CN105080023A - 一种自动跟踪定位射流灭火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的自动跟踪定位射流灭火方法利用摄像头采集的现场视频图像，并通过人工辅助修正落水点位置，在上位机监控平台上实现对火点的远程快速定位；该方法为：采用射流灭火装置探测火源信号，初步确定火源区域的中心位置，发送至上位机来控制灭火装置喷水灭火；根据监控摄像头采集的现场实时监控视频，判断出水是否落在火源中心位置的有效范围以内，如果是，不调整；如果超出范围，则对落水点位置进行人工辅助定位调整，使落水点能落到火源中心有效范围内。采用该灭火方法，很大程度上提高了灭火系统的定位精度，减少了软件误判的可能性，为消防灭火系统的快速、高效、可靠运行提供了保障。

Description

一种自动跟踪定位射流灭火方法

技术领域

本发明可应用于消防领域，尤其涉及一种自动跟踪定位射流灭火方法。

背景技术

依据中国工程建设标准化协会制定的《大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程》(CECS263：2009)，室内大空间场所可定义为民用和工业建筑物内净空高度大于8m、仓库建筑物内净空高度大于12m的场所(2009C.大空间智能型主动喷水灭火系统技术规程[s][D])，例如会展中心、商场、办公楼、医院、飞机场、火车站、图书馆、体育馆、博物馆、酒店、电影院、观光塔等大型建筑物。

近年来，随着我国经济的迅速发展，大空间建筑如雨后春笋般在全国各地掀起一股兴建热潮。与普通建筑相比，大空间建筑更具有视觉开阔化、技术现代化、规模大型化等特点，也更符合现代人的时尚美学观念，但该类建筑空间分割大，防火分区多，且建筑结构特殊，设施复杂，潜在火灾危险性比一般建筑大，灭火也更困难。鉴于大空间建筑的特殊性，其消防系统必须具备探测灵敏度高、系统响应时间短、定位精度高、扑灭初期火灾迅速、适用的空间高度范围广等特点(YangQi.Astudyonthereliabilityoffirewatersupplysysteminhigh-risebuildings[J].FireTechnology,2002,38(1):71-79)，既要保证在火灾早期能够有效地扑灭火灾，还要尽可能减少非火灾区域受到水的喷洒而造成的损失，这对消防系统的灭火精度提出了很高的要求。

用于火灾探测的传感器技术主要有红外和紫外两种，红外探测主要适用于明火探测，紫外探测则更多应用于阴燃探测，自动跟踪定位主要是针对明火探测。钽酸锂热释电红外探测器是一种性能极其优良的热探测器，日本、韩国的LiTaO3晶体技术处于领先，相比而言日本产品比较昂贵，国内多采用韩国LiTaO3晶体二次加工封装产品，技术也已经成熟稳定(张强,沈贺坤,甘晓虹.自动跟踪定位射流灭火水炮发展趋势[J].消防科学与技术,2010,29(8):675-677.)。

近几年，美国、德国、法国、日本等发达国家的一些公司成功研发了智能型消防水炮系统，例如，日本的报知机、法国的博克、美国的TFT等。目前，国内也有多家消防设备公司自主研制了针对室内大空间建筑的消防产品，它们均能实现自动探测和自动定位，同时可以与报警系统联动，但存在火灾误判的可能。

另外，当消防灭火装置的喷头在空间中正对火源中心区域时，水流离开喷头后并不是直线运动的，其运动轨迹受初始水流压力、流速、安装高度、喷头俯仰角、空气阻力等多重因素影响，最终的落水点离火源中心区域的距离有可能超出了有效灭火误差范围。

华东交通大学的胡国良、李忠团队提出了一种优化控制方法(李忠.室内大空间喷水灭火系统自动寻的关键技术研究[D].华东交通大学,2011.)，依据推导出的水流轨迹方程研究落水点与火点的俯仰方向的位置关系，并设计优化控制程序，从而提高灭火系统的灭火定位精度，而没有考虑水平方向可能存在的误差。另外，此类方法需考虑消防灭火装置的初始水流速度、安装高度、喷头俯仰角、空气阻力系数等参数，可移植性不高，且依旧无法解决软件误判的问题。

