红外线热成像技术在客运索道维管中的运用

赵忠强

泰山索道运营中心 泰安 271000

近年来，得益于信息技术、微电子技术、计算机技术的高速发展，基于红外线热成像（以下简称热成像）的各种机具不断出现，使热成像仪、热成像摄像机等设备在各行各业得到广泛应用，正在逐步改变生产与管理方式。从消防监控到机械设备的维护管理，热成像技术都有广阔应用空间，能发挥其独特应用价值；探讨热成像技术的应用方法也越发凸显必要性。

1 技术背景

热成像技术经历了多个发展阶段。1964年美国某仪器公司首次研制成功第一代热成像装置，称为红外前视系统，这类装置利用光学元件运动机械，对目标的热辐射进行图像分解扫描形成视频图像。红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。20世纪60年代中期，在红外前视装置的基础上开发了具有温度测量功能的热成像装置，通常称为热像仪，被划分为第二代热成像装置。随着微电子技术、计算机技术与通信技术、人工智能技术的高速发展，众多热像仪具备了通讯功能，一批智能化自动化的新型视频设备、安防设备、AI设备、医疗设备等应运而生，热成像技术的应用更广泛更深入。

当今客运索道的运营管理、设备维保、消防、安防等方面应更加注重隐患排查与风险管控，热辐射在这些方面都是举足轻重的因素，观察热辐射的程度、分布、影像、痕迹，有利于快速准确的辨识出与热辐射密切相关的隐患点、故障点等。

2 热成像原理与特点

2.1 原理

红外线是自然界中广泛存在的电磁波辐射，当物体的温度高于绝对零度-273℃时便会发出波长0.76 μm到1 mm的红外辐射，这是物体内部分子热运动的结果。其辐射能量正比于自身温度的四次方，辐射出的波长与其温度成反比。热成像技术就是根据探测到的物体辐射能量的高低，利用仪器接收自物体发出的人眼不可见的辐射，通过图像处理后显示出物体的热影像，热影像以灰度或伪彩的变化形式表达物体对应部位的温度分布以及温度的高低。部分热成像器材不仅可以显示物体的热影像，还能够同步测量出物体各区域的温度，将温度分度情况通过不同色彩的分布表达出来。

2.2 特点

1）热成像技术的被动非接触探测方式对被测物的性状无干扰，有利于安全、准确地测量或观察高温、带电、远距离被测物的温度。

2）采取面取样的测量方式使热成像技术相交点取样的测量方式及速度更快，对温度分布的分析更简便、更快捷。

3）以图像的形式表达测量结果，直观、准确、简洁地表达热在被测物上的传导分布情况，有利于对观测结果的准确掌握与运用。

4）以数字形式存储测量结果便于使用通讯技术、AI技术、计算机技术、物联网等手段存储、分析、传播、运用。

5）热成像技术能够探测特定波长的红外线辐射，而非全红外光谱，故存在观测盲区的现象。

6）红外辐射在大气中传输存在大气窗口现象，在3个窗口波段红外辐射的传输较少受大气影响。

3 热成像设备

热成像设备按照使用方式可分为手持（便携）式和固定式，按照用途可分为周界安防、消防侦测、测量分析等种类。固定式的红外摄像机广泛应用在安防报警系统、防疫筛查系统、消防报警与自动灭火系统、科研观测系统、工业生产自动化系统、物联网系统等，应用非常广泛。这一类设备成像精度高，具备长时间连续热成像拍摄功能、数据传输与存储功能，部分设备还具有自动识别与报警功能；部分物联网设备具备了RS422、RS232、NB-IOT、以太网等通讯功能，如场站码头的人员体温筛查与风险识别报警、热成像无损探伤、低能见度环境下的观察等。

体积小便于携带的热成像设备被应用到需要灵活运动的场所，其功能更加专业化、专属化。例如救援器材、单兵器材、设备点检器材等，都具备一定的抗跌落、小型化、易于携行等特点，又分别要具备防水、望远、抗污、移动侦测、移动通讯等不同性能要求，应用于工业设备点检、检测的设备还具有温度测量、数据存储、数据分析、报警设定、无线通信、场内定位等功能。

4 在客运索道运营中的运用

4.1 利用红外线传输出的大气窗口效应

客运索道大多建设在山地、河泽等区域，这些地方时常有云雾遮蔽索道线路，使索道操作人员和巡视人员不便准确地观测索道设备运行状况。由于大气窗口现象0.7～2.5 μm、3～ 5 μm、8～14 μm 波长的红外光传输不受雾气的影响，热成像设备探测这些红外辐射，还原出相应图像，工作人员可依据此功能特点发挥热成像设备在客运索道安全运营方面的独特优势，提高索道运营的安全可靠水平。

4.2 改善监测质量

在客运索道上应用热成像设备可改善对连续运行设备的监测质量，提高对索道关键设备的运用保障水平。使用具有温度测量功能、温度分析报警功能和网络传输功能红外摄像机监测关键设备的运行情况，实时将被测设备运转的图像、热分布情况、温升数据等运行数据通过网络传送给上位应用。当设备发生过载、超温等异常时上位应用自动报警，甚至自动调整设备的运行状态。

4.3 帮助设备管理

热成像设备的应用有助于对设备开展状态管理、预防性维修及快速抢修，技术人员运用手持式热成像仪（以下简称热成像仪）检测设备分析热影像，能够快速准确地辨识设备中温度异常的部位，也能通过温度数据定量分析设备技术状态的变化程度。极大地方便了技术人员判断设备技术状态劣化（老化），为快速查找隐患、处置故障以及制定状态管理与维修方案提供可靠依据。图1为热成像仪拍下的索道驱动轮轴承组上端温度分布。

