專利名稱：一種電氣開關柜自動滅火系統及火災識別方法
技術領域：
本發明屬于電器開關柜安防技術領域，涉及一種電器開關柜自動滅火系統及火災識別方法。
背景技術：
開關柜是一種電設備，外線先進入柜內主控開關，然后進入分控開關，各分路按其需要設置。如儀表，自控，電動機磁力開關，各種交流接觸器等，有的還設高壓室與低壓室開關柜，設有高壓母線，如發電廠等。開關柜分高壓開關柜和低壓開關柜
高壓開關柜是指用于電力系統發電、輸電、配電、電能轉換和消耗中起通斷、控制或保護等作用，電壓等級在3. 6kV^550kV的電器產品，主要包括高壓斷路器、高壓隔離開關與接地開關、高壓負荷開關、高壓自動重合與分段器，高壓操作機構、高壓防爆配電裝置和高壓開關柜等幾大類。高壓開關柜應滿足GB3906-1991" 3_35kV交流金屬封閉開關設備〃標準的有關要求，由柜體和斷路器二大部分組成，柜體由殼體、電器元件(包括絕緣件)、各種機構、二次端子及連線等組成。低壓開關柜適用于發電廠、石油、化工、冶金、紡織、高層建筑等行業，作為輸電、配電及電能轉換之用。產品符合IEC439-1，GB7251. 1-1997《低壓成套開關設備》的標準規定。開關柜是電網系統中的一個基本單元，電力系統控制的執行機構。隨著無人值守變電站、智能電網技術的應用，開關柜的安全防護變得尤為重要。開關柜在工作過程中由于長時間運行、環境變化、線路負載擾動等原因，會出現局部高溫、電弧、燃燒等災害，這些災害會導致柜體嚴重損壞，供電系統破壞及人員傷害。因此有必要研究開關柜的安全防護，保證執行機構正常工作，將損失降低到最低限度，以提高供電效率。開關柜的安全防護主要是防止高溫、燃燒(明火、陰燃)，保證開關正常工作，或在部分設備出現故障時避免其他設備被損壞，將損失降低到最低程度，如發現開關柜燃燒，自動進行滅火；發現開關柜溫度過高，進行報警等。隨著社會的進步，人們的防火意識越來越強，自動滅火系統的需求越來越廣泛。自動滅火系統，是比較普遍使用的固定滅火系統。該系統具有安全可靠、經濟實惠、滅火效率聞等優點。國內外目前采用的自動滅火系統類型較多，如濕式自動噴水滅火系統、預作用自動噴水滅火系統、干式和預作用聯合自動噴水滅火系統、干式自動噴水滅火系統、雨淋自動噴水滅火系統、水噴霧滅火系統等。自動滅火系統不僅在高層建筑、公共建筑、工廠和倉庫中普遍使用，而且已發展到家庭住宅中安裝自動噴水滅火系統。但電氣成套設備開關柜不同于上述范疇，開關柜內電器元件或電線、電纜著火后，不能直接用水滅火。因為水中含有導電的雜質，噴在帶電設備上，再滲入設備上的灰塵雜質，則更易導電。如用水滅火，還會降低電器設備的絕緣性能，引起接地短路，或危及附近救火人員的安全。

發明內容
本發明解決的技術問題在于提供一種電氣開關柜自動滅火系統，在克服不能直接用水、具有污染滅火劑滅火的問題的基礎上，通過光電探測器探測開關柜內的明火與電弧，提聞對的火災的識別能力和自動處理能力。本發明是通過以下技術方案來實現
