關(guān)于易燃封閉料場(chǎng)極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研究

李杭

摘要：筆者通過對(duì)封閉煤炭倉庫、煤棚環(huán)境的實(shí)地考察，根據(jù)行業(yè)指標(biāo)的要求，對(duì)國內(nèi)外多個(gè)相關(guān)案例進(jìn)行閱讀和分析。研究開發(fā)了一套基于紅外熱成像技術(shù)的封閉式儲(chǔ)煤筒倉安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)熱源、煙霧、明火進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。文章總結(jié)了封閉料場(chǎng)安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究背景及意義，闡述了與現(xiàn)有解決方案中相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀，比較了現(xiàn)代無人化、智能化早期安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)封閉煤場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)介紹了基于紅外熱成像技術(shù)和AI圖像算法技術(shù)的三像早期成像在線式監(jiān)控防火方面的預(yù)警解決方案。

關(guān)鍵詞：煤棚;封閉煤場(chǎng);熱煙火;人工智能

隨著我國煤炭生產(chǎn)能力的不斷提高，相關(guān)部門在環(huán)境保護(hù)方面的要求也日益嚴(yán)格，因此，對(duì)煤炭儲(chǔ)藏方式的升級(jí)改造也勢(shì)在必行，露天煤場(chǎng)將面臨升級(jí)為封閉性煤炭儲(chǔ)藏設(shè)施的趨勢(shì)。封閉式的儲(chǔ)煤場(chǎng)所相對(duì)于露天煤場(chǎng)有很多優(yōu)勢(shì)，但由于煤炭具有自燃的特點(diǎn)，加上密閉的煤炭倉庫具有不通風(fēng)、容易發(fā)熱的特點(diǎn)，在這樣的環(huán)境下，極易引起煤堆自燃。此外，因作業(yè)環(huán)境封閉、煤塵大，煤倉里的工作人員的安全問題也需要高度重視?；谝陨弦蛩氐目剂?，在煤炭倉庫進(jìn)行大改造的時(shí)候，研發(fā)可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)價(jià)格低廉的封閉型煤炭儲(chǔ)藏設(shè)施智能型安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便是市場(chǎng)的硬性需求。

一、解決方案提出的背景和意義

（一）研究背景

火力發(fā)電廠或者垃圾電廠的主要燃料是煤炭，因煤炭自身易燃易爆（分解的甲烷）的特性，應(yīng)特別注意存儲(chǔ)環(huán)境的安全。例如：煤炭露天堆放的時(shí)候，由于所處環(huán)境的影響，在空氣中不僅會(huì)風(fēng)化，降低煤炭質(zhì)量，而且會(huì)與空氣中的氧氣混合，經(jīng)常出現(xiàn)煤堆內(nèi)部溫度過高，從而引發(fā)自燃，造成事故。一方面浪費(fèi)了資源，提高了生產(chǎn)成本，還對(duì)環(huán)境造成了很大污染。另一方面，也是最重要的方面之一，堆放的煤炭一旦發(fā)生自燃，就會(huì)威脅到企業(yè)的安全生產(chǎn)，對(duì)于任何行業(yè)來說，安全永遠(yuǎn)是放在第一位的，一旦發(fā)生安全事故，后果將不堪設(shè)想。

為了響應(yīng)國家號(hào)召，國內(nèi)各大電廠在進(jìn)行安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估的過程中，最重視的就是煤炭儲(chǔ)存場(chǎng)所的安全防護(hù)問題和解決方案，解決問題就要從問題的源頭出發(fā)，方能達(dá)到標(biāo)本兼治的效果。調(diào)查顯示，煤炭裸露在空氣中，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，該過程在煤堆內(nèi)部雖然緩慢，但煤堆內(nèi)部的局部溫度變化比較隱蔽，不容易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)溫度越來越高達(dá)到煤炭的著火點(diǎn)，加上封閉式煤場(chǎng)存在通風(fēng)性差的特點(diǎn)，便會(huì)導(dǎo)致煤炭發(fā)生自燃。由于此時(shí)煤堆內(nèi)部已經(jīng)十分干燥，一旦發(fā)生火災(zāi)很難簡單滅火（因?yàn)榭臻g內(nèi)也充滿了粒子粉塵），所以加強(qiáng)預(yù)防是儲(chǔ)煤場(chǎng)火災(zāi)防控最有效的措施之一。

