CN113440763A - 一种面向森林防火的智能消防系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向森林防火的智能消防系统及其工作方法，根据消防炮的射程将森林按面积划分为多个区域，在每一区域均设置有一座消防炮台，实现森林防火全覆盖；消防炮、双目视觉系统、红外视觉系统均安装在森林消防炮台顶部；红外视觉系统固定安装在消防炮上，且两者保持同步运动；红外视觉系统和消防炮分别通过信号线连接控制装置；双目视觉系统用于采用森林的图像实现火点定位，双目视觉系统配有运动单元，运动单元通过信号线连接控制装置，实现对双目视觉系统角度的调节；个人终端与控制装置之间可以通过无线通信实现连接，实现远程、实时同步双目视觉系统与红外视觉系统视频。本申请基于图像信息处理快速锁定火点，提高灭火的效率和准确率。

Description

一种面向森林防火的智能消防系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及森林防火领域，尤其涉及一种面向森林防火的智能消防系统及其工作方法。
背景技术
森林火灾一直层出不穷。据应急管理部网站消息，2020国内全年发生森林火灾1153起，其中包括重大森林火灾7起，受害森林面积8526公顷。因为森林环境提供的可燃物极多，且地处野外，风助火势，故森林火灾的特点就是火势发展速度快，扑救难度极大。以往森林火灾的扑救往往是建立隔离带后，消防车从远处扑救，或者采用无人机携带灭火弹，从上空灭火。然而，这样的灭火方式一是耗时长牺牲大，二是并不能把握火灾初期时，在火势尚未发展的时灭火的优势。因此有很多业内人士对智能监测火灾，力争及时灭火做了相关研究。
申请号CN202010533485.6的专利提出了一种可智能控制消防栓进行范围灭火的森林防火用隔离护栏，通过装嵌的烟雾传感器和温度传感器进行火情监测，当判断发生火情后控制消防栓喷头进行范围灭火。但是，仅传感器监测准确性暂且不论，传感器监测是无法判断火情发展走势和大小的。同时，范围灭火也可能因水力不足导致无法有效灭火的情况出现。申请号CN201910740987.3的专利提出了一种智能森林防火系统。该系统有多个子监测端，可通过其内置的多个传感器、图像模块及定位装置，了解火情位置及图像信息等，灭火方面是有工作人员持有的消防监控端发出指令，出动无人机进行灭火。除此之外，还设置有个人终端可通知附近居民。但该系统需由工作人员控制消防无人机出警。同时，专利中提到主监控端综合评估子监控端的信息后再传给消防监控端，但并未明确如何处理信息。申请号CN201910775457.2的专利提出了一种基于GIS的森林防火指挥调度系统，该系统主要是针对如何发现火情及调度灭火力量。该系统在森林里设置多个监控点，通过可见光相机和红外相机拍摄图像，同时配有多种传感器，从多方面来判断火情是否出现。然而在救援力量调度方面，仍需工作人员根据反馈信息进行协调。
由此可知，目前在森林防火方面，存在以下的技术不足：
在森林火情识别方面，目前技术多依靠温度、烟雾等传感器进行识别，图像一般只用做参考，对图像的再处理和利用较少，仅能得到火场二维信息，易造成对火情火势判断不足。
目前在森林消防领域，灭火设备主要是改良消防车和无人机，对基于视觉控制的自动灭火装置的研究较少；同时，对火情的准确识别应当结合对消防水流的准确控制，充分利用消防水力，实现更加有效的灭火。
发明内容
针对以上现存技术问题，本发明提出了一种面向森林防火的智能消防系统及其工作方法，基于视觉控制消防炮自动灭火，解决了现有的森林防火消防系统对火情现场判断不足、难以自动灭火的问题。
为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种面向森林防火的智能消防系统，该智能消防系统包括消防炮、双目视觉系统、红外视觉系统、控制装置及个人终端；所述消防炮、双目视觉系统、红外视觉系统均安装在森林消防炮台顶部；根据消防炮的射程将森林按面积划分为多个区域，在每一区域均设置有一座消防炮台，实现森林防火全覆盖；
所述红外视觉系统固定安装在消防炮上，且两者保持同步运动；红外视觉系统和消防炮分别通过信号线连接控制装置；
双目视觉系统用于采用森林的图像实现火点定位，双目视觉系统配有运动单元，运动单元通过信号线连接控制装置，实现对双目视觉系统角度的调节；
