红外热像技术在安全领域的研究进展

石东平，吴 超，李孜军，潘 伟



红外热像技术在安全领域的研究进展

石东平，吴 超，李孜军，潘 伟

（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

红外热像技术凭借其非接触式测量、快速成像的优点，成为国内外研究和应用的热点。借助EI Compendex、Inspec、US Patents和EP Patents数据库以及维普中文科技期刊数据库等，对2000～2013年发表的有关红外热像技术在安全领域应用的论文进行系统检索，在此基础上根据有关论文的发表年份、作者国别、应用领域、标准规范、市场分布等分别进行计量统计，并分析了红外热像技术在不同行业安全的具体应用情况和存在的问题及其展望。

红外热像；安全检测；应用统计

0 引言

自1800年英国天文学家赫谢尔（S. W. Herschel）在寻找新光学介质时意外发现红外线后，红外技术及红外物理有了飞速发展。红外热成像技术作为红外物理的核心，已广泛应用于工业、农业、军事、交通、医疗、空间技术等各方面，逐渐形成一门独立的应用技术，在各个领域多点开花。

红外热成像技术是将不可见的红外辐射转化为可见图像的技术，利用这一技术研制的装置统称为红外热成像装置或红外热像仪。红外热像仪的主要特点为：①为非接触式测量，能够检测运动目标、微小目标及带电目标温度；②测温效率高，可直观显示物体表面温度场；③温度分辨率高，可同时显示多点温度值，并能准确区分较小温差；④显示方式多样，除一般的伪彩色和灰度显示的热成像，还可进行模数转换处理；⑤可进行数据存储和计算机处理[1]。

红外热成像技术凭借其特点，通过与安全科学学中不同工程技术学科相结合，进行安全监测及隐患排查，逐渐成为安全科学不可分割的一部分。现今红外热像技术已在矿山开采、航空航天、石油化工等多领域开展安全活动。

1 红外热像技术应用于安全检测方面的计量分析

1.1 按文献数量检索结果的分析

学术论文可准确反映研究领域发展动态，为更系统研究红外热成像技术研究前沿，本文在EI Compendex、Inspec、US Patents和EP Patents数据库中以infrared imaging、infrared detects等为关键词进行搜索。搜索范围为2000～2013年收录论文。为了解研究趋势，针对搜索结果按照发表年份及国别进行分析。分析结果见图1和图2。

2000年至2013年，论文发表数为逐年递增模式，表明红外热像技术在安全科学中愈加重要。2013年论文发表数少于2012年的原因可能是EI数据库收录滞后。

2000年至2013年间，发表论文数量最多的国家依次为美国、中国和日本。而在2000～2009期间发表论文统计中加拿大位于第2位，中国排名第3。表明中国在2009～2013年间红外热像技术发展迅速[2-3]。

图3表明我国红外技术标准发布保持稳定势头。标准规范的持续发布说明我国政策对红外热像技术强力支持。在《信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要》中，将红外热像技术列为重点技术领域；在《高技术产业发展十一五规划》中，红外热像技术被明确列入。

图4和图5为红外市场规模图，图6为各大红外企业份额图。由于国内经济高速发展，中国红外市场年均增长率可高达20%，从2006年为4亿元，增长至2013年的12.06亿。目前中国民用红外热像仪的供应商不多，具有较强的独立研发能力的国内民用生产企业主要为大立科技、广州飒特和武汉高德，但需继续发展研发实力，提高市场影响力。近几年红外市场贸易额持续增长，表明中国红外热像技术民用市场逐步扩大。随着国家支持性法律法规、标准规范的陆续出台，红外热像技术日益规范，本土技术替代进口技术趋势愈加明显[4]。

图1 有关论文数量与发表时间关系

图2 有关论文作者的国别分布

图3 有关国内标准文献数量与颁布时间

图4 世界红外热像仪市场规模与时间关系

图5 中国红外热像仪市场规模与时间关系

图6 红外生产企业市场份额图

1.2 按文献具体应用领域的计量分析

为更深入研究红外热像技术在我国应用研究进展，对2000～2013年我国重要期刊上发表的有关红外热成像技术的中文学术论文进行系统检索，按照学科分类对红外热像技术的应用论文进行分类统计，统计结果见表1。

从上述统计中可看出，红外热像技术广泛应用于多个学科，主要应用方向为设备无损检测及温度检测，论文数发表较多的学科为医药卫生、电力工业、轻工业和化学等，而在核工业、水利水电业则论文发表相对较少。一方面是由于学科领域发展不均衡，另一方面则是由于各行业机构数目不对等，如目前我国核电站数量仅有4座，21台在运核电机组；而医疗卫生机构达98.1万个。但29个学科的应用分布印证了红外热像技术同其他学科之间有密切联系，红外热像技术的应用范围也逐渐拓宽。

