基于艦艇火災(zāi)紅外超早期探測系統(tǒng)的熱故障判定

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(中國船舶重工集團公司 第七二六研究所，上海 201108)

由于艦船結(jié)構(gòu)特殊，艙室分布集中，人員密集，容納空間有限；艙室中長時間運行高電壓、大電流的機電裝備；裝備電纜、電線遍布全船，成為火災(zāi)高發(fā)地。艦船火災(zāi)發(fā)展初期階段是艦艇火災(zāi)防治的關(guān)鍵時期，其火災(zāi)探測性能對后續(xù)火災(zāi)撲救具有重大影響。為了提高對艦艇火災(zāi)的預(yù)防和控制能力，必須抓住艦艇火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)艦船火災(zāi)超早期的探測，提高對艦船火災(zāi)的控制[1]。通過研究實現(xiàn)了紅外熱成像系統(tǒng)的熱故障判定功能，該功能可以實現(xiàn)對設(shè)備的工作溫度實時監(jiān)測。

1 研究目的

紅外熱成像系統(tǒng)作為一個智能化、自動化的檢測技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地探測到被測目標(biāo)的溫度變化情況，并將其轉(zhuǎn)化為溫度值圖像。設(shè)計的紅外熱成像系統(tǒng)能實現(xiàn)準(zhǔn)確快速地對被測目標(biāo)進(jìn)行溫度測量，并能夠進(jìn)行預(yù)警報警功能。

利用紅外熱像技術(shù)的熱故障判定功能，實現(xiàn)對設(shè)備的工作溫度進(jìn)行實時監(jiān)測[2-5]。

2 紅外熱成像系統(tǒng)熱故障判定

文中的熱故障判定算法是基于研發(fā)的紅外熱成像系統(tǒng)。該紅外熱成像系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測量被監(jiān)測目標(biāo)的溫度并輸出紅外熱圖像，通過紅外熱圖像和測溫功能，基本上可以快速地診斷出即將發(fā)生的或者已經(jīng)發(fā)生的故障位置所在，系統(tǒng)具有溫度報警功能，便于值班人員及早發(fā)現(xiàn)故障和隱患，并及時采取措施來消除故障或隱患。

由于被監(jiān)測的范圍內(nèi)會有多個被監(jiān)測目標(biāo)，所以需要將被監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)異常的設(shè)備都實現(xiàn)故障報警，并能確定故障報警設(shè)備的位置。紅外熱成像系統(tǒng)能夠測量出被監(jiān)測范圍內(nèi)任一點的溫度值、被監(jiān)測范圍內(nèi)的最高溫度值Tmax、最低溫度值Tmin、平均溫度值，由于需要關(guān)注高溫物體，所以需要的是測量點的溫度值Tmean、被監(jiān)測范圍內(nèi)的最高溫度值Tmax。

紅外熱成像系統(tǒng)采用的紅外探測器為384×288像素焦平面陣列，當(dāng)有高溫物體進(jìn)來，按照圖1的算法，系統(tǒng)可以測量出被監(jiān)測范圍內(nèi)的最高溫度值，并將最高溫度值分布的位置的直方圖分布、方差分布求解出來。當(dāng)有高溫物體出現(xiàn)時，會發(fā)現(xiàn)最高溫度值所在的位置的方差值急劇變小并且相對穩(wěn)定，見圖2、3，表明紅外熱成像系統(tǒng)測量出來的最高溫度值確實是由于某個設(shè)備出現(xiàn)異常導(dǎo)致的高溫存在，而不是外界干擾或者信號出現(xiàn)干擾而造成的虛假高溫值。

圖1 確定高溫物體隨處位置的算法

圖2 最高溫度值的直方圖分布

圖3 最高溫度值的方差分布

最高溫度值所處位置的方差分布可以作為高溫物體存在的判定依據(jù)，但是由于被監(jiān)測范圍較大，被監(jiān)測的設(shè)備數(shù)目的不確定性，不同的設(shè)備的故障表現(xiàn)形式不一樣，不同設(shè)備的工作溫度和要求的溫升都不相同，在算法上實現(xiàn)較為繁雜。故將圖像分割成更小的區(qū)域，然后對每個小區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，由于區(qū)域小，被監(jiān)測的目標(biāo)單一或者只監(jiān)測設(shè)備的某一個部位，則外界的干擾少，算法的實現(xiàn)簡單，具體的實現(xiàn)算法見圖4[6-9]。

圖4 溫度報警的算法實現(xiàn)

