鄭曉瓊，王鵬輝，戚 矛，柴宏博

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061;2.安徽民生電力發(fā)展投資集團(tuán)公司，安徽 合肥 230061)

0 引言

近年來，變電站室外場所設(shè)備電氣故障等引起的火災(zāi)事故頻發(fā)，但由于火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警措施不完善，很難在火災(zāi)發(fā)生初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。而電氣設(shè)備一旦起火則蔓延很快，且火勢猛烈難以撲滅，不僅會(huì)直接燒損大量的一、二次設(shè)備，而且會(huì)因設(shè)備起火、爆炸波及到附近的設(shè)備，導(dǎo)致變電站需要很長的時(shí)間停電修復(fù)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

1 變電站火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對變電站(尤其是大型變電站)室外場所的火災(zāi)監(jiān)測還沒有十分有效的方法。大空間的火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)是目前變電站室外火災(zāi)監(jiān)測的薄弱點(diǎn)。由于火焰燃燒物在空氣中飄散傳播受到凈空高度和場地面積的影響，只有當(dāng)火災(zāi)發(fā)展到一定的程度時(shí)，常規(guī)的感煙、感溫探測器才會(huì)做出響應(yīng)，難以有效發(fā)揮作用。

由于變電站室外的電氣設(shè)備及建筑物、構(gòu)筑物多，遮擋多、熱源多，若使用森林防火采用的火焰熱輻射探測器進(jìn)行覆蓋監(jiān)測，單位面積火災(zāi)監(jiān)測的成本將會(huì)比森林防火高得多，無法進(jìn)行實(shí)際推廣，且其誤報(bào)率居高不下。

鑒于以上原因，現(xiàn)階段變電站缺少有效的針對全站的火災(zāi)監(jiān)測與核心數(shù)據(jù)在線采集的應(yīng)用系統(tǒng)，一些變電站雖然采用視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了部分區(qū)域設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，但是相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線處理與故障識別遠(yuǎn)未能達(dá)到火災(zāi)預(yù)警的基本要求。

目前，變電站室外火災(zāi)檢測普遍的應(yīng)對措施還是采用人員值守看管、人工防火巡視的方法。這種方法原始落后，管理成本高，也不符合變電站無人值守的發(fā)展要求。因此，變電站室外火災(zāi)的自動(dòng)監(jiān)測及預(yù)警是一個(gè)亟需解決的問題。

2 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的作用

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警設(shè)備的不足，研發(fā)了變電站室外火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其可以遠(yuǎn)程提供實(shí)時(shí)視頻，使集中管理變?yōu)榭赡?。變電站室外火?zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的作用主要是形成基于特征火焰識別算法的變電站室外火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警、巡視分析、綜合聯(lián)動(dòng)的智能消防體系，對變電站室外進(jìn)行24 h不間斷火情監(jiān)測預(yù)警。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)5 min巡視1次的極限頻次，不僅能大量節(jié)約防火巡視的人力成本，還能提高火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警的自動(dòng)化水平，達(dá)到“減員增效”的目的，可為“大運(yùn)行、大檢修”等提供科學(xué)直觀、精準(zhǔn)智能的運(yùn)行維護(hù)手段，保障電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行。同時(shí)，該系統(tǒng)可提升變電站防火安全管理、安全運(yùn)維巡視的精益化、集約化水平，提高運(yùn)維人員的工作效率，降低變電站室外火災(zāi)監(jiān)測成本，是以符合“智慧+”的創(chuàng)新思路強(qiáng)化技防與人防的結(jié)合度，創(chuàng)新開發(fā)的變電站專用室外煙火識別系統(tǒng)。

3 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由前端攝像機(jī)、三維實(shí)景智能平臺、聲光報(bào)警器等組成。前端的攝像機(jī)通過可見光攝像頭采集現(xiàn)場實(shí)時(shí)的視頻流，通過光纖通信鏈路將實(shí)時(shí)的視頻碼流送至后端的三維實(shí)景智能平臺。三維實(shí)景智能平臺通過火焰識別算法對實(shí)時(shí)的視頻碼流進(jìn)行判斷，判斷前端是否產(chǎn)生火焰；如有則驅(qū)動(dòng)前端的聲光報(bào)警器報(bào)警，同時(shí)在三維平臺以高亮、閃爍等方式體現(xiàn)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3.2 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3．2．1 實(shí)現(xiàn)原理