（二）研究意義

在很多產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、加工過程中，煤炭都是最經(jīng)濟(jì)、最主要的能源。從煤炭的開采、運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存，再到最終的燃燒利用，整個(gè)過程安全是重中之重！煤炭從煤礦中被開采的時(shí)候，會(huì)附帶很多有害、可燃?xì)怏w，比如乙炔、乙烯、甲烷、一氧化碳等，這些氣體會(huì)隨著煤炭進(jìn)入到封閉儲(chǔ)煤場(chǎng)中。由于現(xiàn)在各大電廠大多采用封閉式煤場(chǎng)進(jìn)行煤炭的儲(chǔ)存，儲(chǔ)存場(chǎng)所封閉，通風(fēng)條件差，溫度高，內(nèi)部含有大量的粉塵顆粒，如果煤炭發(fā)生自燃，則容易引發(fā)煤場(chǎng)爆炸，所以存在很大的安全隱患。在用輸煤皮帶機(jī)輸送煤炭的過程中，如果皮帶機(jī)發(fā)生積料、堆料等情況，且沒有及時(shí)處理，煤炭和皮帶的長時(shí)間摩擦也會(huì)產(chǎn)生高溫，引起煤炭自燃并且損壞皮帶機(jī)皮帶。

與此同時(shí)，煤炭的揮發(fā)性使得有毒有害氣體和空氣中飄浮的粉塵不能及時(shí)去除，給在煤倉內(nèi)工作人員的身體健康帶來了極大危害，增加了職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)。更為嚴(yán)重的是，一旦發(fā)生自燃起火，也會(huì)造成較大的人員傷亡。

普通大型儲(chǔ)煤設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用通常金額巨大，對(duì)之進(jìn)行改造，費(fèi)用也非常昂貴。數(shù)百噸的煤炭和內(nèi)部儲(chǔ)藏設(shè)備一旦因煤炭自燃引發(fā)火災(zāi)，就會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成無法估量的損失。因此，企業(yè)在改造密閉煤炭倉庫之前，必須解決好這些安全問題，同時(shí)滿足消防、安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求。所以，在此背景下，研究開發(fā)一套封閉料場(chǎng)可視化防火監(jiān)控系統(tǒng)很有必要。此套系統(tǒng)基于紅外熱成像技術(shù)、AI人工智能技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行分析，可以對(duì)前端所采集的數(shù)據(jù)、圖片進(jìn)行智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和報(bào)警，極大地降低了煤炭自燃、皮帶機(jī)皮帶著火等風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的安全生產(chǎn)、降低事故發(fā)生概率具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

（三）煤炭監(jiān)控技術(shù)的概況和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

煤炭的自燃過程包括潛伏期、自熱期和燃燒期三個(gè)階段。在煤炭自燃的潛伏期階段，煤炭從煤礦裝卸出來后，煤體表面存在不穩(wěn)定的有機(jī)物，在空氣中容易發(fā)生氧化反應(yīng)，在此過程中，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行緩慢并且不易被發(fā)現(xiàn)，煤體表面逐漸升溫，事故發(fā)生處于潛伏期。發(fā)展到煤炭自燃的自熱期階段，煤體溫度升高加快，煤堆內(nèi)部也逐漸干燥。由于在潛伏期煤炭的氧化反應(yīng)逐漸加快，煤炭溫度逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到著火點(diǎn)則進(jìn)入燃燒期。煤炭一旦發(fā)生自燃，則極易引發(fā)煤倉爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)煤倉的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，必須引起高度的重視。

對(duì)于封閉煤倉的煤炭溫度探測(cè)方法，最初大部分電廠是根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)來進(jìn)行，正如上述所言，煤炭自燃過程具有潛伏期和隱蔽性，現(xiàn)場(chǎng)很難進(jìn)行有效的指導(dǎo)。近年來，各國不斷研究可靠的煤炭自燃機(jī)制，試圖開發(fā)煤炭自燃預(yù)報(bào)方法和火源探測(cè)技術(shù)。煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和火源探測(cè)技術(shù)是通過分析煤自燃過程中的溫度、標(biāo)志性氣體濃度等參數(shù)的變化趨勢(shì)，防止不必要事故的發(fā)生。通過對(duì)這些參數(shù)的監(jiān)測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)煤炭自燃的征兆，判斷煤炭自燃進(jìn)行的階段，及時(shí)給出應(yīng)對(duì)的方法。要做好煤炭自燃的預(yù)測(cè)和火源探測(cè)，就必須要確認(rèn)煤炭自燃的火源位置或者隱患點(diǎn)位置，并獲取火源或隱患點(diǎn)標(biāo)志性參數(shù)的數(shù)值。目前，各國主要采用以下兩種方法解決這兩個(gè)問題：

