一种基于视频分析技术的化工园区安全预警方法及系统

技术领域

本发明涉及视频图像处理领域，具体涉及一种基于视频分析技术的化工园区安全预警方法及系统。

背景技术

化工园区、火车站、机场等范围内危险气体的有效监测，对于安全的生产、生活秩序起着至关重要的作用。随着科技的快速发展，利用采集器获取环境数据，输入检测模型进行气体检测，是当前研究的热点技术；但当前的化工园区数据采集器的布置，大都是没有固定规律可循，每个园区的布置策略都不同，无法实现统一的高效管理，这会导致对于数据采集器特殊时期的监测，特别是工作人员在工作交接/交替/替换过程中,数据采集器的管控维护存在效率降低下的情况。例如CN111965116A（公开日20201120）公开了一种基于高光谱的机场气体检测系统，包括高光谱图像数据采集模块、数据预处理模块及光谱分析模块；高光谱图像数据采集模块包括拍摄角度互不相同的多台单波段高光谱相机；单波段高光谱相机用于实时采集机场气体的高光谱图像数据；数据预处理模块用于对采集的机场气体高光谱图像数据进行预处理；光谱分析模块用于对预处理后的机场气体高光谱图像数据进行分析处理，其内设有双向循环神经网络模型，双向循环神经网络模型输入机场气体高光谱图像数据，输出机场中目标气体的含量信息。该类方法对于数据采集模块的位置均未进行合理化的设置，这会导致后期的维护成本高，浪费人力物力、且维护效率低下。同时，基于传统计算机视觉的目标检测任务非常依赖所涉及的采集特征，往往会忽略气体泄漏图像的部分特征，这会导致危险气体监测的准确度不高，无法快速精确的识别出目标气体是否泄露，无法满足当前复杂环境下的要求。

发明内容

针对现有技术中的以上缺陷，本发明的目的在于提供一种基于视频分析技术的化工园区安全预警方法及系统，通过绘制多条对称抛物线的形式，并在抛物线上结合与矩形化工园区的交点位置来布置光谱视频图像采集器，基于光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，根据检测结果进行异常报警。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于视频分析技术的化工园区安全预警方法，该方法包括：

步骤1，对化工园区区域进行标准化处理，得到监测区域的矩形区域图；

步骤2，以所述矩形区域图的中心点位置为坐标原点，以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，完成平面直角坐标系建立；

步骤3，在所述平面直角坐标系内绘制

步骤4，调整n，使得U1抛物线与矩形长边的两个交汇点为矩形长边长度的

步骤5，在所述矩形区域图范围内进行以下操作：在所述矩形区域图的坐标原点位置部署第一光谱视频图像采集器，在所述U1抛物线上按照等距离间隔部署m个第二光谱视频图像采集器，在所述U2抛物线上按照等距离间隔部署m个第三光谱视频图像采集器；

步骤6，基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，根据检测结果进行异常报警。

进一步地，所述步骤6，基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，具体包括：

将所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像分别进行视频帧特征提取，并按照固定时间段节点分别进行特征分割；

之后，按照对应时间段节点进行分割后不同光谱视频图像特征的合并，合并后的时间序列特征表示为P=(x

将所述合并后的时间序列特征输入ResNet50网络，得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

进一步地，还包括：

基于所述步骤5，在所述矩形区域图范围内进行以下操作：在所述矩形区域图的坐标原点位置部署第一光谱视频图像采集器，在所述U1抛物线上按照等距离间隔部署m个第二光谱视频图像采集器，在所述U2抛物线上按照等距离间隔部署m个第三光谱视频图像采集器；

提取所述步骤5中的每个光谱视频图像采集器的空间位置特征，所述空间位置特征为光谱视频图像采集器在所述平面直角坐标系内所处的位置坐标；

通过将所述时间序列特征和空间位置特征进行叠加合并，得到融合后的增强特征；

将所述增强特征输入ResNet50网络，得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

进一步地，所述步骤6，基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，具体包括：

将所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像分别进行视频帧特征提取，并按照固定时间段节点分别进行特征分割，得到每个光谱图像采集器所对应的时序特征；