將整個焦平面陣列分割為6個區(qū)域，見圖5。對每個區(qū)域測量最高溫度值Tmax(i)(i=1,2,3,4,5,6)。由于圖像的分割，所以可以在每一個分割的區(qū)域都能確定是否存在高溫物體，并能快速獲取到該區(qū)域的最高溫度值。該最高溫度值即該區(qū)域被監(jiān)測目標(biāo)溫度最高的目標(biāo)的溫度值，這樣就可以為大致定位到該區(qū)域高溫物體所處的位置。通過對被監(jiān)測目標(biāo)的溫升速率和溫度是否接近設(shè)備能承受的最高溫度值，判定被監(jiān)測目標(biāo)是否出現(xiàn)異常。

圖5 圖像分割

3 熱故障判定功能應(yīng)用

通過分析建立艦艇典型熱故障發(fā)生、發(fā)展的特征模型，提出4種比較典型的艦艇火災(zāi)場景。

3.1 被監(jiān)測目標(biāo)溫升過快引起報警功能的測試

艦船上的電池艙，若電池出現(xiàn)短路或者接口松動，溫度會極速上升，導(dǎo)致電池爆裂，從而產(chǎn)生火災(zāi)事故；輪機艙和動力機艙，若輪機或者電機由于異常故障、轉(zhuǎn)速過快等導(dǎo)致溫度急劇上升，很容易導(dǎo)致較大故障或者火災(zāi)發(fā)生。針對由于故障或者異常導(dǎo)致的設(shè)備溫度出現(xiàn)極速上升的現(xiàn)象，需要進(jìn)行密切監(jiān)測并及時采取處理措施。紅外熱成像系統(tǒng)實現(xiàn)了被監(jiān)測目標(biāo)溫升的監(jiān)測，如果溫升速率達(dá)到T1(單位℃/s),則系統(tǒng)會報警，T1可以通過溫控紅外黑體上位機界面進(jìn)行設(shè)置。

基于此，他認(rèn)為很多關(guān)鍵零部件技術(shù)和平臺技術(shù)必將迎來巨大發(fā)展，包括：新能源汽車“三電”技術(shù)、能源管理技術(shù)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車“零部件”技術(shù)、L3和L4自動駕駛芯片技術(shù)、5G與V2X物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能汽車計算平臺技術(shù)、汽車專有云技術(shù)、AI人工智能技術(shù)、汽車安全技術(shù)、汽車系統(tǒng)集成技術(shù)以及新概念汽車等。

3.2 被監(jiān)測目標(biāo)溫度超過正常工作溫度引起的報警功能的測試

動力和照明線路采用的橡膠絕緣電纜在使用過程中，由于橡膠的氧化分解作用，使硫化橡膠的電物理和機械性能發(fā)生變化：變硬、變脆，在橡皮上形成裂紋，空氣和水分填充在裂紋中使電纜老化加劇，最終導(dǎo)致絕緣擊穿和短路。由于接地故障、短路故障、閃絡(luò)性故障(絕緣擊穿)、電纜老化導(dǎo)致的電纜故障，導(dǎo)致溫度異常。由于艙內(nèi)空間的狹小，很難發(fā)現(xiàn)電纜隱患和故障點，利用紅外熱像儀進(jìn)行溫度監(jiān)測并利用故障報警功能，可以及時發(fā)現(xiàn)隱患和故障，對于預(yù)防火災(zāi)是一個非常重要的手段。該紅外熱成像系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粶y目標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測并實現(xiàn)溫度的實時測量，如果溫度達(dá)到某一設(shè)定值T2，則會發(fā)出預(yù)警信息，如若溫度達(dá)到某一溫度值T3則會報警，T2和T3可以通過界面進(jìn)行設(shè)置且T3>T2。

3.3 多個被測目標(biāo)同時報警的測試

由于艦船艙室空間狹小，需要被監(jiān)測的設(shè)備較多。該熱像儀對5 m范圍以內(nèi)的設(shè)備都能進(jìn)行監(jiān)測，可以對需要監(jiān)測的設(shè)備如電器柜、電纜、電機等同時進(jìn)行監(jiān)測。如果同一時間多處電纜、多個設(shè)備出現(xiàn)故障，該熱像儀能夠同時實現(xiàn)報警，管理人員根據(jù)紅外熱圖像和報警信息即可確定報警位置。

3.4 手動關(guān)閉報警的測試

艙室內(nèi)設(shè)備較多，不同設(shè)備的正常工作溫度和有效溫升不一樣，會導(dǎo)致某些設(shè)備工作正常但是出現(xiàn)故障報警，或者需要屏蔽某個設(shè)備或區(qū)域的監(jiān)測報警，可以通過手動關(guān)閉該區(qū)域的監(jiān)測報警。該紅外熱成像系統(tǒng)提供了手動關(guān)閉某區(qū)域的報警的功能。

