作者簡介：

劉亮（1977— ），男，漢族，河北無極人，本科，中級工程師，研究方向：滅火救援。

摘要：

在滅火救援工作中，快速、準確地獲取火災(zāi)現(xiàn)場的信息對于救援行動的成敗至關(guān)重要。傳統(tǒng)的救援手段在面對復(fù)雜的火災(zāi)場景時往往存在局限性，而熱源成像設(shè)備的出現(xiàn)為滅火救援帶來了全新的視角和強大的工具。它能夠穿透煙霧、黑暗等惡劣條件，直觀地顯示熱源分布情況，從而為救援人員提供關(guān)鍵的決策依據(jù)。本文對熱源成像設(shè)備在滅火救援中的應(yīng)用進行研究，通過分析熱源成像設(shè)備的原理，結(jié)合具體案例，分析其在滅火救援中的具體應(yīng)用路徑，以期為滅火救援提供參考。

關(guān)鍵詞：熱源成像設(shè)備；滅火救援；智慧消防

引言

火災(zāi)是人類社會面臨的重大風(fēng)險之一。據(jù)統(tǒng)計，全球每年因火災(zāi)造成的直接經(jīng)濟損失超過千億美元。熱源成像設(shè)備（Thermal Imaging Camera，TIC）基于紅外熱輻射的物理基礎(chǔ)，通過紅外探測器、光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理單元等模塊，快速地偵察火災(zāi)現(xiàn)場，搜救被困人員、監(jiān)測火勢蔓延，從而給滅火決策提供輔助。相較于傳統(tǒng)的救援模式，其穿透煙霧的可視距離提升了5倍—10倍，溫度感知精度達到了2℃左右，可以全天候工作，支持視頻/圖像存儲，徹底改變了傳統(tǒng)滅火救援模式。因此，本文對熱源成像設(shè)備在滅火救援中的應(yīng)用進行深入分析與探討。

一、熱源成像設(shè)備的工作原理及技術(shù)特點

熱源成像設(shè)備主要基于紅外熱輻射的物理基礎(chǔ)，溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體都會向外輻射電磁波，其波長范圍主要在0.75μm至1000μm之間，稱為紅外光譜。熱像儀通過捕捉目標物體的紅外輻射能量，將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過信號處理電路將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過算法處理后在顯示屏幕上并生成反映物體溫度分布的熱圖像[1]。

在火災(zāi)環(huán)境中，火焰中心溫度可達800℃—1200℃，煙霧顆粒溫度約200℃—400℃，人體表面溫度約36℃，這為熱源識別提供了天然的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。熱源成像設(shè)備清晰地顯示出物體的輪廓和位置。它檢測的是物體的熱輻射，而不是可見光，即使在濃煙彌漫的環(huán)境中，能夠?qū)崟r生成熱圖像，及時反映火災(zāi)現(xiàn)場的溫度變化和熱源分布情況。救援人員可以根據(jù)實時熱圖像迅速做出判斷，調(diào)整救援策略。采用非接觸式的探測方式，不需要直接接觸目標物體就可測量其溫度并進行成像，這一特性使得救援人員可以在不干擾火災(zāi)現(xiàn)場熱源分布的情況下獲取信息，避免了對火勢發(fā)展或被困人員狀態(tài)的意外干擾。同時，現(xiàn)代熱源成像設(shè)備具有較高的分辨率，能夠清晰地顯示出細微的溫度差異。高分辨率的熱圖像有助于更精確地識別被困人員、尋找火源點以及發(fā)現(xiàn)潛在的危險火源，如陰燃的火種等。

