基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法

1.本发明涉及一种基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，该方法涉及数字图像处理技术和通信技术等领域。


背景技术：

2.煤炭行业，瓦斯、火灾、水灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。数据表明，我国煤矿发生的重特大事故统计中，矿井火灾及火灾引起的爆炸是事故占比最高、致灾最严重的。矿井火灾一旦发生，如果火势不能得到及时控制，波及范围将迅速扩大，造成大量人员伤亡和财产损失；进一步可能会作为引爆源致使井下高浓度瓦斯和煤尘区域发生爆炸，对井下环境造成二次创伤。因此，快速识别井下火灾灾情，及时报警，有针对性的启动应急预案和应急救援，对于煤炭安全生产来说至关重要。
3.在现有的矿井火灾监测技术中，包括有各类传感器综合监测法，比如温度、烟雾、气体等传感器，该类监测虽然具有可靠性高、操作简单的优点，但是基于井下作业场景复杂，其布置及维护工作量大且受干扰源影响大；红外辐射测温装备监测法，能实现对火源进行测温，但是测温精度受井下环境因素及火灾干扰源影响较大；视觉特征监测法，目前主流的矿井火灾监测技术，但是现有的监测技术采取判定火灾的特征变量较多，虽然信息特征包含丰富，但是所包含的不稳定因素也较多，基于多镜头及多帧图像综合判定火灾灾情，会导致判定时间较长，漏报率及误报率较高。
4.因此，有必要研究新的矿井火灾快速识别方法，缩短判定时间，减小现有监测技术针对矿井火灾感知的误报率和漏报率。尽早发现矿井火灾，并能够第一时间对火灾灾害进行报警，是及时进行应急救援，挽救井下遇险人员生命的重要保障。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，因火焰燃烧具有不规则形态，而干扰光源包括但不限于日光灯、白炽灯、led灯、矿灯、车灯图像轮廓特征规则，该方法充分考虑了火灾燃烧图像特征，能够快速辨别火灾和火灾干扰源，准确简单，能为井下遇险人员争取更多的救援和逃生时间，包括在有电缆、胶带和机电设备的巷道、硐室、掘进工作面和综采工作面安装摄像机实时监测监控区域，依据疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值是否满足设定条件进行火灾报警判定，依据设定时间内判定为火灾报警的次数与总判定次数比值是否满足设定条件进行井下监控区域火灾判定，当判定井下监控区域发生火灾，立即向监控终端发出火灾报警信号；
6.所述火灾报警判定的工作过程包括：
7.步骤1：摄像机实时采集监控区域的图像，所述监控图像经过图像滤波去噪，图像增强及图像像素二值化后，当图像上有单块区域像素特征值h1大于设定的阈值i时，判定所
述图像为单块区域的疑似火灾图像；当图像上有多块不连通区域像素特征值hi(i≥2)均大于设定的阈值i时，判定所述图像为多块区域的疑似火灾图像，执行步骤2；当不满足疑似火灾图像判定条件，则持续监测；
8.步骤2：当疑似火灾图像上只有单块疑似火灾区域，直接将疑似火灾图像上疑似火灾区域进行轮廓边缘特征处理，求出疑似火灾区域实际面积和疑似火灾区域轮廓实际周长；或当疑似火灾图像上有多块疑似火灾区域，则将多块疑似火灾区域进行图像分割，分块对疑似火灾区域进行轮廓边缘特征处理，求出疑似火灾区域实际面积和疑似火灾区域轮廓实际周长，执行步骤3；
9.步骤3：求出疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长并计算与其轮廓实际周长的比值；求出疑似火灾区域等面积三角形周长并计算与其实际轮廓周长的比值；求出疑似火灾区域等面积矩形周长并计算与其实际轮廓周长的比值，执行步骤4；
10.步骤4：当疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值满足条件时，式中l
j1
、l
j2
、l
j3
分别为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值，疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值，疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值，ka、kb、kc为设定阈值；所述ka、kb、kc由试验测定或人为设定得到，执行步骤5，否则返回执行步骤1；
11.步骤5：进行火灾报警，并返回执行步骤1。
12.1.所述火灾识别方法进一步包括：所述井下监控区域火灾判定过程包括，持续时间t秒循环执行火灾报警判定的工作，当所述满足火灾报警判定条件的疑似火灾图像报警次数变量x与图像的总判定次数变量y比值大于设定的阈值r时，即x/y＞r，则判定井下监控区域发生火灾。
13.2.所述火灾识别方法进一步包括：所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长为依据疑似火灾区域实际面积和圆周长公式求得：式中sj为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积；所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值：式中pj为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际轮廓周长。
14.3.所述火灾识别方法进一步包括：所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形周长为依据疑似火灾区域实际面积和三角形周长公式求得：式中sj为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积，k
j1
、k
j2
为疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形的任意两边与第三边的边长比值；所述比值k
j1
、k
j2