另一方面，摄像头为了能够快速生成图像，必须利用大面积且弯曲的透镜，从而让足够多的光线能够收敛聚焦到投影点上。因此，物理世界中的点投影到投影平面上，并不能使用简单的针孔摄像机模型进行投影变换，而是普遍存在图像畸变的现象。两种主要的透镜畸变为径向畸变和切向畸变(BradskiGR,KaehlerA.学习OpenCV[M].于仕琪，刘瑞祯译.北京：清华大学出版社,2009.)，径向畸变由透镜形状引起，主要表现为光线在远离透镜中心的位置比靠近中心的位置更加弯曲；而切向畸变则来自于摄像头的安装过程，主要表现为图像上的像素点在位置上的偏移。

因此，缺乏一种不仅利用摄像头采集的现场视频图像实现对火点的远程快速定位时，还要将摄像头畸变校正引入到对火点定位系统中的机制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种自动跟踪定位射流灭火方法，对带有上位机和监控摄像头的室内大空间自动跟踪定位射流灭火系统有重要应用价值，可实现火灾早期远程快速灭火。

为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种自动跟踪定位射流灭火方法，该方法提供一自动跟踪定位射流灭火装置，其包括灭火器，该灭火器包括一大致呈圆柱状的外壳、进水管、出水管、喷头，所述进水管从外壳的上表面中心处进入其内部，出水管与进水管成角度设置，外壳的侧面上设有缺口，出水管从缺口伸出外壳，其端部设有喷头；还包括红外探测器、监控摄像头以及火灾探测；所述火灾探测器安装在灭火器下表面的中心部位，监控摄像头安装在喷头下方，红外探测器安装在进、出水管上，对空间内水平、竖直方向进行火源信号扫描。

所述红外探测器分为水平红外探测器和俯仰红外探测器，水平红外探测器安装在进水管的末端，俯仰红外探测器安装在喷头的正下方。

该方法包括以下几个步骤，

步骤一，采用自动跟踪定位射流灭火装置探测火源信号，初步确定火源区域的中心位置，并将该位置信号发送至上位机，上位机发送指令灭火装置喷水灭火；

步骤二，通过对监控摄像头透镜畸变进行校正，使监控画面能够尽可能还原现场火情及灭火情况；

步骤三，根据监控摄像头采集的现场实时监控视频，判断出水是否落在火源中心位置的有效范围以内，如果是，则不做调整；如果超出有效范围，则通过人工辅助修正的方法，对落水点位置进行调整，使得落水点能够最大程度地靠近火源中心。

步骤二具体指，

步骤2.1，以图像中心为原点，记录火源位置A(x₁,y₁)和初始落水点位置B(x₂,y₂)，首先对镜头的径向畸变进行修正，采用径向畸变矫正公式来补偿因径向畸变而产生的位移，并记录校正后的火源中心位置A′(x′₁,y′₁)和落水点位置B′(x′₂,y′₂)；

步骤2.2，再对镜头的切向畸变进行修正，采用切向畸变矫正公式来补偿因径向畸变而产生的位移，并记录校正后的火源中心位置A″(x″₁,y″₁)和落水点位置B″(x″₂,y″₂)；

步骤2.3，上位机发送指令调整灭火装置喷水位置。

所述的径向畸变校正公式为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)\\ y^{\′}=y(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)\end{array}\right.,$

其中，(x,y)为矫正前坐标，(x′,y′)为矫正后坐标，r为点(x,y)与图像中心的距离，k₁,k₂,k₃为畸变参数；

切向畸变矫正公式为： $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=x^{\′}+\[2p_1{y}^{\′}+p_2(r^{\′2}+2x^{\′2})\]\\ y^{\′\′}=y^{\′}+\[p_1(r^{\′2}+2y^{\′2})+2p_2{x}^{\′}\]\end{array}\right.,$