个人终端与控制装置之间可以通过无线通信实现连接，实现远程、实时同步双目视觉系统与红外视觉系统视频。
进一步，所述红外视觉系统包括红外相机和红外相机支架，红外相机安装在红外相机支架上，红外相机支架固定安装在消防炮的上方，且保持红外相机的光轴线和消防炮炮头中心轴线处于同一竖直平面。
进一步，红外相机与消防炮分别通过信号线连接控制装置，将红外相机所采集的红外图像输入控制装置；由控制装置控制消防炮的工作启停。
进一步，在消防炮上装有角度测量器，角度测量器通过信号线连接控制装置，将当前消防炮的俯仰角度、水平角度反馈至控制装置。
进一步，双目视觉系统包括双目相机和双目相机支撑架，双目相机安装在双目相机支撑架上，双目相机支撑架的运动单元安装在消防炮台的顶部，双目相机支撑架的运动单元配有电机装置，电机装置可以带动双目相机实现360度俯仰旋转和水平旋转；电机装置通过信号线连接控制装置。
进一步，控制装置内置有图像处理程序及相应算法，利用图像处理程序及相应算法对双目视觉系统和红外视觉系统所采集图像进行处理，实现火源定位。
一种面向森林防火的智能消防系统的工作方法，该智能消防系统的工作模式包括日常监控模式、火源定位模式、灭火监测模式；
在日常监控模式下，控制装置根据红外视觉系统采集的红外图像判断是否存在异常高温点，若存在，则说明存在火场；调节双目相机角度并获取双目相机的实时图像，判断是否有火灾发生，若有，则停止转动；当红外视觉系统与双目视觉系统之一发现火灾发生时，消防炮与双目相机支撑架停止转动，智能消防系统切换为火源定位模式；
在火源定位模式下，分别利用红外视觉系统的图像进行消防炮在水平方向上对准；双目视觉系统获取当前火场位置的空间位置坐标，计算消防炮的俯仰对准角度，在俯仰方向上对准火场；
在灭火监测模式下，红外视觉系统持续监测火场位置，双目视觉系统计算位置变化后火场的空间位置信息，重新计算水平与俯仰对转角度，持续控制消防炮进行水平与俯仰转动。
进一步，火源定位模式下的定位方法为：红外视觉系统以红外相机成像画面水平方向上的中间线作为期望位置，以识别到的火点位置为当前位置，构造当前位置与期望位置在红外相机水平方向上的偏差，根据该偏差，控制消防炮带动红外视觉系统转动，直至偏差小于设定阈值，消防炮在水平方向上对准火场；双目视觉系统获取当前火场位置的空间位置坐标，并计算消防炮的俯仰对准角度，消防炮进行俯仰转动，在俯仰方向上对准火场；同时，双目视觉系统计算消防炮的水平对转角度，作为控制水平转动的红外视觉系统的替代方案。
本发明的有益效果：
本申请所设计的一种面向森林防火的智能消防系统，基于红外视觉、双目视觉能够实现对森林进行实时监控，当发现火情后能够对火情准确识别，并对火点进行定位，实现无人化实时灭火，并通过对消防炮水射流轨迹的监控和控制，充分利用消防水力，实现更加有效的灭火。同时，应用本专利方法，能够实现对多台消防炮协同控制，实现对多火源的智慧化灭火。此外，红外视觉和双目视觉的联合应用，实现了多种视觉系统的互补互助，使得该系统不仅可应用于白天日照环境好的情况下，在昏暗的夜间也可以起到作用，当烟雾弥漫时也能够有效发现火点存在，提升了该系统在森林环境下的适应性。
附图说明
图1是本发明智能消防系统的整体布置图；
图2是图1所示智能消防系统顶部结构放大图；
图3是本发明消防炮和红外视觉系统装置结构示意图；
图4是本发明双目视觉系统装置结构示意图；
图5是本发明系统结构示意图；
图6是本发明发现火情及灭火的流程控制图；
图7是本发明实现多消防炮协同工作的流程控制图；
图中，1.森林消防炮台；2.消防炮；3.双目视觉系统；4.红外视觉系统；5.控制装置；6.个人终端；7.角度测量器；8.双目相机；9.双目相机支撑架；10.红外相机；11.红外相机支架；12.电机装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1、2所示，是本发明提供的一种面向森林防火的智能消防系统，该智能消防系统包括：消防炮2、双目视觉系统3、红外视觉系统4、控制装置5及个人终端6。其中，消防炮2、双目视觉系统3、红外视觉系统4均安装在森林消防炮台1顶部，森林消防炮台1固定安装在地表且作为消防炮2、双目视觉系统3、红外视觉系统4的安装支架及承受消防炮2喷射反力；根据消防炮2的射程将森林按面积划分为多个区域，在每一区域均设置有一座消防炮台1，实现森林防火全覆盖。