由疑似火灾区域轮廓最小外接三角形的任意两边与第三边的边长比值等效求得；所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓
周长比值：式中pj为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际轮廓周长。
15.4.所述火灾识别方法进一步包括：所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形周长为依据疑似火灾区域实际面积和矩形周长公式求得：式中sj为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积，k
j3
为疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形的边长比值；所述比值k
j3
由疑似火灾区域轮廓最小外接矩形的任意边与其邻边的比值等效求得；所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值：式中pj为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际轮廓周长；所述等面积周长的图形包括但不限于圆形、三角形、矩形形状。
16.所述基于图像轮廓边角数的矿井火灾识别与报警方法具有以下特点：
17.1.本发明的火灾识别方法充分分析了火灾燃烧图像轮廓特征，充分分析了井下火灾干扰源的图像轮廓特征，所述方法基于疑似火灾图像上疑似火灾区域的等面积圆周长、等面积三角形周长以及等面积矩形周长与其实际轮廓周长的比值特征进行火灾判定，更加有利于对火灾干扰源进行甄别及剔除，能够减小对火灾灾情的误报和漏报。
18.2.本发明方法不仅高效的利用了火灾图像的特征信息，且图像处理部分的算法构建简洁、高效，单帧图像即可快速判定火灾信息，所述方法特征提取辨识度高，变量少，从而缩短了疑似火灾的判别时间，进一步为井下被困及受灾人员争取更多的逃生时间。
附图说明
19.图1基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法的实施方案示意图。
20.图2火灾监测报警设备结构示意图。
21.图3基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法的火灾报警流程示意图。
22.图4基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法的火灾判定流程示意图。
具体实施方式
23.基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法的实施方案示例如图1所示，所述主要组成包括：
24.1.存储服务器(101)，所述存储服务器与图像采集摄像机(105)通信连接，负责存储转发由摄像机提供的监控区域实时视频图像数据；所述存储服务器与火灾监测报警设备(106)通信连接，负责存储转发由火灾监测报警设备提供的火灾报警数据；为监控终端(102)提供查看待监测区域的现场监控数据或调取历史监控图像数据服务。
25.2.监控终端(102)，安装于井上，用于接收所述火灾监测报警设备(106)的报警信号；负责提供井下环境监控数据显示服务，由存储服务器(101)提供实时、历史数据和火灾报警数据，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对存储服务器(101)存储的历
史数据调取查询。
26.3.核心交换机(103)，矿用以太网的核心管理和交换设备，负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换，具有路由功能，连接互联网。
27.4.环网交换机(104)，矿用以太网的井下交换设备，安装在井下，多个环网交换机以环网方式连接。
28.5.摄像机(105)，图像采集设备，安装在井下巷道、采煤工作面及掘进工作面，负责采集井下巷道及工作面等易发生火灾区域的实时视频图像；所述摄像机包括可见光摄像机、远红外摄像机、近红外摄像机和紫外摄像机；所述摄像机具有网络输出和模拟视频输出功能；网络接口直接连接环网交换机(104)，将实时采集的监控区域的视频图像数据传输给存储服务器(101)，模拟视频输出端口连接火灾监测报警设备(106)。
29.6.火灾监测报警设备(106)，负责接收和处理由摄像机(105)采集的监控视频图像数据，内置图形图像处理软件，当处理后的疑似火灾图像，满足设定的火灾报警条件，则向存储服务器(101)发出火灾报警数据；并向监控终端(102)发出火灾报警信号；具有有线与无线通信功能。
30.7.疑似火灾区域，摄像机实时监控区域出现的疑似着火点区域，该图像数据由摄像机实时监测并采集上传。
31.图2是火灾监测报警设备结构示意图：
32.所述火灾监测报警设备主要组成包括：核心处理器、图形处理器、存储单元、时钟单元、电源单元、usb接口单元、视频图像采集模块、无线通信单元、网络接口单元、sd卡接口单元。
33.1.核心处理器(201)，采用broadcom bcm2837处理器，采用arm cortex-a53架构，64位四核1.2ghz。
34.2.图形处理器(202)，采用是dual core videocore iv gpu处理器。
35.3.存储单元(203)，采用1gb lpdd2内存。
36.4.时钟单元(204)，采用19.2mhz晶振。
37.5.电源单元(205)，采用ac/dc模块，输入100v～240vac，输出12vdc，用于设备供电。
38.6.usb接口单元(206)，支持4个usb接口。
39.7.视频图像采集模块(207)，将模式视频信号转为数字视频数据，输入连接摄像机(105)的模拟视频输出端口，通过usb口将数字视频数据传输给核心处理器(201)，支持多路视频采集。
40.8.通信模块(208)，负责将rs485通信接口转换为usb通信接口，连接其他数据监测设备。
41.9.无线通信单元(209)，支持802.11b/g/n协议，用于与支持无线通信的监测设备进行无线通信。
42.10.网络接口单元(210)，负责接入矿用以太网，连接环网交换机(104)。