其中，(x′,y′)为切向矫正前坐标，(x″,y″)为切向矫正后坐标，r′为点(x′,y′)与图像中心的距离，p₁,p₂为切向畸变参数。

步骤三具体指，

步骤3.1，依据矫正后的火源中心位置A″(x″₁,y″₁)和落水点位置B″(x″₂,y″₂)计算出两点的水平距离Δx＝x″₁-x″₂和垂直距离Δy＝y″₁-y″₂；

步骤3.2，考虑摄像头的焦距、镜头大小、安装高度、视场角参数，设计修正算法将Δx转换为修正水平角Δα，转换公式为Δα＝m₁·Δx，m₁为常数；将Δy转换为修正俯仰角Δθ，转换公式为Δθ＝m₂·Δy，m₂为常数，依据Δα和Δθ值调整喷头的水平角及俯仰角，使得落水点向火源中心靠近。

该方法还包括优化过程，用于修正水流轨迹受初始水流压力、流速、安装高度、喷头俯仰角、空气阻力的多重因素影响；具体为：

步骤3.3，记录经步骤3.2修正后的落水点位置C(x₃,y₃)，将其看作标定过程的参考点，依据畸变矫正公式计算得到矫正后的落水点位置C″(x″₃,y″₃)，计算出A″(x″₁,y″₁)、C″(x″₃,y″₃)两点的水平距离Δx′＝x″₁-x″₃和垂直距离Δy′＝y″₁-y″₃；

步骤3.4，调整修正算法为再次调整喷头的水平角及俯仰角，使得落水点能够最大程度地靠近火源中心。

所述步骤一具体指：

水平红外探测器通过2mm狭缝进行水平方向扫描，相对灭火装置的安装高度而言，2mm狭缝非常的狭小，因此在扫描的过程中，可近似看成是一个平面，当探测到火源信号时，主控制器开始计数且水平电机继续转动；当火源信号消失时，停止主控制器计数并记录下数值，水平电机反方向转动记录步数的一半从而完成火源水平方向的中心定位；

紧接着俯仰红外探测器启动，当探测到火源信号时，主控制器开始计数且俯仰电机继续转动；当火源信号消失时，停止主控制器计数并记录下数值，俯仰电机反方向转动记录步数的一半从而完成火源俯仰方向的中心定位；

水平中心平面和俯仰中心平面的交线即为喷头正对火源中心点的延长线，交点即为火源区域的中心点；火源区域中心初步定位完成后，灭火装置根据控制中心上位机发送的指令喷水灭火。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出了一种火点远程快速定位技术，理想情况下鼠标点击三次，即可使得室内大空间自动跟踪定位射流灭火装置的射流在满足允许误差ε的条件下，具体的说，该定位灭火方法过程中，对监控摄像头透镜畸变进行校正，对监控摄像头的焦距、镜头大小、安装高度、视场角参数的影响进行了修正，还对水流轨迹受初始水流压力、流速、安装高度、喷头俯仰角、空气阻力的多重因素影响进行了修正，有效地落在火源中心区域，实现精确灭火。

2、火灾探测组件一旦探测到火源，便立即开启水平红外探测器以及俯仰红外探测器对火点位置进行初步定位，并向控制中心发送报警信号；定位方法准确、快速，控制中心的工作人员可在火灾第一时间通过远程操作调整落水点位置，而无需赶赴火灾现场，大大提高了灭火效率。

3、火灾探测组件通常灵敏度很高，存在一定的误报率，本发明通过人工干预，一旦发现火灾误报可立即远程关闭系统，从而有效减少软件误判带来的损失。

4、监控摄像头获取的视频图像无需做任何处理即可直接传送至上位机，从而可以节省程序运行时间，减轻内存压力。

5、本发明提出的操作方法不涉及任何图像处理知识，简单易行，相关人员进行简单培训即可快速掌握。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1室内大空间自动跟踪定位射流灭火装置示意图；