2 红外热像技术应用于不同行业安全的具体内容分析

安全科学创建于20世纪80年代，是从人体免受外界因素（事物）危害的角度出发，并以生产、生活、生存过程中创造保障人体健康条件为着眼点，揭示安全客观规律的学说。红外热像技术作为一种检测手段在安全科学中起着举足轻重的作用[5]。

表1 红外热像技术的应用分析及论文统计

2.1 交通安全

火车运输方面，早在20世纪70年代，红外热像技术就已应用于火车热轴箱温度测量报警系统，现在主要应用于火车车轮及轴承温度测量[6]。汽车运输方面，使用红外热像技术测量发动机及轮胎温度。以热红外成像技术为基础建立汽车防撞系统，根据路面情况及车速变化安全距离，提高安全性能[7]。船舶运输方面，应用红外探测建立桥梁防撞预警系统，对船舶进行预警；红外热像技术也同样应用于发动机检测[8]。航空运输方面，应用红外热像技术进行机体内部缺陷检测、发动机温度检测；并可利用红外系统识别跑道异物及预警，有效预防跑道异物对航空安全的威胁[9]。

2.2 电气安全

电力设备隐患表征多为温值过高。红外热像仪可对负荷电气设备进行检测，直观观察异常温度，及时发现火灾隐患，防止电气火灾事故。

1965年，瑞典国家电力局同AGA公司研制出第一套专门用于电气设备检测的商用红外热像；英国在1971年召开了红外技术会议，对于红外热像技术的发展，发挥了巨大推动作用[10]。

我国于20世纪80年代末引进瑞典红外热像仪，进行电气设备检测。1974东北电力局和沈阳电业局率先研制红外测温仪并成功进行电气接头温度检测。随后红外技术在电气检测逐渐普及，随着《交流高压电器在长期工作时的发热》（GB 763-1990）、《低压电器基本标准》（GB 1497-1985）等标准的陆续颁布，现已广泛用于发电厂、变电所中变压器、电动机、开关接点等电气设备的隐患排查和故障检测及输电线路的负荷检测。在东北电力局、陕西电力局、湖北电力局等多所科研单位和生产运行单位都进行了电气设备的红外检测，有效诊断出事故隐患[11-13]。

2.3 建筑施工安全

建筑施工中存在高层建筑物外墙装饰易发生坠落伤人事故、基础设施建设中混凝土构件存在缺陷等隐患。通过红外热像技术可将红外辐射变为红外图像，可大面积检测建构筑物，直观反映被测物温度状况、结构及受损状况。

红外热像技术在建筑行业的应用稍晚于电力行业。1983年国际标准组织制订了第一部建筑领域的红外标准：《保温-建筑维护热异常的定性诊断红外方法》（ISO6781-1983（E））。美国学者已将红外热像技术应用于建筑物的缺陷检测、路面缺陷检测等方面。ASTM和ASTN一直致力于混凝土的红外检测，并制定了相关的检测标准[14]。

我国红外热像技术在建筑安全方面起步较晚，1983年北京建筑工程研究所初步进行建筑物缺陷红外诊断。20世纪90年代，我国建设部颁发《建筑工程饰面砖粘结轻度检验标准》，为首部规范红外热像在建筑物外墙饰面检测的规范。现今已颁布《红外热像法检测建筑物外墙装饰面粘贴质量技术规程》（Q/JY25-2003），《红外热像法检测建筑外墙饰面粘贴缺陷技术规程》（CEC204-2006）等规范。特别是《采暖居住建筑节能检验标准》（JGJ132-2001）中明确规定“建筑围护结构热工缺陷宜采用红外热像法进行定性检测”。

哈尔滨工业大学、清华大学等多家科研院所针对红外热像技术在建筑物隐患检测方面应用开展研究。如清华大学提出混凝土内部置入电阻丝加热的红外热线检测方法、北京航空航天大学提出两种定量缺陷红外检测法、武汉大学建立混凝土内部缺陷深度公式[15-17]。

综合分析国内外使用情况，其应用主要集中于建筑物外墙装饰面粘结质量检测、混凝土构件内部缺陷及损伤检测、混凝土路面缺陷探测、加固工程粘钢粘贴质量检测、建筑质量检测等方面。