针对上述每个光谱图像采集器所对应的当前时序特征x

针对当前位置的光谱图像采集器，假设其历史数据库中的第h个时序序列段为无目标危险气体状态，其对应的光谱图像采集器的图像时序特征为x

计算相似度D1，

计算相似度D2，

将相似度D1和相似度D2分别与设定阈值进行比较，得到目标危险气体泄漏的检测结果，具体包括：

当D1小于第一阈值且D2大于第二阈值时，则表明有目标危险气体泄漏，进行一级报警；

当D1大于第一阈值且D2小于第二阈值时，则表明无目标危险气体泄漏；

当D1大于第一阈值且D2大于第二阈值时，或当D1小于第一阈值且D2小于第二阈值时，则表明大概率存在危险异常，进行二级报警。

进一步地，还包括：

步骤7，在所述平面直角坐标系内绘制

n取多个数值，绘制多条上下对称的抛物线；

步骤8，在所述矩形区域图范围内，在该多条上下对称的抛物线上布置光谱视频图像采集器；

步骤9，基于上述步骤8中光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

进一步地，还包括：

将所述步骤8中光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像分别进行视频帧特征提取，并按照固定时间段节点分别进行特征分割；

按照对应时间段节点进行分割后不同光谱视频图像特征的合并，并将合并后的时间序列特征输入ResNet50网络，得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

进一步地，还包括：所述检测结果具体包括检测识别出光谱视频中的气体泄漏位置、浓度分布、扩散趋势信息。

进一步地，还包括：所述ResNet50网络为改进后的网络结构，具体为：在ResNet50网络中添加混合注意力机制CBAM，具体是将CBAM放在ResNet50网络的残差模块中，并命名为ResNet50+CBAM。

第二方面，本发明还提供一种基于视频分析技术的化工园区安全预警系统，该系统包括：

标准化处理模块，用于对化工园区区域进行标准化处理，得到监测区域的矩形区域图；

坐标系建立模块，用于以所述矩形区域图的中心点位置为坐标原点，以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，完成平面直角坐标系建立；

形状绘制模块，用于在所述平面直角坐标系内绘制

调整模块，用于调整n，使得U1抛物线与矩形长边的两个交汇点为矩形长边长度的

第一部署模块，用于在所述矩形区域图范围内进行以下操作：在所述矩形区域图的坐标原点位置部署第一光谱视频图像采集器，在所述U1抛物线上按照等距离间隔部署m个第二光谱视频图像采集器，在所述U2抛物线上按照等距离间隔部署m个第三光谱视频图像采集器；

第一检测模块，用于基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，根据检测结果进行异常报警。

进一步地，还包括：

多条对称抛物线绘制模块，用于在所述平面直角坐标系内绘制

n取多个数值，绘制多条上下对称的抛物线；

第二部署模块，用于在所述矩形区域图范围内，在该多条上下对称的抛物线上布置光谱视频图像采集器；

第二检测模块，基于上述第二部署模块中光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

有益效果：

1.本发明基于抛物线的可变性强,覆盖广度大,且曲线形状容易调节,容易实现很好的对称性；首次创新提出通过绘制多条对称抛物线的形式，并在抛物线上结合与矩形化工园区的交点位置来布置光谱视频图像采集器，基于光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，根据检测结果进行异常报警。使得覆盖化工园区的数据采集范围更加广泛，使得后期采集器的维护更加方便，更具实用性和合理性，并且为化工园区内采集器的布置提供了高性价比的参考价值。

2.时间特征和空间特征能够很好的保证提取特征的完整性，基于时空特征融合，进一步通过在ResNet50网络中添加混合注意力机制CBAM，提升了网路模型的准确率，可以高效、准确的检测识别出光谱视频中的气体泄漏位置、浓度分布、扩散趋势等信息。

3. 本发明通过计算光谱图像采集器所对应的当前时序特征与预先假设的两种状态下时序特征之间的特征距离，综合比较两种特征距离，得出目标危险气体泄漏检测结果，大大提高了检测的效率和准确度。