二、熱源成像設(shè)備在滅火救援中的具體應(yīng)用

（一）火災(zāi)現(xiàn)場偵察

1.評估整體態(tài)勢

到達火災(zāi)現(xiàn)場后，救援人員首要的任務(wù)是了解火災(zāi)的整體態(tài)勢。熱源成像設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集、溫度場建模、動態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)融合、決策輸出的流程來評估火災(zāi)現(xiàn)場。由消防人員手持熱源成像設(shè)備（設(shè)備分辨率≥320×240像素）進行掃描，掃描水平面（0m—2m高度），搭載無人機，采用廣角鏡頭FOV60°，覆蓋2m—50m的空域。在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點，如承重墻、燃氣管道等處部署無線測溫節(jié)點，以此來收集數(shù)據(jù)。例如，在2023年深圳某化工廠火災(zāi)中，經(jīng)過“地面+空中+固定點”的三層掃描網(wǎng)絡(luò)，在15分鐘內(nèi)完成5，000m2區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)收集，并進行了溫度測繪。通過熱力學(xué)參數(shù)計算，建立XYZ三軸溫度變化率模型，當(dāng)某一方向梯度gt;15℃/m時判定為火勢蔓延方向。構(gòu)建三維熱力圖，通過及時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）算法，將離散測溫點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為立體熱模型，精準定位火災(zāi)源頭[2]。通過動態(tài)感知，分析時間序列、預(yù)測火勢蔓延，應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）架構(gòu)，通過輸入層（熱圖）→特征提?。≧esNet50）→分類層（Softmax）→輸出（火源/人員/危險區(qū)），對火災(zāi)現(xiàn)場進行評估。

2.分析建筑物結(jié)構(gòu)

熱源成像設(shè)備可以用于分析建筑物的結(jié)構(gòu)狀況，如通過溫度分布差異區(qū)分承重結(jié)構(gòu)與非承重結(jié)構(gòu)。鋼梁在高溫下會快速升溫，溫度會高于非承重墻體的溫度，熱源成像設(shè)備的溫度會出現(xiàn)高低起伏的情況，此時就可以清楚地判斷出承重結(jié)構(gòu)的位置[3]。通過熱圖像上熱量的傳導(dǎo)走向，可以確定這些傳動構(gòu)件的位置和走向。如果在某個方向上有一條明顯的高溫傳導(dǎo)軌跡，很可能在這個軌跡上存在一根梁或者柱。通過熱擴散的區(qū)域形狀和范圍來推斷建筑物結(jié)構(gòu)的完整性。如果一個房間的某個角落發(fā)生火災(zāi)，熱量向周圍擴散時受到墻體的阻擋，在熱圖像上會呈現(xiàn)出特定的熱擴散邊界。如果這個邊界呈現(xiàn)出規(guī)則的幾何形狀，如矩形，可以推斷周圍的墻體是完整的；如果邊界出現(xiàn)不規(guī)則形狀，可能意味著墻體存在破損或者有開口。

（二）搜救被困人員

1.探測生命熱源

人體作為一個熱源，在正常生理狀態(tài)下會持續(xù)地產(chǎn)生熱量并向外輻射紅外線。即使在火災(zāi)環(huán)境中，人體也會保持相對較高的溫度，大約為37°C，皮膚表面溫度略低于此值。熱源成像設(shè)備因?qū)t外波段敏感，能夠檢測到這種溫度差異。

首先，人體不同部位的溫度分布不均勻，熱輻射的強度和方向有一定規(guī)律。熱源成像設(shè)備可以通過分析接收到的熱輻射模式，判斷是否存在生命熱源[4]。例如，人體的軀干部分通常比四肢溫度略高，熱輻射相對集中，在熱圖像上會呈現(xiàn)出特定的形狀和亮度分布，與火災(zāi)中的其他高溫物體如燃燒的木材、金屬結(jié)構(gòu)等，有明顯區(qū)別。其次，熱源成像設(shè)備可以通過連續(xù)監(jiān)測熱源的運動情況來輔助探測生命熱源。例如，一個人在火災(zāi)現(xiàn)場可能會試圖尋找逃生路線而移動，其在熱圖像上的熱源位置會不斷發(fā)生變化。這種動態(tài)的熱源變化特征可以在熱源成像設(shè)備上顯示，從而提高探測生命熱源的準確性。最后，即使生命體處于靜止?fàn)顟B(tài)，由于其呼吸、心跳等生理活動，也會產(chǎn)生微小的熱運動，在熱圖像上表現(xiàn)為該區(qū)域的亮度或溫度有細微波動，這種微動特征也是探測生命熱源的重要依據(jù)。

