CN110083113B - 基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算机视觉和启发式搜索算法的智能火灾疏散系统及方法，包括监测子系统、计算机控制子系统、单片机控制电路和可拼接式逃生指示牌，监测子系统由摄像机组、烟雾报警器组和手动火灾报警器组成，计算机控制子系统由建筑通道布局数据库、计算机视觉算法以及启发式路径搜索算法模块而构成；单片机控制电路由单片机、锁存器、译码器和鸣警笛组成，在计算机控制子系统的指示下同时控制多个逃生指示灯，并且发现火情立即控制鸣警器发出警报；可拼接式逃生指示牌由可拼接外部结构、译码器、逻辑芯片和发光二极管组成。本发明实现了智能规划出次短逃生路线对拥挤人群进行疏散的技术方案。

Description

基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机智能化应用技术领域，具体涉及一种基于计算机视觉技术和启发式搜索算法的智能火灾疏散系统及其疏散方法。

背景技术

近年来，建筑物内火灾时有发生，建筑物火灾甚至已经成为威胁城市公众安全的主要灾害之一。但是由于一般建筑内通道狭窄，房间紧凑，火灾一旦产生，便迅速蔓延，扑救困难大，逃生疏散困难。而由于逃生混乱导致逃生时机延误，时常发生人员被迫破窗跳楼甚至发生逃生踩踏事件。这些问题给人们的生命财产安全带来了巨大的隐患。

现存的火灾报警系统在真正火灾事件发生时仅仅能够起到报警作用，无法做到真正的疏散人群的作用，简单的安全出口指示牌在紧急情况下能起到的作用微乎其微。此时如果有一种系统能够做到迅速锁定火源位置并快速报警，同时能智能判断从火源到安全出口最短通道，还能提前检测通道内是否有障碍物，并规避障碍物通道指导疏散，同时可以自动检测是否出现逃生通道拥挤，自动启动次短路线疏散逃生人群，这种系统必将在一定程度上提高火灾逃生时的疏散速度，将火灾损失降到最低。

发明内容

综合以上背景和需求，本发明提出了一种基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散方法，将快速智能疏散人群作为主要设计目的，以程序控制为纽带，将计算机视觉技术和搜索算法加以融合，能够智能报警智能疏散人群，更大程度上避免发生逃生延误和踩踏事件的智能火灾疏散系统。

本发明的一种基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散方法，该方法由监测子系统、计算机控制子系统、单片机控制电路和逃生指示牌来实现，其中，所述监测子系统由摄像机组、烟雾报警器组和手动火灾报警器组成，所述计算机控制子系统由建筑通道布局数据库、视觉火焰识别算法模块、视觉障碍物识别算法模块以及视觉人数识别算法模块有机组合而成的计算机视觉算法以及启发式路径搜索算法模块而构成；所述单片机控制电路由单片机、鸣警笛组成，在所述计算机控制子系统的指示下同时控制指示灯、鸣警笛发出警报；所述单片机控制电路对逃生指示牌进行控制，该方法包括以下流程：

计算机控制子系统从原始建筑通道数据中读取到安全出口的位置信息后，即启动

视觉火焰识别算法模块对监测子系统的摄像机组传回的影像信息进行实时火焰识别，并与烟雾报警器、手动报警器相结合；若未发现火情则继续监测；

一旦监测子系统中任一个装置发现火情，则马上由烟雾报警器或者发现火情的摄像机编号判定起火位置，每一个烟雾报警器和摄像机都会有编号，每一个编号与楼层及位置相对应，一旦某一烟雾报警器被触发或者摄像机发现火源，计算机即根据编号计算出火情位置；由计算机控制子系统获取位置信息并在原始建筑通道数据中标记起火位置，生成第一建筑通道数据，然后生成控制信息发送至单片机控制电路；

