紅外線熱成像技術在客運索道維管中的運用

趙忠強

泰山索道運營中心 泰安 271000

近年來，得益于信息技術、微電子技術、計算機技術的高速發展，基于紅外線熱成像（以下簡稱熱成像）的各種機具不斷出現，使熱成像儀、熱成像攝像機等設備在各行各業得到廣泛應用，正在逐步改變生產與管理方式。從消防監控到機械設備的維護管理，熱成像技術都有廣闊應用空間，能發揮其獨特應用價值；探討熱成像技術的應用方法也越發凸顯必要性。

1 技術背景

熱成像技術經歷了多個發展階段。1964年美國某儀器公司首次研制成功第一代熱成像裝置，稱為紅外前視系統，這類裝置利用光學元件運動機械，對目標的熱輻射進行圖像分解掃描形成視頻圖像。紅外前視系統至今仍是軍用飛機、艦船和坦克上的重要裝置。20世紀60年代中期，在紅外前視裝置的基礎上開發了具有溫度測量功能的熱成像裝置，通常稱為熱像儀，被劃分為第二代熱成像裝置。隨著微電子技術、計算機技術與通信技術、人工智能技術的高速發展，眾多熱像儀具備了通訊功能，一批智能化自動化的新型視頻設備、安防設備、AI設備、醫療設備等應運而生，熱成像技術的應用更廣泛更深入。

當今客運索道的運營管理、設備維保、消防、安防等方面應更加注重隱患排查與風險管控，熱輻射在這些方面都是舉足輕重的因素，觀察熱輻射的程度、分布、影像、痕跡，有利于快速準確的辨識出與熱輻射密切相關的隱患點、故障點等。

2 熱成像原理與特點

2.1 原理

紅外線是自然界中廣泛存在的電磁波輻射，當物體的溫度高于絕對零度-273℃時便會發出波長0.76 μm到1 mm的紅外輻射，這是物體內部分子熱運動的結果。其輻射能量正比于自身溫度的四次方，輻射出的波長與其溫度成反比。熱成像技術就是根據探測到的物體輻射能量的高低，利用儀器接收自物體發出的人眼不可見的輻射，通過圖像處理后顯示出物體的熱影像，熱影像以灰度或偽彩的變化形式表達物體對應部位的溫度分布以及溫度的高低。部分熱成像器材不僅可以顯示物體的熱影像，還能夠同步測量出物體各區域的溫度，將溫度分度情況通過不同色彩的分布表達出來。

2.2 特點

1）熱成像技術的被動非接觸探測方式對被測物的性狀無干擾，有利于安全、準確地測量或觀察高溫、帶電、遠距離被測物的溫度。

2）采取面取樣的測量方式使熱成像技術相交點取樣的測量方式及速度更快，對溫度分布的分析更簡便、更快捷。

3）以圖像的形式表達測量結果，直觀、準確、簡潔地表達熱在被測物上的傳導分布情況，有利于對觀測結果的準確掌握與運用。

4）以數字形式存儲測量結果便于使用通訊技術、AI技術、計算機技術、物聯網等手段存儲、分析、傳播、運用。

5）熱成像技術能夠探測特定波長的紅外線輻射，而非全紅外光譜，故存在觀測盲區的現象。

6）紅外輻射在大氣中傳輸存在大氣窗口現象，在3個窗口波段紅外輻射的傳輸較少受大氣影響。

3 熱成像設備

熱成像設備按照使用方式可分為手持（便攜）式和固定式，按照用途可分為周界安防、消防偵測、測量分析等種類。固定式的紅外攝像機廣泛應用在安防報警系統、防疫篩查系統、消防報警與自動滅火系統、科研觀測系統、工業生產自動化系統、物聯網系統等，應用非常廣泛。這一類設備成像精度高，具備長時間連續熱成像拍攝功能、數據傳輸與存儲功能，部分設備還具有自動識別與報警功能；部分物聯網設備具備了RS422、RS232、NB-IOT、以太網等通訊功能，如場站碼頭的人員體溫篩查與風險識別報警、熱成像無損探傷、低能見度環境下的觀察等。