1.溫度探測(cè)法

溫度探測(cè)法是目前大部分電廠和煤倉采用的方式之一，通過監(jiān)測(cè)煤堆中的溫度變化，就可以判斷出煤炭自燃的過程和范圍，從而預(yù)測(cè)出自燃隱患點(diǎn)和發(fā)火點(diǎn)。

2.有害、可燃?xì)怏w分析法

氣體分析方法主要以煤炭自熱過程中氣體濃度的變化作為預(yù)測(cè)自燃狀態(tài)的指標(biāo)，一般以一氧化碳、乙烯、乙炔等為標(biāo)志氣體。在一定質(zhì)量的煤炭中，表面氣體與溫度之間存在一定的關(guān)系。目前，這種預(yù)測(cè)技術(shù)比較成熟，已經(jīng)在煤炭工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

二、極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的功能和應(yīng)用分析

極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的前端裝置為全體304不銹鋼材質(zhì)且能自行旋轉(zhuǎn)水平360°和垂直180°掃描，內(nèi)置熱像儀探測(cè)器、雙波段紅外明火識(shí)別可見光圖像火焰探測(cè)功能、紅外線火焰光譜探測(cè)功能、可見光煙霧識(shí)別成像探測(cè)功能。

（一）控制方式

1.自動(dòng)控制方式

熱成像監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置可自行對(duì)監(jiān)控范圍進(jìn)行360°水平巡檢，由系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析后，確定高溫點(diǎn)報(bào)警，報(bào)警信號(hào)傳給現(xiàn)場(chǎng)控制箱與控制主機(jī)，可啟動(dòng)高溫點(diǎn)降溫處置，待溫度恢復(fù)正常數(shù)值后，報(bào)警聲停止，系統(tǒng)恢復(fù)到正常實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)。

2.遠(yuǎn)程控制方式

可在主機(jī)控制熱成像雷達(dá)預(yù)警裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與區(qū)域性人工復(fù)檢。

極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可在控制主機(jī)上遠(yuǎn)程根據(jù)可燃物屬性設(shè)置報(bào)警溫度值。利用系統(tǒng)控制主機(jī)提供的接口和通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置信號(hào)的聯(lián)動(dòng)控制功能。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)具有控制電源與緊急手動(dòng)報(bào)警按鈕，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。

高分辨率紅外熱像自動(dòng)監(jiān)控可對(duì)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋、全天候熱像溫度監(jiān)控鎖定，尤其是高溫區(qū)域。再通過感溫成像，系統(tǒng)智能地分析當(dāng)前狀態(tài)，超過預(yù)設(shè)溫度值（即溫度異常區(qū)域圖像變紅），進(jìn)行聲光報(bào)警且聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)消防設(shè)備，對(duì)區(qū)域進(jìn)行噴淋滅火，同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警記錄與圖像同步存儲(chǔ)系統(tǒng)，方便事后查閱。

為了減少誤報(bào)，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)還集成了屏蔽功能，如對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的照明燈等常用發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行屏蔽。同時(shí)，也有豐富的圖像溫度報(bào)警模式：溫度閾值報(bào)警算法、溫升速率報(bào)警算法、多級(jí)別報(bào)警設(shè)定、報(bào)警區(qū)域的靈敏度設(shè)定等，以減少誤報(bào)的可能。

（二）熱像技術(shù)參數(shù)

（1）視場(chǎng)角：25°×19°。

（2）溫度分辨率：0.5～30℃的分辨率384×288。

（3）工作波長：7.5～13μm。

（4）熱響應(yīng)時(shí)間<4ms。

（5）圖像頻率60Hz，圖像標(biāo)準(zhǔn)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（6）焦距調(diào)節(jié)方式：電動(dòng)對(duì)焦或者無熱化鏡頭。

（7）測(cè)溫范圍-10至300℃（可擴(kuò)至2000℃）。

（8）溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)紅外視頻圖像和可見光圖像顯示，可實(shí)行遠(yuǎn)程操控。