一種電氣開關柜自動滅火系統，包括安裝于電氣開關柜內的滅火劑噴頭，滅火劑噴頭通過管道與儲藏有不導電滅火劑的儲藏器相連接，管道上設有由中央控制器控制的電磁閥；電氣開關柜內還設有光電傳感器，光電傳感器包括攝像鏡頭和光電轉換器，攝像鏡頭上設有透紅外濾光片，攝像鏡頭拍攝形成黑白圖像經光電轉換器轉換為圖像數字信號，黑白圖像中的白色部分為火焰，黑色部分為背景，光電傳感器將檢測信號輸出到中央控制器；中央控制器根據檢測信號當中的火焰動態特征和靜態特征來識別火災，動態特征表征火焰的閃動頻率，靜態特征表征火焰的不規則形狀，用圓形度來進行判別c = p2/4 S，其中C為圓形度，P為周長，S為面積；當檢測到閃動頻率在7 12HZ、圓形度大于I. 8的發光體時，判定其為火災，中央控制器控制電磁閥打開釋放不導電滅火劑。所述的滅火劑噴頭設有多個，分別通過設有電磁閥的管道與儲藏器相連接。所述的儲藏器為儲壓式滅火劑儲藏器，其壓力為I 4Mpa ；所述的不導電滅火劑為七氟丙烷或超細干粉滅火劑。所述的電氣開關柜內還設有與中央控制器控制相連接的溫度探測器。所述的溫度探測器為光纖溫度傳感器或紅外溫度傳感器，光纖溫度傳感器以接觸式的方式、紅外溫度傳感器以非接觸式的方式設置在電氣開關柜內。一種電氣開關柜自動滅火系統的火災識別方法，包括以下步驟I)設置在電氣開關柜內的光電傳感器拍攝圖像并傳輸信號，光電傳感器的攝像鏡頭上設有透紅外濾光片，攝像鏡頭拍攝形成黑白圖像經光電轉換器轉換為圖像數字信號，黑白圖像中的白色部分為火焰，黑色部分為背景；2)中央控制器接收檢測信號，對圖像數字信號進行預處理后提取火焰區別于光干擾源的靜態特征和動態特征，并將其量化形成火災判據向量，通過分析判據向量排除光干擾源并識別火災；所述的靜態特征提取通過單幀圖像運算提取包括尖角、圓形度和梯形特征的目標特征尖角特征火焰邊緣會出現一些朝上的尖角，火焰尖角數目的不斷變化是火焰邊緣抖動的表現，采用基于目標邊緣提取尖角個數；圓形度特征火焰的形狀是不規則的，通過圓形度描述其形狀的規整性，圓形度的計算為C = P2/4 S，其中C為圓形度，P為周長，S為面積；梯形特征火焰底部靠近燃燒物，使火焰的上部寬度小于底部寬度，通過區域重心與中心縱坐標的距離來描述此特征；
動態特征是通過多幀圖像運算提取包括跳動、邊緣擴大特征的目標特征跳動特征在視覺上，火焰閃爍表現為火焰不停地跳動，提取25幀圖像中目標的高度，記為x[n] (n=0, 1，2-24)，根據1[11]繪制幀數-高度波形圖，然后對波峰個數進行計數，只有當波峰值比兩側的波谷值都大4個像素高度時，才進行頻率計數，將波峰個數記為目標跳動頻率；邊緣擴大特征在火災發生初期，火焰主體逐漸增大，通過目標區域的周長逐漸增大來描述此特征；
3)得到火焰的特征向量數據后，對這些特征綜合處理先將樣本特征向量輸入到BP神經網絡；將輸出層輸出值與理想值比較得到輸出誤差；根據輸出誤差反向傳播，逐層向前計算隱層各單元的誤差，并用此誤差修正前層權值；如此重復多次樣本信息正向輸入和誤差反向傳播的過程，一直進行到輸出誤差達到可以接受的程度，或達到預先設定的學習次數為止；輸入層為提取的紅外光源的特征向量，輸出層的輸出值做歸一化處理，根據輸出值對現場情況作出火災狀態、危險狀態和正常狀態的判斷。所述的對圖像數字信號的預處理包括I) 二值化處理，按照以下二值化算法進行處理
〔O if /(x，v)<TBinaryix,y) = \r(式-I)