2.4 石油化工安全

石化设备工作环境多为高温高压、腐蚀、氧化等，具有极强易燃易爆危险性。传统热电偶等测温方式效率低、局限性大。而红外热像技术凭借其非接触性和准确性在石化领域得到广泛应用[18-19]。

国外19世纪70年代即应用红外热像技术对石化系统反应炉、加热炉、管道等进行隐患排查。中国石油化工集团19世纪80年代引进红外热像仪，在长岭炼油厂、齐鲁石化公司等单位开展石化设备红外诊断检测。19世纪90年代，我国红外热像技术研发工作不断开展，深入开展设备内部诊断等。其后，红外热像技术在石化领域应用愈加广泛，从最初简易厂内检测发展到精密红外诊断、设备趋势分析和寿命预测[20-23]。

分析目前石化领域应用情况，红外热像技术仍存在以下问题：①处于定性诊断阶段，诊断结果依靠经验判断，缺乏定量化标准；②周围环境参数影响因素未排除，石化设备高温环境等对目标测量存在影响，应开展补偿计算；③存在几何定位误差，被测物体红外热像图存在一定程度畸变，须消除几何定位误差，减少测温误差。

2.5 矿山安全

红外热像技术应用于煤炭行业相对较晚，最初仅限于井下电气设备诊断检测。随着红外热像技术日趋成熟，矿山自燃发火、突水、瓦斯突出、顶板垮落等问题都可用其来解决。

1）岩石受力灾变

同岩石受力灾变有关矿井灾害有顶板垮落、边坡失稳、冲击岩爆等。对矿山岩石受力过程进行检测和有效识别，能够起到预防灾变的目的。

早在1994年，国家地震局邓明德等即对岩石应力同红外辐射的关系开展初步探讨[24]，1997年吴立新等对矿山岩石受力红外辐射进行研究，发现矿井岩石屈服过程中存在红外前兆，可利用红外前兆及时发现矿山岩石灾变过程，进行预警[25]。

2）煤矿自燃

美、德、俄等国都利用红外热像技术对煤壁、煤柱温度进行监测，开展自燃预测。1988年我国煤炭部门引进红外技术进行火区调查。我国徐州、兖州等多矿区采用红外仪测定井下煤壁温度，达到预测自燃目的。王振平等应用红外热像技术对巷道壁面进行探测，建立近距离自燃高温反演，确定自燃火源深度、范围和温度。刘辉等应用红外热像技术进行大面积扫描感温，提出确定自燃矿石火源定位新方法。阳富强等将红外热像技术应用于金属矿山，揭示红外热像技术实际应用时误差机理。利用红外热像仪进行矿井自燃预测已成为自燃预测的发展趋势[26-29]。

3）瓦斯突出

煤矿瓦斯突出为应力、瓦斯和煤的力学性质三者综合作用的结果，而煤层采掘面附近煤体温度与这3个因素都有关系，因此可把红外征兆作为瓦斯突出预测指标。

20世纪60年代，波兰根据井下钻孔温度和煤壁温度进行突出预报。1993年，中国科学院上海技术物理研究所张才根等应用红外测温仪对煤样瓦斯吸附温度进行研究；2006年钟晓辉等应用红外热像仪对煤体破裂过程温度场进行测定，得出了煤样红外图像。2013年西安科技大学刘纪坤等应用红外热像仪对煤体瓦斯吸附过程温度变化进行测量，拟合温度变化曲线。一系列研究推动红外热像技术在煤与瓦斯突出预测预报方面的应用的进步[30-32]。

4）矿井突水

矿井突水在矿山事故中最为严重，传统矿井突水检测主要对突水点部位、高压富水区、岩溶陷落柱和导水断层进行探测，缺乏矿井突水形成过程动态监测预报。而矿井岩石在破裂及渗水过程中存在红外异常。

我国最早在1997年，邓明德等对含水岩石红外辐射进行研究，研究发现岩石破裂前有高温带出现；2008年陈群龙等进行含水岩石应力加载研究红外辐射变化；2010年刘善军等针对矿井突水进行实验模拟，研究试样破坏过程中红外辐射变化，发现变化规律[33-35]。

由于矿山井下条件较复杂，红外热像技术在井下应用仍存在问题未解决：①井下被测物体温度范围相差不大，红外辐射较弱，对红外热像仪正确判断存在干扰；②井下环境含有大量粉尘、甲烷、一氧化碳等，对红外辐射吸收和散射存在影响；③红外热像技术只获取矿山表面温度，对内部温度需结合井下具体情况反演。

