基于紅外熱傳感測(cè)溫的新型火災(zāi)早期預(yù)警系統(tǒng)研究

黎國(guó)梁 曹忠源 梁一銘 唐磊

[摘? ? 要]大型煤堆場(chǎng)容易因積伏潛熱發(fā)生自燃，導(dǎo)致大面積火災(zāi)。本課題研究運(yùn)用熱紅外傳感非接觸測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)視頻監(jiān)控，構(gòu)架了一套新型的早期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。從建模機(jī)理分析、硬件設(shè)置、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)構(gòu)架等方面，詳細(xì)介紹早期預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。以煤堆場(chǎng)碼頭的消防安全監(jiān)控為應(yīng)用實(shí)例，說(shuō)明系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

[關(guān)鍵詞]紅外熱傳感;溫度測(cè)定;火災(zāi)預(yù)警

[中圖分類號(hào)]TM930 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（21）04–00–03

Research on New Fire Early Warning System Based on Infrared Thermal Sensor

Li Guo-liang，Cao Zhong-yuan，Liang Yi-ming，Tang Lei

[Abstract]large coal yard is prone to spontaneous combustion due to accumulated latent heat， resulting in large area fire. In this paper， a new type of early fire warning system is constructed by using the advantages of thermal infrared non-contact temperature measurement and traditional video monitoring video. The advantages of early warning system are introduced in detail from the aspects of modeling mechanism analysis， hardware setting， software design and system architecture. Taking the fire safety monitoring of coal yard wharf as an example， the practicability and reliability of the system are illustrated.

[Keywords]infrared thermal sensing; temperature measurement; fire warning

暴露放置于空氣中的煤，由于氧化放熱導(dǎo)致溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到著火點(diǎn)（300～350 ℃）即發(fā)生自燃。碼頭的大型煤堆場(chǎng)容易因局部自燃而發(fā)生過(guò)火面積較大的火災(zāi)。傳統(tǒng)的攝像頭視頻監(jiān)控，只能靠值班人員從視覺(jué)上，對(duì)一些外觀表象的冒煙、冒氣等現(xiàn)象進(jìn)行主觀判斷?；馂?zāi)的辨識(shí)與判斷依賴主觀性，同時(shí)值班人員的漏崗、睡崗也是實(shí)時(shí)消防安全監(jiān)管體系下的漏洞，都會(huì)延誤最佳的消防撲救時(shí)間。早期發(fā)現(xiàn)并預(yù)警火災(zāi)，并及時(shí)采取相應(yīng)的處置措施成為值得研究的課題。

本課題以欽州港某碼頭企業(yè)為研究對(duì)象，該企業(yè)為海運(yùn)裝載方便，在碼頭前沿設(shè)置數(shù)個(gè)萬(wàn)噸級(jí)煤堆場(chǎng)。堆場(chǎng)臨時(shí)存放的物質(zhì)為褐煤，燃點(diǎn)低（270℃左右），遇水容易發(fā)生氧化反應(yīng)放熱，尤其在夏季儲(chǔ)存超過(guò)兩個(gè)月甚至一個(gè)星期就易發(fā)生自燃。紅外熱傳感測(cè)溫技術(shù)具有非接觸、遠(yuǎn)距離的優(yōu)點(diǎn)，本文綜合運(yùn)用紅外測(cè)溫和計(jì)算機(jī)視頻辨識(shí)技術(shù)，探索研發(fā)了一套新型的可用于大型煤堆場(chǎng)的早期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

1 紅外測(cè)溫原理

任一高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)以電磁波的形式向外發(fā)射出輻射能，由黑體輻射定律可得到黑體溫度紅外輻射與波長(zhǎng)及溫度的關(guān)系[1]。波長(zhǎng)在0.76～1 000 μm的電磁波屬于紅外譜段。普朗克根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論建立了黑體在不同溫度下的光譜輻射出度Mbλ隨波長(zhǎng)λ的分布規(guī)律，表示為：

（1）

從零到無(wú)窮大波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分普朗克公式就得到黑體積分輻射出度：

（2）

即為斯蒂芬–波爾茨曼定律，式中σ為斯蒂芬–波爾茨曼常數(shù)。

因物體材料性質(zhì)和表面狀況的不同，引入輻射系數(shù)ε[2]，代入以上式（1）和（2），煤堆場(chǎng)的光譜輻射功率和全輻射功率表示為：

和 （3）

以上述理論為基礎(chǔ)，輻射測(cè)溫方法是根據(jù)工作時(shí)使用的光譜參量的不同來(lái)分類的，通常可以分為全輻射測(cè)溫法、亮度測(cè)溫法以及雙波長(zhǎng)（比色）測(cè)溫法。輻射和亮度測(cè)溫的精度受物體發(fā)射率的影響很大，采用雙波長(zhǎng)測(cè)溫法可改進(jìn)這一問(wèn)題[3]。

