劉 煒／刁玉紅／馬名東／孫鳶飛（中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司智能工程中心，北京10089）

紅外熱成像技術(shù)在智慧城市可視化管理中的應(yīng)用研究

劉 煒／刁玉紅／馬名東／孫鳶飛（中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司智能工程中心，北京10089）

0 引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代下的智慧城市，其城市管理決策者需要做到“看得見、看得清、看得懂”，城市運(yùn)行體征大數(shù)據(jù)中心需要配備必要的可視化工具，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化管理。大量物理數(shù)據(jù)的獲取主要依靠各種不同功能的傳感器。傳統(tǒng)的城市環(huán)境監(jiān)控實(shí)時(shí)圖像獲取大多是依靠在可見光頻譜（人眼視覺所感知的）范圍內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)捕捉。而紅外熱成像技術(shù)則是將傳統(tǒng)的可見光圖像采集技術(shù)，突破到人眼的視覺所無法感知的不可見光光譜，再將智能分析技術(shù)和光學(xué)濾波技術(shù)引入其中，可使城市的智慧化管理水平大幅度提升。紅外視頻熱成像圖像技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，隨著該技術(shù)的成熟和推廣應(yīng)用，成本也會(huì)逐漸降低，且視頻圖像智能分析技術(shù)也已經(jīng)日趨完善，可以對(duì)監(jiān)控畫面進(jìn)行復(fù)雜的分析。應(yīng)用上述兩項(xiàng)技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警功能。

1 工作原理

1.1 研究主要技術(shù)

結(jié)合紅外視頻熱成像技術(shù)和視頻圖像智能分析技術(shù)，建立全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)，可以有效解決城市重點(diǎn)區(qū)域火災(zāi)初起的探測(cè)與閾值目標(biāo)鎖定；人流聚集區(qū)域的流向趨勢(shì)顯示；近岸油船輸送溢油監(jiān)測(cè)等典型場(chǎng)景的全天候監(jiān)控。將本全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)引入城市環(huán)境監(jiān)控，與可見光視頻監(jiān)控相配合組成互補(bǔ)監(jiān)控，為智慧城市提供全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)平臺(tái)和可視化管理大數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)由紅外熱成像器、信息處理系統(tǒng)和上位機(jī)控制軟件三部分組成，其中紅外熱成像器和信息處理系統(tǒng)構(gòu)成紅外智能監(jiān)控裝置，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

1）紅外熱成像器

紅外熱成像器主要用于完成場(chǎng)景紅外圖像的采集。當(dāng)目標(biāo)和背景的紅外輻射經(jīng)大氣傳輸?shù)竭_(dá)紅外熱成像器后，先由紅外光學(xué)系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)紅外輻射和反射的接收，并把能量匯聚到紅外探測(cè)器光敏面上；探測(cè)器將目標(biāo)輻射強(qiáng)度通過光電轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)；圖像預(yù)處理電路則把模擬電信號(hào)緩沖、放大，并實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信號(hào)的非均勻性校正，最終輸出模擬和數(shù)字視頻信號(hào)。紅外熱成像器模型見圖2。

圖2 紅外熱成像器模型

2）信息處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)用于處理與紅外成像器和上位機(jī)之間的通訊和圖像傳輸。通過接收上位機(jī)指令完成多種智能圖像分析與處理，輸出處理后的監(jiān)控圖像及異常報(bào)警信息，并通過數(shù)據(jù)通訊接口完成指令和信息的傳輸，再由模擬視頻電纜將PAL視頻傳輸至監(jiān)視器進(jìn)行顯示。信息處理系統(tǒng)由信息處理電路和信息處理軟件兩部分組成。信息處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外探測(cè)器輸出圖像的接收，與上位機(jī)完成控制指令的串口通訊收發(fā)，并依據(jù)上位機(jī)指令和數(shù)據(jù)完成相應(yīng)圖像智能分析算法的運(yùn)行；信息處理軟件主要實(shí)現(xiàn)智能分析與報(bào)警，軟件可以進(jìn)行模塊化開發(fā)，適應(yīng)不同的使用環(huán)境。

