一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法技术

本发明专利技术涉及一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法，包括消防头盔、远距离可燃气体探测器、热成像摄像模块、头戴式近眼显示模块、定位仪、数据通讯传输模块、嵌入式核心板、耳机、基站、消防指挥中心。本发明专利技术将消防员定位技术与建筑信息模型、实景热像信息相结合，并通过头戴式近眼显示模块进行信息投射与展示，可为消防员展示其在建筑内的实时所在位置，对环境燃爆危险性及其风险进行实时预测。针对消防员进入未知环境场所时，可对潜在的火灾爆炸事故风险进行快速有效预测，并通过先进的视频与热成像技术、室内定位与通讯传输技术，可实现消防员对火灾事故现场的快速感知以及信息通讯，从而提高了消防员灭火救援科学水平与能力。

【技术实现步骤摘要】
一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法
本专利技术涉及一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法，用于消防员火场侦察、火灾救援现场爆炸事故风险预测与预警，可为消防员灭火救援现场安全处置决策提供支持，也可为现场指挥中心深入了解火场状况，进行科学决策指挥提供支持。
技术介绍
消防员在进入建筑空间开展灭火救援过程中，往往由于对火场信息掌握不清，对其中可能发生的次生火灾爆炸事故风险认识不足，使得消防员在灭火救援过程中承受巨大的风险。在建筑或受限空间灭火救援案例中，也发生了多起由于消防员贸然进入未知空间发生的次生爆燃导致消防员伤亡的事故。目前在智能消防头盔方面，现有技术与产品往往集成了热成像、气体探测报警、通讯对讲等设备，但其气体探测多采用吸气式气体探测器，主要是对消防员所在位置的气体浓度的探测分析，还无法实现对消防员远距离位置的环境进行探测，无法使消防员迅速掌握火场环境及建筑设施布局与相关信息，无法对环境火灾爆炸风险进行预测与预警，无法实现对事故现场火灾信息的综合智能分析与判断，并对消防员进行可视化的火场信息与事故风险预警显示，以及消防员救援路径导航引导等功能。
技术实现思路
鉴于现有技术的状况，本专利技术提供了一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法及使用方法，本专利技术将消防员定位技术与建筑信息模型（BIM）、实景热像信息相结合，并通过头戴式近眼显示模块进行信息投射与展示，可为消防员展示其在建筑内的实时所在位置，对环境燃爆危险性及其风险进行实时预测。本专利技术针对消防员进入未知环境场所时，可对潜在的火灾爆炸事故风险进行快速有效预测，并通过先进的视频与热成像技术、室内定位与通讯传输技术，可实现消防员对火灾事故现场的快速感知以及信息通讯，从而提高了消防员灭火救援科学水平与能力，本专利技术是一种具备智能感知与事故风险预测预警功能的智能消防头盔。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔，包括消防头盔、远距离可燃气体探测器、热成像摄像模块、头戴式近眼显示模块、定位仪、数据通讯传输模块、嵌入式核心板、耳机、基站、消防指挥中心；所述消防头盔包括头盔帽壳、帽箍、帽托、缓冲层、面罩和披肩；头盔帽壳的下端为帽托，帽托的下端为披肩，头盔帽壳的前端为面罩，在头盔帽壳内分别设有帽箍和缓冲层，其特征在于：所述头盔帽壳内面设有一层硅胶蜂窝状减震层，缓冲层设置在硅胶蜂窝状减震层的下面，两个所述耳机对称的设置在头盔帽壳内的两侧壁上，所述头戴式近眼显示模块设置在面罩内面的一侧，所述远距离可燃气体探测器、热成像摄像模块、定位仪、数据通讯传输模块和嵌入式核心板分别设置在头盔帽壳内顶面，热成像摄像模块的镜头和远距