綜上，紅外測(cè)溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)而達(dá)到測(cè)溫目的。將普朗克公式在探測(cè)器工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分可以得出目標(biāo)輻射率的大小與目標(biāo)溫度間存在著固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用紅外探測(cè)器測(cè)出目標(biāo)的熱輻射功率，就能計(jì)算出目標(biāo)的表面溫度。由此，通過(guò)使用光譜儀器對(duì)煤堆垛表面紅外輻射、色溫的測(cè)定，經(jīng)校準(zhǔn)就能應(yīng)用到對(duì)煤堆垛表面溫度的非接觸式遠(yuǎn)距離測(cè)定。

2 建模分析機(jī)理

大型煤堆場(chǎng)的自燃由內(nèi)至外，內(nèi)層的初期燃燒往往從堆場(chǎng)外觀上無(wú)明顯現(xiàn)象，內(nèi)部熱量的傳遞過(guò)程受化工傳熱機(jī)理控制。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫差的地方就有熱能自發(fā)地從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，導(dǎo)熱現(xiàn)象規(guī)律遵循傅立葉定律。煤堆場(chǎng)內(nèi)部傳熱形式以熱傳導(dǎo)為主，引入等溫面和溫度梯度的概念，將其按穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)傳熱建模。即：

溫度梯度 （4）

據(jù)傅立葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)物體截面的導(dǎo)熱量與溫度變化率和截面成正比，即

（5）

建立的模型將煤堆場(chǎng)視由無(wú)數(shù)的微元體構(gòu)成，三維空間的傳熱微分方程按傅立葉定律，導(dǎo)入x=x+dx，y=y+dy，z=z+dz，微元平面的熱量分別為：

（6）

（7）

（8）

對(duì)于微元體，按能量守恒定律，任一時(shí)間間隔內(nèi)有以下熱平衡關(guān)系：

導(dǎo)入微元體的總熱流量+微元體內(nèi)熱源生成熱量=導(dǎo)出微元體的總熱流量+微元體熱力學(xué)能增量，其他兩項(xiàng)分別為：微元體內(nèi)熱源生成熱量和熱力學(xué)能增量，

綜上推導(dǎo)出熱平衡方程表示為：

（9）

方程即為煤堆場(chǎng)三維空間溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)模型。方程的求解較為復(fù)雜，需要計(jì)算機(jī)編程輔助解決。

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的數(shù)學(xué)工具軟件，專用于數(shù)據(jù)分析、無(wú)線通信、深度學(xué)習(xí)、圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域，運(yùn)用其中的模型預(yù)測(cè)控制工具箱進(jìn)行煤堆場(chǎng)微元體溫度的計(jì)算，并繪制三維溫度場(chǎng)。具體做法如下。

先用一個(gè)無(wú)限細(xì)化的三維矩陣模擬出煤堆場(chǎng)溫度分布情況，采用函數(shù)meshgid（xi，yi，zi，…）產(chǎn)生網(wǎng)格矩陣，取儀器最小可測(cè)溫度分辨值，將空間分布矩陣按相同比例細(xì)化均分，使取值點(diǎn)在空間坐標(biāo)上接近連續(xù)變化，通過(guò)溫度場(chǎng)中通過(guò)任一點(diǎn)截面的曲線也是可求導(dǎo)的，使用三次樣條插值spline函數(shù)得出光滑的分布曲線。紅外測(cè)溫儀采集反饋回來(lái)的表面溫度數(shù)據(jù)分布interp2二維插值，熱力學(xué)方程作為邊界條件并求解預(yù)測(cè)值。計(jì)算出網(wǎng)格矩陣空間各點(diǎn)的擬合值后，采用三維曲面函數(shù)surf繪制出溫度場(chǎng)曲面（圖1）。

經(jīng)MATLAB繪制出溫度場(chǎng)模型，可得出整個(gè)堆垛內(nèi)任一微元體溫度的曲面擬合值，結(jié)合儀器測(cè)定的表面溫度值即可推算出煤堆場(chǎng)內(nèi)層溫度的預(yù)測(cè)值，校準(zhǔn)后與設(shè)定的預(yù)警值對(duì)比，如果超出預(yù)警值則立即發(fā)出早期火災(zāi)報(bào)警提示。通過(guò)儀器實(shí)驗(yàn)測(cè)定積累的數(shù)據(jù)，不斷迭代進(jìn)熱力學(xué)傳熱模型方程計(jì)算，完善模型的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)組成