3）上位機(jī)控制軟件

上位機(jī)控制軟件完成對(duì)紅外智能監(jiān)控裝置的控制和配置、紅外圖像的采集和顯示、報(bào)警信息提示及數(shù)據(jù)保存等功能。上位機(jī)控制軟件為可執(zhí)行的文件形式，需以計(jì)算機(jī)為載體進(jìn)行相關(guān)操作，計(jì)算機(jī)應(yīng)具備2個(gè)RS422串口、1個(gè)RS232串口及模擬視頻采集卡。

上位機(jī)工作流程：監(jiān)控系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行自檢，能夠?qū)Ψ窒到y(tǒng)及通訊狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)自檢正常時(shí)，將進(jìn)入狀態(tài)選擇模式，操作人員可通過上位機(jī)控制軟件對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行選擇，主要分為系統(tǒng)設(shè)定、智能監(jiān)控、人工監(jiān)控和系統(tǒng)維護(hù)四個(gè)狀態(tài)。其中，在系統(tǒng)設(shè)定狀態(tài)下，能夠?qū)ΡO(jiān)控區(qū)域、

監(jiān)控類型、報(bào)警閾值等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)設(shè)定好上述內(nèi)容后，可使系統(tǒng)進(jìn)入智能監(jiān)控狀態(tài)；在智能監(jiān)控狀態(tài)下，可根據(jù)設(shè)定對(duì)監(jiān)控區(qū)域的圖像進(jìn)行智能分析及檢測(cè)，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，向上位機(jī)控制軟件發(fā)送報(bào)警信息和數(shù)據(jù)，提示操作人員異常情況的發(fā)生；在人工監(jiān)控狀態(tài)下，操作人員可通過上位機(jī)控制軟件對(duì)云臺(tái)工裝和紅外熱成像器進(jìn)行控制，人工觀察所關(guān)注區(qū)域的情況；在系統(tǒng)維護(hù)狀態(tài)下，設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，完成系統(tǒng)參數(shù)配置和優(yōu)化，進(jìn)行軟件升級(jí)等功能（該項(xiàng)須由軟件管理員操作）。

1.3 全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)外形、界面

1）研究所用設(shè)備外形（見圖3）。

2）人機(jī)界面（見圖4）。

2 應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 城市重點(diǎn)區(qū)域火災(zāi)初起的探測(cè)與閾值目標(biāo)鎖定

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，建筑密度加大、用能增多，重點(diǎn)區(qū)域的火災(zāi)事故損失巨大。目前國內(nèi)重、特大火災(zāi)事故不斷，特別是石油化工企業(yè)的工廠、油庫、輸油管道以及倉庫、寫字樓、辦公樓、影劇院等場(chǎng)所火災(zāi)事故頻發(fā)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。如果可以通過全天候紅外熱成像監(jiān)測(cè)器對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全天候監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)初起火災(zāi)，則可將損失降到最低。

圖3 設(shè)備外形

圖4 人機(jī)界面

2.1.1 應(yīng)用實(shí)例

場(chǎng)景：單一地面背景，無雜物，視場(chǎng)范圍內(nèi)無遮擋物；天氣情況：多云，能見度一般；時(shí)間：14：20；典型目標(biāo)：明火，火盆中一塊點(diǎn)燃的紗布，鏡頭探測(cè)距離約80m。驗(yàn)證流程：將監(jiān)控系統(tǒng)架設(shè)在高層建筑窗口處，俯視下方廣場(chǎng)區(qū)域，選定監(jiān)控區(qū)域后在該區(qū)域內(nèi)利用容器點(diǎn)燃小股明火，監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別并報(bào)警；隨機(jī)移動(dòng)明火容器，改變明火位置，監(jiān)控系統(tǒng)依舊準(zhǔn)確跟蹤識(shí)別、報(bào)警，如圖5左圖所示；在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)多個(gè)位置點(diǎn)燃明火，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)多個(gè)明火點(diǎn)同時(shí)識(shí)別、報(bào)警，如圖5右圖所示。