附图说明

图1为基于视频分析技术的化工园区安全预警方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

如图1所示，本实施例提供一种基于视频分析技术的化工园区安全预警方法，该方法包括：

步骤1，对化工园区区域进行标准化处理，得到监测区域的矩形区域图；

具体地，以化工园区的边缘点为基础，矩形框覆盖园区所有边缘范围点为基准，标示处理得到矩形区域图。

步骤2，以所述矩形区域图的中心点位置为坐标原点，以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，完成平面直角坐标系建立；

步骤3，在所述平面直角坐标系内绘制

步骤4，调整n，使得U1抛物线与矩形长边的两个交汇点为矩形长边长度的

具体地，抛物线U1与矩形的长边会有交叉，将矩形的长边进行四等分，调整n，使得抛物线U1与矩形长边的两个交叉点处在左右两个四分之一等分点上。

步骤5，在所述矩形区域图范围内进行以下操作：在所述矩形区域图的坐标原点位置部署第一光谱视频图像采集器，在所述U1抛物线上按照等距离间隔部署m个第二光谱视频图像采集器，在所述U2抛物线上按照等距离间隔部署m个第三光谱视频图像采集器；

步骤6，基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，根据检测结果进行异常报警。

具体地，抛物线相对于其他曲线而言，具有可变性强,覆盖广度大的优势,且曲线形状容易调节,容易实现很好的对称性。因此提出通过绘制多条对称抛物线的形式，并在抛物线上结合与矩形化工园区的交点位置来布置光谱视频图像采集器，基于光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

在可选的实施方式中，所述步骤6，基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，具体包括：

将所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像分别进行视频帧特征提取，并按照固定时间段节点分别进行特征分割；

之后，按照对应时间段节点进行分割后不同光谱视频图像特征的合并，合并后的时间序列特征表示为P=(x

具体地，按照每个时间段节点，将每个时间段节点所对应的光谱视频图像特征进行叠加合并。

将所述合并后的时间序列特征输入ResNet50网络，得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

在可选的实施方式中，还包括：

基于所述步骤5，在所述矩形区域图范围内进行以下操作：在所述矩形区域图的坐标原点位置部署第一光谱视频图像采集器，在所述U1抛物线上按照等距离间隔部署m个第二光谱视频图像采集器，在所述U2抛物线上按照等距离间隔部署m个第三光谱视频图像采集器；

提取所述步骤5中的每个光谱视频图像采集器的空间位置特征，所述空间位置特征为光谱视频图像采集器在所述平面直角坐标系内所处的位置坐标；

通过将所述时间序列特征和空间位置特征进行叠加合并，得到融合后的增强特征；

将所述增强特征输入ResNet50网络，得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

时间特征和空间特征能够很好的保证提取特征的完整性，本发明基于时空特征融合，进一步通过在ResNet50网络中添加混合注意力机制CBAM，提升了网路模型的准确率，可以高效、准确的检测识别出光谱视频中的气体泄漏位置、浓度分布、扩散趋势等信息。

在可选的实施方式中，所述步骤6，基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，具体包括：

将所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像分别进行视频帧特征提取，并按照固定时间段节点分别进行特征分割，得到每个光谱图像采集器所对应的时序特征；

针对上述每个光谱图像采集器所对应的当前时序特征x

针对当前位置的光谱图像采集器，假设其历史数据库中的第h个时序序列段为无目标危险气体状态，其对应的光谱图像采集器的图像时序特征为x

计算相似度D1，

计算相似度D2，

将相似度D1和相似度D2分别与设定阈值进行比较，得到目标危险气体泄漏的检测结果，具体包括：

当D1小于第一阈值且D2大于第二阈值时，则表明有目标危险气体泄漏，进行一级报警；

当D1大于第一阈值且D2小于第二阈值时，则表明无目标危险气体泄漏；

当D1大于第一阈值且D2大于第二阈值时，或当D1小于第一阈值且D2小于第二阈值时，则表明大概率存在危险异常，进行二级报警。

具体地，通过分级报警的形式进行报警区分，可以提高应急处理能力和效率。

本发明创新的通过计算光谱图像采集器所对应的当前时序特征与预先假设的两种状态下时序特征之间的特征距离，综合比较两种特征距离，得出目标危险气体泄漏检测结果，大大提高了检测的效率和准确度。

