一种基于消防炮群的灭火系统及灭火方法与流程

本发明涉及消防灭火技术领域，尤其涉及一种基于消防炮群的灭火系统及灭火方法。

背景技术：

随着人们对消防安全问题的关注度逐渐提高，高智能化的消防产品得到广泛应用，同样对消防产品检测精度以及灭火精度提出了更高的要求。现有的使用消防炮进行灭火的消防系统，一般使用单台消防炮对火源定位，通过旋转固定在智能消防炮炮管顶端的摄像机进行火源扫描，当火焰位于成像中心点时，实现定位。但是由于缺少火源高度信息，无法对火源的空间位置进行确认，导致定位和灭火的精度不高。目前常用的空间定位方法是利用复杂的坐标系转换公式得出，且计算精度受相机内参外参的影响较大。因此，迫切需要有更加高效的方法进行火源空间定位。

公开号为cn111053996a的发明专利申请公开了一种洁净厂房的智能定位消防炮，其通过火灾监测终端对火源进行定位，然后通过对消防炮进行定位控制消防炮的角度和喷水角度，进行消防灭火，虽然通过多个定位模块综合考虑了火源位置和消防炮位置，但实际定位时依然仅使用了一个定位模块确定火源位置，无法保证空间定位的精度，且控制过程需要考虑坐标系的转换，运算过程较为复杂。

公开号为cn109303995a的发明专利申请公开了一种基于火源定位识别的消防机器人消防炮控制方法，通过设置在消防机器人上的双目红外摄像机对火源进行识别和定位，确定火源与消防机器人的相对位置，并基于火源中心位置计算消防炮射流轨迹，控制消防炮进行灭火工作。即公开了通过多个定位模块对同一火源进行空间定位的方法，但是其使用的主体是在消防机器人上，在进行组装时即可根据需要设置对应数量的红外摄像机等定位模块，而对于常见的固定消防系统的消防炮来说，每个消防炮仅搭配了一个定位模块，使用双目定位方法需要对整个消防系统进行改造升级，而且由于消防炮固定位置不同，消防炮与定位模块的相对高度不同，对每个消防炮都需要单独配置控制参数，而且使用红外摄像机进行火源距离和方位的确定时，需要使用摄像机本身获取的参数参与计算，数据计算量较大。因此该方法应用到现有的消防炮上时存在改造成本较高，数据处理难度较大等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于消防炮群对火源的空间位置进行精确定位的灭火系统和灭火方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于消防炮群的灭火系统，包括供水系统、与供水系统连通的多个消防炮和控制消防炮工作的控制器，所述消防炮包括图像定位组件，控制器基于所述图像定位组件对火源位置进行定位，并控制消防炮对火源位置进行灭火作业。

优选的，所述消防炮包括解码器、图像定位组件、机械传动部件、步进电机和角度传感器，所述解码器负责消防炮与控制器的信号解码转换，包括定位火源、自动灭火、水流和阀状态、视频编码；图像定位组件为获取图像对火源进行定位的部件，步进电机控制消防炮进行转动，机械传动部件为具体的转动执行单元，角度传感器用来获取消防炮转动后的角度，直接读取水平角和俯仰角。

优选的，所述控制器还通信连接有报警模块，控制器将火情的视频、声音和报警信息发送给报警模块进行显示和播放。

本发明还提供了基于上述灭火系统的灭火方法，包括以下步骤：

s1：通过图像定位组件监控工作空间是否存在火情；

s2：在首次发现火情后，持续获取一段时间的火情信息，如果火情消失，返回s1，如果该时间段内只有一台消防炮发出火情信息，则该火源位于地面，直接使用发出火情信息的消防炮的三维空间位置和俯仰角确定火源坐标，得到定位结果；

如果至少两台消防炮发出火情信息，则从中选择两台消防炮，获取火源与消防炮的相对角度，对火源进行空间定位；

s3：控制器根据火源定位结果计算消防炮的射流抛物线参数，并使用射流抛物线参数控制消防炮进行灭火。

优选的，s1中对消防炮获取的图像进行近红外目标特征提取，当特征值满足预设阈值时，判断存在火情。

优选的，s2中存在超过两台消防炮发出火情信息时的空间定位方法为：

步骤a：构建空间三维坐标系，以地面作为xoy平面，竖直向上作为z轴正方向；在检测到火情的消防炮中选取两台消防炮，分别获取其高度h1和h2、彼此垂心间的距离l、与火源位置的定位俯仰角β1和β2，其中俯仰角为消防炮与火源的连线与z轴所夹的锐角，当l≠0时，则跳转步骤b，否则跳转步骤c；

