熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

丁新方，張智敏，董永忠，朱永寶

(1.華亭華煤清能煤化工有限責任公司，甘肅 華亭 744100；2.蘭州飛思網(wǎng)絡科技有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

現(xiàn)階段，煤化工企業(yè)逐步趨向于一體化、基地化方向發(fā)展，生產(chǎn)區(qū)廣闊，管理人員稀缺，實際生產(chǎn)管理工作難度進一步提升。傳統(tǒng)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)已然無法滿足當下生產(chǎn)安全管理要求，需要配合使用更為先進的熱成像技術(shù)手段，優(yōu)化智能視頻監(jiān)控功能，最大限度挖掘出智能視頻監(jiān)控輔助系統(tǒng)應用潛力，從根本上提升各類生產(chǎn)設備運維效果，切實增強煤化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)的經(jīng)濟效益與安全效益。

1 概述熱成像技術(shù)

熱成像技術(shù)需要使用紅外探測儀、光學成像物鏡，將被測目標的紅外輻射能量分布圖反映在紅外探測器光敏元件上，獲得詳細的紅外熱像圖，確保熱像圖與物體表面熱分布場相互對應。換言之，在熱成像技術(shù)應用過程中，可以將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，熱圖像上的不同顏色可代表被測物體的不同溫度。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)熱成像技術(shù)的應用必要性

相較于其他生產(chǎn)領(lǐng)域而言，煤化工生產(chǎn)期間的風險因素更高，如果沒有加強生產(chǎn)環(huán)節(jié)溫度控制工作，極容易引發(fā)損失嚴重的安全事故[1]。煤化工生產(chǎn)期間涉及到的換熱器、反應器、化工流程泵、機械設備等在事故發(fā)生前，其溫度變化具有特定規(guī)律，通過在設備運行期間著重監(jiān)測溫度變化值，判斷溫度是否按特定規(guī)律進行，能夠及時告警事故發(fā)生風險。

現(xiàn)階段，煤化工生產(chǎn)期間的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)連接了煙霧報警與可見光報警，但部分缺乏熱成像裝置，導致溫度監(jiān)控效果不佳，生產(chǎn)期間的安全因素無法從根本上規(guī)避。

舉例而言，某煤化工企業(yè)熱油泵房的閥門墊片出現(xiàn)失穩(wěn)問題，致使熱油從墊片處噴出，遇到空氣后自動燃燒，引發(fā)火災事故。閥門墊片失穩(wěn)需要一段時間，且閥門失穩(wěn)期間的墊片溫度會呈現(xiàn)出規(guī)律上升變化。如果墊片處溫度上升情況能夠得到實時監(jiān)控，就可以及時關(guān)閉閥門，避免事故發(fā)現(xiàn)。又比如某煤化工企業(yè)焦化裝置中的焦化塔設備頂部發(fā)生破裂，導致渣油泄漏，渣油噴濺到附近高溫管道上引發(fā)火災?；馂母景l(fā)生原因為設備頂部金屬腐蝕造成設備壁減薄，在設備壁減薄的情況下勢必會在局部出現(xiàn)溫度升高情況，因此可以在原有智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上配合熱成像設備監(jiān)視設備周邊溫度，避免類似事故問題出現(xiàn)。

結(jié)合煤化工企業(yè)現(xiàn)代安全管理理論，將熱成像及智能視頻技術(shù)融入互聯(lián)網(wǎng)，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)、安全輔助系統(tǒng)共同搭建其可視化安全綜合管理系統(tǒng)，可以使安全視頻監(jiān)控、入侵報警、火災報警、紅外熱成像、智能管控、出入車輛控制、停車場控制等子系統(tǒng)進行集中控制與管理，分析各自系統(tǒng)智能信息，對現(xiàn)場事故進行提前預警，更加直觀地掌握煤化工企業(yè)安全生產(chǎn)、治安動態(tài)情況，對各緊急事件進行快速處理，進一步提升生產(chǎn)安全綜合管理水平。由此可見，通過基于熱成像技術(shù)建立起智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以進一步提高企業(yè)安全生產(chǎn)、治安保衛(wèi)、事故預防、緊急決策以及事故調(diào)度管理水平，對保障煤化工生產(chǎn)工作安全可靠開展具有重要的經(jīng)濟效益。