图1 热成像仪拍下的索道驱动轮轴承组上端温度分布

4.4 创建智能消防体系

专业的消防用红外热成像摄像机具有测温、起火点辨识、通讯、云台、自动巡视等功能，布置到客运索道的车库、油料库、备件库、候车大厅、乘客集散通道等火灾隐患重点防控场所，可方便地搭建起兼具视频巡查与火情自动报警、远程遥控扑救等功能的消防视讯报警系统；也可作为消防物联网的信息传感单元与自动喷淋、电力自动配给系统、消防照明系统、自动通风系统、站区广播系统、防疫筛查系统、OA系统等共同组成索道站区内的智能消防与安全综合管理平台，进一步夯实索道防火、治安、隐患探测、防疫、客流秩序维护、应急预案实施等关键基础工作。

5 运用案例

5.1 监测核心索道设备

主电力变压器的运行状态直接关系索道的安危，是索道动力系统中的核心设备。变压器的诸多故障在隐患阶段都是以温升异常现象表现，如通风故障、铁芯松动、铁芯绝缘异常、绕组绝缘异常、偏载、电源污染、电路接线接触不良等。

某客运索道观测站起初使用普通网络摄像机，观测主变压器和配电系统的实时运行情况，只能采集设备运行的可见光图像，工作人员很难依据该信息，远程准确判断设备的运行状态是否有快速劣化倾向。改用具备伪彩热成像输出、各区域温度测量、超温报警、网络云台、数据存储与传输等功能的热成像网络摄像机（以下简称红外摄像机），连续测量并实时上传变压器的热成像。红外摄像机投运后，维保人员通过观察主变压器的热像，发现变压器外罩上部的伪彩有较大变化（见图2），回看录像后确定此处温升徒增，而变压器的载荷与运行环境参数并无变化。经过排查，确定给变压器降温的4台轴流式风机中1台出风量变小，导致变压器外罩内的通风量下降温升增大，更换风机后变压器的运转温升恢复正常。

图2 红外摄像机上传的配电室设备实时热像图

动态红外测温技术可实现对电气设备温度的实时连续测量，准确掌握设备温度随时间与负荷变化的趋势，并能实时记录设备运行的多媒体资料、运行数据资料，为设备状态诊断提供了形象化、数据化的可靠依据，便于快速精准地排查设备缺陷，及时消除潜在的隐患。

5.2 日常点检使用

索道供电系统中通常在主变压器二次侧采用综合滤波补偿系统，改善功率因数滤除有害谐波。日常巡检过程中维保人员使用热成像仪点检综合滤波补偿系统，某组LC单元的电源接触器热像明显异常（见图3），呈现B相出线端口部位温度高达123℃；与同工况的设备比较热像图确定该部位存在发热异常现象，根据现场环境散热条件、运行数据初步判断为接触器内部存在技术缺陷，发热现象有进一步发展的可能。立即采取防护措施，防止隐患快速发展成事故。

图3 LC单元空气开关中相出线的隐患热像图

拆检该接触器发现，位于其壳体内部的B相出线端安装座老化开裂，导致端子组件上的静触头松动，动触头与静触头接触不良、接触电阻升高运行中发热现象严重。如不及时处置将进一步加快端子安装座的老化速度，快速发展成为故障甚至事故，已经形成安全隐患。

隐患常存在强烈的隐蔽性。故障接触器的外观与正常接触器别无二致，仅凭肉眼无法观测到内部已经老化损毁的迹象，如图4所示右侧的接触器内部发生故障后外观毫无异常。使用热成像仪可以快速准确地发现内部异常发热导致的热场异常，从而定性判断隐患存在于否，破除隐患的隐蔽性。

图4 发生内部故障的接触器

热成像仪可以拍下同一器件不同时间的热像图，极大地方便了工作人员，通过分析不同时间设备发热情况的变化来分析设备技术状态的变化程度和变化速度，判断设备老化的变化规律，为开展预见性维修和发挥设备最佳状态提供依据。

热成像仪拍下同类设备、相同工况下的热像图相互对比，有利于直观、快速、准确地发现设备的异常热。这些异常的热现象反映出异常的设备运行情况、环境条件、负荷变化，便于快速缩小故障（隐患）查找范围，快速确定故障处置路径，可有效处置运行中突发故障及隐患，尽量减少乘客的滞空时间。

对比维修前和维修后设备热像图，还可以根据热场分布的变化、温升速度的变化、温升幅度的变化评估维修效果，优化维修方案，制定维修周期计划。

5.3 热成像设备的应用局限

在实际应用中，无论是热成像仪还是热成像摄像机都不宜隔着玻璃、亚克力等透明物体测量温度拍摄热成像图。如图5、图6所示，同一时间测同一设备的同一部位，隔玻璃测得的温度值会比实际值偏小很多。

图5 无间隔的情况下测得设备温度为57.4℃

图6 隔玻璃观察窗测得设备温度为32.3℃

出现这种情况的原因主要是热成像设备采用锗玻璃制造镜头、探测器，在锗玻璃上镀光学薄膜，可大大增加其透过率，减少锗玻璃表面的反射率。锗玻璃在可见光波段是不透过的，在2～16 μm波长段具有很好透光性能，而普通的光学玻璃在这些波段透过率极低，造成了热成像仪难于透过玻璃成像的现象。

6 结语

热成像技术历经近长久的发展已经成为一项成熟的技术，尤其是近年来在计算机技术、互联网技术、物联网技术、人工智能技术的加持下将逐步走向自动化、信息化、智能化，未来的热成像技术将凭借独特的探测和感知特性与信息化相结合，发展出更为先进的人工智能视觉技术。未来随着客运索道管理的智能化、网络化水平不断提升，热成像设备必将在客运索道的各个方面广泛且深入的应用。