基于视频图像的隧道火灾报警系统设计

张和棋

（中铁第四勘察设计院集团有限公司厦门分院，厦门 361000）

由于城市隧道的封闭性，隧道火灾事故具有蔓延速度快、通道易阻塞、浓烟高温、扑救疏散困难的特点。隧道防火是一项非常重要的工作，目的是把已发生的火灾消灭在萌芽或发展的早期，最大限度降低损失。隧道火灾报警系统必须可靠、先进，并具有高灵敏度和极低误报率，能无间隙、随时随地在无人干涉的情况下，对隧道空间火灾自动探测报警。文章结合厦门会展隧道、文兴隧道监控系统改造实例，介绍分布式智能图像烟雾火焰探测系统（Video Image Smoke and Flame Detectors，VISFD）[1-2]。

1 工程概况

本项目涉及会展隧道和文兴隧道两条隧道。会展隧道长约900 m，南北走向，位于厦门国际会展中心西侧，下穿会展北路、会展中心广场、会展南路，毗邻会展路、莲前东路末端，隶属环岛干道，是整个环岛干道的重要交通枢纽组成部分。文兴隧道位于厦门梧村火车站东北方向，长约2 100 m，东接文兴西路，下穿东坪山公园，上跨成功大道，西至东浦路。

会展隧道和文兴隧道内现有的火灾报警系统仍在使用，但因为长时间运行，部分元器件已经超过正常服务周期，设备老化严重，故障频率日益升高，处于带病运行状态。

会展隧道现有18 路模拟枪型摄像机和4 路模拟球形摄像机。文兴隧道现有30 路模拟枪型摄像机和4 路模拟球形摄像机。现有监控摄像采集图像模糊、故障率高，未使用视频事件检测系统。目前，隧道虽基本实现无盲区监控，但视频回路多，主要靠人工进行监控，且长时间工作下人员容易疲劳，造成对隧道相关交通事件处理效率低下。隧道内交通一次事故、二次事故频繁发生，不利于市民出行安全，急需进行升级改造。

2 采用图像型火灾探测报警技术的必要性

目前，会展隧道、文兴隧道既有火灾探测系统主要采用点式感光和线型感温光纤探测报警系统。这两类探测报警系统主要从信号强度、时间分辨率、波长方面来探测火灾。然而，由于隧道环境的特殊性，隧道内始终保持一定速度的风流，火灾事件早期烟雾还未产生火焰，加之遮挡物的干扰等，使得基于燃烧产物的火灾探测系统存在误报、漏报和响应速度慢等问题[3]。此外，风流引起的温度漂移使得感温探测器不能准确定位火灾位置、遮挡导致火焰探测器失效等，是火灾探测器不能克服的致命问题[4]。

VISFD 系统可以在较远的距离通过识别烟雾或火焰来探测火灾，及时提供火灾报警场景的实时图像和火灾位置信息[5]，允许监控人员进行快速确认，并监控火灾的扩展情况，在隧道火灾探测方面相对点式线型火灾探测器具有极大的优势，如抗干扰能力强、报警准确率高、探测距离远、可视化报警等。

3 VISFD 系统设计

本项目采用的VISFD 系统是北京某公司生产的AlarmEye 分布式智能图像烟雾火焰探测系统。探测器由1 个红外（Infrared Ray，IR）摄像机、1 个彩色/黑白摄像机、1 个IR 光源、图像采集与预处理、数字信号处理器（Digital Signal Process，DSP）和输入/输出（Input/Output，I/O）界面等组成。IR 摄像机可以极大地提高系统火焰探测和降低误报率，彩色/黑白摄像机可以采集现场图像信息，IR 光源使得探测器可以在黑暗中工作并探测烟雾火灾，图像采集与预处理可以预处理摄像机采集的图像，DSP 和I/O 界面可以输出火灾报警信息、火灾概率信息、火灾位置信息[6]。

AlarmEye 分布式智能图像烟雾火焰探测系统的智能识别和处理算法嵌入并行数字处理器DSP，包括数字视频图像、图像滤波处理、背景学习与建模、前景检测、火灾图像特征分析、数据融合、火警概率计算及决策输出等[7]。

