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基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法

范伟强 李晓宇 刘毅 翁智

范伟强, 李晓宇, 刘毅, 翁智. 基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(4): 529-537. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.009
引用本文: 范伟强, 李晓宇, 刘毅, 翁智. 基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(4): 529-537. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.009
Fan Weiqiang, Li Xiaoyu, Liu Yi, Weng Zhi. Mine external fire monitoring method using the fusion of visible visual features[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(4): 529-537. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.009
Citation: Fan Weiqiang, Li Xiaoyu, Liu Yi, Weng Zhi. Mine external fire monitoring method using the fusion of visible visual features[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(4): 529-537. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.009

基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.009
基金项目: 

内蒙古自治区高等学校科学研究 NJZY23056

国家重点研发计划 2016YFC0801800

详细信息
    作者简介:

    范伟强(1992—),男,河南渑池人,博士,讲师,主要从事矿井监控与监视等方面的研究工作。E-mail:fan_weiqiang@163.com

    通讯作者:

    李晓宇(1991—),女,内蒙古凉城人,博士,讲师,主要从事煤矿信息化和智能化等方面的研究工作。E-mail:L_xiaoyu@126.com

  • 中图分类号: TP391.3

Mine external fire monitoring method using the fusion of visible visual features

  • 摘要: 为了解决矿井外因火灾监测实时性差、误报率和漏报率高的问题,提出了基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法。首先,分析了不同监测环境中火源视频图像对应的视觉特征,并设计了火源纹理、尖角、相似系数和闪动频率的提取方法;其次,采用改进的种子区域生长算法对火灾疑似区域进行分割,并利用不同的火源特征提取方法计算火灾疑似区域的动、静态特征;然后,融合所提取的动、静态特征,构建火灾特征向量;最后,构建了基于BP神经网络的火灾监测模型,并对监测模型进行了验证。结果表明,本文提出的火灾监测方法可有效检测不同场景和不同距离下的外因火灾,正确率和检测率分别达到98.60%和99.09%,误检率低至2.00%,并有很强的抗干扰能力和鲁棒性。
  • 图  1  火灾可见光视觉特征

    Figure  1.  Visual characteristics of visible fires

    图  2  火焰尖角检测过程

    Figure  2.  Flame sharp angle detection process

    图  3  BP神经网络模型

    Figure  3.  BP neural network model

    图  4  10段不同监视场景图像

    Figure  4.  10 images of different monitoring scenes

    图  5  不同算法的评价指标直方图

    Figure  5.  Histograms of evaluation indicators for different algorithms

    表  1  不同监控场景的视频数据信息

    Table  1.   Video data information of different monitoring scenarios

    编号 目标类型 视频场景描述 视频/帧
    1 火灾 早期点状火源,用于检测早期阶段的火灾 3 000
    2 火灾 早期蔓延火源1,用于检测蔓延过程中的火灾 3 000
    3 火灾 早期蔓延火源2,用于检测蔓延过程中的火灾 3 000
    4 火灾 早期蔓延火源3,用于检测蔓延过程中的火灾 3 000
    5 火灾 远距离点状火源,用于检测监视距离较远的火灾 3 000
    6 干扰源 固定的巷道灯,用于排除井下固定的干扰光源 3 000
    7 干扰源 矿工佩戴的矿灯,用于排除井下慢变的干扰光源 3 000
    8 干扰源 设备的信号灯,用于排除井下闪烁的干扰光源 3 000
    9 干扰源 正常行进的车灯,用于排除井下快变的干扰光源 3 000
    10 干扰源 设备表面反射的光斑,用于排除井下的反射光源 3 000
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    表  2  不同算法的ACC指标值

    Table  2.   ACC values of different algorithms

    算法 表 1中视频场景
    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    Static & BP 55.26 81.39 59.26 68.94 51.54 94.42 48.84 89.21 92.05 93.14
    Dynamic & BP 39.47 63.57 49.07 60.61 55.38 85.16 80.72 69.06 72.58 82.09
    文献[22] 28.53 59.62 37.12 48.79 31.55 85.01 72.09 89.56 90.20 87.59
    文献[23] 15.79 55.81 30.56 40.91 23.85 97.22 81.00 90.24 87.80 95.65
    文献[10] 81.58 91.47 94.44 87.04 85.19 53.05 37.79 91.30 80.21 85.62
    本文算法 57.89 71.67 65.37 62.88 42.31 99.01 82.78 92.81 93.42 97.86
    下载: 导出CSV
  • [1] 孙继平, 孙雁宇, 范伟强. 基于可见光和红外图像的矿井外因火灾识别方法[J]. 工矿自动化, 2019, 45(5): 1-5, 21. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD201905001.htm

