基于視頻圖像的隧道火災報警系統設計

張和棋

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司廈門分院，廈門 361000）

由于城市隧道的封閉性，隧道火災事故具有蔓延速度快、通道易阻塞、濃煙高溫、撲救疏散困難的特點。隧道防火是一項非常重要的工作，目的是把已發生的火災消滅在萌芽或發展的早期，最大限度降低損失。隧道火災報警系統必須可靠、先進，并具有高靈敏度和極低誤報率，能無間隙、隨時隨地在無人干涉的情況下，對隧道空間火災自動探測報警。文章結合廈門會展隧道、文興隧道監控系統改造實例，介紹分布式智能圖像煙霧火焰探測系統（Video Image Smoke and Flame Detectors，VISFD）[1-2]。

1 工程概況

本項目涉及會展隧道和文興隧道兩條隧道。會展隧道長約900 m，南北走向，位于廈門國際會展中心西側，下穿會展北路、會展中心廣場、會展南路，毗鄰會展路、蓮前東路末端，隸屬環島干道，是整個環島干道的重要交通樞紐組成部分。文興隧道位于廈門梧村火車站東北方向，長約2 100 m，東接文興西路，下穿東坪山公園，上跨成功大道，西至東浦路。

會展隧道和文興隧道內現有的火災報警系統仍在使用，但因為長時間運行，部分元器件已經超過正常服務周期，設備老化嚴重，故障頻率日益升高，處于帶病運行狀態。

會展隧道現有18 路模擬槍型攝像機和4 路模擬球形攝像機。文興隧道現有30 路模擬槍型攝像機和4 路模擬球形攝像機?，F有監控攝像采集圖像模糊、故障率高，未使用視頻事件檢測系統。目前，隧道雖基本實現無盲區監控，但視頻回路多，主要靠人工進行監控，且長時間工作下人員容易疲勞，造成對隧道相關交通事件處理效率低下。隧道內交通一次事故、二次事故頻繁發生，不利于市民出行安全，急需進行升級改造。

2 采用圖像型火災探測報警技術的必要性

目前，會展隧道、文興隧道既有火災探測系統主要采用點式感光和線型感溫光纖探測報警系統。這兩類探測報警系統主要從信號強度、時間分辨率、波長方面來探測火災。然而，由于隧道環境的特殊性，隧道內始終保持一定速度的風流，火災事件早期煙霧還未產生火焰，加之遮擋物的干擾等，使得基于燃燒產物的火災探測系統存在誤報、漏報和響應速度慢等問題[3]。此外，風流引起的溫度漂移使得感溫探測器不能準確定位火災位置、遮擋導致火焰探測器失效等，是火災探測器不能克服的致命問題[4]。

VISFD 系統可以在較遠的距離通過識別煙霧或火焰來探測火災，及時提供火災報警場景的實時圖像和火災位置信息[5]，允許監控人員進行快速確認，并監控火災的擴展情況，在隧道火災探測方面相對點式線型火災探測器具有極大的優勢，如抗干擾能力強、報警準確率高、探測距離遠、可視化報警等。

3 VISFD 系統設計

本項目采用的VISFD 系統是北京某公司生產的AlarmEye 分布式智能圖像煙霧火焰探測系統。探測器由1 個紅外（Infrared Ray，IR）攝像機、1 個彩色/黑白攝像機、1 個IR 光源、圖像采集與預處理、數字信號處理器（Digital Signal Process，DSP）和輸入/輸出（Input/Output，I/O）界面等組成。IR 攝像機可以極大地提高系統火焰探測和降低誤報率，彩色/黑白攝像機可以采集現場圖像信息，IR 光源使得探測器可以在黑暗中工作并探測煙霧火災，圖像采集與預處理可以預處理攝像機采集的圖像，DSP 和I/O 界面可以輸出火災報警信息、火災概率信息、火災位置信息[6]。

AlarmEye 分布式智能圖像煙霧火焰探測系統的智能識別和處理算法嵌入并行數字處理器DSP，包括數字視頻圖像、圖像濾波處理、背景學習與建模、前景檢測、火災圖像特征分析、數據融合、火警概率計算及決策輸出等[7]。