[255 if f(x,y) >=T其中，Binary為二值圖像素灰度值；f為灰度圖像素灰度值；T為二值化處理閾值，令 T=155 ；2)中值濾波將目標像素點和2n鄰域像素點灰度值進行由大到小排序，n為正整數，取第n+1個值賦給目標像素，如果目標像素和2n鄰域像素灰度值中有小于n+1個為255,將目標像素灰度值置為0 ;有大于等于n+1個為255,將目標像素灰度值置為255 ；3)目標標記為區分不同的亮連通區域，將不同的亮連通區域標記為不同的灰度值a、遍歷二值圖像，將遍歷到的第一個目標像素作為種子像素；b、將種子像素坐標作為標記函數的輸入參數，用一個指定的灰度值標記此點；C、逐一遍歷種子點的8鄰域，如果是目標像素，停止遍歷，調用標記函數自身；d、標記完此連通區域后，返回到a步，采用同樣的方法繼續標記其它連通區域；4)孔洞填充當火焰內部局部亮度較低時，經二值化處理后火焰主體內部會出現一些孔洞，將填充這些孔洞，以得到一個完整的火焰主體，基于背景區域標記的孔洞填充為a、遍歷圖像，將找到的一個灰度值為0的像素作為種子像素；b、通過非遞歸算法對種子像素所在連通區域的所有像素標記為Lab[n](n=0, 1,2-)；C、繼續遍歷圖像,如果遍歷到一個灰度值為0的像素，n=n+l,回到b步驟；d、整幅圖遍歷完成后，背景像素被標記為Lab
，孔洞被區別標記，將標記值為L
的像素灰度值置為0，非L
的像素灰度值置為255;5)修正標記以第0幀為基礎幀，判斷其它幀中的各邊界標記值是否與第0幀相同位置上的邊界標記值一致，如果不一致，將其修改為與第0幀中相同位置上的邊界標記值。
所述的尖角特征的提取是基于目標邊緣提取尖角個數，利用遞歸法和回朔法標記目標邊界，并記錄各個邊界點的坐標碼；然后根據坐標鏈碼判斷各個目標邊界點是否為頂點，并且與左右鄰域能否構成尖角；火焰邊緣的尖角類似于三角形，頂點就是火焰邊緣y坐標的極大值點，根據逐一遍歷目標邊界的坐標鏈碼，比較其I坐標是否比左右5、10、15個像素的y坐標值都大；如果滿足條件，則認為這些像素點構成一個尖角；當目標邊緣發生微小變動時，還要判斷尖角的高度是否符合火焰尖角的特征，當尖角頂點確定后，頂點、頂點左邊第15個邊界像素點和右邊第15個邊界像素點之間的連線構成一個三角形，將此三角形的高度記為尖角的高度；三角形邊長a，b, c可以通過距離公式獲得
權利要求
1.一種電氣開關柜自動滅火系統，其特征在于，包括安裝于電氣開關柜內的滅火劑噴頭，滅火劑噴頭通過管道與儲藏有不導電滅火劑的儲藏器相連接，管道上設有由中央控制器控制的電磁閥； 電氣開關柜內還設有光電傳感器，光電傳感器包括攝像鏡頭和光電轉換器，攝像鏡頭上設有透紅外濾光片，攝像鏡頭拍攝形成黑白圖像經光電轉換器轉換為圖像數字信號，黑白圖像中的白色部分為火焰，黑色部分為背景，光電傳感器將檢測信號輸出到中央控制器； 中央控制器根據檢測信號當中的火焰動態特征和靜態特征來識別火災，動態特征表征火焰的閃動頻率，靜態特征表征火焰的不規則形狀，用圓形度來進行判別C = P2/4 S，其中C為圓形度，P為周長，S為面積；當檢測到閃動頻率在7 12HZ、圓形度大于I. 8的發光體時，判定其為火災，中央控制器控制電磁閥打開釋放不導電滅火劑。
2.如權利要求I所述的電氣開關柜自動滅火系統，其特征在于，所述的滅火劑噴頭設有多個，分別通過設有電磁閥的管道與儲藏器相連接。
3.如權利要求I所述的電氣開關柜自動滅火系統，其特征在于，所述的儲藏器為儲壓式滅火劑儲藏器，其壓力為I 4Mpa ； 所述的不導電滅火劑為七氟丙烷或超細干粉滅火劑。
4.如權利要求I所述的電氣開關柜自動滅火系統，其特征在于，所述的電氣開關柜內還設有與中央控制器控制相連接的溫度探測器。
