井下明火识别及报警系统的研究与设计

杨晓阳

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿安监站， 山西 大同 037000）

煤炭资源作为我国的经济发展的重要矿产能源，在国民消费中占比75%左右，专家预测未来十年左右的时间，我国的发展主要还是依靠煤炭资源，煤炭开采过程中的安全问题也越来越受到重视[1-2]。由于开采过程中使得煤炭与空气接触，可能导致煤料自燃，发生火灾[3]。矿井火灾发生后，由于空间狭小，工人的撤离困难，极易造成井下工人的伤亡、并且会损害矿井资源，破坏环境、烧毁井下重要设备，严重影响煤矿正常的生产运营。在发生火灾时，还会对通风系统造成破坏，逆转输送的风流方向，井下存在的大量煤尘与瓦斯，容易发生二次爆炸，造成进一步的损失[5-6]。因此，对井下明火识别及报警系统的研究非常有意义，可以尽早的遏制矿井火灾的发生，避免煤矿的经济损失与人员伤亡。

1 系统总体方案的研究与设计

矿井中容易发生火灾的地方主要有三个：采煤工作面、掘进工作面与皮带输送机，其中采煤工作面与掘进工作面主要由于煤炭开采过程中与机械设备的摩擦，再加上与空气的接触，造成的火灾，皮带输送机主要是因为皮带与煤炭之间的摩擦生热，最终诱发火灾。除上述情况之外，一些设备的老化与工人的不规范操作都可能会导致火灾的发生[7-8]。

本文决定以三个火灾常发地点作为基础，建立一种基于视频监控的明火识别及报警系统。系统由摄像机、接口转换器、计算机、报警装置与通信模块等组成，将摄像机安装于三个工作面的最佳监控位置，系统在正常工作时，摄像机监测工作面，将采集到的画面信号，通过转换器传输到计算机中，计算机通过数据处理与图像分析识别技术，判别是否发生火灾，如果有火灾发生，系统报警，见图1。

图1 系统总体方案设计

2 明火识别技术分析与研究

本系统在检测时主要分为以下四个步骤：视频画面采集、图像预处理、明火与环境的图像分割和火焰的特征提取与判断，如图2 所示。本节将对图像处理技术与火焰特征提取技术进行研究。

图2 系统明火检测的步骤

2.1 图像处理技术的分析

基于视频监控的明火识别系统主要依靠摄像机采集到的数字图像进行监测，但是由于井下工作环境的复杂性，难免会有噪声等干扰因素的存在，导致图像特征提取时产生一定的偏差，所以要运用一定的处理技术对图像进行分析。

数字图像主要以二维图像的方式储存在计算机当中，摄像头采集到的图像多数为彩色图像，而彩色图像存储时需要三个通道，占用了大量的空间，但是在实际的信息处理中，彩色图像所包含的很多信息是不需要的，所以要对图像进行灰度化处理。在RGB 模型中，R、G、B为取值在0～255 的三个值，当R=G=B时，此时的数值称为灰度值，在对图像进行灰度化处理时，通常采用加权平均法、最大值法和平均值法。

其中加权平均法是将R、G、B三个分量加权平均，得到比较合理的灰度图像，如下公式（1）所示，所得到的灰度图像绿色较高，蓝色较低，符合人眼对色彩识别的敏感度。

最大值法是将彩色图像中三个颜色分量最大的作为灰度值，如公式（2）：

平均值法是将三个颜色分量求平均得到一个灰度值：

除灰度化之外，还可使用二值法对图像进行处理，即将彩色图像用黑色和白色两种色彩表示出来。二值法的原理如公式（4）所示：

式中：F（x，y）表示图片处理后的像素值，f（x，y）表示处理前的像素值，T表示系统预先设定的阙值，有上式可以看出，通过对T值的设定，可以确定可能有火焰的区域，减小需要检测的范围。

2.2 火焰特征的识别与提取

明火的每个特征都可以作为本系统的识别与提取对象，本文研究的是井下工作面的明火识别系统，为了加快系统的识别速度，结合系统的工作环境，排除一定的非干扰因素，决定只对火焰的圆形度、频率特性和面积变化特性三个特征进行提取识别。

圆形度是用来衡量物体形状与圆近似程度的值，火焰在燃烧过程中，火苗不停的跳动，而象矿井内的其他干扰源如矿灯的灯光等，形状比较规整，圆形度比火焰要高很多，所以可以用圆形度作为矿井下明火的一个判别标准。圆形度的计算公式如下：

式中：Ls为图形形状的周长，As为面积，其中火焰的圆形度一般在0.2～0.3 范围之内，而其他干扰源的圆形度在0.7～0.9 范围之内，所以通过圆形度可以较好地区分火焰与干扰源。

火焰在燃烧时看起来会毫无规律的闪烁，但其实闪烁的频率都会在一定的范围之内，通过计算得到图像的闪烁频率，与火焰的频率范围对比可以作为火焰识别的判据之一。本文中图像闪烁频率的计算公式如下：

式中：F为检测图像的频率，fdi为第i帧画面的检测结果，值为0 或1，t为n帧画面使用的时间。系统检测一段视频时，对图像进行二值化处理后，筛选疑似火焰区域，对灰度值的变化频率进行检测，与火焰燃烧时的频率3～15 Hz 进行对比，可作为识别火焰的一个特征判据。

火灾在发生时，由于受到井下空气流动的影响，火焰虽然整体趋势是增大的，但也可能忽大忽小，所以本文通过火焰的面积变化特性来识别火情的大小，根据情况，做出具体的救援或灭火措施。火焰面积变化特性用其增长率Q表示，如公式（7）：

式中：A为火焰区域的面积，根据公式可求得在一段时间内火焰面积的变化率，进而判断火势的变化。

3 系统软件功能实现

软件部分的主程序流程图如图3 所示。首先系统初始化，启动系统的摄像机等硬件设备，摄像机将视频资料经过转换器传输回系统，系统对视频图像进行预处理，包括灰度化处理与二值化处理等，并对疑似火灾区域的范围进行特征提取，包括图像的圆度值和闪烁的频率特性，通过与明火特征的参数范围进行对比，判别是否有火情，当系统检测到工作面有火情发生时，通过响铃装置进行报警，并可由火焰面积变化特性判别火情的大小及趋势，方便救援人员制定灭火等措施。

图3 系统软件主程序流程图

4 结语

本文研究设计了一种用于井下生产工作面的明火识别及报警系统，通过摄像机的视频监控，对火灾起到预警的作用，尽早地遏制火灾的发生，减小煤矿的经济损失，保护工人的生命安全。