步骤b：标定两台消防炮的水平偏移角α1和α2；

其中，水平偏移角为消防炮与火源位置的连线和两台消防炮之间的连线在xoy平面上的投影的夹角；

步骤c：基于消防炮高度h1和h2，俯仰角β1和β2，距离l，和水平偏移角α1和α2在三维坐标系下计算火源位置的高度，确定火源的空间位置。

优选的，步骤a中将消防炮在三维坐标系下的坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，则

h1＝z1

h2＝z2

其中，α0为两台消防炮的水平对射角，即两台消防炮的连线与x轴所夹的锐角。

优选的，获取俯仰角β1和β2，以及水平偏移角α1和α2的方法为：消防炮上设置有能够跟随消防炮转动视角的红外摄像头，出现火情时，消防炮进行水平扫描，使火源位于图像水平像素坐标中心处，然后进行竖直扫描，定位火源位于图像竖直像素坐标中心处；获取当前定位情况下消防炮的水平角度和俯仰角，利用该水平角度减去水平对视角α0，即得到该消防炮的水平偏移角α1和α2。

优选的，火源高度的计算公式为：

如果l≠0,α1≠0,α2≠0，则

如果l≠0,α1＝α2＝0，则

x1＝(h1-h)*tanβ1

x2＝l-x1

如果l＝0，则

x1＝x2＝(h1-h)*tanβ1

其中，x1和x2分别为两台消防炮与火源在xoy平面上的投影距离，h为火源高度。

优选的，s2中使用最先发现火情信息的消防炮，依次与其他消防炮进行火源空间位置定位，确定火源高度以及火源与所有消防炮之间的距离，s3中使用距离最近的两台消防炮对火源进行灭火。

一种基于消防炮群的灭火系统，包括供水系统、与供水系统连通的多个消防炮和控制消防炮工作的控制器，所述消防炮包括图像定位组件，所述控制器基于所述的灭火方法控制消防炮进行灭火作业。

优选的，所述控制器还通信连接有报警模块，控制器将火情的视频、声音和报警信息发送给报警模块进行显示和播放。

本发明提供的一种基于消防炮群的灭火系统及灭火方法的优点在于：在架设消防炮群的情况下，能够实现火源的主动监测和自动定位，仅依靠两台消防炮的角度信息以及消防炮自身的位置对火源位置进行确定，不需要对原有的消防炮进行改造，且不需要依靠摄像头的参数确定火源距离，架设成本更低，计算方法简单，提高响应速度；快速高效的对目标空间进行灭火，提高安全性。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的基于消防炮群的灭火方法的流程图；

图2为本发明的实施例提供的两台消防炮的投影点不重合时的定位方法原理图；

图3为本发明的实施例提供的两台消防炮的投影点重合时的定位方法原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本实施例还提供了一种基于消防炮群的灭火系统，包括供水系统、与供水系统连通的多个消防炮和控制消防炮工作的控制器，所述消防炮包括图像定位组件，所述控制器基于图像定位组件对火源进行空间定位，并控制消防炮进行灭火作业。所述控制器还通信连接有报警模块，控制器将火情的视频、声音和报警信息发送给报警模块进行显示和播放。

所述消防炮包括解码器、图像定位组件、机械传动部件、步进电机和角度传感器，其中解码器负责消防炮与控制器的信号解码转换，包括定位火源、自动灭火、水流和阀状态、视频编码等信号；图像定位组件为获取图像对火源进行定位的部件，本实施例中选用摄像机作为图像定位组件；步进电机控制消防炮进行转动，机械传动部件为具体的转动执行单元，其具体结构为本领域的现有技术，直接购买具有该功能的消防炮即可；角度传感器用来获取消防炮转动后的角度，直接读取水平角和俯仰角。

所述控制器是整个系统的管理监控主机，通过光纤以太网与前端的消防炮通信连接，组成一个分布式探测、集中式管理的系统，控制器接收前端设备的处理结果，将视频图像、提示文字、声音等多媒体交互方式向用户展示目标区域的现场状况及系统的运行状态，方便用户及时掌握和处理现场火情，具有火灾报警联动、设备管理、信息显示、信息查询等功能。

