張釗 左威 景江 姜一博 李誠 任四武 程濤

摘要：針對壓裂井場作業(yè)設(shè)備密集、易發(fā)生大規(guī)?；馂?zāi)的工況提出了一種基于多傳感器融合的自動消防滅火系統(tǒng)。介紹了不同種類傳感器的特性和功能，進(jìn)行了有針對性的選擇；基于透視變換原理進(jìn)行圖像型火焰探測器與雙目相機的圖像配準(zhǔn)，使火焰探測與距離感知功能相結(jié)合，實現(xiàn)火焰的自動探測定位；通過對波段型火焰探測器、圖像型火焰探測器的報警信息進(jìn)行綜合分析，確定多傳感器融合報警的策略，提高報警準(zhǔn)確率、減少誤報；通過對水流落點與消防炮之間的距離以及對應(yīng)消防炮的俯仰角度進(jìn)行擬合，確定落點距離與俯仰角度的擬合關(guān)系用于消防炮轉(zhuǎn)向時的俯仰角度計算；進(jìn)行了多次場內(nèi)實地測試，測試結(jié)果顯示能夠較好地?fù)錅绮煌恢玫拿骰?，滅火效果符合設(shè)計預(yù)期。

關(guān)鍵詞：自動滅火；多傳感器融合；圖像配準(zhǔn)

中圖分類號：X913.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）09-0001-03

近年來，壓裂井場消防管理體系和技術(shù)手段不斷優(yōu)化，從整體來看，井場各區(qū)域的消防水平都有了長足的進(jìn)步，但依然存在很多問題，比如監(jiān)控有盲區(qū)、現(xiàn)有滅火設(shè)施反應(yīng)速度慢、滅火不精準(zhǔn)等。因此，通過智能化技術(shù)手段實現(xiàn)消防滅火的自動化和智能化、大幅提升滅火效率的需求是非常迫切的。

消防炮是一種大空間的遠(yuǎn)程消防設(shè)備，以射流形式噴射滅火劑的裝置[1]。按控制方式可分為手動消防炮、電控消防炮、液控消防炮等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前市面上出現(xiàn)了一種自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)，是利用紅外線、數(shù)字圖像或其他火災(zāi)探測組件對火、溫度等探測進(jìn)行早期火災(zāi)的自動跟蹤定位，并運用自動控制的方式來實現(xiàn)滅火的各種室內(nèi)外固定射流滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由探測組件、滅火組件及供液組件組成[2]。

國內(nèi)外有很多學(xué)者對消防炮及相關(guān)組件進(jìn)行了研究，孫靖對定流量消防水炮射流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬與軌跡研究，提出了一種基于空氣阻力的射流軌跡理論模型，對空氣阻力系數(shù)的組成進(jìn)行了分析，以某種水炮進(jìn)行了實驗，驗證了消防水炮射流軌跡模型和指數(shù)函數(shù)作為其系數(shù)擬合函數(shù)的正確性，但是只對噴嘴處的射流進(jìn)行了數(shù)值模擬，簡化了炮身和炮頭模型[3]。陳川等設(shè)計了一種采用DSP和FPGA基于火焰識別與定位智能消防炮系統(tǒng)，給出了主要模塊具體的硬件電路設(shè)計和程序的設(shè)計模塊[4]。薛節(jié)著重研究了如何進(jìn)行火災(zāi)探測及火源定位，在火災(zāi)探測方面進(jìn)行了火災(zāi)識別相關(guān)算法的研究，為火災(zāi)探測的準(zhǔn)確性可靠性提供了保障。在火源定位技術(shù)方面，研究了一種基于雙目視覺的火源的定位方法，根據(jù)雙目視覺的測距原理，通過視差，結(jié)合火焰質(zhì)心坐標(biāo)，進(jìn)行三維建模，為大空間自動滅火建立了基礎(chǔ)，但是并沒有考慮可見光及煙霧等的影響，定位精度不高[5]。Chen等人基于一個安裝在消防炮出口端的單目CCD相機進(jìn)行火焰檢測，依據(jù)消防炮轉(zhuǎn)動角度對應(yīng)圖像特征在圖像中的位移關(guān)系，結(jié)合相機焦距，利用三角幾何關(guān)系對著火點進(jìn)行空間定位[6]。

基于上述問題，擬設(shè)計一種自動化的滅火系統(tǒng)，以自動消防水炮為執(zhí)行主體，結(jié)合點型多波段火焰探測器、圖像型火焰探測器、雙目攝像頭等多傳感器融合。根據(jù)火情發(fā)生的區(qū)域和火勢大小，能夠自動調(diào)節(jié)消防炮的水平角度和俯仰角度，從而實現(xiàn)更加快速精準(zhǔn)地滅火，提升井場的智能化水平及消防管理能力，保障安全生產(chǎn)。