离可燃气体探测器的传感器分别伸出头盔帽壳外设置在头盔帽壳的正前方；所述嵌入式核心板由CPU、MIPI接口、USB接口Ⅰ、USB接口Ⅱ、SDIO接口、串行通信接口和SD卡组成，CPU分别与MIPI接口、USB接口Ⅰ、USB接口Ⅱ、SDIO接口和串行通信接口连接，SD卡插入SDIO接口中；所述数据通讯传输模块由无线处理器CPU、射频模块、内置天线组成，射频模块分别与无线处理器CPU和内置天线连接；所述热成像摄像模块由摄像芯片、视频模块、热成像传感器组成，摄像芯片分别与视频模块和热成像传感器连接；所述远距离可燃气体探测器由激光/红外气体探测模块和接口芯片Ⅰ连接组成；所述头戴式近眼显示模块由LCOS模块、显示芯片、棱镜组成，显示芯片分别与LCOS模块和棱镜连接；所述定位仪由陀螺仪、无线模块、接口芯片Ⅱ组成，陀螺仪和无线模块分别与接口芯片Ⅱ连接；电路连接为，嵌入式核心板的MIPI接口与头戴式近眼显示模块的显示芯片连接，USB接口Ⅰ与数据通讯传输模块的无线处理器CPU连接，USB接口Ⅱ和串行通信接口分别与热成像摄像模块的摄像芯片连接，串行通信接口分别与定位仪的接口芯片Ⅱ、远距离可燃气体探测器的接口芯片Ⅰ连接，数据通讯传输模块通过内置天线发送或接收基站的信号，基站与消防指挥中心连接；远距离可燃气体探测器通过激光/红外气体探测模块可探测距离消防员不少于30m范围内的可燃有害气体浓度；热成像摄像模块通过视频模块、热成像传感器探测救援环境及其物品温度分布情况；头戴式近眼显示模块通过棱镜将实时图像、热像、BIM信息、人员位置信息及燃爆风险预警信息投射到人眼视网膜；定位仪确定并传输消防员所处位置信息；数据通讯传输模块通过基站与消防指挥中心实现通信；嵌入式核心板实现对可燃气体浓度数据、热成像温度数据及人员位置信息、燃爆事故风险预测及预警信息的综合处理与传输。一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法，其特征在于：将消防头盔戴在消防战士的头上，帽托固定人脸，盔帽壳内的帽箍根据人的头部大小可调整松紧度，硅胶蜂窝状减震层用以防护头盔佩戴人员头部，降低外力对头盔撞击所产生的对佩戴人员头部的冲击力，缓冲层进一步增加佩戴头盔的舒适性及安全性，头盔帽壳内两侧的耳机置于消防员的两耳上，与耳机连接的耳麦置于消防战士嘴的前方，面罩佩戴在消防战士脸的前方提供安全防护，面罩内面的头戴式近眼显示模块设置在消防战士眼睛前上方，将披肩搭扣在肩上，披肩保护消防战士的脖子；在消防战士进入救援建筑前，消防指挥中心将建筑BIM信息模型数据通过网络传输给消防头盔嵌入式核心板，嵌入式核心板将BIM数据通过SDIO接口存在SD卡中，以减少消防战士进入建筑后通过网络传输的数据量，提高现场信息实时交换响应速度；定位仪通过串口通信接口定时发送定位信息数据到嵌入式核心板，嵌入式核心板接收数据后把定位信息通过数据通讯传输模块的内置天线经基站发送到消防指挥中心，基站根据定位数据与建筑物的BIM即建筑信息模型，结合消防战士的位置、方向信息及前端的有害气体探测数据和热成像数据，以三维地图的方式显示各个区域的危险程度，并通过嵌入式核心板、头戴式近眼显示模块显示，同时，基站将信息发送给消防指挥中心，消防指挥中心控制终端计算机调用建筑BIM信息，生成包括建筑模型信息、事故现场燃爆危险性分布和消防员位置信息内容的三维地图，在指挥中心显示屏幕上显示；在需要导航的时候，消防战士可以与消防指挥中心进行语音沟通，消防指挥中心可以协助消防人员设定救援目的地、并选择优化救援规划路径，同时消防指挥中心把导航路径信息通过基站和数据通讯传输模块发送到嵌入式核心板，嵌入式核心板调用SD卡存储的BIM信息，生成三维地图，并标注导航路径，通过MIPI接口发送到头戴式近眼显示模块显示；远距离可燃气体探测器实时探测救援事故现场的气体或可燃蒸汽浓度，能够远距离探测的气体类别包括甲烷、丙烷、乙烯、