基于紅外熱傳感測溫的新型火災早期預警系統研究

黎國梁 曹忠源 梁一銘 唐磊

[摘? ? 要]大型煤堆場容易因積伏潛熱發生自燃，導致大面積火災。本課題研究運用熱紅外傳感非接觸測溫的優點，結合傳統視頻監控，構架了一套新型的早期火災預警系統。從建模機理分析、硬件設置、軟件設計及系統構架等方面，詳細介紹早期預警系統的優點。以煤堆場碼頭的消防安全監控為應用實例，說明系統的實用性和可靠性。

[關鍵詞]紅外熱傳感;溫度測定;火災預警

[中圖分類號]TM930 [文獻標志碼]A [文章編號]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，由于氧化放熱導致溫度逐漸升高，當達到著火點（300～350 ℃）即發生自燃。碼頭的大型煤堆場容易因局部自燃而發生過火面積較大的火災。傳統的攝像頭視頻監控，只能靠值班人員從視覺上，對一些外觀表象的冒煙、冒氣等現象進行主觀判斷。火災的辨識與判斷依賴主觀性，同時值班人員的漏崗、睡崗也是實時消防安全監管體系下的漏洞，都會延誤最佳的消防撲救時間。早期發現并預警火災，并及時采取相應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為研究對象，該企業為海運裝載方便，在碼頭前沿設置數個萬噸級煤堆場。堆場臨時存放的物質為褐煤，燃點低（270℃左右），遇水容易發生氧化反應放熱，尤其在夏季儲存超過兩個月甚至一個星期就易發生自燃。紅外熱傳感測溫技術具有非接觸、遠距離的優點，本文綜合運用紅外測溫和計算機視頻辨識技術，探索研發了一套新型的可用于大型煤堆場的早期火災預警系統。

1 紅外測溫原理

任一高于絕對零度的物體都會以電磁波的形式向外發射出輻射能，由黑體輻射定律可得到黑體溫度紅外輻射與波長及溫度的關系[1]。波長在0.76～1 000 μm的電磁波屬于紅外譜段。普朗克根據量子統計理論建立了黑體在不同溫度下的光譜輻射出度Mbλ隨波長λ的分布規律，表示為：

（1）

從零到無窮大波長范圍內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。

因物體材料性質和表面狀況的不同，引入輻射系數ε[2]，代入以上式（1）和（2），煤堆場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，輻射測溫方法是根據工作時使用的光譜參量的不同來分類的，通常可以分為全輻射測溫法、亮度測溫法以及雙波長（比色）測溫法。輻射和亮度測溫的精度受物體發射率的影響很大，采用雙波長測溫法可改進這一問題[3]。

綜上，紅外測溫系統是利用物體的輻射能量與溫度有關而達到測溫目的。將普朗克公式在探測器工作波長范圍內積分可以得出目標輻射率的大小與目標溫度間存在著固定的對應關系，用紅外探測器測出目標的熱輻射功率，就能計算出目標的表面溫度。由此，通過使用光譜儀器對煤堆垛表面紅外輻射、色溫的測定，經校準就能應用到對煤堆垛表面溫度的非接觸式遠距離測定。

2 建模分析機理

大型煤堆場的自燃由內至外，內層的初期燃燒往往從堆場外觀上無明顯現象，內部熱量的傳遞過程受化工傳熱機理控制。根據熱力學第二定律，凡是存在溫差的地方就有熱能自發地從高溫區向低溫區傳遞。物體各部分之間不發生相對位移時，導熱現象規律遵循傅立葉定律。煤堆場內部傳熱形式以熱傳導為主，引入等溫面和溫度梯度的概念，將其按穩態溫度場傳熱建模。即：

溫度梯度 （4）

據傅立葉定律，單位時間內通過物體截面的導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視由無數的微元體構成，三維空間的傳熱微分方程按傅立葉定律，導入x=x+dx，y=y+dy，z=z+dz，微元平面的熱量分別為：

（6）

（7）

（8）

對于微元體，按能量守恒定律，任一時間間隔內有以下熱平衡關系：

導入微元體的總熱流量+微元體內熱源生成熱量=導出微元體的總熱流量+微元體熱力學能增量，其他兩項分別為：微元體內熱源生成熱量和熱力學能增量，

綜上推導出熱平衡方程表示為：

（9）

方程即為煤堆場三維空間溫度場的熱傳導模型。方程的求解較為復雜，需要計算機編程輔助解決。

MATLAB是美國MathWorks公司出品的數學工具軟件，專用于數據分析、無線通信、深度學習、圖像處理與計算機視覺等領域，運用其中的模型預測控制工具箱進行煤堆場微元體溫度的計算，并繪制三維溫度場。具體做法如下。