1 多種傳感器類型介紹

1.1? 點型火焰探測器

點型火焰探測器能夠針對不同的波長頻段進(jìn)行檢測，以達(dá)到盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患的目的，一般可分為單波段、紅外、雙波段紅外、三波段紅外、紅紫外復(fù)合等多種類型[7]。

1.2? 雙目攝像頭

雙目攝像頭的原理是利用左右2個攝像頭，從不同的角度采集目標(biāo)圖像，通過模型構(gòu)建和算法形成目標(biāo)三維空間信息[8]。

1.3? 圖像型火焰探測器

圖像型火焰探測器是以CCD或CMOS攝像機為探頭，利用早期火災(zāi)煙霧的圖像特征及近紅外輻射的特性來實現(xiàn)早期火災(zāi)的預(yù)警。同時，通過對火焰特征的提取，可以輸出火焰中心點在圖像中的位置，從而能夠快速實現(xiàn)火災(zāi)視頻采集獲取、火災(zāi)分析預(yù)警等[9]。

2 設(shè)計方案

2.1? 整體布局方案

為使圖像型火焰探測器與雙目攝像機的安裝位置相對固定，設(shè)計專用工裝安裝固定一個圖像型火焰探測器與一個雙目攝像機，雙目攝像機與圖像型火焰探測器視野范圍盡可能重合，將該專用工裝分別固定到1、2位置點。

圖1為井場布局示意圖，TC1、TC2位于井場水罐上方位置，TC1、TC2處各放置一個探測定位傳感器組，本設(shè)計中探測定位傳感器組中包含一個波段火焰探測器、一個圖像型火焰探測器與一個雙目攝像機，為使探測定位傳感器組中各傳感器的安裝位置相對固定，設(shè)計專用工裝安裝固定傳感器。

消防炮安裝在井場的高低壓管匯橇上，通過供水泵為系統(tǒng)供水。井場中使用2個消防炮，圖1中SP1與SP2點處為消防炮1與消防炮2的安裝位置，C1-1—C1-6、C2-1—C2-6處為兩排壓裂車，消防炮覆蓋范圍可以采取遠(yuǎn)端覆蓋與近端覆蓋2種方式，本設(shè)計采用遠(yuǎn)端覆蓋的方式進(jìn)行噴水滅火。

2.2? 多種火焰探測確定火情邏輯

使用波段火焰探測器與圖像型火焰探測器探測火焰，波段火焰探測器輸出是否存在火焰的開關(guān)量，圖像型火焰探測器輸出標(biāo)識火焰的圖像。為了解決不同探測器靈敏度差異以及盡可能的消除誤報率，可能會存在以下幾種探測結(jié)果，分別采取不同的策略應(yīng)對[10]：

一是2種探測器都發(fā)現(xiàn)火情：當(dāng)波段型火焰探測器探測到火焰后發(fā)出可能發(fā)生火災(zāi)的開關(guān)量，一段時間內(nèi)圖像型火焰探測器探測到火焰，進(jìn)一步計算火焰的空間位置坐標(biāo)。

二是波段型探測器報警，圖像型探測器不報警：當(dāng)波段型火焰探測器探測到火焰后發(fā)出可能有火的開關(guān)量，一段時間內(nèi)圖像型火焰探測器沒有探測到火焰，則在界面系統(tǒng)中進(jìn)行報警提醒，提醒工作人員通過監(jiān)控畫面或者現(xiàn)場查看確定是否真實存在火情。

2.3? 多傳感器融合計算火焰的空間坐標(biāo)

2.3.1? 同位置圖像型火焰探測器與雙目攝像機的圖像配準(zhǔn)

通過圖像配準(zhǔn)可以對不同位置的圖像型火焰探測器與雙目攝像圖像進(jìn)行匹配對齊，獲得2幅圖像在空間位置的對應(yīng)映射關(guān)系，圖1中同一專用工裝內(nèi)的圖像型火焰探測器與雙目攝像機進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，選擇基于特征的圖像配準(zhǔn)方法，步驟包括特征提取、特征匹配、計算變換模型。

2.3.2? 計算著火點相對于統(tǒng)一坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)

圖像型火焰探測器探測到火焰后，輸出火焰在探測器圖像中的像素點坐標(biāo)，通過配準(zhǔn)后的位置變換模型計算火焰點在雙目攝像機圖像中的像素點坐標(biāo)，利用雙目攝像機測量得到著火點相對于該雙目攝像機坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)（X'，Y'，Z'），基于雙目攝像機的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣得到著火點在同一坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)（X，Y，Z） 。

2.3.3? 計算著火點相對于消防炮的空間坐標(biāo)

