基于艦艇火災紅外超早期探測系統的熱故障判定

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(中國船舶重工集團公司 第七二六研究所，上海 201108)

由于艦船結構特殊，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，成為火災高發地。艦船火災發展初期階段是艦艇火災防治的關鍵時期，其火災探測性能對后續火災撲救具有重大影響。為了提高對艦艇火災的預防和控制能力，必須抓住艦艇火災發生發展的關鍵環節，實現艦船火災超早期的探測，提高對艦船火災的控制[1]。通過研究實現了紅外熱成像系統的熱故障判定功能，該功能可以實現對設備的工作溫度實時監測。

1 研究目的

紅外熱成像系統作為一個智能化、自動化的檢測技術，能夠快速準確地探測到被測目標的溫度變化情況，并將其轉化為溫度值圖像。設計的紅外熱成像系統能實現準確快速地對被測目標進行溫度測量，并能夠進行預警報警功能。

利用紅外熱像技術的熱故障判定功能，實現對設備的工作溫度進行實時監測[2-5]。

2 紅外熱成像系統熱故障判定

文中的熱故障判定算法是基于研發的紅外熱成像系統。該紅外熱成像系統能夠準確地測量被監測目標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生的或者已經發生的故障位置所在，系統具有溫度報警功能，便于值班人員及早發現故障和隱患，并及時采取措施來消除故障或隱患。

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

紅外熱成像系統采用的紅外探測器為384×288像素焦平面陣列，當有高溫物體進來，按照圖1的算法，系統可以測量出被監測范圍內的最高溫度值，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。當有高溫物體出現時，會發現最高溫度值所在的位置的方差值急劇變小并且相對穩定，見圖2、3，表明紅外熱成像系統測量出來的最高溫度值確實是由于某個設備出現異常導致的高溫存在，而不是外界干擾或者信號出現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，但是由于被監測范圍較大，被監測的設備數目的不確定性，不同的設備的故障表現形式不一樣，不同設備的工作溫度和要求的溫升都不相同，在算法上實現較為繁雜。故將圖像分割成更小的區域，然后對每個小區域進行監測，由于區域小，被監測的目標單一或者只監測設備的某一個部位，則外界的干擾少，算法的實現簡單，具體的實現算法見圖4[6-9]。

圖4 溫度報警的算法實現

將整個焦平面陣列分割為6個區域，見圖5。對每個區域測量最高溫度值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域都能確定是否存在高溫物體，并能快速獲取到該區域的最高溫度值。該最高溫度值即該區域被監測目標溫度最高的目標的溫度值，這樣就可以為大致定位到該區域高溫物體所處的位置。通過對被監測目標的溫升速率和溫度是否接近設備能承受的最高溫度值，判定被監測目標是否出現異常。

圖5 圖像分割

3 熱故障判定功能應用

通過分析建立艦艇典型熱故障發生、發展的特征模型，提出4種比較典型的艦艇火災場景。

3.1 被監測目標溫升過快引起報警功能的測試

艦船上的電池艙，若電池出現短路或者接口松動，溫度會極速上升，導致電池爆裂，從而產生火災事故；輪機艙和動力機艙，若輪機或者電機由于異常故障、轉速過快等導致溫度急劇上升，很容易導致較大故障或者火災發生。針對由于故障或者異常導致的設備溫度出現極速上升的現象，需要進行密切監測并及時采取處理措施。紅外熱成像系統實現了被監測目標溫升的監測，如果溫升速率達到T1(單位℃/s),則系統會報警，T1可以通過溫控紅外黑體上位機界面進行設置。

基于此，他認為很多關鍵零部件技術和平臺技術必將迎來巨大發展，包括：新能源汽車“三電”技術、能源管理技術、智能網聯汽車“零部件”技術、L3和L4自動駕駛芯片技術、5G與V2X物聯網技術、智能汽車計算平臺技術、汽車專有云技術、AI人工智能技術、汽車安全技術、汽車系統集成技術以及新概念汽車等。

3.2 被監測目標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，最終導致絕緣擊穿和短路。由于接地故障、短路故障、閃絡性故障(絕緣擊穿)、電纜老化導致的電纜故障，導致溫度異常。由于艙內空間的狹小，很難發現電纜隱患和故障點，利用紅外熱像儀進行溫度監測并利用故障報警功能，可以及時發現隱患和故障，對于預防火災是一個非常重要的手段。該紅外熱成像系統能夠對被測目標進行實時監測并實現溫度的實時測量，如果溫度達到某一設定值T2，則會發出預警信息，如若溫度達到某一溫度值T3則會報警，T2和T3可以通過界面進行設置且T3>T2。

3.3 多個被測目標同時報警的測試

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

3.4 手動關閉報警的測試

艙室內設備較多，不同設備的正常工作溫度和有效溫升不一樣，會導致某些設備工作正常但是出現故障報警，或者需要屏蔽某個設備或區域的監測報警，可以通過手動關閉該區域的監測報警。該紅外熱成像系統提供了手動關閉某區域的報警的功能。

4 研究結果

針對建立的典型火災模型場景，提出有效可靠的熱故障判定算法，進行相應的模塊軟件設計，并實驗驗證在不同系統參數配置條件下熱故障判定圖像算法的效果，優化系統參數配置，提高紅外熱成像熱故障判定的適用性和有效性。

4.1 被檢測目標溫升速率過快引起紅外熱像系統發出故障報警

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

圖6 溫升速率過快導致的報警

4.2 被監測目標溫度超過正常工作溫度引起的報警功能的測試

實驗主要監測溫控紅外黑體發射頭，紅外黑體與紅外熱成像系統的探測器距離為5 m。

1)將紅外黑體的溫度設置為從40 ℃上升至65 ℃，并將該系統的T2和T3分別設置為60 ℃和70 ℃。實驗結果見圖7，被監測目標溫度達到T2值時，系統能在1 s內成功實現預警。

圖7 被監測目標溫度達到預警值實現預警

圖8 被監測目標溫度達到報警值實現報警

2)將紅外黑體的溫度設置為100 ℃，并將該系統的T2和T3分別設置為70 ℃和90 ℃。實驗結果見圖8，被監測目標溫度達到了T2值時，系統能在1 s內成功實現報警。

4.3 多個被測目標同時報警的測試

實驗用紅外熱成像系統監測5 m范圍內的所有設備，將3個高溫物體放于不同的區域，紅外黑體放于監測范圍的中間區域，處于區域2和區域5，其他2個高溫物體分別放于區域3內和區域4內。

圖9 多個被監測目標同時出現故障并報警

圖10 被屏蔽的區域出現故障不報警

實驗結果見圖9，成功探測到3個高溫物體，并且都在1 s內實現報警。根據報警信息和紅外熱圖像，能夠確定報警點的位置。

4.4 手動關閉報警的測試

實驗是基于實驗3場景下，驗證手動關閉報警功能，希望屏蔽掉區域3、4、5的故障監測。實驗結果見圖10，成功屏蔽掉區域3、4、5的報警監測。

5 結論

文中分析了艦艇環境下典型設備熱故障產生、發展和傳播的特征；分析了熱故障發展過程中紅外熱像的溫度分布、形態變化，以及兩者的關聯；提取并建立可以準確快速表征熱故障發生發展的特征模式，提出艦艇熱故障的紅外判定算法，對設備的工作溫度進行實時監測。當設備的工作溫度達到了某一設定溫度值(預警值)或者工作溫度上升過快時，紅外熱像系統會發出預警；當設備的工作溫度偏離了正常溫度范圍時，紅外熱成像系統會發出警報。該算法的應用有利于值班人員及時采取措施來消除火情隱患和故障。