（9）最大探測(cè)預(yù)警保護(hù)距離100m。

（三）核心技術(shù)

新的系統(tǒng)中雙波段紅外明火和煙霧識(shí)別可見光圖像火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是在圖像識(shí)別型火災(zāi)探測(cè)器內(nèi)置彩色和近紅外CCD攝像頭和高速圖像處理板，以及紅外線光譜探頭接收火焰中紅外光進(jìn)行輸出微電流信號(hào)，通過高速圖像處理板分析兩路CCD攝像頭圖像中煙火的頻譜、結(jié)構(gòu)、紋理等多模態(tài)特征，結(jié)合自適應(yīng)背景學(xué)習(xí)算法分析煙火報(bào)警信號(hào)，將報(bào)警信號(hào)通過RS485通信方式或繼電器輸出的方式傳輸?shù)饺裨缙诔上窕馂?zāi)預(yù)警裝置主機(jī)進(jìn)行煙火報(bào)警，探測(cè)視頻主機(jī)通過輸入輸出模塊與報(bào)警控制主機(jī)聯(lián)機(jī)，形成火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備以下功能：

1.高溫、明火監(jiān)測(cè)

可對(duì)巡檢區(qū)域的煤炭溫度、明火進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以根據(jù)情況設(shè)定報(bào)警溫度，一旦超出設(shè)定閾值，則啟動(dòng)報(bào)警。通過AI可見光相機(jī)對(duì)明火、高溫區(qū)域進(jìn)行圈定，同時(shí)把數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)。

2.煙霧監(jiān)測(cè)

可對(duì)多種煙霧進(jìn)行可視化識(shí)別，采用先進(jìn)的煙霧運(yùn)動(dòng)模式分析算法及可視化報(bào)警驗(yàn)證，避免誤報(bào)、漏報(bào)的發(fā)生。

3.實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控

通過高清可見光相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的可視化監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)情況一目了然。

4.設(shè)備管理

系統(tǒng)支持對(duì)設(shè)備進(jìn)行搜索、設(shè)置、添加和刪除等操作。

5.聯(lián)動(dòng)報(bào)警滅火功能

監(jiān)測(cè)到異常后，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警，其中有聲音、開關(guān)量輸出（驅(qū)動(dòng)警燈警鈴等）、通過CAN總線實(shí)現(xiàn)和火災(zāi)報(bào)警控制的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)的目的。

6.歷史記錄存儲(chǔ)及查詢功能

各種報(bào)警及操作信息均有詳細(xì)記錄，并提供完備的數(shù)據(jù)查詢功能。

三、結(jié)語

為了在封閉料場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)的極早期階段，為操作管理人員和應(yīng)急部門提供準(zhǔn)確的火災(zāi)可視化信息，文章研究開發(fā)的基于紅外熱成像技術(shù)的封閉式儲(chǔ)煤筒倉安全智能監(jiān)控系統(tǒng)，滿足火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警功能，并通過全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）極早期可視化火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)能在10s內(nèi)快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并發(fā)出報(bào)警;（2）封閉料場(chǎng)內(nèi)環(huán)境亮度對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和火源點(diǎn)定位誤差影響不大;（3）在封閉料場(chǎng)內(nèi)，當(dāng)探測(cè)距離≤100m時(shí)，環(huán)境對(duì)設(shè)備的精度影響不大，定位誤差可控制在±1m以內(nèi);當(dāng)探測(cè)距離>100m時(shí)，料場(chǎng)內(nèi)環(huán)境風(fēng)速對(duì)火災(zāi)定位精度存在一定影響，定位誤差可能會(huì)>1m，仍需后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]程鑫，王大川，尹東良.圖像型火災(zāi)火焰探測(cè)原理[J].火災(zāi)科學(xué)，2005，14（04）：239-245.

[2]孫宇臣，王自朝，葛寶臻.視頻火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2007，26（04）：414-417.

[3]袁非牛，廖光煊，張永明，等.計(jì)算機(jī)視覺火災(zāi)探測(cè)中的特征提取[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，36（01）：39-43.

[4]楊俊，王潤生.基于視頻圖像分析的火燃檢測(cè)及其應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2006（08）：92-96.

[5]閆曉玲，王黎明，卜樂平.一種新的火焰面積增長趨勢(shì)算法[C]//中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)中南六省區(qū)自動(dòng)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010：387-389.