乙醇或CO易燃易爆危险气体；远距离可燃气体探测器将实时探测的危险气体浓度数据通过串口通信接口发送給嵌入式核心板，嵌入式核心板CPU将接收到的气体的浓度数据与环境热像数据进行整合分析，采用预先设置的燃爆风险计算模型和方法进行快速预测评估，计算分析相应区域的燃爆风险等级，为消防员提供拟进入区域发生的燃爆事故的风险水平以及危险预警提示，并通过色块标注的方式由头戴式近眼显示模块进行投射显示，消防战士能够看到显示的区域温度、易燃易爆气体组份与浓度分布、燃爆事故风险等级以及预警提示内容；采用预先设置的燃爆风险计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔，包括消防头盔（1）、远距离可燃气体探测器（2）、热成像摄像模块（3）、头戴式近眼显示模块（4）、定位仪（5）、数据通讯传输模块（6）、嵌入式核心板（7）、耳机（8）、基站（9）、消防指挥中心（10）；所述消防头盔（1）包括头盔帽壳（1‑1）、帽箍（1‑2）、帽托（1‑3）、缓冲层（1‑4）、面罩（1‑5）和披肩（1‑6）；头盔帽壳（1‑1）的下端为帽托（1‑3），帽托（1‑3）的下端为披肩（1‑6），头盔帽壳（1‑1）的前端为面罩（1‑5），在头盔帽壳（1‑1）内分别设有帽箍（1‑2）和缓冲层（1‑4），其特征在于：所述头盔帽壳（1‑1）内面设有一层硅胶蜂窝状减震层（1‑7），缓冲层（1‑4）设置在硅胶蜂窝状减震层（1‑7）的下面，两个所述耳机（8）对称的设置在头盔帽壳（1‑1）内的两侧壁上，所述头戴式近眼显示模块（4）设置在面罩（1‑5）内面的一侧，所述远距离可燃气体探测器（2）、热成像摄像模块（3）、定位仪（5）、数据通讯传输模块（6）和嵌入式核心板（7）分别设置在头盔帽壳（1‑1）内顶面，热成像摄像模块（3）的镜头和远距离可燃气体探测器（2）的传感器分别伸出头盔帽壳（1‑1）外设置在头盔帽壳（1‑1）的正前方；所述嵌入式核心板（7）由CPU、MIPI接口、USB接口Ⅰ、USB接口Ⅱ、SDIO接口、串行通信接口和SD卡组成，CPU分别与MIPI接口、USB接口Ⅰ、USB接口Ⅱ、SDIO接口和串行通信接口连接， SD卡插入SDIO接口中；所述数据通讯传输模块（6）由无线处理器CPU、射频模块、内置天线组成，射频模块分别与无线处理器CPU和内置天线连接；所述热成像摄像模块（3）由摄像芯片、视频模块、热成像传感器组成，摄像芯片分别与视频模块和热成像传感器连接；所述远距离可燃气体探测器（2）由激光/红外气体探测模块和接口芯片Ⅰ连接组成；所述头戴式近眼显示模块（4）由LCOS模块、显示芯片、棱镜组成，显示芯片分别与LCOS模块和棱镜连接；所述定位仪（5）由陀螺仪、无线模块、接口芯片Ⅱ组成，陀螺仪和无线模块分别与接口芯片Ⅱ连接；电路连接为，嵌入式核心板（7）的MIPI接口与头戴式近眼显示模块（4）的显示芯片连接，USB接口Ⅰ与数据通讯传输模块（6）的无线处理器CPU连接，USB接口Ⅱ和串行通信接口分别与热成像摄像模块（3）的摄像芯片连接，串行通信接口分别与定位仪（5）的接口芯片Ⅱ、远距离可燃气体探测器（2）的接口芯片Ⅰ连接，数据通讯传输模块（6）通过内置天线发送或接收基站（9）的信号，基站（9）与消防指挥中心（10）连接；远距离可燃气体探测器（2）通过激光/红外气体探测模块（3）可探测距离消防员不少于30m范围内的可燃有害气体浓度；热成像摄像模块（3）通过视频模块、热成像传感器探测救援环境及其物品温度分布情况；头戴式近眼显示模块（4）通过棱镜将实时图像、热像、BIM信息、人员位置信息及燃爆风险预警信息投射到人眼视网膜；定位仪（5）确定并传输消防员所处位置信息；数据通讯传输模块（6）通过基站（9）与消防指挥中心（10）实现通信；嵌入式核心板（7）实现对可燃气体浓度数据、热成像温度数据及人员位置信息、燃爆事故风险预测及预警信息的综合处理与传输。...

