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1系統概述

車載視頻監控攝像頭采集到車廂內火災煙霧圖像，火災探測報警主機IPC通過視頻監控系統局域網實時接收各車廂的圖像。并通過火災煙霧探測算法檢測出火災發生，由采集到煙霧圖像的攝像頭編號定位火源位置。將火警信息通過數傳電臺發送至附近車站。車站應急照明疏散系統通過收到火警信息生成應急疏散預案，點亮區間被的應急照明燈和調整應急標志燈指示方向，并聯動BAS系統區間送風設備調整送風方向，引導乘客安全疏散。其中地鐵列車火災探測與定位是地鐵列車火災探測報警系統的關鍵，因此地鐵列車火災探測方法決定了系統性能。

2基于煙霧特征的地鐵列車火災探測方案

煙為火始，通常情況下煙霧產生早于明火的出現。煙霧是火災發生的前兆，也是火災發生初期和不完全燃燒重要特征［9－10］。地鐵列車火災由于新風供給不足，產生不完全燃燒反應，導致大量煙霧體產生。因此進行煙霧探測有利于實現火災的早期預報和人員的疏散。

2.1火災煙霧的模糊特性

火災時列車內煙霧運動沿著車廂內頂部向兩側運動，此時車廂頂部的攝像頭被煙霧“淹沒”，視頻監控設備拍攝到的圖像為煙霧圖像。煙霧是由懸浮的固相和液相顆粒及材料加熱過程中產生的氣相物質所構成，具有使圖像的模糊特性，圖像中紋理和邊緣尖銳程度下降，亮度變化率減小。火災煙霧圖像的模糊特征在圖像頻域中就是高頻信息衰減，低頻信息增加，在圖像空域中是圖像的灰度(亮度)變化率減小。圖2中兩幅相同背景下拍攝的圖像，可以觀察到煙霧圖像使背景變得非常模糊，灰度變化沒有正常圖像明顯。實驗表明由于火災起因和燃燒物的不同，火災煙霧顏色也不相同(主要分為白煙、灰煙和黑煙)，拍攝到的煙霧在灰度圖像里的灰度值也各不相同，但同一煙霧的圖像在光照相同時灰度值變化很小，而且煙霧濃度越大圖像變得越模糊，圖像的灰度變化率也越小。

2.2火災煙霧探測算法

通過上面分析可知利用火災煙霧模糊特性探測地鐵火災是可行的。可依據圖像中高頻信息、邊緣信息，灰度變化減小判斷出火災煙霧，常用高通濾波、小波變換等方法實現。但這些方法計算量大實時不夠好［9，12－13］，無法實現對車載視頻監控系統12個攝像頭(8節列車有16個)實時監控。因此本文首次采用了空域灰度微分的方法來檢測煙霧圖像。利用火災煙霧圖像灰度值變化率很小的特征，對圖像灰度值微分，如果圖像灰度微分在一個閾值內則判定為火災煙霧圖像。具體流程如下。(1)圖像的灰度化視頻采集的數字圖像在計算機中以RGB顏色模型存儲，彩色圖像灰度化是實質是使RGB彩色圖像的三個基色分量值相等。灰度圖像每個像素用一個字節來表示，其表示顏色的種類為256種，即表示級別的范圍是0－255。從彩色圖像到為灰度圖的轉變可由下面公式得到。Y=0.30R+0.59G+0.11B其中，R為紅色分量，G為綠色分量，B為藍色分量。(2)圖像灰度微分對灰度圖像在水平和垂直方向求偏微分，微分值即為灰度變化率，由前面分析知其值小于一個閾值。其中f(x，y)表示像素(x，y)相對應的灰度值。在數字圖像處理中微分用差分近似替換，煙霧圖像灰度差分值小于某一閾值。其中δ為火災煙霧圖像灰度微分閾值，依據地鐵環境下火災時煙霧圖像的灰度變化特征選取合適的δ值。(3)統計判斷分析地鐵列車不同時段正常圖像，圖像中不滿足(1)式的像素點數在一個范圍內(N1，N2)，N1、N2值與δ選取有關。通過大量實驗對相同背景的正常圖像和煙霧圖像(分辨率640*480)統計，在δ=10時，正常圖像中灰度微分大于δ的像素數是煙霧圖像的50倍以上。因此當統計圖像中不滿足(1)式的像素數sum＜＜N2時，則判定圖像為火災煙霧圖像。