2.輔助定位呼救信號

在火災(zāi)現(xiàn)場，很多被困人員可能通過敲擊墻壁、地板等發(fā)出求救信號，這些動作會引起周圍物體局部的溫度變化。熱源成像設(shè)備會與聲學(xué)探測設(shè)備協(xié)同，檢測這種溫度變化，輔助救援人員更準確地定位被困人員的位置。首先，聲學(xué)探測設(shè)備能夠捕捉到被困人員發(fā)出的呼救聲音信號，并確定聲音傳來的大致方向和位置。熱源成像設(shè)備可以同時工作，利用其對熱源的敏感特性，在聲學(xué)探測設(shè)備鎖定的大致區(qū)域，進一步通過檢測人體發(fā)出的熱輻射來精準定位被困人員[5]。被困人員發(fā)出呼救信號時，往往會伴隨著身體的劇烈動作，如揮手、呼喊時的身體晃動等，這些動作會導(dǎo)致身體周圍空氣流動和熱量散發(fā)情況發(fā)生變化，從而在熱源成像圖像上表現(xiàn)出特定的特征。其次，隨著火災(zāi)現(xiàn)場情況的變化，被困人員的位置可能會發(fā)生移動，同時呼救聲音的方向也會改變。系統(tǒng)可以實時跟蹤聲學(xué)信號和熱源變化，不斷更新被困人員的位置信息。最后，觀察煙霧的流動方向和熱流的走向，結(jié)合熱源成像設(shè)備檢測到的熱源信息。例如，如果煙霧向上方和某個方向快速擴散，而熱源成像顯示在該方向的相反方向有一個相對低溫且穩(wěn)定的熱源區(qū)域，這個區(qū)域就更有可能存在被困并發(fā)出呼救信號的人員。

（三）火勢蔓延監(jiān)測

1.監(jiān)測火焰溫度

熱源成像設(shè)備可以精確測量火焰的溫度。通過對火焰不同部位溫度的監(jiān)測，救援人員可以了解火勢的燃燒程度。例如，火焰溫度較高且波動較大的區(qū)域往往表示火勢正處于猛烈燃燒階段；溫度相對較低且穩(wěn)定的區(qū)域可能代表火勢即將熄滅或者受到了一定抑制[6]。

2.預(yù)測火勢蔓延

基于對火勢發(fā)展和溫度變化趨勢的分析，熱源成像設(shè)備能夠為滅火救援人員提供火勢蔓延方向的預(yù)測依據(jù)。救援人員可以提前在火勢蔓延的區(qū)域采取措施，如設(shè)置防火隔離帶、疏散周邊群眾等。

（四）輔助滅火決策

1.投放滅火力量

熱源成像設(shè)備提供的火源位置、火勢大小等信息，有助于合理安排滅火力量的投放。消防指揮人員可以根據(jù)熱圖像判斷出最需要滅火力量集中撲救的區(qū)域，從而提高滅火效率。例如，如果熱圖像顯示某一層樓的火勢主要集中在幾個房間，就可以將水罐車、云梯車等滅火裝備主要調(diào)配到這些區(qū)域進行撲救。

2.估算滅火劑選擇與用量

不同類型的火災(zāi)需要選擇不同的滅火劑，而熱源成像設(shè)備所反映的溫度信息對于滅火劑的選擇有一定的參考價值。高溫火災(zāi)可能需要采用冷卻效果好的滅火劑；一些電氣火災(zāi)需要選用不導(dǎo)電的滅火劑。同時，根據(jù)火源的溫度和規(guī)模，還可以估算出大致需要的滅火劑用量，避免滅火劑浪費或者供應(yīng)不足。