【技术特征摘要】
1.一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔，包括消防头盔（1）、远距离可燃气体探测器（2）、热成像摄像模块（3）、头戴式近眼显示模块（4）、定位仪（5）、数据通讯传输模块（6）、嵌入式核心板（7）、耳机（8）、基站（9）、消防指挥中心（10）；所述消防头盔（1）包括头盔帽壳（1-1）、帽箍（1-2）、帽托（1-3）、缓冲层（1-4）、面罩（1-5）和披肩（1-6）；头盔帽壳（1-1）的下端为帽托（1-3），帽托（1-3）的下端为披肩（1-6），头盔帽壳（1-1）的前端为面罩（1-5），在头盔帽壳（1-1）内分别设有帽箍（1-2）和缓冲层（1-4），其特征在于：所述头盔帽壳（1-1）内面设有一层硅胶蜂窝状减震层（1-7），缓冲层（1-4）设置在硅胶蜂窝状减震层（1-7）的下面，两个所述耳机（8）对称的设置在头盔帽壳（1-1）内的两侧壁上，所述头戴式近眼显示模块（4）设置在面罩（1-5）内面的一侧，所述远距离可燃气体探测器（2）、热成像摄像模块（3）、定位仪（5）、数据通讯传输模块（6）和嵌入式核心板（7）分别设置在头盔帽壳（1-1）内顶面，热成像摄像模块（3）的镜头和远距离可燃气体探测器（2）的传感器分别伸出头盔帽壳（1-1）外设置在头盔帽壳（1-1）的正前方；所述嵌入式核心板（7）由CPU、MIPI接口、USB接口Ⅰ、USB接口Ⅱ、SDIO接口、串行通信接口和SD卡组成，CPU分别与MIPI接口、USB接口Ⅰ、USB接口Ⅱ、SDIO接口和串行通信接口连接，SD卡插入SDIO接口中；所述数据通讯传输模块（6）由无线处理器CPU、射频模块、内置天线组成，射频模块分别与无线处理器CPU和内置天线连接；所述热成像摄像模块（3）由摄像芯片、视频模块、热成像传感器组成，摄像芯片分别与视频模块和热成像传感器连接；所述远距离可燃气体探测器（2）由激光/红外气体探测模块和接口芯片Ⅰ连接组成；所述头戴式近眼显示模块（4）由LCOS模块、显示芯片、棱镜组成，显示芯片分别与LCOS模块和棱镜连接；所述定位仪（5）由陀螺仪、无线模块、接口芯片Ⅱ组成，陀螺仪和无线模块分别与接口芯片Ⅱ连接；电路连接为，嵌入式核心板（7）的MIPI接口与头戴式近眼显示模块（4）的显示芯片连接，USB接口Ⅰ与数据通讯传输模块（6）的无线处理器CPU连接，USB接口Ⅱ和串行通信接口分别与热成像摄像模块（3）的摄像芯片连接，串行通信接口分别与定位仪（5）的接口芯片Ⅱ、远距离可燃气体探测器（2）的接口芯片Ⅰ连接，数据通讯传输模块（6）通过内置天线发送或接收基站（9）的信号，基站（9）与消防指挥中心（10）连接；远距离可燃气体探测器（2）通过激光/红外气体探测模块（3）可探测距离消防员不少于30m范围内的可燃有害气体浓度；热成像摄像模块（3）通过视频模块、热成像传感器探测救援环境及其物品温度分布情况；头戴式近眼显示模块（4）通过棱镜将实时图像、热像、BIM信息、人员位置信息及燃爆风险预警信息投射到人眼视网膜；定位仪（5）确定并传输消防员所处位置信息；数据通讯传输模块（6）通过基站（9）与消防指挥中心（10）实现通信；嵌入式核心板（7）实现对可燃气体浓度数据、热成像温度数据及人员位置信息、燃爆事故风险预测及预警信息的综合处理与传输。2.一种采用权利要求1所述的燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法，其特征在于：将消防头盔（1）戴在消防战士的头上，帽托（1-3）固定人脸，盔帽壳（1-1）内的帽箍（1-2）根据人的头部大小可调整松紧度，硅胶蜂窝状减震层（1-7）用以防护头盔佩戴人员头部，降低外力对头盔撞击所产生的对佩戴人员头部的冲击力，缓冲层（1-4）进一步增加佩戴头盔的舒适性及安全性，头盔帽壳（1-1）内两侧的耳机（8）置于消防员的两耳上，与耳机（8）连接的耳麦（8-1）置于消防战士嘴的前方，面罩（1-5）佩戴在消防战士脸的前方提供安全防护，面罩（1-5）内面的头戴式近眼显示模块（4）设置在消防战士眼睛前上方，将披肩（1-6）搭扣在肩上，披肩（1-6）保护消防战士的脖子；在消防战士进入救援建筑前，消防指挥中心（10）将建筑BIM信息模型数据通过网络传输给消防头盔（1）嵌入式核心板（7），嵌入式核心板（7）将BIM数据通过