5.如權利要求4所述的電氣開關柜自動滅火系統，其特征在于，所述的溫度探測器為光纖溫度傳感器或紅外溫度傳感器，光纖溫度傳感器以接觸式的方式、紅外溫度傳感器以非接觸式的方式設置在電氣開關柜內。
6.一種電氣開關柜自動滅火系統的火災識別方法，其特征在于，包括以下步驟 1)設置在電氣開關柜內的光電傳感器拍攝圖像并傳輸信號，光電傳感器的攝像鏡頭上設有透紅外濾光片，攝像鏡頭拍攝形成黑白圖像經光電轉換器轉換為圖像數字信號，黑白圖像中的白色部分為火焰，黑色部分為背景； 2)中央控制器接收檢測信號，對圖像數字信號進行預處理后提取火焰區別于光干擾源的靜態特征和動態特征，并將其量化形成火災判據向量，通過分析判據向量排除光干擾源并識別火災； 所述的靜態特征提取通過單幀圖像運算提取包括尖角、圓形度和梯形特征的目標特征 尖角特征火焰邊緣會出現一些朝上的尖角，火焰尖角數目的不斷變化是火焰邊緣抖動的表現，采用基于目標邊緣提取尖角個數； 圓形度特征火焰的形狀是不規則的，通過圓形度描述其形狀的規整性，圓形度的計算為C = p2/4 S，其中c為圓形度，P為周長，s為面積； 梯形特征火焰底部靠近燃燒物，使火焰的上部寬度小于底部寬度，通過區域重心與中心縱坐標的距離來描述此特征； 動態特征是通過多幀圖像運算提取包括跳動、邊緣擴大特征的目標特征 跳動特征在視覺上，火焰閃爍表現為火焰不停地跳動，提取25幀圖像中目標的高度，記為x[n]，n=0，l，2…24，根據x[n]繪制幀數-高度波形圖，然后對波峰個數進行計數，只有當波峰值比兩側的波谷值都大4個像素高度時，才進行頻率計數，將波峰個數記為目標跳動頻率； 邊緣擴大特征在火災發生初期，火焰主體逐漸增大，通過目標區域的周長逐漸增大來描述此特征； 3)得到火焰的特征向量數據后，對這些特征綜合處理先將靜態特征和動態特征向量輸入到BP神經網絡；將輸出層輸出值與理想值比較得到輸出誤差；根據輸出誤差反向傳播，逐層向前計算隱層各單元的誤差，并用此誤差修正前層權值；如此重復多次樣本信息正向輸入和誤差反向傳播的過程，一直進行到輸出誤差達到可以接受的程度，或達到預先設定的學習次數為止；輸入層為提取的紅外光源的特征向量，輸出層的輸出值做歸一化處理，根據輸出值對現場情況作出火災狀態、危險狀態和正常狀態的判斷。
7.如權利要求6所述的電氣開關柜自動滅火系統的火災識別方法，其特征在于，所述的對圖像數字信號的預處理包括 1)二值化處理，按照以下二值化算法進行處理
8.如權利要求6所述的電氣開關柜自動滅火系統的火災識別方法，其特征在于，所述的尖角特征的提取是基于目標邊緣提取尖角個數，利用遞歸法和回朔法標記目標邊界，并記錄各個邊界點的坐標碼；然后根據坐標鏈碼判斷各個目標邊界點是否為頂點，并且與左右鄰域能否構成尖角； 火焰邊緣的尖角類似于三角形，頂點就是火焰邊緣y坐標的極大值點，根據逐一遍歷目標邊界的坐標鏈碼，比較其I坐標是否比左右5、10、15個像素的y坐標值都大；如果滿足條件，則認為這些像素點構成一個尖角； 當目標邊緣發生微小變動時，還要判斷尖角的高度是否符合火焰尖角的特征，當尖角頂點確定后，頂點、頂點左邊第15個邊界像素點和右邊第15個邊界像素點之間的連線構成一個三角形，將此三角形的高度記為尖角的高度； 三角形邊長a，b, c可以通過距離公式獲得 D=^j (yi-yZ)2 +(.t1-t2)2(2) 再根據海倫公式求三角形的面積 S=、l-a){q~b){cj-c)( 