单片机控制电路接收控制信息，控制火情所在的可拼接式逃生指示牌，提示逃生通道有危险，并启动鸣警笛，进行全建筑范围内的火灾鸣警；

随即，计算机控制子系统启动障碍物识别算法模块，对监测子系统的摄像机组传回的影像进行障碍物识别，若未发现障碍物则由第一建筑通道数据直接生成第二建筑通道数据，若在某通道发现障碍物，则在第一建筑通道数据中标记障碍物位置以及障碍物所在通道的节点信息，然后生成控制信息，发送至单片机控制电路，由单片机控制电路进一步控制障碍物所在可拼接式逃生指示牌提示通道有障碍物，而在第一建筑通道数据中将障碍物所在通道上下节点之间的路径删除，生成第二建筑通道数据，以便进行最短逃生通道搜索时不考虑障碍物通道；

利用启发式路径搜索算法模块在第二建筑通道数据中求出最短逃生路线，获取最短逃生路线经过的每一个节点信息，并依据两节点之间最短距离的路线智能生成控制信息发送至单片机控制电路，进一步控制最短逃生路线内所有通道的可拼接式逃生指示牌开启绿色箭头标识，箭头均指向出口处，用于引导人群快速撤离，其他路线的逃生指示牌开启白色箭头标识，方向也指向出口，代表普通逃生路线；

而后，计算机控制子系统启动视觉人数识别算法模块，对最短逃生路线内人数进行计算，并与提前设置的好的人数安全值作对比，若发现在路线中某通道人数过多造成拥挤，则在第二建筑通道数据中删除发生拥挤的通道，生成新的第三建筑通道数据，以便进行临时次短逃生路线搜索时不考虑最短逃生路线中发生拥挤的通道；

利用启发式路径搜索算法模块求出第三建筑通道数据中的最短逃生路线，即第二建筑通道数据中的次短逃生路线，获取次短逃生路线经过的每一个节点信息，并依据两节点之间最短距离的路线智能生成控制信息发送至单片机控制电路，进一步控制次短逃生路线内所有通道的逃生指示牌开启黄色箭头标识，当次短逃生路线与最短逃生路线重叠时，重叠部分路线依旧开启绿色箭头标识箭头均指向出口处，黄色标识路线用于临时引导人群有效疏散防止踩踏事件发生；

此时，利用视觉人数识别检测算法模块判定整体建筑的通道内是否还有未撤离人员，若有未撤离人员则继续对最短逃生路线内人数进行识别，当发现没有拥挤情况发生时，原次短逃生路线的黄色指示灯变成白色指示灯代表普通逃生路线，人员继续按照最短逃生路线撤离防止逃生延误，颜色变回后返回继续进行人数识别，若之前未生成次短逃生路线则直接返回进行人数识别；当建筑物内检测不到未撤离人员，则疏散系统终止工作，但是指示牌依旧常亮，等待人工关闭，方便消防人员按照最短路线反向找到火情发生位置，迅速灭火。

附图说明

图1为本发明的基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散系统整体结构示意图；

图2为本发明的基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散方法工作流程图；

图3为本发明具体实施示例图；

图4为本发明的监测子系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。。

如图1所示，本发明的基于计算机视觉和启发式搜索算法的智能火灾疏散系统，包括四个主要功能单元：监测子系统、计算机控制子系统、单片机控制电路和可拼接式逃生指示牌。

其中：监测子系统1由摄像机组、烟雾报警器组和手动火灾报警器组组成。计算机控制子系统由内置于PC端的建筑通道布局数据库、视觉火焰识别算法模块、视觉障碍物识别算法模块、视觉人数识别算法模块等计算机视觉算法以及启发式路径搜索算法模块有机组合而成；建筑通道布局数据库通过输入界面依据不同建筑物的结构进行编辑而构成。单片机控制电路由单片机、锁存器、译码器和鸣警笛组成。可拼接式逃生指示牌由可拼接外部结构、译码器、逻辑芯片和发光二极管组成。