    Sun Jiping, Sun Yanyu, Fan Weiqiang. Mine exogenous fire identification method based on visible light and infrared image[J]. Industry and Mine Automation, 2019, 45(5): 1-5, 21. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD201905001.htm
    [2] 孙继平, 范伟强. MS-ADoG域结合ReNLU与VGG-16的矿井双波段图像融合算法[J]. 光子学报, 2022, 51(3): 1-15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202203002.htm

    Sun Jiping, Fan Weiqiang. Mine dual-band image fusion in MS-ADoG domain combined with ReNLU and VGG-16[J]. Acta Photonica Sinica, 2022, 51(3): 1-15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GZXB202203002.htm
    [3] 孙继平, 范伟强. 基于视频图像的瓦斯和煤尘爆炸感知报警及爆源判定方法[J]. 工矿自动化, 2020, 46(7): 1-4, 48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202007001.htm

    Sun Jiping, Fan Weiqiang. Gas and coal dust explosion perception alarm and explosion source judgment method based on video image[J]. Industry and Mine Automation, 2020, 46(7): 1-4, 48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202007001.htm
    [4] 任慧, 孙继平, 刘妍. 用图像法探测煤矿井下火灾的研究[J]. 中国煤炭, 2005, 31(3): 59-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGME20050300L.htm

    Ren Hui, Sun Jiping, Liu Yan. Research for the detection of mine fire by using graphical solution[J]. China Coal, 2005, 31(3): 59-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGME20050300L.htm
    [5] 王媛彬. 煤矿烟雾的计算机视觉检测方法[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2016, 35(11): 1230-1234. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FXKY201611007.htm

    Wang Yuanbin. Smoke detection based on computer vision in coal mine[J]. Journal of Liaoning Technical University: Natural Science, 2016, 35(11): 1230-1234. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FXKY201611007.htm
    [6] 杜明本. 基于视频监控的煤矿井下火灾识别算法研究[D]. 太原: 太原科技大学, 2016.
    [7] 何晨阳, 周孟然, 闫鹏程, 等. 图像处理与BP神经网络在矿井火灾隐患识别中的应用[J]. 桂林理工大学学报, 2016, 36(3): 615-618. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGX201603032.htm

    He Chenyang, Zhou Mengran, Yan Pengcheng, et al. Application of image processing and BP neural network on mine fire potential hazard identification[J]. Journal of Guilin University of Technology, 2016, 36(3): 615-618. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGX201603032.htm
    [8] 孙继平, 孙雁宇. 矿井火灾监测与趋势预测方法研究[J]. 工矿自动化, 2019, 45(3): 1-4. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD201903001.htm

    Sun Jiping, Sun Yanyu. Research on methods of mine fire monitoring and trend prediction[J]. Industry and Mine Automation, 2019, 45(3): 1-4. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD201903001.htm
    [9] 王伟峰, 张宝宝, 王志强, 等. 基于YOLOv5的矿井火灾视频图像智能识别方法[J]. 工矿自动化, 2021, 47(9): 53-57. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202109008.htm

    Wang Weifeng, Zhang Baobao, Wang Zhiqiang, et al. Intelligent identification method of mine fire video images based on YOLOv5[J]. Industry and Mine Automation, 2021, 47(9): 53-57. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202109008.htm
    [10] 孙继平, 崔佳伟. 矿井外因火灾感知方法[J]. 工矿自动化, 2021, 47(4): 1-5, 38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202104001.htm