先用一個無限細化的三維矩陣模擬出煤堆場溫度分布情況，采用函數meshgid（xi，yi，zi，…）產生網格矩陣，取儀器最小可測溫度分辨值，將空間分布矩陣按相同比例細化均分，使取值點在空間坐標上接近連續變化，通過溫度場中通過任一點截面的曲線也是可求導的，使用三次樣條插值spline函數得出光滑的分布曲線。紅外測溫儀采集反饋回來的表面溫度數據分布interp2二維插值，熱力學方程作為邊界條件并求解預測值。計算出網格矩陣空間各點的擬合值后，采用三維曲面函數surf繪制出溫度場曲面（圖1）。

經MATLAB繪制出溫度場模型，可得出整個堆垛內任一微元體溫度的曲面擬合值，結合儀器測定的表面溫度值即可推算出煤堆場內層溫度的預測值，校準后與設定的預警值對比，如果超出預警值則立即發出早期火災報警提示。通過儀器實驗測定積累的數據，不斷迭代進熱力學傳熱模型方程計算，完善模型的自適應性和穩定性。

3 系統組成

本研究課題設計的基于紅外熱傳感早期火災預警系統主要由中前端智能探測系統、管理平臺系統、傳輸系統、電源系統等組成。前端智能探測系統由紅外熱成像儀、高清監控攝像頭，智能分析模塊構成一體機，紅外熱像儀作為設備的探測儀器，不但可以自動探測被監控對象實時溫度的情況，還能通過高清攝像機的進一步配合人工視覺觀測。現場布置的紅外熱傳感前端探測器的監控距離為5 000 m的高溫熱源，架設于碼頭煤堆場附近的辦公樓樓頂，呈高空俯視狀態，并全區域覆蓋旋轉掃描堆場（水平轉動

0.1～100°/s，上下轉動0.1～60°/s，無限位轉動）。本系統采用全覆蓋式探測，凡是出現在畫面中的物體都可進行消防預警監控。監控現場平面如圖2所示。以單片機為核心的智能分析模塊可實現數據整合與算法分析，具備溫度探測、主動識別、火災預警等功能。

管理平臺系統主要實現視頻信號的圖像顯示、時間告警、參數設置、錄像控制，遠程控制、數據壓縮處理、網絡傳輸、系統控制管理，并向控制室值班人員提供實時準確的、全面的、清晰的、可操作的現場實時圖像及火災預警信息，集中反映在人機交互的計算機軟件界面。考慮到本系統前端紅外探測器設置的環境位于海邊碼頭，且煤堆場粉塵較多，工作環境情況復雜，為確保系統運行穩定性，選用了光纜傳輸系統。

4 系統功能

本預警系統直接安裝在計算機主機上即可運行，具有可視化便于操作的界面（圖3），可實現實時主動監測溫度。監控畫面同時顯示出煤堆場實物監控的人工視覺視頻和紅外熱像圖，堆垛任一點的即時溫度也可將鼠標箭頭直接移到畫面圖像，立即可以顯示讀出。攝像頭可設定為全區域全時旋轉掃描，實現覆蓋區域監測并火災預警。通過算法分析，煤堆垛內層溫度由儀器測定的表面溫度值，經MATLAB建立的計算模型得出預測值，并對比預警上限值，如超過設定限值，系統自動預警提示并彈出報警窗口，同時實時記錄監測時間、對象位置、測定溫度等預警信息。此時，值班人員可根據現場情況及早采用大型機械翻開煤堆散熱，避免因堆垛內層自燃蔓延擴大為大面積火災。

5 結論

針對碼頭大型煤堆場因自燃發生火災突顯出消防安全隱患，從煤發生自燃傳熱的機理，視頻監控的漏洞及人員值班情況等各方面影響因素進行全面分析，綜合運用熱紅外傳感測溫技術、視頻分析算法等，通過建模分析，研發了一套新型的火災早期預警系統。從實驗結果看，新系統具有遠距離測定、可視化操作、自動偵測預警、便于操作等優點，雖然大氣的傳輸作用、物體發射率以及背景環境等因素也會對紅外測溫精度有一定影響，但在碼頭堆場的實際應用中可靠性高，誤報率低，基本實現了對煤堆場內層的積聚潛熱早期火災預警，進而及時采取前期處置干預措施，避免大面積火災發生，全面提升了企業的消防安全管控水平。

參考文獻

[1] 孫鵬.紅外測溫物理模型的建立與論證[D].吉林：吉林大學，2006.

[2] 崔昊楊，楊春旭，唐忠.基于labVIEW和紅外測溫技術的電力設備運行狀態監測系統的設計與實現[J].上海電力學院學報，2011，27（1）：46-47

[3] 邢冀川，劉廣榮，金偉其.雙波段比色測溫方法及其分析[J].紅外技術，2002，24（6）：73-76.