變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心技術(shù)是“視頻圖像識別”，即對視頻碼流中前一幀與后一幀的圖像(像素)進(jìn)行比對分析，區(qū)分出“前景”和“背景”，經(jīng)過背景過濾和前景降噪后提取“前景”作為檢測目標(biāo)。火災(zāi)的判別依據(jù)就是“煙”與“火”。溫度升高至火苗出現(xiàn)前往往會(huì)有煙霧產(chǎn)生，因此根據(jù)“火焰”與“煙霧”的特征提取算法對來自變電站室外的現(xiàn)場監(jiān)控視頻碼流進(jìn)行特征比對，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控畫面中的“火焰”與“煙霧”信號的自動(dòng)捕獲、觸發(fā)報(bào)警。

3．2．1．1 煙霧的識別

煙霧的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征都和火焰有著明顯的不同，因此可以將其與火焰識別分開處理。煙霧的靜態(tài)特征主要在“外形”與“對比度”，在顏色上沒有像火焰樣存在明顯的分布，而且顏色與煙霧的濃度有直接關(guān)系。淡淡的煙是半透明的，可以看到其后面的物體；而濃煙是灰黑的，完全擋住了后面的實(shí)物。因此，單獨(dú)考慮煙霧的顏色無法描述它的特征。然而，無論煙霧濃淡，它都會(huì)使后面的實(shí)物變得模糊，甚至被完全遮擋。因此，可通過像素的對比度變化來判斷煙霧的有無。煙霧的動(dòng)態(tài)特征在于“擴(kuò)散”。它具備以下特點(diǎn)：首先，煙霧以擴(kuò)散的形式變化，可以假想存在1個(gè)或幾個(gè)煙霧發(fā)生點(diǎn)，煙霧圍繞這些點(diǎn)擴(kuò)散開去；其次，與火焰類似，煙霧的邊界變化存在一個(gè)3 Hz的頻率；再次，煙霧的輪廓是清晰畫面與被煙霧模糊畫面的交界；最后，煙霧的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)而且是非剛性的。煙霧與行人、汽車等“前景”運(yùn)動(dòng)物體有本質(zhì)的不同。

3．2．1．2 火焰的識別

火焰有著與眾不同的特征，它的顏色、溫度、形狀以及跳動(dòng)的形式都可以作為識別的依據(jù)?？蓮幕鹧娴撵o態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征2方面進(jìn)行識別。描述火焰顏色的模型有很多，圖2就是其中一種，它可以由RGB空間算子經(jīng)過簡單比較計(jì)算得到。

圖2 火焰顏色分布

由上圖可見，任何RGB圖像中只要滿足R≥G且G＞B就可以看作是火焰。

火焰的外形也是用來識別火焰的重要特征。一種模型是采用嵌套式輪廓模型。它默認(rèn)火焰存在1個(gè)或幾個(gè)燃燒點(diǎn)，火焰從這些燃燒點(diǎn)一層層地向外擴(kuò)散，越到外層的地方其形狀的可變度越大，而且是連續(xù)的。圖3（a）展示了1個(gè)燃燒點(diǎn)的火焰模型，它由3層火焰輪廓組成，對于其右側(cè)圖3(b)中的火焰經(jīng)過該模型捕捉得到圖3(c)的結(jié)果。

圖3 嵌套式輪廓火焰識別模型

火焰的動(dòng)態(tài)特征是“頻率”?；鹧媸莿?dòng)態(tài)跳躍的，或者說是移動(dòng)變化的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，火焰的外焰部分的運(yùn)動(dòng)存在一定頻率。從圖4中實(shí)線標(biāo)出的火焰外焰部分來看，這些像素點(diǎn)在經(jīng)歷著有火焰和無火焰2種狀態(tài)的切換，這個(gè)切換的頻率經(jīng)過測算是10 Hz。因此，通過捕捉這個(gè)10 Hz的特征可以進(jìn)一步確認(rèn)是否有火焰存在。

圖4 火焰動(dòng)態(tài)特征識別

除此之外，火焰的運(yùn)動(dòng)是有能量變化的。燃燒的物理變化和化學(xué)變化造成了火焰能量的不均衡分布，這點(diǎn)可以作為區(qū)分火焰與其他顏色相似運(yùn)動(dòng)物體的特征。如運(yùn)動(dòng)著的人所著紅色衣服的能量分布是均勻的(顯示為均一灰色，沒有亮暗變化)。與之對比，火焰的能量變化就顯得非常不均勻，在能量分布圖上看得到明顯的亮暗變化。