圖2中O點為攝像機統(tǒng)一坐標(biāo)系的位置，其他位置的雙目攝像機坐標(biāo)系統(tǒng)一到該坐標(biāo)系下，B、C點處為消防炮的位置，D為雙目攝像機探測到的著火點位置，著火點在攝像機統(tǒng)一坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)記作（X，Y，Z），計算消防炮在攝像機中的空間坐標(biāo)的方式為：深度圖、點云圖上點選2個消防炮位置，讀取2個消防炮在攝像機統(tǒng)一坐標(biāo)系的空間坐標(biāo)。

2個消防炮的空間坐標(biāo)，分別記作（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2），、為著火點相對于B、C消防炮的空間坐標(biāo)，，即 （X-X1，Y-Y1，Z-Z1），同理，即（X-X2，Y-Y2，Z-Z2），本設(shè)計選擇消防炮遠(yuǎn)端覆蓋的方式，圖2中B消防炮距著火點D的距離比C消防炮距著火點D的距離遠(yuǎn)，選擇用消防炮B對著火點D進(jìn)行噴水滅火，圖2中為消防炮到著火點的空間向量。

2.3.4? 消防炮與著火點的坐標(biāo)、角度轉(zhuǎn)換

設(shè)定消防炮炮筒水平、俯仰的初始角度，對消防炮到著火點的空間向量（X，Y，Z）進(jìn)行向量分解得到水平、俯仰角度α、β，水平角為：

俯仰角為：

3 全系統(tǒng)聯(lián)合測試

為了擬合出水炮的俯仰角與噴水落點距離關(guān)系的關(guān)系式，在測試環(huán)境下進(jìn)行多項數(shù)據(jù)標(biāo)定測試，經(jīng)過多次試驗測試，選出一組較符合實際情況的數(shù)據(jù)，如表1所示。

經(jīng)過實際測試對比分析，發(fā)現(xiàn)二次擬合曲線與實際情況最符合，因此采用二次方程擬合。

4 結(jié)論

本設(shè)計提出了基于多傳感器融合的自動滅火技術(shù)，通過多傳感器融合實現(xiàn)火源的自動識別和定位，控制系統(tǒng)將計算后的旋轉(zhuǎn)角度下發(fā)給消防炮，消防炮通過自身的運動部件完成轉(zhuǎn)向滅火，實現(xiàn)了消防炮滅火的自動化與智能化。

①基于透視變換原理進(jìn)行圖像型火焰探測器與雙目相機的圖像配準(zhǔn)，使火焰探測與距離感知功能相結(jié)合，實現(xiàn)火焰自動探測定位。

②通過對波段型火焰探測器、圖像型火焰探測器的報警信息進(jìn)行綜合分析，確定多傳感器融合報警的策略，提高報警準(zhǔn)確率、減少誤報。

③通過對消防炮水流落點與消防炮之間的距離以及對應(yīng)消防炮的俯仰角度進(jìn)行擬合，確定落點距離與俯仰角度的擬合關(guān)系用于消防炮轉(zhuǎn)向時的俯仰角度計算。

通過理論計算分析與實際聯(lián)調(diào)測試，證明了本方案是切實可行且具有較好自動滅火效果的。本方案能夠改善壓裂井場安全現(xiàn)狀，提升井場消防滅火的安全保障能力，保護(hù)井場作業(yè)人員的安全性。接下來，需要進(jìn)一步完善算法的可靠性及穩(wěn)定性，持續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的功能優(yōu)化和性能提升，以滿足產(chǎn)品大規(guī)模市場推廣的要求。

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Design of automatic fire extinguishing system based on multi-sensor fusion

Zhang Zhao1， Zuo Wei1， Jing Jiang1， Jiang Yibo2， Li Cheng2， Ren Siwu1， Cheng Tao1

（1. Downhole Operation Company of China National Petroleum Corporation Western Drilling Engineering Co.， Ltd.， Xinjiang Karamay 834000;

2. Yantai Jereh Petroleum Equipment Technology Co.， Ltd.， Shandong Yantai 264000）

Abstract： An automatic fire extinguishing system based on multi-sensor fusion is proposed for the working conditions of intensive fracturing well site equipment and prone to large-scale fires. The characteristics and functions of different types of sensors are introduced， and targeted selections are made. Based on the principle of perspective transformation， the image registration between the image flame detector and the binocular camera is carried out， and the flame detection and distance sensing functions are combined to realize the automatic detection and positioning of the flame. Through the comprehensive analysis of the alarm information of the band flame detector and the image flame detector， the multi-sensor fusion alarm strategy is determined to improve the alert accuracy and reduce false alarms. By fitting the distance between the water drop point and the fire gun and the pitch angle of the corresponding fire gun， the fitting relationship between the drop point distance and the pitch angle is determined for the calculation of the pitch angle when the fire gun is turned. A number of field tests were carried out， and the test results showed that the open flames at different locations could be well extinguished， and the fire extinguishing effect was in line with the design expectations.

Keywords： automatic fire extinguishing; multi-sensor fusion; image registration