图2灭火装置内部结构示意图；

图3火源中心扫描定位示意图；

图4落水点与火源中心位置关系示意图；

图5上位机视频采集界面示意图；

图6首次修正操作示意图；

图7水平角首次修正示意图；

图8俯仰角首次修正示意图；

图9二次修正操作示意图；

图10水平角二次修正示意图；

图11俯仰角二次修正示意图；

图中，1-进水管、2-俯仰红外探测器、3-水平红外探测器、4-火灾探测器、5-喷头、6-监控摄像头、7-出水管、8-外壳。

具体实施方式

本发明提供一种自动跟踪定位射流灭火方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1.室内大空间自动跟踪定位射流灭火装置结构如图1、2所示。一种自动跟踪定位射流灭火装置，包括一灭火器，该灭火器包括一大致呈圆柱状的外壳8、进水管1、出水管7、喷头5，所述进水管2从外壳8的上表面中心处进入其内部，出水管7与进水管1成角度设置，外壳8的侧面上设有缺口，出水管7从缺口伸出外壳8，其端部设有喷头5；还包括红外探测器、监控摄像头6以及火灾探测器4；所述火灾探测器4安装在灭火器下表面的中心部位，监控摄像头安装在喷头5下方，红外探测器安装在进、出水管上，对空间内水平、竖直方向进行火源信号扫描。

上述红外探测器分为水平红外探测器3和俯仰红外探测器2，水平红外探测器3安装在进水管1的末端，俯仰红外探测器2安装在喷头5的正下方。

2.装置上电后复位至原点，并进入火灾自动探测状态。

1)当现场发生火灾时，火灾探测器向控制中心发送报警信号，并启动定位程序。

2)定位程序开启后，水平步进电机首先启动，水平热释电红外探测器通过2mm狭缝进行水平方向扫描。相对灭火装置的安装高度而言，2mm狭缝非常的狭小，因此在扫描的过程中，可近似看成是一个平面，如图3所示。

3)当探测到火源信号时(即平面Opk')，主控制器开始计数且水平电机继续转动；当火源信号消失时(即平面Opk”)，停止主控制器计数并记录下数值，水平电机反方向转动记录步数的一半(即平面Opk)从而完成火源水平方向的中心定位。

4)紧接着俯仰步进电机启动，当探测到火源信号时(即平面pm'n')，主控制器开始计数且俯仰电机继续转动；当火源信号消失时(即平面pm”n”)，停止主控制器计数并记录下数值，俯仰电机反方向转动记录步数的一半(即平面pmn)从而完成火源俯仰方向的中心定位。

5)水平中心平面Opk和俯仰中心平面pmn的交线pO'即为喷头正对火源中心点的延长线，交点O'即为火源区域的中心点。火源区域中心初步定位完成后，灭火装置根据控制中心上位机发送的指令喷水灭火。

3.微型监控摄像头拍摄火灾现场视频图像并传送给上位机，在上位机监控界面进行实时显示。控制中心的值班人员接收到报警信号后，依据监控界面上的视频图像，肉眼判断射流是否在满足允许误差ε的条件下，有效地落在火源中心区域，如图4所示，即是否满足d≤ε(ε为常数)。若初始落水点1与火源中心位置的距离超过允许误差，即d＞ε，则以图像中心为原点，在上位机界面的视频图像上用鼠标左键分别点击①火源中心位置A(x₁,y₁)及②初始落水点1位置B(x₂,y₂)，如图5所示，图像宽高比为4:3。

4.摄像头因使用透镜而普遍存在图像畸变的现象，两种主要的透镜畸变为径向畸变和切向畸变。

1)径向畸变

径向畸变主要表现为光线在远离透镜中心的位置比靠近中心的位置更加弯曲，即图像中心位置的畸变为0，随着向边缘移动，畸变越来越严重。通常，可将下式作为径向畸变矫正公式来补偿因径向畸变而产生的位移：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)\\ y^{\′}=y(1+k_1{r}^2+k_2{r}^4+k_3{r}^6)\end{array}\right.$