3 熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用功能

當前熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用較為成熟，借助先進監(jiān)控設備，衍生出了紅外熱成像防火圖像監(jiān)控系統(tǒng)、嵌入式智能視覺分析安保系統(tǒng)、防感應雷系統(tǒng)多種類型。

通過將熱成像技術(shù)應用在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化改造環(huán)節(jié)，系統(tǒng)中可具備更加完善的熱成像防火監(jiān)測、防盜入侵監(jiān)測、非法停車監(jiān)測功能模塊，可以切實滿足生產(chǎn)現(xiàn)場各類監(jiān)控管理要求[2]。不僅如此，現(xiàn)階段智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，還具備自學習自適應能力，能夠在極為惡劣的環(huán)境及照明條件下保持99.9%的檢測效率。具體來說，將熱成像應用在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的功能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，防火功能。通過建立起熱成像防火圖像監(jiān)控系統(tǒng)，工作人員可以在監(jiān)控中心對監(jiān)控點周圍半徑1～5 km甚至更大區(qū)域內(nèi)進行全天候不間斷實時動態(tài)監(jiān)控，第一時間探尋到地表火情或煙霧，及時觸發(fā)聯(lián)動報警系統(tǒng)，幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)火災或各類險情，為安全事故發(fā)生后的現(xiàn)場指導提供重要依據(jù)。第二，防盜檢測功能。通過使用嵌入式智能視覺分析監(jiān)控跟蹤技術(shù)，具備入侵監(jiān)測與自動跟蹤功能模塊，能夠滿足無人值守、自動監(jiān)測、觸發(fā)錄像以及短信自動外發(fā)報警功能。第三，車輛監(jiān)控系統(tǒng)。支持車容車貌監(jiān)測、廠區(qū)路線、遠程實時web監(jiān)控，監(jiān)控錄像、視頻存儲、回放查詢等功能，對車輛運輸進行實時監(jiān)管。第四，防雷系統(tǒng)。為確保室外環(huán)境下生產(chǎn)設備能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)高效運行目標，避免強電壓與大電流串入到系統(tǒng)中，導致系統(tǒng)無法正常運行。在智能視頻監(jiān)測環(huán)節(jié)，可以借助視頻信號、網(wǎng)絡信號、電源等多方面進行防雷保護，確保系統(tǒng)具有較強的抗干擾性。

4 熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用要求及結(jié)構(gòu)

4.1 熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用要求

通過將熱成像技術(shù)應用在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，可以在安全事故發(fā)生前，檢測關(guān)鍵生產(chǎn)設備溫度變化情況，判斷設備溫度是否依照特定規(guī)律變化，從而發(fā)出及時告警，保障生產(chǎn)期間的安全性，為后續(xù)制定安全風險預防對策提供充足的數(shù)據(jù)支持。在應用熱成像技術(shù)過程中，還可以使用非接觸式熱點掃描方式，對化工設備關(guān)鍵部位的內(nèi)部溫度進行實時監(jiān)測，將火災等風險控制在源頭。

4.2 熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段熱成像技術(shù)下的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部包括多個紅外熱像終端、信號傳輸模塊、紅外熱相控制客戶端、報警裝置。將紅外熱像終端設置在生產(chǎn)關(guān)鍵設備附近，每個熱像終端可以通過信號傳輸模塊連接到紅外熱像監(jiān)控客戶端中，并由紅外熱像監(jiān)控客戶端連接報警裝置。熱成像終端由紅外熱成像模塊、溫度分析模塊、可見光輔助攝像機組成。紅外熱成像模塊的紅外像頭應當根據(jù)實際現(xiàn)場情況靈活選擇，著重控制相頭分辨率、視場角、小焦距、熱敏感度、工作波長等參數(shù)[3]；溫度分析模塊運行期間需要采用焦平面整列、非制冷氧化釩微測輻射熱計等方式，基于煤化工生產(chǎn)特征，靈活設置測溫范圍、溫度、測溫功能，實現(xiàn)點線面全面實施測溫目標。