更具体地，如图3所示的红外视觉系统4包括红外相机10和红外相机支架11，红外相机10安装在红外相机支架11上，红外相机支架11固定安装在消防炮2的上方，故红外相机10和消防炮2安装为一体，两者保持同步运动；红外相机10的光轴线和消防炮2炮头中心轴线处于同一竖直平面。红外相机10与消防炮2分别通过信号线连接控制装置5，将红外相机10所采集的红外图像输入控制装置5；由控制装置5控制消防炮2的工作启停。
为了能够调节消防炮2的角度，消防炮2配有电机装置，由电机装置带动消防炮2转动，实现角度的调节，该电机与控制装置5信号连接，用于接收控制装置5的控制信号。为了能够实时检测消防炮2的位置信息，故在消防炮2上装有角度测量器7，角度测量器7通过信号线连接控制装置5，将当前消防炮2的俯仰角度、水平角度反馈至控制装置5，便于控制装置5对消防炮2的姿态的控制。
更具体地，如图4所示的双目视觉系统3包括双目相机8和双目相机支撑架9，双目相机8安装在双目相机支撑架9上，双目相机支撑架9的运动单元安装在消防炮台1的顶部，双目相机支撑架9的运动单元配有电机装置12，电机装置12可以带动双目相机8实现360度俯仰旋转和水平旋转；电机装置12通过信号线连接控制装置5，由控制装置5对电机装置12进行控制。双目相机8和双目相机支撑架9的运动单元分别通过信号线连接控制装置，一方面采集双目相机8所拍摄的图像信息，另一方面采集此时双目视觉系统3的位置信息。在本申请中是通过电机改变消防炮2和双目视觉系统3角度的调节，但是不局限于上述方式，通过配置机械手臂等方式也可以实现同样的技术效果。
如图5，个人终端6可以是个人笔记本电脑，个人终端6与控制装置5之间可以通过无线通信实现连接，可远程实时同步双目视觉系统3与红外视觉系统4视频。
控制装置5具体可以为工控机，控制装置5内置有图像处理程序及相应算法，利用图像处理程序及相应算法对双目视觉系统3和红外视觉系统4所采集图像进行处理，实现火源定位，并控制智能消防系统进行工作模式切换。
一种面向森林防火的智能消防系统的工作方法，该智能消防系统的工作模式包括三种：日常监控模式、火源定位模式、灭火监测模式。
在日常监控模式下，消防炮2进行水平与俯仰旋转，带动红外视觉系统4进行同步的水平、俯仰转动，控制装置5根据红外视觉系统4采集的红外图像判断是否存在异常高温点，若存在，则说明存在火场；双目相机支撑架9带动双目相机8水平与俯仰旋转，双目相机8获取实时图像，并判断是否有火灾发生，若有，则停止转动；当红外视觉系统4与双目视觉系统3之一发现火灾发生时，消防炮2与双目相机支撑架9停止转动，智能消防系统切换为火源定位模式。
在火源定位模式下，红外视觉系统4以红外相机10成像画面水平方向上的中间线作为期望位置，以识别到的火点位置为当前位置，构造当前位置与期望位置在红外相机10水平方向上的偏差，根据该偏差，控制消防炮2带动红外视觉系统4转动，直至偏差小于设定阈值，消防炮2在水平方向上对准火场；双目视觉系统3获取当前火场位置的空间位置坐标，并计算消防炮2的俯仰对准角度，消防炮2进行俯仰转动，在俯仰方向上对准火场；同时，双目视觉系统3计算消防炮2的水平对转角度，作为控制水平转动的红外视觉系统4的替代方案。
在灭火监测模式下，红外视觉系统4持续监测火场位置，当偏差大于设定阈值时，控制消防炮2持续水平转动，持续对准目标火场；同时，双目视觉系统3计算位置变化后火场的空间位置信息，重新计算水平与俯仰对转角度，持续控制消防炮2进行水平与俯仰转动。
此外，将森林按面积划分为多个区域，每一区域均设置有一消防炮台1，该炮台系统按前述方法进行工作。当识别到有火情发生时，若发生单一火情，则由可进入消防炮射程的消防炮2进行灭火救援；若同时有多处火情发生时，则首先根据火情大小，由控制系统计算灭火优先级，后控制系统将控制可进入其射程的多台消防炮2，系统会综合考虑距离和火焰大小等级等因素，按照灭火优先级顺序进行灭火工作。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向森林防火的智能消防系统，其特征在于，该智能消防系统包括消防炮(2)、双目视觉系统(3)、红外视觉系统(4)、控制装置(5)及个人终端(6)；所述消防炮(2)、双目视觉系统(3)、红外视觉系统(4)均安装在森林消防炮台(1)顶部；根据消防炮(2)的射程将森林按面积划分为多个区域，在每一区域均设置有一座消防炮台(1)，实现森林防火全覆盖；