其中，(x,y)为矫正前坐标，(x′,y′)为矫正后坐标，r为点(x,y)与图像中心的距离，k₁,k₂,k₃为畸变参数。

2)切向畸变

切向畸变是由于透镜制造上的缺陷使得透镜本身与图像平面不平行而产生的，主要表现为图像上的像素点在位置上的偏移。通常，可将下式作为切向畸变矫正公式来补偿因切向畸变而产生的位移：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+\[2p_{1}y+p_2(r^2+2x^2)\]\\ y^{\′}=y+\[p_1(r^2+2y^2)+2p_{2}x\]\end{array}\right.$

其中，(x,y)为矫正前坐标，(x′,y′)为矫正后坐标，r为点(x,y)与图像中心的距离，p₁,p₂为畸变参数。

畸变参数k₁,k₂,k₃,p₁,p₂可通过调用OpenCV的函数cvCalibrateCamera2()求得。依据上述畸变矫正公式对摄像头的两种主要畸变效应进行矫正，得到矫正后的火源中心位置A″(x″₁,y″₁)和落水点位置1B″(x″₂,y″₂)。依据矫正后的两点位置A″(x″₁,y″₁)、B″(x″₂,y″₂)计算出两点的水平距离Δx＝x″₁-x″₂和垂直距离Δy＝y″₁-y″₂，如图6所示。

5.考虑摄像头的焦距、镜头大小、安装高度、视场角等参数，设计修正算法将Δx转换为修正水平角Δα，转换公式为Δα＝m₁·Δx(m₁为常数)；将Δy转换为修正俯仰角Δθ，转换公式为Δθ＝m₂·Δy(m₂为常数)。控制程序依据Δα和Δθ值调整喷头的水平角及俯仰角，如图7、图8所示。

6.因为水流轨迹受初始水流压力、流速、安装高度、喷头俯仰角、空气阻力等多重因素影响，而上述修正算法是事先人为设定的线性转换关系，因此对于不同性能指标、安装方式的灭火装置，一般情况下，修正后的落水点2仍不满足要求。此时，可将落水点2看作标定过程的参考点，用鼠标左键点击修正后的实际落水点2的位置C(x₃,y₃)，依据畸变矫正公式计算得到矫正后的落水点2位置C″(x″₃,y″₃)。计算出视频图像上A″(x″₁,y″₁)、C″(x″₃,y″₃)两点的水平距离Δx′＝x″₁-x″₃和垂直距离Δy′＝y″₁-y″₃，如图9所示。调整修正算法为 控制程序再次调整落水点位置，使得落水点能够最大程度地靠近火源中心，如图10、图11所示。

7.若落水点与火源中心位置的距离仍在允许误差范围外，则重复上述步骤6，直至射流有效地落在火源中心区域，从而实现快速精确灭火。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：该方法提供一自动跟踪定位射流灭火装置，其包括灭火器，该灭火器包括一大致呈圆柱状的外壳、进水管、出水管、喷头，所述进水管从外壳的上表面中心处进入其内部，出水管与进水管成角度设置，外壳的侧面上设有缺口，出水管从缺口伸出外壳，其端部设有喷头；还包括红外探测器、监控摄像头以及火灾探测；所述火灾探测器安装在灭火器下表面的中心部位，监控摄像头安装在喷头下方，红外探测器安装在进、出水管上，对空间内水平、竖直方向进行火源信号扫描。

2.根据权利要求1所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：所述红外探测器分为水平红外探测器和俯仰红外探测器，水平红外探测器安装在进水管的末端，俯仰红外探测器安装在喷头的正下方。

3.根据权利要求2所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：该方法包括以下几个步骤，

步骤一，采用自动跟踪定位射流灭火装置探测火源信号，初步确定火源区域的中心位置，并将该位置信号发送至上位机，上位机发送指令灭火装置喷水灭火；

步骤二，通过对监控摄像头透镜畸变进行校正，使监控画面能够尽可能还原现场火情及灭火情况；

步骤三，根据监控摄像头采集的现场实时监控视频，判断出水是否落在火源中心位置的有效范围以内，如果是，则不做调整；如果超出有效范围，则通过人工辅助修正的方法，对落水点位置进行调整，使得落水点能够最大程度地靠近火源中心。