為確保熱成像技術(shù)能夠與智能視頻監(jiān)控終端有效聯(lián)合在一起，還需要在設置紅外熱成像模塊、可見光輔助攝像機基礎上增加防護罩。防護罩下方連接語音平臺設施，便于靈活調(diào)整紅外熱象終端監(jiān)測范圍。防護罩的另一側(cè)還應設置紅外窗口，通過配備的紅外熱成像模塊、溫度分析模塊、可見光輔助攝像機等設施，保障溫度測量結(jié)果的精準度，確保系統(tǒng)能夠被更好地應用在復雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中。

熱成像智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控客戶端還需要采用以太網(wǎng)連接遠程終端服務器，將測到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔囟确昭b置內(nèi)。在軟件設計過程中，遠程服務終端還需配備后臺分析管理模塊，將接收到的數(shù)據(jù)進行進一步分析與管理。紅外熱像監(jiān)控客戶端需要攜帶豐富分析工具，具備點分析、區(qū)域分析、多邊形分析、趨勢分析等全面功能，自動生成excel或word格式的報表。紅外熱成像監(jiān)控終端的運行需要由檢測軟件PC機負責。

熱成像智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的終端以及成像模塊、可見光輔助攝像機、可見光視頻信號傳輸需要在同一屏幕上顯示，顯示模式包括可見光、全紅外顯示、可見光融合顯示模式，使監(jiān)測人員能夠更加直觀地觀察到生產(chǎn)現(xiàn)場各設備運行期間的溫度情況，及時發(fā)現(xiàn)存在于生產(chǎn)期間的風險問題，制定出專項可行的風險預防對策。

結(jié)合煤化工設備安全生產(chǎn)要求，可以選擇關(guān)鍵設備以及允許溫度的變化范圍，確定關(guān)鍵設備故障隱患溫度變化規(guī)律，并將事故隱患溫度變化規(guī)律作為報警條件。操作人員可以針對報警器提供的信息，明確事故隱患、溫度變化規(guī)律或溫度超出允許范圍的設備，落實解決問題方法。

在將熱成像應用在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，需要根據(jù)設備檢測分析報警原理，確定可選擇關(guān)鍵設備、可選擇關(guān)鍵設備容器溫度變化范圍、安全事故發(fā)生前的溫度變化規(guī)律，實現(xiàn)風險預控目標，主要應用在監(jiān)測分析設備可燃氣體燃燒引發(fā)的周圍氣溫度變化，可燃液體火災熄滅引發(fā)的周邊溫度變化，設備內(nèi)部化學反應引發(fā)的周邊溫度變化情況。由于熱成像技術(shù)使用了非接觸式熱點掃描方式，能夠?qū)ιa(chǎn)設備的關(guān)鍵部位溫度值進行實施有效監(jiān)測與預測，對切實保障生產(chǎn)期間的安全性具有重要意義。

5 熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用場景

煤化工生產(chǎn)工作大部分需要在高溫高壓環(huán)境下進行，為保障生產(chǎn)安全高效開展，延長設備使用壽命，需要對生產(chǎn)全過程進行嚴格的溫度在線監(jiān)測。熱成像系統(tǒng)內(nèi)部包括防爆紅外熱成儀云臺、數(shù)據(jù)變速箱、現(xiàn)場主控柜以及集控室上位機監(jiān)測平臺，可滿足24 h實施監(jiān)控預警目標。熱成像在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應用場景主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，在化工品存儲環(huán)節(jié)的應用。在化工產(chǎn)品大型存儲倉庫中配備數(shù)量足夠的熱成像設施，能夠?qū)υO備運行溫度進行實時監(jiān)管，實現(xiàn)早期火災預報目標。第二，關(guān)鍵設備狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)，可以了解設備表面溫度分布情況，評估設備運行狀態(tài)，立即報警設備異常溫度，避免設備溫度過高而引發(fā)安全隱患。重點監(jiān)測反應釜外表面溫度場，分析溫度變化趨勢，判斷設備耐火材料厚度與結(jié)構(gòu)情況，幫助運維人員制定適宜的生產(chǎn)與維護計劃。第三，在周界安全檢測中的應用，可以通過設置電子圍欄以及振動電纜、紅外對射方式變形周界防護，滿足黑夜或惡劣天氣下的周界安全防護要求。