三、熱源成像設(shè)備在滅火救援中的局限性

（一）環(huán)境適應(yīng)性

第一，在惡劣天氣條件下，如高溫、低溫、強降雨、強降雪等，熱源成像設(shè)備的性能可能會受到影響。例如，在高溫環(huán)境下，設(shè)備自身的散熱問題可能干擾其正常工作，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降；在低溫環(huán)境下，探測器的靈敏度可能降低，影響對低溫?zé)嵩吹奶綔y能力。第二，當(dāng)火災(zāi)現(xiàn)場存在強烈的太陽光或者人工燈光等強光時，可能對熱源成像設(shè)備的熱成像產(chǎn)生干擾，形成偽熱圖像，影響救援人員對真實熱源的判斷。

（二）熱源圖像解讀難度

第一，在復(fù)雜的火災(zāi)場景中，如多個熱源相互疊加、熱源與物體的熱傳導(dǎo)混淆等情況下，熱源成像設(shè)備產(chǎn)生的熱圖像可能存在一定的模糊性和復(fù)雜性，救援人員需要具備較豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗才能準確解讀熱圖像，避免對熱源的誤判。第二，雖然熱源成像設(shè)備能夠反映物體的溫度分布，但對于一些物體的具體形狀和細微結(jié)構(gòu)等細節(jié)信息的顯示不如可見光攝像頭清晰，可能在某些情況下影響精準的救援行動。

四、熱源成像設(shè)備的未來發(fā)展趨勢

（一）技術(shù)創(chuàng)新

隨著傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，熱源成像設(shè)備需要不斷提高其分辨率和靈敏度，使其能夠更清晰地顯示熱源分布，更靈敏地探測微弱的熱源信號，從而進一步提高在火災(zāi)救援中的性能。開發(fā)適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的熱源成像設(shè)備。例如，改進散熱技術(shù)以適應(yīng)高溫環(huán)境，研發(fā)抗干擾技術(shù)以減少強光等外界因素的影響，通過優(yōu)化探測器的材料和工作原理，提高低溫環(huán)境下的性能。

（二）與其他設(shè)備的融合

現(xiàn)階段熱源成像設(shè)備與消防無人機進行融合。無人機可以搭載熱源成像設(shè)備快速到達消防車輛和人員難以到達的區(qū)域，如高樓大廈的頂部、狹窄的巷道等，為滅火救援提供全面的信息支持。未來，熱源成像設(shè)備將與智能消防系統(tǒng)進行深度集成[7]。在智能消防系統(tǒng)中，熱源成像設(shè)備的數(shù)據(jù)將與其他傳感器（如煙霧傳感器、溫度傳感器等）的數(shù)據(jù)進行綜合，實現(xiàn)火災(zāi)的早期預(yù)警、精準定位、智能決策等，提高整個滅火救援體系的智能化水平。

結(jié)語

綜上所述，熱源成像設(shè)備在滅火救援中具有不可替代的作用。它能夠為火災(zāi)現(xiàn)場偵察、被困人員搜索、火勢蔓延監(jiān)測和滅火決策輔助等方面提供關(guān)鍵信息，提高滅火救援效率和成功率。然而，目前熱源成像設(shè)備在應(yīng)用中也存在著一些局限性，如環(huán)境適應(yīng)性和圖像解讀難等問題。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和與其他設(shè)備的融合，熱源成像設(shè)備有望在未來克服這些局限，為滅火救援工作提供更加強有力的支持。在未來的滅火救援工作中，應(yīng)進一步加強對熱源成像設(shè)備的推廣和應(yīng)用，提高消防人員的操作和解讀熱圖像的能力，同時持續(xù)關(guān)注設(shè)備技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，以便更好地發(fā)揮其在保障人民群眾生命財產(chǎn)安全方面的重要作用。

參考文獻

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