4.根据权利要求3所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：步骤二具体指，

步骤2.1，以图像中心为原点，记录火源位置A(x₁,y₁)和初始落水点位置B(x₂,y₂)，首先对镜头的径向畸变进行修正，采用径向畸变矫正公式来补偿因径向畸变而产生的位移，并记录校正后的火源中心位置A′(x′₁,y′₁)和落水点位置B′(x′₂,y′₂)；

步骤2.2，再对镜头的切向畸变进行修正，采用切向畸变矫正公式来补偿因径向畸变而产生的位移，并记录校正后的火源中心位置A″(x″₁,y″₁)和落水点位置B″(x″₂,y″₂)；

步骤2.3，上位机发送指令调整灭火装置喷水位置。

5.根据权利要求4所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：所述的径向畸变校正公式为

其中，(x,y)为矫正前坐标，(x′,y′)为矫正后坐标，r为点(x,y)与图像中心的距离，k₁,k₂,k₃为畸变参数；

切向畸变矫正公式为：

其中，(x′,y′)为切向矫正前坐标，(x″,y″)为切向矫正后坐标，r′为点(x′,y′)与图像中心的距离，p₁,p₂为切向畸变参数。

6.根据权利要求3所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：步骤三具体指，

步骤3.1，依据矫正后的火源中心位置A″(x″₁,y″₁)和落水点位置B″(x″₂,y″₂)计算出两点的水平距离Δx＝x″₁-x″₂和垂直距离Δy＝y″₁-y″₂；

步骤3.2，考虑摄像头的焦距、镜头大小、安装高度、视场角参数，设计修正算法将Δx转换为修正水平角Δα，转换公式为Δα＝m₁·Δx，m₁为常数；将Δy转换为修正俯仰角Δθ，转换公式为Δθ＝m₂·Δy，m₂为常数，依据Δα和Δθ值调整喷头的水平角及俯仰角，使得落水点向火源中心靠近。

7.根据权利要求6所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：该方法还包括优化过程，用于修正水流轨迹受初始水流压力、流速、安装高度、喷头俯仰角、空气阻力的多重因素影响；具体为：

步骤3.3，记录经步骤3.2修正后的落水点位置C(x₃,y₃)，将其看作标定过程的参考点，依据畸变矫正公式计算得到矫正后的落水点位置C″(x″₃,y″₃)，计算出A″(x″₁,y″₁)、C″(x″₃,y″₃)两点的水平距离Δx′＝x″₁-x″₃和垂直距离Δy′＝y″₁-y″₃；

步骤3.4，调整修正算法为再次调整喷头的水平角及俯仰角，使得落水点能够最大程度地靠近火源中心。

8.根据权利要求3所述的一种自动跟踪定位射流灭火方法，其特征在于：所述步骤一具体指：水平红外探测器通过2mm狭缝进行水平方向扫描，相对灭火装置的安装高度而言，2mm狭缝非常的狭小，因此在扫描的过程中，可近似看成是一个平面，当探测到火源信号时，主控制器开始计数且水平电机继续转动；当火源信号消失时，停止主控制器计数并记录下数值，水平电机反方向转动记录步数的一半从而完成火源水平方向的中心定位；

紧接着俯仰红外探测器启动，当探测到火源信号时，主控制器开始计数且俯仰电机继续转动；当火源信号消失时，停止主控制器计数并记录下数值，俯仰电机反方向转动记录步数的一半从而完成火源俯仰方向的中心定位；

水平中心平面和俯仰中心平面的交线即为喷头正对火源中心点的延长线，交点即为火源区域的中心点；火源区域中心初步定位完成后，灭火装置根据控制中心上位机发送的指令喷水灭火。