在可选的实施方式中，还包括：

步骤7，在所述平面直角坐标系内绘制

n取多个数值，绘制不相交叉的上下对称的多条抛物线；

步骤8，在所述矩形区域图范围内，在该多条上下对称的抛物线上布置光谱视频图像采集器；

步骤9，基于上述步骤8中光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

在可选的实施方式中，还包括：

将所述步骤8中光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像分别进行视频帧特征提取，并按照固定时间段节点分别进行特征分割；

按照对应时间段节点进行分割后不同光谱视频图像特征的合并，并将合并后的时间序列特征输入ResNet50网络，得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

具体地,可以结合所述步骤8中光谱视频图像采集器的各个空间位置坐标一并输入ResNet50网络，以得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

在可选的实施方式中，还包括：所述检测结果具体包括检测识别出光谱视频中的气体泄漏位置、浓度分布、扩散趋势等诸多信息。

在可选的实施方式中，还包括：所述ResNet50网络为改进后的网络结构，具体为：在ResNet50网络中添加混合注意力机制CBAM，具体是将CBAM放在ResNet50网络的残差模块中，并命名为ResNet50+CBAM。

具体地，通过随机梯度下降法（SGD）作为优化器来训练ResNet50网络。

基于相同的发明构思，本实施例提供一种基于视频分析技术的化工园区安全预警系统，该系统包括：

标准化处理模块，用于对化工园区区域进行标准化处理，得到监测区域的矩形区域图；

坐标系建立模块，用于以所述矩形区域图的中心点位置为坐标原点，以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，完成平面直角坐标系建立；

形状绘制模块，用于在所述平面直角坐标系内绘制

调整模块，用于调整n，使得U1抛物线与矩形长边的两个交汇点为矩形长边长度的

第一部署模块，用于在所述矩形区域图范围内进行以下操作：在所述矩形区域图的坐标原点位置部署第一光谱视频图像采集器，在所述U1抛物线上按照等距离间隔部署m个第二光谱视频图像采集器，在所述U2抛物线上按照等距离间隔部署m个第三光谱视频图像采集器；

第一检测模块，用于基于所述第一光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像、所述m个第二光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像和所述m个第三光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果，根据检测结果进行异常报警。

在可选的实施方式中，还包括：

多条对称抛物线绘制模块，用于在所述平面直角坐标系内绘制

n取多个数值，绘制多条上下对称的抛物线；

第二部署模块，用于在所述矩形区域图范围内，在该多条上下对称的抛物线上布置光谱视频图像采集器；

第二检测模块，基于上述第二部署模块中光谱视频图像采集器采集的光谱视频图像，识别得到化工园区内气体泄漏的检测结果。

针对背景技术中提到的当前的化工园区数据采集器的布置，大都是没有固定规律可循，每个园区的布置策略都不同，无法实现统一的高效管理，这会导致对于数据采集器特殊时期的监测,特别是工作人员在工作交接/交替/替换过程中,数据采集器的管控维护存在效率降低的情况。本发明正是针对该问题，提出通过绘制多条对称抛物线的形式，抛物线的绘制也是采用常见的抛物线二次方程公式，在抛物线上结合与矩形化工园区的交点位置来布置光谱视频图像采集器。并且，抛物线绘制的数量可以结合化工园区的大小范围进行设置，坐标原点所处周围位置可以是园区重点监测区域，该区域采集器数量多的情况下，同时有助于实现预警的及时性和有效性。该方法使得覆盖化工园区的数据采集范围更加广泛，使得后期采集器的维护更加方便，更具实用性和合理性，并且为化工园区内采集器的布置提供了高性价比的参考价值。