所述红外视觉系统(4)固定安装在消防炮(2)上，且两者保持同步运动；红外视觉系统(4)和消防炮(2)分别通过信号线连接控制装置(5)；
双目视觉系统(3)用于采用森林的图像实现火点定位，双目视觉系统(3)配有运动单元，运动单元通过信号线连接控制装置(5)，实现对双目视觉系统(3)角度的调节；
个人终端(6)与控制装置(5)之间可以通过无线通信实现连接，实现远程、实时同步双目视觉系统(3)与红外视觉系统(4)视频。
2.根据权利要求1所述的一种面向森林防火的智能消防系统，其特征在于，所述红外视觉系统(4)包括红外相机(10)和红外相机支架(11)，红外相机(10)安装在红外相机支架(11)上，红外相机支架(11)固定安装在消防炮(2)的上方，且保持红外相机(10)的光轴线和消防炮(2)炮头中心轴线处于同一竖直平面。
3.根据权利要求2所述的一种面向森林防火的智能消防系统，其特征在于，红外相机(10)与消防炮(2)分别通过信号线连接控制装置(5)，将红外相机(10)所采集的红外图像输入控制装置(5)；由控制装置(5)控制消防炮(2)的工作启停。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种面向森林防火的智能消防系统，其特征在于，在消防炮(2)上装有角度测量器(7)，角度测量器(7)通过信号线连接控制装置(5)，将当前消防炮(2)的俯仰角度、水平角度反馈至控制装置(5)。
5.根据权利要求4所述的一种面向森林防火的智能消防系统，其特征在于，双目视觉系统(3)包括双目相机(8)和双目相机支撑架(9)，双目相机(8)安装在双目相机支撑架(9)上，双目相机支撑架(9)的运动单元安装在消防炮台1的顶部，双目相机支撑架(9)的运动单元配有电机装置(12)，电机装置(12)可以带动双目相机(8)实现360度俯仰旋转和水平旋转；电机装置(12)通过信号线连接控制装置(5)。
6.根据权利要求5所述的一种面向森林防火的智能消防系统，其特征在于，控制装置(5)内置有图像处理程序及相应算法，利用图像处理程序及相应算法对双目视觉系统(3)和红外视觉系统(4)所采集图像进行处理，实现火源定位。
7.一种基于权利要求6所述面向森林防火的智能消防系统的工作方法，其特征在于，该智能消防系统的工作模式包括日常监控模式、火源定位模式、灭火监测模式；
在日常监控模式下，控制装置(5)根据红外视觉系统(4)采集的红外图像判断是否存在异常高温点，若存在，则说明存在火场；调节双目相机(8)角度并获取双目相机(8)的实时图像，判断是否有火灾发生，若有，则停止转动；当红外视觉系统(4)与双目视觉系统(3)之一发现火灾发生时，消防炮(2)与双目相机支撑架(9)停止转动，智能消防系统切换为火源定位模式；
在火源定位模式下，分别利用红外视觉系统(4)的图像进行消防炮(2)在水平方向上对准；双目视觉系统(3)获取当前火场位置的空间位置坐标，计算消防炮(2)的俯仰对准角度，在俯仰方向上对准火场；
在灭火监测模式下，红外视觉系统(4)持续监测火场位置，双目视觉系统(3)计算位置变化后火场的空间位置信息，重新计算水平与俯仰对转角度，持续控制消防炮(2)进行水平与俯仰转动。
8.根据权利要求7所述的一种面向森林防火的智能消防系统的工作方法，其特征在于，火源定位模式下的定位方法为：红外视觉系统(4)以红外相机(10)成像画面水平方向上的中间线作为期望位置，以识别到的火点位置为当前位置，构造当前位置与期望位置在红外相机(10)水平方向上的偏差，根据该偏差，控制消防炮(2)带动红外视觉系统(4)转动，直至偏差小于设定阈值，消防炮(2)在水平方向上对准火场；双目视觉系统(3)获取当前火场位置的空间位置坐标，并计算消防炮(2)的俯仰对准角度，消防炮(2)进行俯仰转动，在俯仰方向上对准火场；同时，双目视觉系统(3)计算消防炮(2)的水平对转角度，作为控制水平转动的红外视觉系统(4)的替代方案。
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