本研究課題設(shè)計(jì)的基于紅外熱傳感早期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)主要由中前端智能探測(cè)系統(tǒng)、管理平臺(tái)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等組成。前端智能探測(cè)系統(tǒng)由紅外熱成像儀、高清監(jiān)控?cái)z像頭，智能分析模塊構(gòu)成一體機(jī)，紅外熱像儀作為設(shè)備的探測(cè)儀器，不但可以自動(dòng)探測(cè)被監(jiān)控對(duì)象實(shí)時(shí)溫度的情況，還能通過(guò)高清攝像機(jī)的進(jìn)一步配合人工視覺(jué)觀測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)布置的紅外熱傳感前端探測(cè)器的監(jiān)控距離為5 000 m的高溫?zé)嵩?，架設(shè)于碼頭煤堆場(chǎng)附近的辦公樓樓頂，呈高空俯視狀態(tài)，并全區(qū)域覆蓋旋轉(zhuǎn)掃描堆場(chǎng)（水平轉(zhuǎn)動(dòng)

0.1～100°/s，上下轉(zhuǎn)動(dòng)0.1～60°/s，無(wú)限位轉(zhuǎn)動(dòng)）。本系統(tǒng)采用全覆蓋式探測(cè)，凡是出現(xiàn)在畫(huà)面中的物體都可進(jìn)行消防預(yù)警監(jiān)控。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)平面如圖2所示。以單片機(jī)為核心的智能分析模塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與算法分析，具備溫度探測(cè)、主動(dòng)識(shí)別、火災(zāi)預(yù)警等功能。

管理平臺(tái)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的圖像顯示、時(shí)間告警、參數(shù)設(shè)置、錄像控制，遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)壓縮處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)控制管理，并向控制室值班人員提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的、全面的、清晰的、可操作的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像及火災(zāi)預(yù)警信息，集中反映在人機(jī)交互的計(jì)算機(jī)軟件界面。考慮到本系統(tǒng)前端紅外探測(cè)器設(shè)置的環(huán)境位于海邊碼頭，且煤堆場(chǎng)粉塵較多，工作環(huán)境情況復(fù)雜，為確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，選用了光纜傳輸系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)功能

本預(yù)警系統(tǒng)直接安裝在計(jì)算機(jī)主機(jī)上即可運(yùn)行，具有可視化便于操作的界面（圖3），可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度。監(jiān)控畫(huà)面同時(shí)顯示出煤堆場(chǎng)實(shí)物監(jiān)控的人工視覺(jué)視頻和紅外熱像圖，堆垛任一點(diǎn)的即時(shí)溫度也可將鼠標(biāo)箭頭直接移到畫(huà)面圖像，立即可以顯示讀出。攝像頭可設(shè)定為全區(qū)域全時(shí)旋轉(zhuǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域監(jiān)測(cè)并火災(zāi)預(yù)警。通過(guò)算法分析，煤堆垛內(nèi)層溫度由儀器測(cè)定的表面溫度值，經(jīng)MATLAB建立的計(jì)算模型得出預(yù)測(cè)值，并對(duì)比預(yù)警上限值，如超過(guò)設(shè)定限值，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警提示并彈出報(bào)警窗口，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測(cè)時(shí)間、對(duì)象位置、測(cè)定溫度等預(yù)警信息。此時(shí)，值班人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及早采用大型機(jī)械翻開(kāi)煤堆散熱，避免因堆垛內(nèi)層自燃蔓延擴(kuò)大為大面積火災(zāi)。

5 結(jié)論

針對(duì)碼頭大型煤堆場(chǎng)因自燃發(fā)生火災(zāi)突顯出消防安全隱患，從煤發(fā)生自燃傳熱的機(jī)理，視頻監(jiān)控的漏洞及人員值班情況等各方面影響因素進(jìn)行全面分析，綜合運(yùn)用熱紅外傳感測(cè)溫技術(shù)、視頻分析算法等，通過(guò)建模分析，研發(fā)了一套新型的火災(zāi)早期預(yù)警系統(tǒng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，新系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離測(cè)定、可視化操作、自動(dòng)偵測(cè)預(yù)警、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，雖然大氣的傳輸作用、物體發(fā)射率以及背景環(huán)境等因素也會(huì)對(duì)紅外測(cè)溫精度有一定影響，但在碼頭堆場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中可靠性高，誤報(bào)率低，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤堆場(chǎng)內(nèi)層的積聚潛熱早期火災(zāi)預(yù)警，進(jìn)而及時(shí)采取前期處置干預(yù)措施，避免大面積火災(zāi)發(fā)生，全面提升了企業(yè)的消防安全管控水平。

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