43.11.sd卡单元(211)，用于存放系统文件、库文件、监控程序文件等，使用linux系统管理，内置opencv库用于视频数据处理，采用不小于4gb的micro sd卡。
44.基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法的火灾报警流程示例如
图3所示，所述流程包括：
45.1.(301)将火灾监测报警设备内部计时器时间t置零并开始计时，同时设定执行火灾报警判定条件的图像的总判定次数变量y＝0，设定疑似火灾图像满足火灾判定报警条件的火灾报警次数变量x＝0，执行步骤(302)。
46.2.(302)进一步设置执行火灾报警判定条件的图像的总判定次数变量y＝y+1，所述监控图像每执行一次火灾报警判定条件，则判定次数变量累计加一，执行步骤(303)。
47.3.(303)火灾监测报警设备对图像进行处理，并对疑似火灾图像进行火灾报警判定，当满足设定的火灾报警判定条件时，执行步骤(304)，否则返回执行步骤(302)。
48.4.(304)所述疑似火灾图像每满足一次火灾报警判定条件，则火灾报警次数变量累计加一，即x＝x+1，同时向监控终端发出火灾预警，执行步骤(305)。
49.5.(305)在设定时间内循环执行火灾报警判定的工作流程，判定计时器时间值t是否大于设定时间阈值t，当时间值t＞t时，执行步骤(306)，否则返回执行步骤(302)。
50.6.(306)进一步判定满足火灾报警判定条件的火灾图像报警次数x与执行火灾报警判定条件的图像的总判定次数y比值是否大于设定阈值r，当x/y＞r时，执行步骤(307)，否则返回执行步骤(301)。
51.7.(307)火灾监测报警设备向存储服务器(101)、监控终端(102)发出火灾报警信号。
52.基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法的火灾判定流程示例如图4所示，所述流程包括：
53.1.(401)摄像机安装在有电缆、胶带和机电设备的巷道、硐室和综采工作面，实时采集监控区域的图像，并上传至火灾监测报警设备进行图像识别处理，进一步执行步骤(402)。
54.2.(402)火灾监测报警设备对监控图像进行预处理，所述监控图像经过图像去噪，图像增强及图像像素二值化后，当图像上有单块区域像素亮度特征值h1＞i，所述图像为单块区域的疑似火灾图像；当图像上有多块不连通区域像素亮度特征值时，所述图像为多块区域的疑似火灾图像；进一步执行步骤(403)，否则返回执行步骤(401)。
55.3.(403)进一步对疑似火灾图像上是否存在多块疑似火灾区域进行判定，当疑似火灾图像上不存在多块疑似火灾区域时，则判定只有单块疑似火灾区域，执行步骤(404)，否则执行步骤(405)。
56.4.(404)依据步骤(403)判定，所述疑似火灾图像上只有单块疑似火灾区域，则将疑似火灾图像上疑似火灾区域直接进行轮廓边缘特征处理，进一步求出疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积和疑似火灾区域轮廓实际周长；所述疑似火灾区域轮廓实际面积的计算依据公式(x
j(n+1)
＝x
j1
,y
j(n+1)
＝y
j1
)，式中(x
jn
,y
jn
)为轮廓上顶点坐标；轮廓实际周长的计算依据公式
(x
j(n+1)
＝x
j1
,y
j(n+1)
＝y
j1
)，式中{(x
jn
,y
jn
)}为轮廓上点坐标集，执行步骤(407)；
57.5.(405)依据步骤(403)判定，当所述疑似火灾图像上有多块疑似火灾区域时，则将疑似火灾图像上疑似火灾区域进行图像分割分块处理，执行步骤(406)；
58.6.(406)分块求出疑似火灾区域疑似火灾区域实际面积和疑似火灾区域轮廓实际周长，所述计算方法依据步骤(404)公式求解，执行步骤(407)；
59.7.(407)将疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积等效为圆面积，并依据轮廓实际面积和圆周长公式求出疑似火灾区域等面积圆周长进一步求出疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值：将疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积等效为三角形面积，并依据轮廓实际面积和三角形周长公式求出疑似火灾区域等面积三角形周长式中k
j1
、k
j2
计算公式为式中d
j1
、d
j2
、d
j3
为所述疑似火灾区域轮廓最小外接三角形边长，进一步求出疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值将疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积等效为矩形面积，并依据轮廓实际面积和矩形周长公式求出疑似火灾区域等面积矩形周长式中k
j3
计算公式为式中w
j1
、w
j2
为所述疑似火灾区域轮廓最小外接矩形两邻边边长，进一步求出疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值：执行步骤(408)。
60.4.(408)当疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值满足设定条件l
j1
＜ka时，执行步骤(409)，否则返回执行步骤(401)。
61.5.(409)当疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值满足设定条件l
j2
＜kb，执行步骤(410)，否则返回执行步骤(401)。
62.6.(410)当疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值满足设定条件l
j3
＜kc，执行步骤(411)，否则返回执行步骤(401)。
63.7.(411)进行火灾报警处理。

技术特征：