在整个系统开始工作前，应选定基准即确定一个坐标系，对所有消防炮的位置和高度进行记录，当系统内出现火灾隐患时，消防炮启动火源判定算法，通过对近红外目标进行特征提取，当特征值满足火焰阈值时，判定为火源。此时，启动火源定位算法，消防炮自动定位火源，是根据通过旋转固定在智能消防炮炮管顶端的摄像机进行火源扫描，当火焰位于成像中心点时，炮群定位成功后的角度信息，通过ncp协议发送给控制器，控制器根据炮群的初始位置信息以及定位角度，调整灭火策略。如图1所示，本实施例还提供了一种基于上述消防系统的灭火方法，包括以下步骤：

s1：通过图像定位组件监控工作空间是否存在火情；具体方法为在消防炮炮管顶端固定摄像机进行火源臊面，对消防炮获取的图像进行近红外目标特征提取，当特征值满足预设阈值时，判断存在火情；具体的火源判定算法可使用本领域的现有技术。

s2：对火源位置进行定位；

在首次发现火情后，持续获取一段时间的火情信息，如果火情消失，返回s1，如果该时间段内只有一台消防炮发出火情信息，则该火源位于地面，直接使用发出火情信息的消防炮的三维空间位置和俯仰角确定火源坐标，得到定位结果；

如果至少两台消防炮发出火情信息，则从中选择两台消防炮对火源进行定位，本实施例中监测时间段为50s，具体时间为经验值，可根据实际场景进行调整。

定位方法如下：

步骤a：构建空间三维坐标系，以地面作为xoy平面，竖直向上作为z轴正方向，图2中以水平向右为x轴正方形，垂直xoz平面向里为y轴正方向；在检测到火情的消防炮中选取两台消防炮，分别获取其高度h1和h2、彼此垂心间的距离l、与火源位置的定位俯仰角β1和β2，其中俯仰角为消防炮与火源的连线与z轴所夹的锐角，若l≠0，则跳转步骤b，否则跳转步骤c；

消防炮在三维坐标系下的坐标分别为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，则

h1＝z1

h2＝z2

其中，α0为两台消防炮的水平对射角，即两台消防炮的连线与x轴所夹的锐角。

获取俯仰角β1和β2的方法为：消防炮上设置有能够跟随消防炮转动视角的红外摄像头，出现火情时，消防炮进行水平扫描，使火源位于图像水平像素坐标中心处，然后进行竖直扫描，定位火源位于图像竖直像素坐标中心处；直接获取当前定位情况下消防炮的俯仰角即可。

步骤b：标定两台消防炮的水平偏移角α1和α2；

l≠0时，说明两台消防炮不是处于同一位置的不同高度的，此时还需要结合两台消防炮的水平偏移角α1和α2进行计算，所述水平偏移角为消防炮与火源位置的连线和两台消防炮之间的连线在xoy平面上的投影的夹角；

在获取火源图像并将其放置于像素坐标中心之后，可直接读出消防炮的水平角度，并用水平角度减去水平对视角α0，即得到该消防炮的水平偏移角α1和α2。

步骤c：基于消防炮高度h1和h2，俯仰角β1和β2，距离l，和水平偏移角α1和α2在三维坐标系下计算火源位置的高度，确定火源的空间位置。

火源高度的计算公式为：

参考图2，如果l≠0,α1≠0,α2≠0，即两台消防炮的投影点不重合，且火源的投影点不处于两台消防炮的连线上，,则

如果l≠0,α1＝α2＝0，即两台消防炮的投影点不重合，且火源的投影点落在两台消防炮的连线上，则

x1＝(h1-h)*tanβ1

x2＝l-x1

参考图3，如果l＝0，即两台消防炮的投影点重合，则

x1＝x2＝(h1-h)*tanβ1

其中，x1和x2分别为两台消防炮与火源在xoy平面上的投影距离，h为火源高度；以上计算公式可根据空间数学关系求解得到。

当存在超过两台消防炮发出火情信息时，使用最先发现火情信息的消防炮，依次与其他消防炮进行火源空间位置定位，确定火源高度以及火源与所有消防炮之间的距离。

s3：根据火源定位结果计算消防炮的射流抛物线参数，并使用射流抛物线参数控制消防炮进行灭火；灭火时优先使用距离火源最近的两台消防炮进行灭火作业。

s3中使用现有技术中的射流抛物线算法进行计算，如cn109303995a中使用的射流抛物线计算方法，计算时需综合考虑消防炮的流量、水压、火源高度，火源距离，计算得到消防炮的出口角度，然后打开消防炮阀门灭火即可。

本实施例提供的基于消防炮群的灭火方法能够实现火源的主动监测和自动定位，并基于自动定位结果高效的进行灭火，提高安全性，可广泛应用于易产生明火的各类场所，如家具城、展览厅、体育馆、大型仓库、生产车间、森林、隧道等，也可用于环境恶劣的工业产所，在保障公共安全方面具有显著效果。