3地鐵列車火災探測報警系統

下面主要介紹地鐵火災探測報警系統硬件實現過程，系統硬件在空間上可分為車載火災探測報警設備和車站火警聯動設備。

3.1車載火災探測設備

車載火災探測報警設備是由地鐵火災探測報警主機、數傳電臺和車載視頻監控系統組成。考慮到地鐵列車內空間有限且內部結構不允許輕易改動，火災探測報警主機采用小巧、堅固的工控機(IPC)。將工控機接入車載視頻監控系統的局域網，將數傳電臺通過串口線與主機相連。圖3為連接示意圖。車載視頻系統由前端攝像部分、網絡交換機和視頻監控服務器組成。前端攝像部分有攝像頭和單路視頻服務器構成，完成圖像的采集;網絡交換機通過網線連接攝像部分和視頻監控主機組成局域網;視頻監控主機將視頻圖像進行實時顯示和存儲。視頻監控主機在地鐵列車兩端司機室各有一臺，兩臺主機一個為主控一個為備用，可以通過程序切換。系統主機IPC通過網絡交換機接入車載視頻監控系統，在它上面安裝上視頻監控軟件客戶端，可以與視頻監控主機同步接收網絡上個攝像頭上傳的視頻圖像，安裝在IPC上的火災探測算法軟件實時檢測收到的圖像是否為火災煙霧圖像。在檢測到火災時，數傳電臺通過串口接收IPC的火警信息，并發送給附近車站。

3.2車站火警聯動設備

車站火警聯動設備包括應急照明疏散指示系統和BAS系統聯動設備。應急照明疏散指示系統由一臺應急照明控制器、若干集中電源和分配電裝置、若干消防應急照明燈具和若干消防標志燈具。應急照明疏散指示系統通過在控制器中安裝一臺數傳電臺實現與車載火災探測設備通信，同時通過RS485總線與BAS系統主機相連，實現收到火警信息時聯動BAS系統控制區間送風設備。如圖4示火警聯動設備連接關系。

4實驗與結果分析

為了驗證地鐵列車火災探測報警系統的算法，在實驗室模擬地鐵列車車廂火災現場實驗。實驗硬件平臺為雙核3.2GHzCPU，操作系統為WindowsXP，實驗軟件采用LabVIEW2010設計的地鐵列車火災探測報警仿真平臺，可實現檢測640*480分辨率圖像每幀時間20ms。在一個光源條件與地鐵列車基本相同的小房間內，引燃塑料泡沫、樹葉、紙張、棉布等不同材質以獲取濃度不同顏色不一的煙霧，采集六組視頻圖像作為測試樣本。圖5中6個視頻圖像集是煙霧和非煙霧圖像視頻，測試圖像為隨機抽取100幀圖像，火災煙霧圖像灰度微分閾值δ=10。圖6中為仿真平臺測試界面，(a)圖為測試正常圖像，(b)圖為測試煙霧圖像界面。仿真平臺探測火災煙霧時，火警指示燈變紅，并提示發送火警信息成功。通過下表統計可以看出，本文地鐵火災探測算法能夠準確檢測出地鐵火災煙霧，具有較高的實用價值和應用前途。

5結束語

本文首次提出利用煙霧圖像的模糊特性通過圖像空域微分探測地鐵火災，填補該領域的技術空白。本課題研發的地鐵列車火災識別報警系統具有探測可靠性高、系統硬件構成簡單，設計成本低安裝使用方便等特點，有很強的開發利用價值。在基于地鐵車載視頻系統和站臺應急照明疏散系統中可以很方便的擴展實現火災的探測與報警功能。

作者：陳文輝，張述杰單位：沈陽航空航天大學電子信息工程學院