體積小便于攜帶的熱成像設備被應用到需要靈活運動的場所，其功能更加專業化、專屬化。例如救援器材、單兵器材、設備點檢器材等，都具備一定的抗跌落、小型化、易于攜行等特點，又分別要具備防水、望遠、抗污、移動偵測、移動通訊等不同性能要求，應用于工業設備點檢、檢測的設備還具有溫度測量、數據存儲、數據分析、報警設定、無線通信、場內定位等功能。

4 在客運索道運營中的運用

4.1 利用紅外線傳輸出的大氣窗口效應

客運索道大多建設在山地、河澤等區域，這些地方時常有云霧遮蔽索道線路，使索道操作人員和巡視人員不便準確地觀測索道設備運行狀況。由于大氣窗口現象0.7～2.5 μm、3～ 5 μm、8～14 μm 波長的紅外光傳輸不受霧氣的影響，熱成像設備探測這些紅外輻射，還原出相應圖像，工作人員可依據此功能特點發揮熱成像設備在客運索道安全運營方面的獨特優勢，提高索道運營的安全可靠水平。

4.2 改善監測質量

在客運索道上應用熱成像設備可改善對連續運行設備的監測質量，提高對索道關鍵設備的運用保障水平。使用具有溫度測量功能、溫度分析報警功能和網絡傳輸功能紅外攝像機監測關鍵設備的運行情況，實時將被測設備運轉的圖像、熱分布情況、溫升數據等運行數據通過網絡傳送給上位應用。當設備發生過載、超溫等異常時上位應用自動報警，甚至自動調整設備的運行狀態。

4.3 幫助設備管理

熱成像設備的應用有助于對設備開展狀態管理、預防性維修及快速搶修，技術人員運用手持式熱成像儀（以下簡稱熱成像儀）檢測設備分析熱影像，能夠快速準確地辨識設備中溫度異常的部位，也能通過溫度數據定量分析設備技術狀態的變化程度。極大地方便了技術人員判斷設備技術狀態劣化（老化），為快速查找隱患、處置故障以及制定狀態管理與維修方案提供可靠依據。圖1為熱成像儀拍下的索道驅動輪軸承組上端溫度分布。

圖1 熱成像儀拍下的索道驅動輪軸承組上端溫度分布

4.4 創建智能消防體系

專業的消防用紅外熱成像攝像機具有測溫、起火點辨識、通訊、云臺、自動巡視等功能，布置到客運索道的車庫、油料庫、備件庫、候車大廳、乘客集散通道等火災隱患重點防控場所，可方便地搭建起兼具視頻巡查與火情自動報警、遠程遙控撲救等功能的消防視訊報警系統；也可作為消防物聯網的信息傳感單元與自動噴淋、電力自動配給系統、消防照明系統、自動通風系統、站區廣播系統、防疫篩查系統、OA系統等共同組成索道站區內的智能消防與安全綜合管理平臺，進一步夯實索道防火、治安、隱患探測、防疫、客流秩序維護、應急預案實施等關鍵基礎工作。

5 運用案例

5.1 監測核心索道設備

主電力變壓器的運行狀態直接關系索道的安危，是索道動力系統中的核心設備。變壓器的諸多故障在隱患階段都是以溫升異常現象表現，如通風故障、鐵芯松動、鐵芯絕緣異常、繞組絕緣異常、偏載、電源污染、電路接線接觸不良等。

某客運索道觀測站起初使用普通網絡攝像機，觀測主變壓器和配電系統的實時運行情況，只能采集設備運行的可見光圖像，工作人員很難依據該信息，遠程準確判斷設備的運行狀態是否有快速劣化傾向。改用具備偽彩熱成像輸出、各區域溫度測量、超溫報警、網絡云臺、數據存儲與傳輸等功能的熱成像網絡攝像機（以下簡稱紅外攝像機），連續測量并實時上傳變壓器的熱成像。紅外攝像機投運后，維保人員通過觀察主變壓器的熱像，發現變壓器外罩上部的偽彩有較大變化（見圖2），回看錄像后確定此處溫升徒增，而變壓器的載荷與運行環境參數并無變化。經過排查，確定給變壓器降溫的4臺軸流式風機中1臺出風量變小，導致變壓器外罩內的通風量下降溫升增大，更換風機后變壓器的運轉溫升恢復正常。

