报警系统地铁论文范文

1系统概述

车载视频监控摄像头采集到车厢内火灾烟雾图像，火灾探测报警主机IPC通过视频监控系统局域网实时接收各车厢的图像。并通过火灾烟雾探测算法检测出火灾发生，由采集到烟雾图像的摄像头编号定位火源位置。将火警信息通过数传电台发送至附近车站。车站应急照明疏散系统通过收到火警信息生成应急疏散预案，点亮区间被的应急照明灯和调整应急标志灯指示方向，并联动BAS系统区间送风设备调整送风方向，引导乘客安全疏散。其中地铁列车火灾探测与定位是地铁列车火灾探测报警系统的关键，因此地铁列车火灾探测方法决定了系统性能。

2基于烟雾特征的地铁列车火灾探测方案

烟为火始，通常情况下烟雾产生早于明火的出现。烟雾是火灾发生的前兆，也是火灾发生初期和不完全燃烧重要特征［9－10］。地铁列车火灾由于新风供给不足，产生不完全燃烧反应，导致大量烟雾体产生。因此进行烟雾探测有利于实现火灾的早期预报和人员的疏散。

2.1火灾烟雾的模糊特性

火灾时列车内烟雾运动沿着车厢内顶部向两侧运动，此时车厢顶部的摄像头被烟雾“淹没”，视频监控设备拍摄到的图像为烟雾图像。烟雾是由悬浮的固相和液相颗粒及材料加热过程中产生的气相物质所构成，具有使图像的模糊特性，图像中纹理和边缘尖锐程度下降，亮度变化率减小。火灾烟雾图像的模糊特征在图像频域中就是高频信息衰减，低频信息增加，在图像空域中是图像的灰度(亮度)变化率减小。图2中两幅相同背景下拍摄的图像，可以观察到烟雾图像使背景变得非常模糊，灰度变化没有正常图像明显。实验表明由于火灾起因和燃烧物的不同，火灾烟雾颜色也不相同(主要分为白烟、灰烟和黑烟)，拍摄到的烟雾在灰度图像里的灰度值也各不相同，但同一烟雾的图像在光照相同时灰度值变化很小，而且烟雾浓度越大图像变得越模糊，图像的灰度变化率也越小。

2.2火灾烟雾探测算法

通过上面分析可知利用火灾烟雾模糊特性探测地铁火灾是可行的。可依据图像中高频信息、边缘信息，灰度变化减小判断出火灾烟雾，常用高通滤波、小波变换等方法实现。但这些方法计算量大实时不够好［9，12－13］，无法实现对车载视频监控系统12个摄像头(8节列车有16个)实时监控。因此本文首次采用了空域灰度微分的方法来检测烟雾图像。利用火灾烟雾图像灰度值变化率很小的特征，对图像灰度值微分，如果图像灰度微分在一个阈值内则判定为火灾烟雾图像。具体流程如下。(1)图像的灰度化视频采集的数字图像在计算机中以RGB颜色模型存储，彩色图像灰度化是实质是使RGB彩色图像的三个基色分量值相等。灰度图像每个像素用一个字节来表示，其表示颜色的种类为256种，即表示级别的范围是0－255。从彩色图像到为灰度图的转变可由下面公式得到。Y=0.30R+0.59G+0.11B其中，R为红色分量，G为绿色分量，B为蓝色分量。(2)图像灰度微分对灰度图像在水平和垂直方向求偏微分，微分值即为灰度变化率，由前面分析知其值小于一个阈值。其中f(x，y)表示像素(x，y)相对应的灰度值。在数字图像处理中微分用差分近似替换，烟雾图像灰度差分值小于某一阈值。其中δ为火灾烟雾图像灰度微分阈值，依据地铁环境下火灾时烟雾图像的灰度变化特征选取合适的δ值。(3)统计判断分析地铁列车不同时段正常图像，图像中不满足(1)式的像素点数在一个范围内(N1，N2)，N1、N2值与δ选取有关。通过大量实验对相同背景的正常图像和烟雾图像(分辨率640*480)统计，在δ=10时，正常图像中灰度微分大于δ的像素数是烟雾图像的50倍以上。因此当统计图像中不满足(1)式的像素数sum＜＜N2时，则判定图像为火灾烟雾图像。

3地铁列车火灾探测报警系统

下面主要介绍地铁火灾探测报警系统硬件实现过程，系统硬件在空间上可分为车载火灾探测报警设备和车站火警联动设备。

3.1车载火灾探测设备

车载火灾探测报警设备是由地铁火灾探测报警主机、数传电台和车载视频监控系统组成。考虑到地铁列车内空间有限且内部结构不允许轻易改动，火灾探测报警主机采用小巧、坚固的工控机(IPC)。将工控机接入车载视频监控系统的局域网，将数传电台通过串口线与主机相连。图3为连接示意图。车载视频系统由前端摄像部分、网络交换机和视频监控服务器组成。前端摄像部分有摄像头和单路视频服务器构成，完成图像的采集;网络交换机通过网线连接摄像部分和视频监控主机组成局域网;视频监控主机将视频图像进行实时显示和存储。视频监控主机在地铁列车两端司机室各有一台，两台主机一个为主控一个为备用，可以通过程序切换。系统主机IPC通过网络交换机接入车载视频监控系统，在它上面安装上视频监控软件客户端，可以与视频监控主机同步接收网络上个摄像头上传的视频图像，安装在IPC上的火灾探测算法软件实时检测收到的图像是否为火灾烟雾图像。在检测到火灾时，数传电台通过串口接收IPC的火警信息，并发送给附近车站。

3.2车站火警联动设备

车站火警联动设备包括应急照明疏散指示系统和BAS系统联动设备。应急照明疏散指示系统由一台应急照明控制器、若干集中电源和分配电装置、若干消防应急照明灯具和若干消防标志灯具。应急照明疏散指示系统通过在控制器中安装一台数传电台实现与车载火灾探测设备通信，同时通过RS485总线与BAS系统主机相连，实现收到火警信息时联动BAS系统控制区间送风设备。如图4示火警联动设备连接关系。

4实验与结果分析

为了验证地铁列车火灾探测报警系统的算法，在实验室模拟地铁列车车厢火灾现场实验。实验硬件平台为双核3.2GHzCPU，操作系统为WindowsXP，实验软件采用LabVIEW2010设计的地铁列车火灾探测报警仿真平台，可实现检测640*480分辨率图像每帧时间20ms。在一个光源条件与地铁列车基本相同的小房间内，引燃塑料泡沫、树叶、纸张、棉布等不同材质以获取浓度不同颜色不一的烟雾，采集六组视频图像作为测试样本。图5中6个视频图像集是烟雾和非烟雾图像视频，测试图像为随机抽取100帧图像，火灾烟雾图像灰度微分阈值δ=10。图6中为仿真平台测试界面，(a)图为测试正常图像，(b)图为测试烟雾图像界面。仿真平台探测火灾烟雾时，火警指示灯变红，并提示发送火警信息成功。通过下表统计可以看出，本文地铁火灾探测算法能够准确检测出地铁火灾烟雾，具有较高的实用价值和应用前途。

5结束语

本文首次提出利用烟雾图像的模糊特性通过图像空域微分探测地铁火灾，填补该领域的技术空白。本课题研发的地铁列车火灾识别报警系统具有探测可靠性高、系统硬件构成简单，设计成本低安装使用方便等特点，有很强的开发利用价值。在基于地铁车载视频系统和站台应急照明疏散系统中可以很方便的扩展实现火灾的探测与报警功能。

作者：陈文辉，张述杰单位：沈阳航空航天大学电子信息工程学院