2.6 消防安全

通过层层烟雾和建筑障碍寻找被困人员和隐蔽火源在消防救援中难度最大。红外热像技术凭借非接触性、准确的优点，能够正确探测出隐蔽火源，可在消防灭火救援中迅速获取火场内部火源位置。红外热像技术主要集中应用在火情侦察、搜索救援、辅助灭火和火场清理这几个方面[36-37]。

另外红外热像技术也可进行林火探测。早在19世纪60年代，美国已展开森林火警红外探测的研究。现已发展到将探测红外图像同卫星和站台直接共享，迅速确定森林火险。我国在19世纪70年代开始将红外热像技术应用于森林火险探测。现我国森林火险探测将红外技术同北斗卫星导航相结合，通过对要素的量算，能够建立信息快速传输森林火灾侦查系统。伴随社会进步及技术发展，红外热成像技术在安全防火消灾等方面发挥更大作用[38-39]。

2.7 应急救援

发生矿难、爆炸等灾害后，通过红外热像技术对目标辐射进行分析，可获取被埋压幸存者红外图像，大幅提高救援效率。

美国、日本等国家在20世纪90年代就已应用红外热像技术进行火灾爆炸、矿井坍塌、滑坡等灾害救援工作。在1999年土耳其地震和台湾大地震中，美国和日本采用红外热像技术进行救援，发挥了很大作用。在我国汶川大地震中，救援人员利用红外热像技术及时确定被埋在废墟底下幸存者位置。为营救工作争取宝贵时间[40-42]。

2.8 职业卫生

我国职业卫生工作开展较为缓慢，因此，红外热像技术在职业卫生领域应用相对较少，主要集中在对高温环境及人体温度检测。

武建民等在实验室环境下对处于不同气温作业人员进行体表温度检测，研究人体同热环境之间关系[43]。李珞铭等应用红外热像技术建立安全帽传热模型，设计良好通风散温性能安全帽，为露天高温作业人员提供职业卫生保护[44]。游波等通过红外热像技术研究矿井高温热害对人体生理健康和工作效率影响，分析矿井高温对人体危害[45]。

红外热像技术在职业卫生领域还处于起步阶段，大多集中于人体温度检测。红外热像技术拓展性功能还未在职业卫生领域开展，在一定程度上影响了该技术发展。

3 结论

1）论文统计分析了2000～2013年红外热像技术研究领域的文献，检索结果表明该领域研究在世界各国的重视度逐年提高。中国红外热像技术发展迅猛，已处于世界前列，但较于美国还存在一定的差距。

2）从现有文献分析可知红外热像技术应用主要侧重于医药卫生、轻工业、仪器仪表业、化工行业等安全领域。红外热像技术应用范围还可在核工业、水利水电业等安全领域进一步推广。

3）现有红外热像技术、诊断结果较多依靠经验判断，缺乏定量化标准；周围环境参数影响因素未排除且存在几何定位误差。因此，红外热像技术应同安全科学领域基础技术进一步渗透。通过建立定量分析模型，将红外检测结果进行校正和补偿计算，减少测温误差，精确测温结果[46-49]。

4）红外热像技术在被广泛应用的同时，本身也不断得到完善、发展和丰富。其为员工生命安全和设备设施安全运行提供了有力的保障。红外成像技术作为一门综合性技术，它的发展同安全科学学的发展相辅相成。随着学科理论的不断发展，红外成像技术在安全科学领域有着更为广阔的应用前景。

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Research and Progress of Infrared Imaging Technology in the Safety Field

SHI Dong-ping，WU Chao，LI Zi-jun，PAN Wei

（，，410083，）

For the reasons of non-contact measure and fast imaging, infrared imaging technology has become a research and applying hotspot both in China and abroad. Based on the database 'EI Compendex', 'Inspec', 'US Patents', 'EP Patents' and that of VIP Chinese, scientific and technical journals about infrared imaging in 2000-2013 were searched. The statistics of the publication time, authors' nationalities, application fields, standard specification and marketing distribution were analyzed. The current status and development directions in the field concerning safety science and technology were pointed out in detail, and the problems existed in infrared imaging technology have been analyzed. Finally, the tendency and future work of the infrared imaging technology in safety science and technology were forecasted.

infrared imaging technology，safety science and technology，applied statistics

TN219

A

1001-8891(2015)06-0528-08

2014-11-07；

2014-12-16.

石东平（1988-），女，博士生，主要从事硫化矿的红外热像方面的研究。E-mail：526223151@qq.com。

吴超（1957-），男，教授，博士生导师，博士，主要从事安全与环保领域的教育和科研工作。E-mail：wuchao_csu@126.com。

国家青年自科基金，编号：51304238；湖南省研究生科研创新项目，编号：CX2013B080。