6 熱成像在智能視頻監(jiān)控安全綜合管理系統(tǒng)中的設計

為實現(xiàn)煤化工行業(yè)智能化、高效化、安全化發(fā)展目標，應當構(gòu)建起一個以熱成像為原理、以智能視頻及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐的安全綜合管理平臺，真正意義上滿足網(wǎng)絡互聯(lián)互通要求，實現(xiàn)資源共享目標，對各生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場以及經(jīng)營活動的安全情況進行全方位管理。熱成像在智能視頻監(jiān)控綜合管理系統(tǒng)中的應用需要滿足高內(nèi)聚、松耦合要求，建立起SOA框架，為安全管理提供統(tǒng)一化服務。

6.1 安全綜合管理系統(tǒng)特征

在設計以熱成像功能為主的智能視頻監(jiān)控安全管理綜合系統(tǒng)中，需要以技防系統(tǒng)深度融合為目標，要求系統(tǒng)中具備編解碼設備管理、儲存管理、網(wǎng)絡管理、報警管理等基礎功能。對各子系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)測與控制，兼容視頻監(jiān)控、火災預警、出入口管理、智能控制等輔助業(yè)務。

借助身份認證及權(quán)限管理方式，確定用戶身份后才可進入系統(tǒng)，進入系統(tǒng)后需要嚴格執(zhí)行訪問及管理權(quán)限。權(quán)限設置需要采用多層次、高加密技術(shù)手段，確保系統(tǒng)中的各元件能夠?qū)崿F(xiàn)安全運行目標，避免熱成像以及視頻數(shù)據(jù)丟失問題出現(xiàn)。

要求安全綜合管理平臺還應當具備完善的運維管理機制，對視頻設備、熱成像設備、報警設備、環(huán)境設備及數(shù)據(jù)庫等設備進行全面監(jiān)管。平臺可以幫助各運維部門快速定位故障，恢復監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，通過規(guī)范流程化運維管理工作，為生產(chǎn)運行環(huán)境構(gòu)建起更為統(tǒng)一、主動的流程化運維、集中化管理機制。

6.2 安全綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)

熱成像下智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)安全綜合管理平臺內(nèi)部包括綜合管理平臺、總控中心、分控中心、傳輸網(wǎng)絡、移動監(jiān)控網(wǎng)絡前端、熱成像系統(tǒng)組成。其中，綜合管理平臺涉及電子地圖、全文檢索、應用程序、紅外熱成像、人員及車輛軌跡控制等模塊，通過網(wǎng)絡交換機以及光傳輸設備，將生產(chǎn)現(xiàn)場中音頻、溫度等環(huán)境報警信息上傳給總控制中心，借助總控網(wǎng)絡安全隔離裝置認證身份后，由管理人員及時判別生產(chǎn)現(xiàn)場具體情況，明確生產(chǎn)期間安全管理重難點。

7 結(jié)語

總而言之，通過積極應用熱成像技術(shù)手段，優(yōu)化現(xiàn)有智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能，能夠切實提升煤化工企業(yè)生產(chǎn)期間的安全性，控制安全監(jiān)管人員勞動強度，切實保障監(jiān)控質(zhì)量與準確度。利用熱成像技術(shù)以及智能視頻監(jiān)控設計出可視化安全綜合管理平臺，還能夠更為直觀的展現(xiàn)出生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場安全情況，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患問題以及違規(guī)操作行為，確保煤化工生產(chǎn)工作始終處于安全可靠實施狀態(tài)，為實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標奠定堅實技術(shù)基礎。