AlarmEye 分布式智能圖像煙霧火焰探測系統有兩種報警輸出，即煙霧和火焰。煙霧和火焰信號被單獨辨識和分別處理。從兩類電荷耦合器件（Chargecoupled Device，CCD）圖像中獲得的煙霧和火焰特征數據由DSP 進行量化、分析處理和數據融合。一旦煙霧或火焰的概率高于預先設定的閾值，探測系統會發出火災報警，并將該信號輸出到火災報警主機（聯動型）。同時，VISFD 探測器的報警燈點亮[8]。

AlarmEye 分布式智能圖像煙霧火焰探測系統包含外場設備及管理中心兩部分。外場設備主要包含分布式智能圖像煙霧火焰探測器、圖像火災探測器光纖收發器、火災報警輸入輸出模塊、適配電源及傳輸光纜等。管理中心主要包含圖像火災信息處理主機、圖像火災、事件管理工作站、視頻管理及流媒體服務器、火災報警主機、火災報警工作站、匯聚層以太網交換機及網絡硬盤錄像機等[9-10]。

3.1 隧道前端系統設計

3.1.1 信號傳輸

為了將土建改造工程量降到最低，利用既有攝像機預留洞室及攝像機監控箱，安裝光纖收發器、適配電源、光纖接續盒、輸入輸出模塊等。分布式智能圖像煙霧火焰探測器安裝高度為3.5 m，探測器圖像信號由超六類線傳輸至監控箱內的光纖收發器，探測器報警輸出繼電器由總線傳輸至監控箱輸入輸出模塊。當探測器采集煙霧和火焰信號達到DSP 處理器預設閾值時，直接由報警繼電器輸出信號至管理中心[11]。圖像信號利用現有/新建48 芯光纜傳輸視頻信號裝置文興隧道管理用房，經光電轉換后集中接入匯聚層交換機。距離較遠的會展隧道，圖像信號經匯聚交換機和光纖配線架集中后傳輸至文興隧道管理用房。

3.1.2 探測器布置

根據會展隧道及文興隧道平縱，兩條隧道曲率半徑最小處為文興隧道樁號k2+120～k2+672 段，隧道平面曲率半徑R為448 m。分布式智能圖像煙霧火焰探測器以在圈區間內無死角為目標來設置位置和間隔。

探測器的視線可能會被具有平面曲線的隧道側壁阻擋，導致出現死角。將探測器設置在曲線的內側壁和外側壁有不同的應用效果。

一般智能圖像煙霧火焰探測器設置在外側壁時死角較小，智能圖像煙霧火焰探測器利用率較高。

式中：R為平面曲率半徑，m；W為自道路中心到側壁面的距離，m；d為自道路中心到探測器的距離，m；La為無死角距離，m；Lb為死角距離，m。

文興隧道為兩車道隧道，W=5.0 m，d=4.7 m，則La=92.9 m，Lb=187.1 m。

根據所得數據，則兩條隧道探測器布設間隔設置為100 m。

會展隧道長約900 m，左右洞共設置18 臺分布式智能圖像煙霧火焰探測器。文興隧道長約2 100 m，左右洞共設置44 臺分布式智能圖像煙霧火焰探測器。

3.2 后端管理中心設計

由前端分布式智能圖像煙霧火焰探測器采集視頻信號預處理后，經光纖收發器光電轉換，利用現有/新建48 芯光纜傳輸視頻信號裝置文興隧道管理用房，經光電轉換后集中接入匯聚層交換機，視頻分發至圖像火災信息處理主機、視頻管理及流媒體服務器[12-13]。當發生火災時，視頻圖像經圖像火災信息處理主機確認后，發出報警信號至火災報警主機及火災報警工作站，提醒監控中心值班人員。視頻圖像經網絡視頻解碼器發送至監控拼接屏。管理中心系統設備示意圖如圖1所示。

圖1 管理中心系統圖

4 結語

城市隧道消防工作除貫徹“防消結合，以防為主”的方針以外，設計應用先進的火災報警系統對于城市隧道火災的防范具有重要意義。經過實際使用檢測，采用AlarmEye 分布式智能圖像煙霧火焰探測系統，可以有效偵測早期煙霧。通過自學習和不同靈敏度的設置，100 m 距離定位精度可達1.5 m 以內，同時可以有效避免大型汽車尾氣造成誤報警。5 m·s-1以下的風速對火焰有增強攪動的作用，效果更好。較大的風速對火焰影響較小，對響應時間的影響在5～10 s。