SDIO接口存在SD卡中，以减少消防战士进入建筑后通过网络传输的数据量，提高现场信息实时交换响应速度；定位仪（5）通过串口通信接口定时发送定位信息数据到嵌入式核心板（7），嵌入式核心板（7）接收数据后把定位信息通过数据通讯传输模块（6）的内置天线经基站（9）发送到消防指挥中心（10），基站（9）根据定位数据与建筑物的BIM即建筑信息模型，结合消防战士的位置、方向信息及前端的有害气体探测数据和热成像数据，以三维地图的方式显示各个区域的危险程度，并通过嵌入式核心板（7）、头戴式近眼显示模块（4）显示，同时，基站（9）将信息发送给消防指挥中心（10），消防指挥中心（10）控制终端计算机调用建筑BIM信息，生成包括建筑模型信息、事故现场燃爆危险性分布和消防员位置信息内容的三维地图，在指挥中心显示屏幕上显示；在需要导航的时候，消防战士可以与消防指挥中心（10）进行语音沟通，消防指挥中心（10）可以协助消防人员设定救援目的地、并选择优化救援规划路径，同时消防指挥中心（10）把导航路径信息通过基站（9）和数据通讯传输模块（6）发送到嵌入式核心板（7），嵌入式核心板（7）调用SD卡存储的BIM信息，生成三维地图，并标注导航路径，通过MIPI接口发送到头戴式近眼显示模块（4）显示；远距离可燃气体探测器（2）实时探测救援事故现场的气体或可燃蒸汽浓度，能够远距离探测的气体类别包括甲烷、丙烷、乙烯、乙醇或CO易燃易爆危险气体；远距离可燃气体探测器（2）将实时探测的危险气体浓度数据通过串口通信接口发送給嵌入式核心板（7），嵌入式核心板（7）CPU将接收到的气体的浓度数据与环境热像数据进行整合分析，采用预先设置的燃爆风险计算模型和方法进行快速预测评估，计算分析相应区域的燃爆风险等级，为消防员提供拟进入区域发生的燃爆事故的风险水平以及危险预警提示，并通过色块标注的方式由头戴式近眼显示模块（4）进行投射显示，消防战士能够看到显示的区域温度、易燃易爆气体组份与浓度分布、燃爆事故风险等级以及预警提示内容；采用预先设置的燃爆风险计算模型和方法，对所采集的危险气体浓度和环境温度数据进行分析，计算探测区域的风险值，当风险值R<1时，为安全区域，以绿色标识；当风险值2＞R≥1时，提示为Ⅳ燃爆风险预警，区域以蓝色标识；当风险值3＞R≥2时，提示为Ⅲ燃爆风险预警，区域以黄色标识；当风险值4＞R≥3时，提示为Ⅱ风险预警，区域以橙色标识；当风险值R≥4时，提示为Ⅰ级风险预警，区域以深红色标识；基站（9）根据现场采集的危险气体浓度和环境热像、温度信息数据，计算得到现场不同区域的实时风险结果，并将分析计算后划分出的危险区域和安全区域发回嵌入式核心板（7），并通过头戴式近眼显示模块（4）显示，消防战士能够看到不同区域风险显示的内容，同时，嵌入式核心板（7）把图像、温度以及危险气体浓度数据通过数据通讯传输模块（6）的内置天线经基站（9）发送到消防指挥中心（10），消防指挥中心（10）根据现场探测数据与风险分析结果可做出相关救援处置决策，并将指挥决策指令实时返回嵌入式核心板（7），并通过头戴式近眼显示模块（4）进行投射显示；热成像摄像模块（3）将叠加温度数据的现场图像与温度数据发送到嵌入式核心板（7），USB接口传输有摄像芯片合成的视频与温度数据叠加的视频数据，视频数据使用H.264标准压缩，串行通信接口传输热成像传感器获取的温度点阵数据，嵌入式核心板（7）的CPU收到视频数据后解码显示到头戴式近眼显示模块（4），消防战士从中能够了解环境温度分布情况，嵌入式核心板（7）收集的可燃气体探测数据、热成像数据及消防战士位置信息，通过数据通讯传输模块（6）经基站（9）无线传输给指挥中心；基站（9）可以集中显示各个消防员采集到的数据，通过深度学习算法分析前端采集到的数据，供消防指挥中心（10）和前端消防战士决策使用。3.根据权利要求2所述的一种燃爆事故感知与风险预测预警智能消防头盔实现方法，其特征在于：燃爆风险等级确定方法如下：事故现场燃爆风险主要从事故发生的可能性、人员暴露于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晅亚，陈彦菲，宋晓峰，黄建建，张英豪，陈晔，李晶晶，朱红亚，于年灏，
申请(专利权)人：公安部天津消防研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12