4 研究結(jié)果

針對建立的典型火災(zāi)模型場景，提出有效可靠的熱故障判定算法，進(jìn)行相應(yīng)的模塊軟件設(shè)計，并實驗驗證在不同系統(tǒng)參數(shù)配置條件下熱故障判定圖像算法的效果，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)配置，提高紅外熱成像熱故障判定的適用性和有效性。

4.1 被檢測目標(biāo)溫升速率過快引起紅外熱像系統(tǒng)發(fā)出故障報警

被檢測目標(biāo)設(shè)備為溫控紅外黑體發(fā)射頭，紅外黑體與紅外熱成像系統(tǒng)的探測器距離為5 m，紅外黑體的溫度設(shè)置為從45 ℃上升至70 ℃，并將該系統(tǒng)的溫升速率T1設(shè)置為10 ℃/s,實驗結(jié)果見圖6，在1 s內(nèi)成功實現(xiàn)了預(yù)警和報警功能。圖6界面中的黃色燈表示預(yù)警(warning)，紅色燈表示報警(alarming)，綠色燈表示正常運行。每個狀態(tài)燈下面的開關(guān)，表示可以將本區(qū)域的熱故障判定功能屏蔽掉。

圖6 溫升速率過快導(dǎo)致的報警

4.2 被監(jiān)測目標(biāo)溫度超過正常工作溫度引起的報警功能的測試

實驗主要監(jiān)測溫控紅外黑體發(fā)射頭，紅外黑體與紅外熱成像系統(tǒng)的探測器距離為5 m。

1)將紅外黑體的溫度設(shè)置為從40 ℃上升至65 ℃，并將該系統(tǒng)的T2和T3分別設(shè)置為60 ℃和70 ℃。實驗結(jié)果見圖7，被監(jiān)測目標(biāo)溫度達(dá)到T2值時，系統(tǒng)能在1 s內(nèi)成功實現(xiàn)預(yù)警。

圖7 被監(jiān)測目標(biāo)溫度達(dá)到預(yù)警值實現(xiàn)預(yù)警

圖8 被監(jiān)測目標(biāo)溫度達(dá)到報警值實現(xiàn)報警

2)將紅外黑體的溫度設(shè)置為100 ℃，并將該系統(tǒng)的T2和T3分別設(shè)置為70 ℃和90 ℃。實驗結(jié)果見圖8，被監(jiān)測目標(biāo)溫度達(dá)到了T2值時，系統(tǒng)能在1 s內(nèi)成功實現(xiàn)報警。

4.3 多個被測目標(biāo)同時報警的測試

實驗用紅外熱成像系統(tǒng)監(jiān)測5 m范圍內(nèi)的所有設(shè)備，將3個高溫物體放于不同的區(qū)域，紅外黑體放于監(jiān)測范圍的中間區(qū)域，處于區(qū)域2和區(qū)域5，其他2個高溫物體分別放于區(qū)域3內(nèi)和區(qū)域4內(nèi)。

圖9 多個被監(jiān)測目標(biāo)同時出現(xiàn)故障并報警

圖10 被屏蔽的區(qū)域出現(xiàn)故障不報警

實驗結(jié)果見圖9，成功探測到3個高溫物體，并且都在1 s內(nèi)實現(xiàn)報警。根據(jù)報警信息和紅外熱圖像，能夠確定報警點的位置。

4.4 手動關(guān)閉報警的測試

實驗是基于實驗3場景下，驗證手動關(guān)閉報警功能，希望屏蔽掉區(qū)域3、4、5的故障監(jiān)測。實驗結(jié)果見圖10，成功屏蔽掉區(qū)域3、4、5的報警監(jiān)測。

5 結(jié)論

文中分析了艦艇環(huán)境下典型設(shè)備熱故障產(chǎn)生、發(fā)展和傳播的特征；分析了熱故障發(fā)展過程中紅外熱像的溫度分布、形態(tài)變化，以及兩者的關(guān)聯(lián)；提取并建立可以準(zhǔn)確快速表征熱故障發(fā)生發(fā)展的特征模式，提出艦艇熱故障的紅外判定算法，對設(shè)備的工作溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)設(shè)備的工作溫度達(dá)到了某一設(shè)定溫度值(預(yù)警值)或者工作溫度上升過快時，紅外熱像系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警；當(dāng)設(shè)備的工作溫度偏離了正常溫度范圍時，紅外熱成像系統(tǒng)會發(fā)出警報。該算法的應(yīng)用有利于值班人員及時采取措施來消除火情隱患和故障。