3) q=(a+b+c)/2(4) 將面積公式S = c*h/2代入公式(3)得^ 25' 2」q(q — a)(q -b、(q- c) yl(a + b + c)(b + c-a)(a-b + c)(a+b-c) cc2c(5) 當h超過設定的閾值時，將此目標的尖角個數加1，并將尖角頂點像素灰度值置為255 ；此時遍歷邊界像素時，需跳到此頂點后邊的第16個邊界像素點繼續進行判斷； 所述的圓形度特征提取時，周長P的計算為 ①采用遞歸法和回朔法標記目標邊界； ②對邊界進行Freeman8方向鏈碼編碼； ③周長初始化為0，如果鏈碼為奇數，周長加1，否則周長加萬； 面積S的計算為利用非遞歸區域增長法標記各個亮區域，遍歷整幅圖求不同標記值對應的像素個數作為各個標記區域的面積； 梯形特征的區域重心與中心縱坐標的距離的計算為 區域重心的縱坐標為= ^乏>’(7) VGR 其中gy為重心縱坐標，S為目標區域面積，R為目標區域，y為目標區中各個像素的縱坐標； 根據邊界點的類別和邊界坐標計算重心縱坐標 a、利用基于邊界點類別的目標面積計算方法計算面積S； b、令y= 2^V’初始化Y = 0 ； V€i C、遍歷目標邊界點分類碼，如果邊界點(xn，yn)為下邊界點，r =如果邊界點 O(Xn, yn)為上邊界點，+ ，如果邊界點(Xn, yn)為水平方向頂點，Y=Y+yn ;其中n=0、l、 O2…h-l，h代表圖像的高度； d、將Y的最終Y結果代入到(7)式，得到重心縱坐標； e、根據目標邊界點縱坐標最大和最小值，計算出目標中心縱坐標y。Ymin=Min(y) ；ymax=Max(y) ；y G R;
9.如權利要求6所述的電氣開關柜自動滅火系統的火災識別方法，其特征在于，采用Sigmoid類型輸出函數的反向傳播為 (1)選定權系數初值； (2)重復下述過程直至收斂，將樣本特征量依次輸入網絡 ①從前向計算各層單元輸出Oj ②計算輸出層各單元誤差Sj
10.如權利要求6所述的電氣開關柜自動滅火系統的火災識別方法，其特征在于，當采用三層前饋網絡進行火災狀態、危險狀態和正常狀態的分類時，輸入層節點數為特征向量的維數；隱藏層節點數為log 向上取整，其中P為輸入層節點數；輸出層節點數為分類數；正向過程中，權值初始值通常選取±0. 3區間的隨機數；反向傳輸法中，步長n在0. I 3之間試探；慣性項系數a在0. 9 I之間選擇。
全文摘要
本發明公開了一種電氣開關柜自動滅火系統及火災識別方法，包括安裝于電氣開關柜內的滅火劑噴頭，滅火劑噴頭通過管道與儲藏有不導電滅火劑的儲藏器相連接，管道上設有由中央控制器控制的電磁閥；電氣開關柜內還設有光電傳感器，光電傳感器將檢測信號輸出到中央控制器，由其來判定是否打開電磁閥。它能應對突發性電氣火災，降低由此帶來的損失。采用七氟丙烷、超細干粉滅火劑，這些滅火劑是不導電的，因此不會由于滅火劑導電造成二次危害。這些滅火劑是環保的，因此不會由于滅火劑導對環境造成危害。采用光電傳感器，能夠快速、準確檢測到開關柜內的火災，如電弧等。
文檔編號A62C3/16GK102743830SQ201210237440
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優先權日2012年7月10日
發明者岳青, 張黎明, 王冰, 趙躍進, 錢永強 申請人:西安交通大學