Fire detection system prototype based on image analysis for Industry 4.0

This thesis presents a fire detection system for industrial environments based on real-time image analysis, offering an alternative for Industry 4.0 applications where conventional fire detection systems cannot be used. The proposed approach provides a cost-effective solution with huge benefits to manufacturing plants and similar facilities with fire vulnerabilities. Moreover, the prototype results can be further processed and analysed for maintenance scheduling and quality verification. A fire model is designed, and the main system’s objective is to find the matching elements in the image. Such objective is divided into small and more manageable goals. The strategy of fire detection is based on three processes: first, a decision is made on what algorithmic detection procedure to take depending on the scene light conditions; second, flames, sparks and smoke detection methods work together in an integrated and parallel scheme, giving a cooperative and mutually complementary response; and third, more flexibility is granted to the detection system by dividing the scene into variable sensibility zones, which specify differentiated parameters based on empirical knowledge. The designed detection system is based on a real case provided by a wood manufacturer that had critical fire-related events. The implemented algorithms have been tested in the company facilities, providing interesting results: a frame processing rate of 15 fps is achieved; all fires processed by the system are successfully detected, with an average detection of 2 seconds after the outbreak; and an estimated accuracy of 99.99% and a precision of 97.19% are reached. An important contribution in video-based fire detection strategies is the small sparks recognition, since it is often neglected from the proposals exposed in literature. Future works could contribute to estimate the physical position of the fire events, and the real size of flames, sparks, and smoke. The development of an automatic fire fighting system should also be considered.

Questa tesi presenta un sistema di rilevamento di incendi per ambienti industriali basato sull’analisi di immagini in tempo reale, offrendo un’alternativa per applicazioni in Industria 4.0 dove i sistemi convenzionali di rilevamento del fuoco non possono essere utilizzati. L’approccio proposto fornisce una soluzione conveniente con grandi vantaggi per gli impianti di produzione ad alto rischio di incendi. Inoltre, i risultati ottenuti possono essere ulteriormente processati e analizzati per le verifiche di qualità e la pianificazione della manutenzione. L’obiettivo principale del sistema è trovare gli oggetti che soddisfano un modello di fuoco fatto apposta, che a sua volta è basato in modelli più piccoli. Il sistema di rilevamento degli eventi scatenanti un incendio è suddiviso in tre componenti chiave: il primo è la rilevazione delle condizioni di illuminazione che consenta di selezionare quali algoritmi utilizzare; il secondo è l’integrazione dei metodi di rilevamento di fiamme, scintille e fumo in uno schema parallelo, dando una risposta collaborativa e complementare; il terzo si riferisce all'introduzione di zone di sensibilità connesse a parametri empirici da utilizzare nei diversi algoritmi, garantendo più stabilità e flessibilità al sistema. Il sistema di rilevamento è stato disegnato considerando le necessità di un’azienda manifatturiera per la produzione del legno. L’algoritmo è stato testato presso gli impianti dell’azienda fornendo dei risultati interessanti: una velocità di elaborazione di 15 fps; tutti gli incendi processati dal sistema sono stati correttamente rilevati, in media dopo 2 secondi dallo scoppio; si è raggiunta un’accuratezza del 99.99% e una precisione del 97.19% sugli eventi riportati. Un contributo importante per la strategia di rilevamento degli incendi basata su video è dato dal riconoscimento delle scintille piccole, elemento spesso ignorato dalla letteratura. Sviluppi futuri potrebbero contribuire alla stima della posizione fisica degli incendi e della loro dimensione, siano essi fiamme, scintille o fumo. Lo sviluppo di un sistema automatico per l’estinzione degli incendi potrebbe essere considerato.