2.1.2 實(shí)例結(jié)論

紅外熱成像監(jiān)視器可以快速發(fā)現(xiàn)火災(zāi)初起的明火，及時(shí)做出報(bào)警反饋，為城市重點(diǎn)區(qū)域的安全防范監(jiān)控提供重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖5 明火初起監(jiān)測(cè)報(bào)警

2.2 人員密度監(jiān)控

重點(diǎn)景區(qū)、大型商場(chǎng)等建筑體量大、業(yè)態(tài)特殊、人員密度大；根據(jù)時(shí)間段、節(jié)假日周期的不同情況，人員密度分布變化很大，需要全天候進(jìn)行監(jiān)控。國內(nèi)多次發(fā)生旅游景點(diǎn)、商業(yè)區(qū)等踩踏事故，使用全天候紅外熱成像監(jiān)測(cè)器對(duì)重點(diǎn)人流區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)疏導(dǎo)大人流，可以避免事故發(fā)生，防患于未然。

2.2.1 應(yīng)用實(shí)例

場(chǎng)景：單一地面背景，無雜物，視場(chǎng)范圍內(nèi)無遮擋物；天氣情況：多云，能見度一般；時(shí)間：15：00；典型目標(biāo)：行人，鏡頭探測(cè)距離約80m。驗(yàn)證流程：將紅外熱成像檢測(cè)器對(duì)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)通道，模擬行人經(jīng)過，在監(jiān)控畫面內(nèi)捕捉行人的目標(biāo)，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的行人數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示，從而提醒相關(guān)人員啟動(dòng)人員疏導(dǎo)管理預(yù)案?？梢姽鈱?duì)人員及流向的監(jiān)測(cè)識(shí)別、紅外熱成像對(duì)人員及流向的監(jiān)測(cè)識(shí)別見圖6～7。

2.2.2 實(shí)例結(jié)論

系統(tǒng)可以全天候監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域的人流變化，針對(duì)密集人流作出報(bào)警提示，方便處理突發(fā)情況，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警反饋，對(duì)城市重點(diǎn)區(qū)域的安全防范監(jiān)控提供重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖6 可見光對(duì)人員及流向的監(jiān)測(cè)識(shí)別圖

2.3 近岸油船輸送溢油監(jiān)測(cè)

石油石化航運(yùn)碼頭屬于特殊的管理區(qū)域，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，一旦發(fā)生事故后果十分嚴(yán)重。由于經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，石油石化產(chǎn)品的需求也越來越多，此類區(qū)域的火災(zāi)爆炸事故也開始頻繁發(fā)生，不僅造成了重大的生命財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)還會(huì)嚴(yán)重破壞環(huán)境。全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)可以對(duì)這些區(qū)域的重點(diǎn)部位進(jìn)行監(jiān)控管理，分別對(duì)碼頭和船舶之間的海面、卸油船舶以及輸油臂等工藝設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)原油船及裝卸碼頭上工藝管道、輸油臂閥組等可能漏油部位的溢油事故以及監(jiān)控區(qū)域海面油膜的出現(xiàn)并報(bào)警，及時(shí)通知值班工作人員進(jìn)行處理。

圖7 紅外熱成像對(duì)人員及流向的監(jiān)測(cè)識(shí)別圖

2.3.1 實(shí)例驗(yàn)證準(zhǔn)備

在廣州某海域搭建驗(yàn)證環(huán)境。通過全天24h油船及海面數(shù)據(jù)采集，以及典型目標(biāo)與背景條件，為驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)輸油臂三維接頭與艦船法蘭連接處漏油和海面溢油事故的監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

1）海面圖像分析

（1）在方案階段選用了長波紅外探測(cè)技術(shù)方案，能夠減少此種效應(yīng)的出現(xiàn)。當(dāng)太陽高度角較低（日落、日出）時(shí)，反射效應(yīng)最嚴(yán)重，試驗(yàn)中海面紅外圖像均呈現(xiàn)出均勻的灰度值，出現(xiàn)輕微的反光效應(yīng)，如圖8中16：00和06：00圖像所示。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此種設(shè)計(jì)有效避免了“波光粼粼”的不良成像效果。

（2）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，海面紅外圖像灰度全天一致性較高，呈現(xiàn)較低的灰度，因此油船、輸油臂、泄漏原油等目標(biāo)與海面能夠形成較高對(duì)比度，易于探測(cè)和識(shí)別。