1.基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，其特征在于：在有电缆、胶带和机电设备的巷道、硐室、掘进工作面和综采工作面安装摄像机实时监测监控区域，依据疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值是否满足设定条件进行火灾报警判定，依据设定时间内判定为火灾报警的次数与总判定次数比值是否满足设定条件进行井下监控区域火灾判定，当判定井下监控区域发生火灾，立即向监控终端发出火灾报警信号；所述火灾报警判定的工作过程包括：步骤1：摄像机实时采集监控区域的图像，所述监控图像经过图像滤波去噪，图像增强及图像像素二值化后，当图像上有单块区域像素特征值h1大于设定的阈值i时，判定所述图像为单块区域的疑似火灾图像；当图像上有多块不连通区域像素特征值h
i
(i≥2)均大于设定的阈值i时，判定所述图像为多块区域的疑似火灾图像，执行步骤2；当不满足疑似火灾图像判定条件，则持续监测；步骤2：当疑似火灾图像上只有单块疑似火灾区域，直接将疑似火灾图像上疑似火灾区域进行轮廓边缘特征处理，求出疑似火灾区域实际面积和疑似火灾区域轮廓实际周长；或当疑似火灾图像上有多块疑似火灾区域，则将多块疑似火灾区域进行图像分割，分块对疑似火灾区域进行轮廓边缘特征处理，求出疑似火灾区域实际面积和疑似火灾区域轮廓实际周长，执行步骤3；步骤3：求出疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长并计算与其轮廓实际周长的比值；求出疑似火灾区域等面积三角形周长并计算与其实际轮廓周长的比值；求出疑似火灾区域等面积矩形周长并计算与其实际轮廓周长的比值，执行步骤4；步骤4：当疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值、疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值满足条件时，式中l
j1
、l
j2
、l
j3
分别为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值，疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值，疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值，k
a
、k
b
、k
c
为设定阈值；所述k
a
、k
b
、k
c
由试验测定或人为设定得到，则执行步骤5，否则返回执行步骤1；步骤5：进行火灾报警，并返回执行步骤1。2.如权利要求1所述基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，其特征在于：所述井下监控区域火灾判定过程包括，持续时间t秒循环执行火灾报警判定的工作，当所述满足火灾报警判定条件的疑似火灾图像报警次数变量x与图像的总判定次数变量y比值大于设定的阈值r时，即x／y＞r，则判定井下监控区域发生火灾。3.如权利要求1所述基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，其特征在于：所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长依据疑似火灾区域实际面积和圆周长公式求得：式中s
j
为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积；所述疑
似火灾图像上疑似火灾区域等面积圆周长与其实际轮廓周长比值：式中p
j
为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际轮廓周长。4.如权利要求1所述基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，其特征在于：所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形周长为依据疑似火灾区域实际面积和三角形周长公式求得：式中s
j
为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积，k
j1
、k
j2
为疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形的任意两边与第三边的边长比值；所述比值k
j1
、k
j2
由疑似火灾区域轮廓最小外接三角形的任意两边与第三边的边长比值等效求得；所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积三角形周长与其实际轮廓周长比值：式中p
j
为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际轮廓周长。5.如权利要求1所述基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，其特征在于：所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形周长为依据疑似火灾区域实际面积和矩形周长公式求得：式中s
j
为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际面积，k
j3
为疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形的边长比值；所述比值k
j3
由疑似火灾区域轮廓最小外接矩形的任意边与其邻边的比值等效求得；所述疑似火灾图像上疑似火灾区域等面积矩形周长与其实际轮廓周长比值：式中p
j
为所述疑似火灾图像上疑似火灾区域实际轮廓周长。

技术总结
本发明公开了一种基于图像轮廓等面积周长比的矿井火灾识别与报警方法，所述火灾识别与报警方法通过在井下安装摄像机，实时采集并识别监控区域疑似火灾图像，并通过监测火焰燃烧具有不规则形态特征进行矿井火灾识别与报警。所述火灾识别与报警方法充分考虑了火灾燃烧图像特征，辨识快速，准确简单，能为井下遇险人员争取宝贵的救援和逃生时间。人员争取宝贵的救援和逃生时间。人员争取宝贵的救援和逃生时间。


技术研发人员：孙继平 李小伟
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/6/12