AlarmEye 分布式智能图像烟雾火焰探测系统有两种报警输出，即烟雾和火焰。烟雾和火焰信号被单独辨识和分别处理。从两类电荷耦合器件（Chargecoupled Device，CCD）图像中获得的烟雾和火焰特征数据由DSP 进行量化、分析处理和数据融合。一旦烟雾或火焰的概率高于预先设定的阈值，探测系统会发出火灾报警，并将该信号输出到火灾报警主机（联动型）。同时，VISFD 探测器的报警灯点亮[8]。

AlarmEye 分布式智能图像烟雾火焰探测系统包含外场设备及管理中心两部分。外场设备主要包含分布式智能图像烟雾火焰探测器、图像火灾探测器光纤收发器、火灾报警输入输出模块、适配电源及传输光缆等。管理中心主要包含图像火灾信息处理主机、图像火灾、事件管理工作站、视频管理及流媒体服务器、火灾报警主机、火灾报警工作站、汇聚层以太网交换机及网络硬盘录像机等[9-10]。

3.1 隧道前端系统设计

3.1.1 信号传输

为了将土建改造工程量降到最低，利用既有摄像机预留洞室及摄像机监控箱，安装光纤收发器、适配电源、光纤接续盒、输入输出模块等。分布式智能图像烟雾火焰探测器安装高度为3.5 m，探测器图像信号由超六类线传输至监控箱内的光纤收发器，探测器报警输出继电器由总线传输至监控箱输入输出模块。当探测器采集烟雾和火焰信号达到DSP 处理器预设阈值时，直接由报警继电器输出信号至管理中心[11]。图像信号利用现有/新建48 芯光缆传输视频信号装置文兴隧道管理用房，经光电转换后集中接入汇聚层交换机。距离较远的会展隧道，图像信号经汇聚交换机和光纤配线架集中后传输至文兴隧道管理用房。

3.1.2 探测器布置

根据会展隧道及文兴隧道平纵，两条隧道曲率半径最小处为文兴隧道桩号k2+120～k2+672 段，隧道平面曲率半径R为448 m。分布式智能图像烟雾火焰探测器以在圈区间内无死角为目标来设置位置和间隔。

探测器的视线可能会被具有平面曲线的隧道侧壁阻挡，导致出现死角。将探测器设置在曲线的内侧壁和外侧壁有不同的应用效果。

一般智能图像烟雾火焰探测器设置在外侧壁时死角较小，智能图像烟雾火焰探测器利用率较高。

式中：R为平面曲率半径，m；W为自道路中心到侧壁面的距离，m；d为自道路中心到探测器的距离，m；La为无死角距离，m；Lb为死角距离，m。

文兴隧道为两车道隧道，W=5.0 m，d=4.7 m，则La=92.9 m，Lb=187.1 m。

根据所得数据，则两条隧道探测器布设间隔设置为100 m。

会展隧道长约900 m，左右洞共设置18 台分布式智能图像烟雾火焰探测器。文兴隧道长约2 100 m，左右洞共设置44 台分布式智能图像烟雾火焰探测器。

3.2 后端管理中心设计

由前端分布式智能图像烟雾火焰探测器采集视频信号预处理后，经光纤收发器光电转换，利用现有/新建48 芯光缆传输视频信号装置文兴隧道管理用房，经光电转换后集中接入汇聚层交换机，视频分发至图像火灾信息处理主机、视频管理及流媒体服务器[12-13]。当发生火灾时，视频图像经图像火灾信息处理主机确认后，发出报警信号至火灾报警主机及火灾报警工作站，提醒监控中心值班人员。视频图像经网络视频解码器发送至监控拼接屏。管理中心系统设备示意图如图1所示。

图1 管理中心系统图

4 结语

城市隧道消防工作除贯彻“防消结合，以防为主”的方针以外，设计应用先进的火灾报警系统对于城市隧道火灾的防范具有重要意义。经过实际使用检测，采用AlarmEye 分布式智能图像烟雾火焰探测系统，可以有效侦测早期烟雾。通过自学习和不同灵敏度的设置，100 m 距离定位精度可达1.5 m 以内，同时可以有效避免大型汽车尾气造成误报警。5 m·s-1以下的风速对火焰有增强搅动的作用，效果更好。较大的风速对火焰影响较小，对响应时间的影响在5～10 s。