2）郵輪圖像分析

（1）油船紅外圖像全天灰度明顯高于海面灰度，易于探測(cè)和識(shí)別。

圖8 典型時(shí)刻水面圖像

（2）船體灰度因受太陽輻射，會(huì)隨時(shí)間不斷變化。

如圖9中16：00圖像數(shù)據(jù)所示，船體因受到太陽光照射，溫度升高，加之陽光反射，船體呈現(xiàn)出更高的灰度，遮擋處形成了陰影。

圖9 典型時(shí)刻泊油船圖像

如圖9中20：00圖像數(shù)據(jù)所示，隨著日落，船體溫度逐漸下降，灰度隨之降低。因存在太陽照射不一致情況，船體表現(xiàn)出溫度的不一致性，因此船體呈現(xiàn)出不一樣的灰度。

如圖9中24：00圖像數(shù)據(jù)所示，隨著船體達(dá)到熱平衡，船體呈現(xiàn)出灰度一致性。

如圖9中06：00圖像數(shù)據(jù)所示，隨著船體溫度的持續(xù)降低，到第二日早上船體溫度降至最低，表現(xiàn)出灰度最低。

（3）輸油臂與油船連接后，因存在高于氣溫的原油運(yùn)輸，輸油臂呈現(xiàn)出高亮，且不隨時(shí)間變化，灰度穩(wěn)定。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證及分析，運(yùn)輸?shù)脑图拜斢捅墼谌?4h不間斷輸油過程中，灰度高于背景的船體和海面，因此如發(fā)生原油泄漏，紅外可有效對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。并且與可見光相比，紅外在夜間具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，如圖9所示，能夠形成與白天顯示效果相似的圖像，便于工作人員對(duì)輸油現(xiàn)場(chǎng)和海面進(jìn)行最直觀的觀察。

2.3.2 卸油船舶以及輸油臂監(jiān)控實(shí)例

試驗(yàn)時(shí)間：13：00～14：20；天氣狀態(tài)：晴，溫度32℃，相對(duì)濕度65%；油品狀態(tài)：常溫輕質(zhì)原油。驗(yàn)證流程：輸油臂原油泄漏驗(yàn)證試驗(yàn)，將試驗(yàn)裝置架設(shè)于泊位的登船梯上，可觀測(cè)到輸油臂與油船相連接的法蘭盤，如圖10～11所示。

圖10 試驗(yàn)裝置位置觀測(cè)油船與輸油臂視角

圖11 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)人員位置

通過熱水及原油分別進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)過程具體情況如下。

1）輸油臂初始狀態(tài)如圖12所示。傾倒50℃、1L熱水模擬原油泄漏。共進(jìn)行三次，分別為第一根輸油臂、第二根輸油臂以及兩根輸油臂同時(shí)進(jìn)行。試驗(yàn)過程中，圖像提示檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別框，上位機(jī)軟件提示報(bào)警信號(hào)，識(shí)別情況良好、穩(wěn)定，如圖12～15所示。

圖12 輸油臂原始狀態(tài)

圖13 第一次倒水識(shí)別報(bào)警

圖14 第二次倒水識(shí)別報(bào)警

圖15 兩臂同時(shí)倒水識(shí)別報(bào)警

2）通過傾倒常溫原油模擬原油泄漏。共進(jìn)行兩次，第一次試驗(yàn)傾倒50mL常溫原油，第二次傾倒100mL常溫原油。試驗(yàn)過程中，圖像提示檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別框，上位機(jī)軟件提示報(bào)警信號(hào)，識(shí)別情況良好、穩(wěn)定，如圖16～17所示。

圖16 未倒油備用輸油管

圖17 常溫原油識(shí)別報(bào)警

2.3.3 碼頭和船舶之間的海面監(jiān)控實(shí)例

試驗(yàn)時(shí)間：15：10～16：00；天氣狀態(tài)：晴，溫度30℃，相對(duì)濕度65%；海洋狀態(tài)：微風(fēng)，微浪；油品狀態(tài)：40℃和常溫輕質(zhì)原油。驗(yàn)證流程：海面原油泄漏試驗(yàn)，將設(shè)備架設(shè)于近岸碼頭，在海面鋪設(shè)圍油欄以避免本試驗(yàn)原油對(duì)海水造成污染，如圖16所示。通過將150mL常溫（30℃）原油倒入海水中，模擬原油泄漏于海面，進(jìn)行驗(yàn)證，如圖18所示。