计算机控制子系统作为核心，负责控制监测子系统；监测子系统将烟雾或者手动报警器组的报警信号以及摄像机组的影像数据传送给计算机。计算机控制子系统经过一系列算法，包括计算机视觉算法与启发式路径搜索算法等得到最终控制信息，并将控制信息发送至单片机控制电路，由单片机控制电路做进一步处理，单片机接收到控制信息后，按照控制信息的指令生成对建筑物不同位置指示牌的图案、方向、颜色的电子控制信号，并控制鸣警器鸣警，最终完成智能火灾疏散的功能。单片机可使用STM32型号单片机完成工作，单片机控制电路可以包括锁存器、译码器等。

如图2所示，为本发明的基于计算机视觉算法和启发式搜索算法的火灾疏散系统的工作流程图。该火灾疏散系统由计算机控制子系统进行集中控制，具体包括以下处理：

首先由人工通过操作界面编辑/输入建筑物通道布局，生成原始建筑通道数据(建筑通道数据0)，读取原始建筑通道数据，读取到安全出口的位置信息，即启动视觉火焰识别算法模块对监测子系统的摄像机组传回的影像信息进行实时火焰识别，并与烟雾报警器、手动报警器相结合，若未发现火情则继续监测；一旦监测子系统中任一个装置发现火情，则马上由烟雾报警器或者发现火情的摄像机编号判定起火位置，由计算机控制子系统获取位置信息并在原始建筑通道数据中标记起火位置生成第一建筑通道数据，然后生成控制信息发送至单片机控制电路，单片机控制电路接收计算机的控制信息，控制火情所在的通道逃生指示牌提示通道有危险，并启动鸣警笛全建筑进行火灾鸣警。随即计算机启动障碍物识别算法模块，对监测子系统的摄像机组传回的影像进行障碍物识别，若未发现障碍物则由第一建筑通道数据直接生成第二建筑通道数据(建筑通道数据2)，若在某通道发现障碍物，则在第一建筑通道数据中标记障碍物位置以及障碍物所在通道的节点信息(通道两端岔路口位置信息)，然后由计算机生成控制信息，发送至单片机控制电路，由单片机控制电路进一步控制障碍物所在可拼接式逃生指示牌提示通道有障碍物，而计算机在第一建筑通道数据中将障碍物所在通道上下节点之间的路径删除，生成第二建筑通道数据，以便进行最短逃生通道搜索时不考虑障碍物通道。计算机利用启发式路径搜索算法模块(本发明中采用A*搜索算法)在第二建筑通道数据中求出最短逃生路线，由于A*搜索算法具有预先手动设置估计成本的功能，只要预先设置合适的距离估计成本可以迅速的找到最短逃生路线，计算结果往往不唯一，获取最短逃生路线经过的每一个节点信息，并依据两节点之间最短距离的路线智能生成控制信息发送至单片机控制电路，进一步控制最短逃生路线内所有通道的可拼接式逃生指示牌开启绿色箭头标识，箭头均指向出口处，用于引导人群快速撤离，其他路线的逃生指示牌开启白色箭头标识，方向也指向出口，代表普通逃生路线。而后计算机控制子系统开始启动视觉人数识别算法模块，对最短逃生路线内人数进行计算，并与提前设置的好的人数安全值作对比，若发现在路线中某通道人数过多造成拥挤，则在第二建筑通道数据中删除发生拥挤的通道，生成新的第三建筑通道数据(建筑通道数据3)，以便进行临时次短逃生路线搜索时不考虑最短逃生路线中发生拥挤的通道。利用A*搜索算法求出第三建筑通道数据中的最短逃生路线(即第二建筑通道数据中的次短逃生路线)，结果往往不唯一，计算机获取次短逃生路线经过的每一个节点信息，并依据两节点之间最短距离的路线智能生成控制信息发送至单片机控制电路，进一步控制次短逃生路线内所有通道的逃生指示牌开启黄色箭头标识，当次短逃生路线与最短逃生路线重叠时，重叠部分路线依旧开启绿色箭头标识箭头均指向出口处，黄色标识路线用于临时引导人群有效疏散防止踩踏事件发生。此时视觉人数识别检测整体建筑的通道内是否还有未撤离人员，若有未撤离人员则继续对最短逃生路线内人数进行识别，当发现没有拥挤情况发生时，原次短逃生路线的黄色指示灯变成白色指示灯代表普通逃生路线，人员继续按照最短逃生路线撤离防止逃生延误，颜色变回后返回继续进行人数识别，若之前未生成次短逃生路线则直接返回进行人数识别。当建筑物内检测不到未撤离人员，则疏散系统终止工作，但是指示牌依旧常亮，等待人工关闭，方便消防人员按照最短路线反向找到火情发生位置，迅速灭火。