3．2．2 實(shí)現(xiàn)步驟

通過對電力與防火相關(guān)的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究，發(fā)現(xiàn)針對變電站室外防火安全的部署應(yīng)從防火區(qū)域規(guī)劃開始，將防火目標(biāo)按輕重緩急逐層分解，有針對性地開展該區(qū)域的火災(zāi)監(jiān)測。

第1步：針對每個(gè)變電站的室外環(huán)境劃分報(bào)警區(qū)域，將火災(zāi)警戒范圍按防火分區(qū)劃分管控單元是非常合理的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

第2步：在報(bào)警區(qū)域內(nèi)劃分探測區(qū)域，將報(bào)警區(qū)域按探測火災(zāi)的部位劃分重點(diǎn)監(jiān)控單元，單個(gè)探測區(qū)域在500 m2面積以內(nèi)較為理想。

第3步：監(jiān)測對象分級，根據(jù)使用性質(zhì)、火災(zāi)危險(xiǎn)性、疏散和撲救難度等進(jìn)行綜合分級(一般分為特級、1級、2級3個(gè)層次)

第4步：根據(jù)前3步的逐層分解，在最小監(jiān)測單位中結(jié)合變電站視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)的機(jī)位情況、攝像機(jī)性能參數(shù)(特別是鏡頭參數(shù)、變倍能力)計(jì)算每個(gè)火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)的保護(hù)面積和保護(hù)半徑。每個(gè)預(yù)設(shè)位停留時(shí)間(即探測時(shí)間)是個(gè)可調(diào)參數(shù)，需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行試錯(cuò)迭代，求取最佳經(jīng)驗(yàn)值。

3.3 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

該變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在某500 kV變電站得到實(shí)際應(yīng)用。

首先，在室外場地上選址部署3臺高清高速球形攝像機(jī)，分別監(jiān)測500 kV側(cè)草坪、220 kV側(cè)草坪和35 kV側(cè)草坪3塊報(bào)警區(qū)域(見圖5中的虛線框)；然后，將攝像機(jī)的每個(gè)預(yù)設(shè)位對應(yīng)一片探測區(qū)域(見圖5中的小方格)。單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)片區(qū)為一個(gè)監(jiān)控單元，可進(jìn)行優(yōu)化；某些片區(qū)可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際評估取消，也可以根據(jù)監(jiān)測對象分級權(quán)重增加重疊或減小片區(qū)面積。

圖5 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)探測區(qū)域劃分

另外，由于三維實(shí)景點(diǎn)云平臺是基于精確空間坐標(biāo)的現(xiàn)場真實(shí)全景還原，變電站室外設(shè)備的大小、距離、空間遮擋，以及選取進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測的攝像機(jī)景深、焦距、俯仰角度、視野及視場面積、預(yù)置位參數(shù)，都可以在其三維實(shí)景點(diǎn)云平臺上進(jìn)行精確現(xiàn)場評估，不需要各個(gè)相關(guān)部門到現(xiàn)場去實(shí)地勘察和協(xié)調(diào)討論。選擇在三維實(shí)景點(diǎn)云平臺中進(jìn)行方案預(yù)演，將大大提高效率，增加安全系數(shù)。三維實(shí)景點(diǎn)云平臺如圖6所示。

圖6 三維實(shí)景點(diǎn)云平臺圖像

系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的配置如圖8所示。

3.4 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)對煙火算法實(shí)現(xiàn)的初步設(shè)計(jì)是：算法能夠常駐服務(wù)器程序，對各路上傳的視頻碼流進(jìn)行火焰識別和智能分析。后續(xù)拓展高級進(jìn)階設(shè)計(jì)是：算法能夠植入各類智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，進(jìn)行前端識別，減小視頻傳輸?shù)膸拤毫Α?/p>

通過視頻分析進(jìn)行火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測與預(yù)警，火災(zāi)(煙火)檢測算法是核心。初步研究，大致可分為5類子算法，如表1所示。