圖18 欄內(nèi)水面原始狀態(tài)

分別進(jìn)行了熱水及原油驗(yàn)證試驗(yàn)，具體情況如下。

1）將1L熱水（50℃）倒入海水中，模擬原油泄漏于海面，共進(jìn)行兩次。試驗(yàn)過程中，圖像提示檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別框，上位機(jī)軟件提示報(bào)警信號(hào)，識(shí)別情況良好、穩(wěn)定，如圖19所示。

2）將100mL原油（40℃）倒入海水中，模擬原油泄漏于海面，進(jìn)行一次。試驗(yàn)過程中，圖像提示檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別框，上位機(jī)軟件提示報(bào)警信號(hào)，識(shí)別情況良好、穩(wěn)定，如圖20所示。

3）將150mL常溫（30℃）原油倒入海水中，模擬原油泄漏于海面，進(jìn)行一次。試驗(yàn)過程中，圖像提示檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別框，上位機(jī)軟件提示報(bào)警信號(hào)，識(shí)別情況良好、穩(wěn)定，如圖21所示。

圖19 倒入熱水識(shí)別報(bào)警

圖20 第一次倒入原油識(shí)別報(bào)警

圖21 第二次倒入原油識(shí)別報(bào)警

2.3.4 實(shí)例結(jié)論

系統(tǒng)可以對(duì)輸油臂法蘭連接處漏油和海面溢油情況進(jìn)行識(shí)別及報(bào)警，具有全天候、不間斷進(jìn)行觀測(cè)監(jiān)控的能力。對(duì)海面及油碼頭系泊輸油油船進(jìn)行了24h數(shù)據(jù)采集，通過圖像數(shù)據(jù)直觀顯示和理論分析，證明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)中的功能和性能指標(biāo)，具有全天時(shí)、全天候進(jìn)行觀測(cè)監(jiān)控的能力。通過對(duì)典型目標(biāo)及背景環(huán)境下的多次模擬試驗(yàn)，考核了本系統(tǒng)功能及性能，對(duì)輸油臂法蘭連接處漏油和海面溢油情況的識(shí)別及報(bào)警功能穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的目的，驗(yàn)證了全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)控效果。

3 結(jié)束語

結(jié)合紅外視頻熱成像技術(shù)和視頻圖像智能分析技術(shù)，建立全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)，可以有效地應(yīng)對(duì)典型場(chǎng)景的全天候監(jiān)控需要，為智慧城市可視化管理提供關(guān)鍵的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。智慧城市大數(shù)據(jù)可視化管理是一項(xiàng)艱巨的系統(tǒng)工程，需集合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)利用、信息圖形學(xué)等領(lǐng)域，全天候監(jiān)控圖像智能分析與報(bào)警系統(tǒng)可以作為其中的重要一環(huán)來發(fā)揮巨大的作用。

［1]GB 50314?2015智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2015.

［2]鄔賀銓.智慧城市產(chǎn)生大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)支撐智慧城市［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（22）：14?16.

ResearchofInfraredThermalImaging Technology in the Application of Visual Management Smart City

Liu Wei／Diao Yuhong／Ma Mingdong／Sun Yuanfei

研究應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控，分析典型監(jiān)控場(chǎng)景的情況并進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。研究表示紅外熱成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控的功能，同時(shí)為智慧城市可視化管理提供大數(shù)據(jù)資源。

全天候 紅外熱成像 可視化管理 智慧城市

Research on infrared thermal imaging technology is applied to implement all?weather monitoring，the typical monitoring situation of the scene and the verification exper?iment is analyzed.The research suggests that the infrared thermal imaging technology can realize all?weather monitoring，at the time provide visual management for the smart city big data resources.

all?weather，infrared thermal imaging，visual management，smart city