如附图4所示，为本发明的监测子系统结构示意图。由摄像机组、烟雾报警器组、手动报警器组组成，其中摄像机组包含多个摄像机，且在建筑内通道合理布置，每一台摄像机都有自己所负责的监察范围，且重叠监察区域较少，所有的监察区域必须覆盖整个建筑物的通道。烟雾报警器则在建筑物通道内均匀合理布置即可，手动报警器在建筑物每个楼层的不同通道内至少布置一个。

所述的计算机控制子系统的计算机视觉算法包括路径搜索算法模块、视觉火焰识别算法模块、视觉障碍物识别算法模块以及视觉人数识别算法模块等核心算法。这些算法模块被控制系统根据情况调用，形成完整的智能疏散系统。计算机控制子系统内部可人工置入整栋楼的建筑通道布局数据，且可依据不同建筑物的通道设计在系统界面进行编辑。

所述单片机控制电路能够在计算机控制子系统的指示下同时控制多个逃生指示灯按照不同的图案、颜色和方向进行指示，并且发现火情立即控制鸣警器发出警报。

所述可拼接逃生指示牌则设计成可拼接结构，任意多个联接在一起均可直接使用，任意长度的通道均可由多个指示牌联接至一起全面布置，与现有安全出口指示灯不同，可拼接逃生指示牌只有在发生火情时启动，并且是多个指示牌拼接至一起，能够覆盖到整个建筑内。可拼接式逃生指示牌上指示灯提示危险、障碍物以及不同颜色箭头的信号。每个通道的指示牌组成一组做相同变化，不同通道的指示牌依据指令做不同变化，指示牌可直接贴在墙根瓷砖或者地面瓷砖上安装方便，并且两个指示牌之间可以折叠以适应通道布局，可以通过使用不同长度的指示牌相组合适应各种长度的通道。

当火情发生时，该智能火灾疏散系统能够通过监测子系统第一时间判断出火情所在通道，并通过计算机控制子系统控制鸣警器发出警报，能够智能判断楼层内是否存在障碍物并根据情况分析出最佳逃生路线在避免障碍通道的同时判读出最佳逃生路线，并控制整个楼层的逃生指示牌根据指示做出不同变化快速疏散人群，还能时刻检测逃生通道内是否产生拥挤，一旦产生拥挤，便智能规划出次短逃生路线对拥挤人群进行疏散。本发明很大程度上对人群有效疏散起到了作用，有效避免因慌不择路导致的延误逃生时机人员被迫跳窗的情况发生，也有效减少人员在紧急情况下发生拥挤踩踏的可能性。

Claims (1)

1.一种基于计算机视觉和启发式搜索算法的火灾疏散方法，该方法监测子系统、计算机控制子系统、单片机控制电路和逃生指示牌来实现，所述监测子系统由摄像机组、烟雾报警器组和手动火灾报警器组成，所述计算机控制子系统由建筑通道布局数据库、视觉火焰识别算法模块、视觉障碍物识别算法模块以及视觉人数识别算法模块有机组合而成的计算机视觉算法以及启发式路径搜索算法模块而构成；所述单片机控制电路由单片机、鸣警笛组成，在所述计算机控制子系统的指示下同时控制指示灯、鸣警笛发出警报；所述单片机控制电路对逃生指示牌进行控制；其特征在于，该方法包括以下流程：

