàn)有的視頻監(jiān)控管理平臺(tái)，將火災(zāi)報(bào)警信號(hào)推送給視頻監(jiān)控管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻聲光報(bào)警一體化聯(lián)動(dòng)；并按照視頻控制權(quán)限分配短信發(fā)送機(jī)制，該機(jī)制依賴于第三方短信網(wǎng)關(guān)，及時(shí)將報(bào)警信息推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人。

4)應(yīng)用層。當(dāng)該預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到火情時(shí)，第一時(shí)間在現(xiàn)有的視頻監(jiān)控平臺(tái)彈出相應(yīng)監(jiān)控視頻畫(huà)面，并語(yǔ)音播報(bào)報(bào)警點(diǎn)位，視頻彈出畫(huà)面有報(bào)警核實(shí)和誤報(bào)兩個(gè)功能按鈕。同時(shí)視頻監(jiān)控平臺(tái)以及該預(yù)警系統(tǒng)后臺(tái)管理端均提供火災(zāi)報(bào)警記錄查詢功能。

“中國(guó)個(gè)人收入分配調(diào)節(jié)的對(duì)象應(yīng)是全體國(guó)民，但85%的城鎮(zhèn)就業(yè)人員從納稅人行列中被剔除出去，他們中的大多數(shù)才是真正的低、中收入人群。特別是從3500元到5000元的過(guò)程中，1.18億人不再納稅，對(duì)于即將出臺(tái)的專(zhuān)項(xiàng)附加扣除將無(wú)法享受，而這85%中的大多數(shù)，恰恰才是最需要減負(fù)的人。”劉克崮說(shuō)。

5)展示層。主要將報(bào)警彈出視頻推送到視頻監(jiān)控PC機(jī)上或大顯示屏上。

3.2 技術(shù)原理

該預(yù)警系統(tǒng)支持多種規(guī)則模型，主要分為靜態(tài)特征模型與動(dòng)態(tài)特征模型兩大類(lèi)。靜態(tài)模型包括： 顏色、亮度、光譜、顏色直方等15種模型；動(dòng)態(tài)模型包括： 面積、移動(dòng)、相似度等7種模型。

該預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合火焰靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征，利用計(jì)算機(jī)模式識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信以及海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)，將智能識(shí)別算法嵌入到數(shù)字信號(hào)處理中，分析和提煉目標(biāo)的各種行為模式，形成核心算法。采用目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)分類(lèi)、行為分析等方法，根據(jù)機(jī)器深度學(xué)習(xí)特征庫(kù)進(jìn)行比較和比對(duì)，達(dá)到辨識(shí)采集到的視頻圖像行為理解的目的。對(duì)目標(biāo)的框架周長(zhǎng)和行動(dòng)軌跡打上標(biāo)簽，做出預(yù)警和實(shí)時(shí)報(bào)警，觸發(fā)錄像，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控識(shí)別。

初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)采用火警識(shí)別的技術(shù)手段有三種，包括： 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)及HSV算法、目標(biāo)檢測(cè) (faster-rcnn)算法、幀間差分算法及CNN識(shí)別技術(shù)，可根據(jù)實(shí)際情況選用不同的算法識(shí)別火警。

該預(yù)警系統(tǒng)以基于幀間差分算法及CNN的火警識(shí)別技術(shù)為例，介紹其原理：

1)第一步采用幀間差分算法。通過(guò)火焰具有跳動(dòng)的特征，提取動(dòng)態(tài)區(qū)域形態(tài)、顏色、畫(huà)面中的火焰相似度等數(shù)據(jù)進(jìn)行模型識(shí)別，并找出視頻畫(huà)面中的動(dòng)態(tài)區(qū)域，利用畫(huà)面的動(dòng)態(tài)特征和動(dòng)態(tài)區(qū)域的像素坐標(biāo)作為運(yùn)算依據(jù)。首先將RGB三通道的彩色圖轉(zhuǎn)換為grey單通道的灰度圖，然后將視頻第n幀灰度圖 與n-1幀灰度圖逐個(gè)像素相減，得到差分圖像，如設(shè)置閾值為50，令差分圖像中小于50的值為0，不作后續(xù)計(jì)算；大于50的值為255，進(jìn)行后續(xù)計(jì)算分析，得到二值圖像；接著進(jìn)行連通性分析，得到運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。小于閾值的區(qū)域，是視頻畫(huà)面中變化較小的區(qū)域或靜止區(qū)域，通常為背景；而不小于閾值的區(qū)域像素變化較大，說(shuō)明有物體在區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。視頻畫(huà)面中出現(xiàn)火情時(shí)，必定是在大于閾值的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，通過(guò)尋找運(yùn)動(dòng)區(qū)域，就能找到疑似火焰的區(qū)域。

兩幀相減差分圖像計(jì)算如式(1)所示：

Dn(x,y)=|fn(x,y)-fn-1(x,y)|

(1)

式中：fn，fn-1——相鄰兩幀圖像；Dn——差分圖像。

二值圖像的判斷如式(2)所示：

(2)

式中：T——閾值；Rn——二值圖像。

2)第二步采用CNN判斷是否為火。以大量的火焰圖像和非火焰的圖像作為訓(xùn)練樣本，將檢測(cè)視頻畫(huà)面中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域圖像送入CNN，判斷疑似火焰區(qū)域的圖像是否為火，進(jìn)行火和非火圖像分類(lèi)。當(dāng)分類(lèi)結(jié)果為火時(shí)，即檢測(cè)到火情，隨即發(fā)出報(bào)警信號(hào)給值班人員確認(rèn)。圖像通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，識(shí)別率和準(zhǔn)確率均可達(dá)90%以上，單次識(shí)別的時(shí)間在1 s以內(nèi)，可以滿足生產(chǎn)環(huán)境中對(duì)報(bào)警及時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，特別是2020年該公司經(jīng)歷了設(shè)備大檢修異常復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件考驗(yàn)，成功捕獲現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)情，驗(yàn)證了該預(yù)警系統(tǒng)的有效性，降低了非計(jì)劃停車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，該預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)納入到裝置開(kāi)車(chē)條件之一，各生產(chǎn)裝置交付生產(chǎn)前，現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控技防措施應(yīng)部署到位、完好投用。目前該預(yù)警系統(tǒng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域覆蓋率達(dá)25%以上，由多人輪守“人眼盯控”轉(zhuǎn)為全天候視頻智能監(jiān)控，大幅降低巡檢人員工作強(qiáng)度，提升巡檢效果，識(shí)別準(zhǔn)確率高、誤報(bào)率低，實(shí)現(xiàn)了從事后追溯轉(zhuǎn)為事初報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控、識(shí)別火災(zāi)險(xiǎn)情，一旦發(fā)生火災(zāi)，第一時(shí)間通知監(jiān)控中心、相關(guān)操作人員及消防支隊(duì)，配合短信和應(yīng)急指揮平臺(tái)，及時(shí)處理并縮短了救援時(shí)間，最大限度地挽回經(jīng)濟(jì)損失，提升了該公司的安全管理水平。