圖7 系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備結(jié)構(gòu)布置

圖8 變電站室外火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)配置

類1—4中，每個(gè)子算法都是在攝像頭的可視范圍內(nèi)單獨(dú)監(jiān)測煙火的存在情況，并最終由類5的自適應(yīng)子算法進(jìn)行過濾、加權(quán)和決策。類1—4的初始權(quán)值從實(shí)際火災(zāi)視頻中得到，在初始建立時(shí)誤差值被定義為各子算法組成值與人工判別的決定值之間過量差值。火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為人機(jī)交互和自學(xué)習(xí)相結(jié)合的智能系統(tǒng)，通過向人工判別發(fā)出請求以證實(shí)是否發(fā)出火災(zāi)警報(bào)的方式，使本系統(tǒng)的實(shí)際使用人員參與學(xué)習(xí)的過程。

表1 火災(zāi)檢測算法分類

算法流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)算法流程

4 創(chuàng)新點(diǎn)及問題改進(jìn)

4.1 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

4．1．1 數(shù)字信號處理

利用視頻碼流分析的基本過程是，把圖像信號變成便于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號，去除干擾、噪聲及差異；將原始信號變成適合于計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征提

取的形式。

4．1．2 多特征提取降低誤判

研發(fā)基于視頻特征檢測的火災(zāi)(火焰與煙霧)識別算法，提取火災(zāi)圖像中可疑目標(biāo)區(qū)域的面積序列的自相關(guān)函數(shù)、狄度均值序列的方差、圓形性序列的均值和自相關(guān)函數(shù)、質(zhì)心的移動(dòng)距離5個(gè)視頻特征，并通過統(tǒng)計(jì)模式技術(shù)設(shè)計(jì)貝葉斯分類器識別火災(zāi)火焰，同時(shí)排除孤立亮點(diǎn)、受控火焰、手電筒和移動(dòng)打火機(jī)等干擾。

4．1．3 在火災(zāi)發(fā)生初期就實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警

早期的火災(zāi)火焰是不穩(wěn)定的，不同時(shí)刻火焰的形狀、面積和輻射強(qiáng)度等都在變化，抓住火災(zāi)火焰的這些特點(diǎn)可以為火災(zāi)預(yù)判打下良好的基礎(chǔ)。通過火災(zāi)(火焰和煙霧)的動(dòng)態(tài)特征分析(包括面積變化、邊緣變化、形體變化、閃動(dòng)規(guī)律、分層變化、整體移動(dòng))，增強(qiáng)并實(shí)現(xiàn)火災(zāi)(火焰和煙霧)的智能預(yù)判能力。

4.2 系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)措施

夜間環(huán)境光較弱，會(huì)對火災(zāi)監(jiān)測攝像機(jī)視頻圖像有一定的影響，因此要加配燈光(夜間補(bǔ)光)。另外夜間有補(bǔ)光區(qū)域和無光照區(qū)域、補(bǔ)光位置(應(yīng)避免迎面直射補(bǔ)光)以及檢測區(qū)域中夾雜明亮面和暗面的“陰陽臉”現(xiàn)象等光線因素對煙火檢測算法判別或許會(huì)產(chǎn)生較大誤差，有待進(jìn)一步改進(jìn)算法在計(jì)算時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別。

5 結(jié)束語

變電站室外火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對變電站室外較大區(qū)域內(nèi)火災(zāi)的自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警，杜絕了因火災(zāi)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)而引起變電站內(nèi)發(fā)生大范圍火災(zāi)事故，甚至造成系統(tǒng)大面積停電情況的可能。同時(shí)，該系統(tǒng)的應(yīng)用還減輕了運(yùn)維人員的工作負(fù)擔(dān)，提高了運(yùn)維人員的工作效率，為變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，為超高壓電網(wǎng)無人值守變電站的推廣打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，滿足了現(xiàn)階段變電站發(fā)展需求，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 金華彪．基于數(shù)字圖像處理的火災(zāi)探測技術(shù)[J]．消防科學(xué)與技術(shù)， 2002，21(3)：46-47．

2 董 華，程曉舫，范維澄．一種早期火災(zāi)圖像監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用與比較[J]．光學(xué)技術(shù)，1997，5(5)：51-53．

3 張 靜，王宏剛，王涌天，等．一種邊緣提取的圖像分割方法[J]．光學(xué)技術(shù)，2001，27(5)：424-426．

4 林 衡，吳振國，唐志堅(jiān)．在線監(jiān)測技術(shù)在預(yù)防電力電纜火災(zāi)中的應(yīng)用[J]．電力安全技術(shù)，2011，13(10)：57-59．

5 耿克山，張城瑋．基于紅外檢測技術(shù)的變壓器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)研究[J]．電力安全技術(shù)，2012，14(6)：37-40．