    Sun Jiping, Cui Jiawei. Mine external fire sensing method[J]. Industry and Mine Automation, 2021, 47(4): 1-5, 38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKZD202104001.htm
    [11] Deng L, Chen Q, He Y H, et al. Fire detection with infrared images using cascaded neural network[J]. Journal of Algorithms & Computational Technology, 2019, 13: 174830261989543.
    [12] 黄景雨. 林火虚警源红外成像特征建模及检测方法研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2019.
    [13] Yang Z K, Wang T, Bu L P, et al. Training with augmented data: GAN-based flame-burning image synthesis for fire segmentation in warehouse[J]. Fire Technology, 2022, 58(1): 183-215. doi: 10.1007/s10694-021-01117-x
    [14] Ding H J, Gong F M, Gong W J, et al. Human activity recognition and location based on temporal analysis[J]. Journal of Engineering, 2018, 2018: 1-11.
    [15] 骆铁楠. 基于时间平滑多特征量火灾快速识别算法[J]. 煤炭技术, 2021, 40(5): 132-134. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTJS202105035.htm

    Luo Tienan. Fast recognition algorithm research of fire flame based on multifeatures longitude regression with temporal smoothing[J]. Coal Technology, 2021, 40(5): 132-134. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTJS202105035.htm
    [16] 王亚, 张宝峰. 基于显著性检测的红外森林火灾监测系统[J]. 消防科学与技术, 2018, 37(12): 1700-1703. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XFKJ201812034.htm

    Wang Ya, Zhang Baofeng. Infrared forest fire monitoring system based on saliency detection[J]. Fire Science and Technology, 2018, 37(12): 1700-1703. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XFKJ201812034.htm
    [17] 范伟强, 刘毅. 基于自适应小波变换的煤矿降质图像模糊增强算法[J]. 煤炭学报, 2020, 45(12): 4248-4260. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB202012030.htm

    Fan Weiqiang, Liu Yi. Fuzzy enhancement algorithm of coal mine degradation image based on adaptive wavelet transform[J]. Journal of China Coal Society, 2020, 45(12): 4248-4260. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB202012030.htm
    [18] 刘媛珺. 双波段野外火灾图像识别及目标定位方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2009.
    [19] 辛颖, 李禹洁, 邢美净. 基于红外图像的森林凋落物阴燃火灾探测[J]. 消防科学与技术, 2018, 37(1): 61-64. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XFKJ201801024.htm

    Xin Ying, Li Yujie, Xing Meijing. Forest litter smoldering fire detection based on infrared image[J]. Fire Science and Technology, 2018, 37(1): 61-64. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XFKJ201801024.htm
    [20] 杜志伟. 基于红外图像动态特征的早期火焰探测方法研究[D]. 天津: 天津大学, 2019.
    [21] 徐宏宇, 续婷. 一种基于颜色和纹理的优化SVM火灾识别方法[J]. 沈阳航空航天大学学报, 2021, 38(4): 54-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKGX202104012.htm

    Xu Hongyu, Xu Ting. A color/texture-based improved SVM for fire recognition[J]. Journal of Shenyang Aerospace University, 2021, 38(4): 54-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKGX202104012.htm
    [22] 熊晓松, 刘钰如, 董逸君, 等. 基于机器视觉的火灾监测系统研究[J]. 消防科学与技术, 2017, 36(2): 217-220. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XFKJ201702021.htm

    Xiong Xiaosong, Liu Yuru, Dong Yijun, et al. Research on fire alarm monitor system based on machine vision[J]. Fire Science and Technology, 2017, 36(2): 217-220. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XFKJ201702021.htm
    [23] 熊昊, 李伟. 基于SVM的视频火焰检测算法[J]. 传感器与微系统, 2020, 39(1): 143-145, 149. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CGQJ202001040.htm

    Xiong Hao, Li Wei. Video flame detection algorithm based on SVM[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2020, 39(1): 143-145, 149. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CGQJ202001040.htm
    [24] 李晓宇, 陈伟, 杨维, 等. 基于超像素特征与SVM分类的人员安全帽分割方法[J]. 煤炭学报, 2021, 46(6): 2009-2022. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB202106032.htm

    Li Xiaoyu, Chen Wei, Yang Wei, et al. Segmentation method for personnel safety helmet based on super-pixel features and SVM classification[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(6): 2009-2022. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MTXB202106032.htm
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-02
  • 修回日期:  2022-12-19
  • 刊出日期:  2023-08-31

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