计算机控制子系统从原始建筑通道数据中读取到安全出口的位置信息后，即启动视觉火焰识别算法模块对监测子系统的摄像机组传回的影像信息进行实时火焰识别，并与烟雾报警器、手动报警器相结合；若未发现火情则继续监测；

一旦监测子系统中任一个装置发现火情，则马上由烟雾报警器或者发现火情的摄像机编号判定起火位置，每一个烟雾报警器和摄像机都会有编号，每一个编号与楼层及位置相对应，一旦某一烟雾报警器被触发或者摄像机发现火源，计算机即根据编号计算出火情位置；由计算机控制子系统获取位置信息并在原始建筑通道数据中标记起火位置，生成第一建筑通道数据，然后生成控制信息发送至单片机控制电路；

单片机控制电路接收控制信息，控制火情所在的可拼接式逃生指示牌，提示逃生通道有危险，并启动鸣警笛，进行全建筑范围内的火灾鸣警；

随即，计算机控制子系统启动障碍物识别算法模块，对监测子系统的摄像机组传回的影像进行障碍物识别，若未发现障碍物则由第一建筑通道数据直接生成第二建筑通道数据，若在某通道发现障碍物，则在第一建筑通道数据中标记障碍物位置以及障碍物所在通道的节点信息，然后生成控制信息，发送至单片机控制电路，由单片机控制电路进一步控制障碍物所在可拼接式逃生指示牌提示通道有障碍物，而在第一建筑通道数据中将障碍物所在通道上下节点之间的路径删除，生成第二建筑通道数据，以便进行最短逃生通道搜索时不考虑障碍物通道；

利用启发式路径搜索算法模块在第二建筑通道数据中求出最短逃生路线，获取最短逃生路线经过的每一个节点信息，并依据两节点之间最短距离的路线智能生成控制信息发送至单片机控制电路，进一步控制最短逃生路线内所有通道的可拼接式逃生指示牌开启绿色箭头标识，箭头均指向出口处，用于引导人群快速撤离，其他路线的逃生指示牌开启白色箭头标识，方向也指向出口，代表普通逃生路线；

而后，计算机控制子系统启动视觉人数识别算法模块，对最短逃生路线内人数进行计算，并与提前设置的好的人数安全值作对比，若发现在路线中某通道人数过多造成拥挤，则在第二建筑通道数据中删除发生拥挤的通道，生成新的第三建筑通道数据，以便进行临时次短逃生路线搜索时不考虑最短逃生路线中发生拥挤的通道；

利用启发式路径搜索算法模块求出第三建筑通道数据中的最短逃生路线，即第二建筑通道数据中的次短逃生路线，获取次短逃生路线经过的每一个节点信息，并依据两节点之间最短距离的路线智能生成控制信息发送至单片机控制电路，进一步控制次短逃生路线内所有通道的逃生指示牌开启黄色箭头标识，当次短逃生路线与最短逃生路线重叠时，重叠部分路线依旧开启绿色箭头标识箭头均指向出口处，黄色标识路线用于临时引导人群有效疏散防止踩踏事件发生；

此时，利用视觉人数识别检测算法模块判定整体建筑的通道内是否还有未撤离人员，若有未撤离人员则继续对最短逃生路线内人数进行识别，当发现没有拥挤情况发生时，原次短逃生路线的黄色指示灯变成白色指示灯代表普通逃生路线，人员继续按照最短逃生路线撤离防止逃生延误，颜色变回后返回继续进行人数识别，若之前未生成次短逃生路线则直接返回进行人数识别；当建筑物内检测不到未撤离人员，则疏散系统终止工作，但是指示牌依旧常亮，等待人工关闭，方便消防人员按照最短路线反向找到火情发生位置，迅速灭火。

Images