圖2 紅外攝像機上傳的配電室設備實時熱像圖

動態紅外測溫技術可實現對電氣設備溫度的實時連續測量，準確掌握設備溫度隨時間與負荷變化的趨勢，并能實時記錄設備運行的多媒體資料、運行數據資料，為設備狀態診斷提供了形象化、數據化的可靠依據，便于快速精準地排查設備缺陷，及時消除潛在的隱患。

5.2 日常點檢使用

索道供電系統中通常在主變壓器二次側采用綜合濾波補償系統，改善功率因數濾除有害諧波。日常巡檢過程中維保人員使用熱成像儀點檢綜合濾波補償系統，某組LC單元的電源接觸器熱像明顯異常（見圖3），呈現B相出線端口部位溫度高達123℃；與同工況的設備比較熱像圖確定該部位存在發熱異常現象，根據現場環境散熱條件、運行數據初步判斷為接觸器內部存在技術缺陷，發熱現象有進一步發展的可能。立即采取防護措施，防止隱患快速發展成事故。

圖3 LC單元空氣開關中相出線的隱患熱像圖

拆檢該接觸器發現，位于其殼體內部的B相出線端安裝座老化開裂，導致端子組件上的靜觸頭松動，動觸頭與靜觸頭接觸不良、接觸電阻升高運行中發熱現象嚴重。如不及時處置將進一步加快端子安裝座的老化速度，快速發展成為故障甚至事故，已經形成安全隱患。

隱患常存在強烈的隱蔽性。故障接觸器的外觀與正常接觸器別無二致，僅憑肉眼無法觀測到內部已經老化損毀的跡象，如圖4所示右側的接觸器內部發生故障后外觀毫無異常。使用熱成像儀可以快速準確地發現內部異常發熱導致的熱場異常，從而定性判斷隱患存在于否，破除隱患的隱蔽性。

圖4 發生內部故障的接觸器

熱成像儀可以拍下同一器件不同時間的熱像圖，極大地方便了工作人員，通過分析不同時間設備發熱情況的變化來分析設備技術狀態的變化程度和變化速度，判斷設備老化的變化規律，為開展預見性維修和發揮設備最佳狀態提供依據。

熱成像儀拍下同類設備、相同工況下的熱像圖相互對比，有利于直觀、快速、準確地發現設備的異常熱。這些異常的熱現象反映出異常的設備運行情況、環境條件、負荷變化，便于快速縮小故障（隱患）查找范圍，快速確定故障處置路徑，可有效處置運行中突發故障及隱患，盡量減少乘客的滯空時間。

對比維修前和維修后設備熱像圖，還可以根據熱場分布的變化、溫升速度的變化、溫升幅度的變化評估維修效果，優化維修方案，制定維修周期計劃。

5.3 熱成像設備的應用局限

在實際應用中，無論是熱成像儀還是熱成像攝像機都不宜隔著玻璃、亞克力等透明物體測量溫度拍攝熱成像圖。如圖5、圖6所示，同一時間測同一設備的同一部位，隔玻璃測得的溫度值會比實際值偏小很多。

圖5 無間隔的情況下測得設備溫度為57.4℃

圖6 隔玻璃觀察窗測得設備溫度為32.3℃

出現這種情況的原因主要是熱成像設備采用鍺玻璃制造鏡頭、探測器，在鍺玻璃上鍍光學薄膜，可大大增加其透過率，減少鍺玻璃表面的反射率。鍺玻璃在可見光波段是不透過的，在2～16 μm波長段具有很好透光性能，而普通的光學玻璃在這些波段透過率極低，造成了熱成像儀難于透過玻璃成像的現象。

6 結語

熱成像技術歷經近長久的發展已經成為一項成熟的技術，尤其是近年來在計算機技術、互聯網技術、物聯網技術、人工智能技術的加持下將逐步走向自動化、信息化、智能化，未來的熱成像技術將憑借獨特的探測和感知特性與信息化相結合，發展出更為先進的人工智能視覺技術。未來隨著客運索道管理的智能化、網絡化水平不斷提升，熱成像設備必將在客運索道的各個方面廣泛且深入的應用。