熱源成像設備在滅火救援中的應用研究

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、準確地獲取火災現場的信息對于救援行動的成敗至關重要。傳統的救援手段在面對復雜的火災場景時往往存在局限性，而熱源成像設備的出現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鍵的決策依據。本文對熱源成像設備在滅火救援中的應用進行研究，通過分析熱源成像設備的原理，結合具體案例，分析其在滅火救援中的具體應用路徑，以期為滅火救援提供參考。

關鍵詞：熱源成像設備；滅火救援；智慧消防

引言

火災是人類社會面臨的重大風險之一。據統計，全球每年因火災造成的直接經濟損失超過千億美元。熱源成像設備（Thermal Imaging Camera，TIC）基于紅外熱輻射的物理基礎，通過紅外探測器、光學系統、圖像處理單元等模塊，快速地偵察火災現場，搜救被困人員、監測火勢蔓延，從而給滅火決策提供輔助。相較于傳統的救援模式，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，徹底改變了傳統滅火救援模式。因此，本文對熱源成像設備在滅火救援中的應用進行深入分析與探討。

一、熱源成像設備的工作原理及技術特點

熱源成像設備主要基于紅外熱輻射的物理基礎，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，將紅外輻射信號轉換為電信號，并通過信號處理電路將電信號轉換為數字信號，經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]。

在火災環境中，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據基礎。熱源成像設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境中，能夠實時生成熱圖像，及時反映火災現場的溫度變化和熱源分布情況。救援人員可以根據實時熱圖像迅速做出判斷，調整救援策略。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現場熱源分布的情況下獲取信息，避免了對火勢發展或被困人員狀態的意外干擾。同時，現代熱源成像設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、尋找火源點以及發現潛在的危險火源，如陰燃的火種等。

二、熱源成像設備在滅火救援中的具體應用

（一）火災現場偵察

1.評估整體態勢

到達火災現場后，救援人員首要的任務是了解火災的整體態勢。熱源成像設備通過數據采集、溫度場建模、動態監測、數據融合、決策輸出的流程來評估火災現場。由消防人員手持熱源成像設備（設備分辨率≥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。在關鍵結構點，如承重墻、燃氣管道等處部署無線測溫節點，以此來收集數據。例如，在2023年深圳某化工廠火災中，經過“地面+空中+固定點”的三層掃描網絡，在15分鐘內完成5，000m2區域的溫度數據收集，并進行了溫度測繪。通過熱力學參數計算，建立XYZ三軸溫度變化率模型，當某一方向梯度gt;15℃/m時判定為火勢蔓延方向。構建三維熱力圖，通過及時定位與地圖構建（SLAM）算法，將離散測溫點云數據轉化為立體熱模型，精準定位火災源頭[2]。通過動態感知，分析時間序列、預測火勢蔓延，應用卷積神經網絡（CNN）架構，通過輸入層（熱圖）→特征提?。≧esNet50）→分類層（Softmax）→輸出（火源/人員/危險區），對火災現場進行評估。

2.分析建筑物結構

熱源成像設備可以用于分析建筑物的結構狀況，如通過溫度分布差異區分承重結構與非承重結構。鋼梁在高溫下會快速升溫，溫度會高于非承重墻體的溫度，熱源成像設備的溫度會出現高低起伏的情況，此時就可以清楚地判斷出承重結構的位置[3]。通過熱圖像上熱量的傳導走向，可以確定這些傳動構件的位置和走向。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。通過熱擴散的區域形狀和范圍來推斷建筑物結構的完整性。如果一個房間的某個角落發生火災，熱量向周圍擴散時受到墻體的阻擋，在熱圖像上會呈現出特定的熱擴散邊界。如果這個邊界呈現出規則的幾何形狀，如矩形，可以推斷周圍的墻體是完整的；如果邊界出現不規則形狀，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，在正常生理狀態下會持續地產生熱量并向外輻射紅外線。即使在火災環境中，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。熱源成像設備因對紅外波段敏感，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律。熱源成像設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，在熱圖像上會呈現出特定的形狀和亮度分布，與火災中的其他高溫物體如燃燒的木材、金屬結構等，有明顯區別。其次，熱源成像設備可以通過連續監測熱源的運動情況來輔助探測生命熱源。例如，一個人在火災現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生變化。這種動態的熱源變化特征可以在熱源成像設備上顯示，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狀態，由于其呼吸、心跳等生理活動，也會產生微小的熱運動，在熱圖像上表現為該區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。

2.輔助定位呼救信號

在火災現場，很多被困人員可能通過敲擊墻壁、地板等發出求救信號，這些動作會引起周圍物體局部的溫度變化。熱源成像設備會與聲學探測設備協同，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，聲學探測設備能夠捕捉到被困人員發出的呼救聲音信號，并確定聲音傳來的大致方向和位置。熱源成像設備可以同時工作，利用其對熱源的敏感特性，在聲學探測設備鎖定的大致區域，進一步通過檢測人體發出的熱輻射來精準定位被困人員[5]。被困人員發出呼救信號時，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，這些動作會導致身體周圍空氣流動和熱量散發情況發生變化，從而在熱源成像圖像上表現出特定的特征。其次，隨著火災現場情況的變化，被困人員的位置可能會發生移動，同時呼救聲音的方向也會改變。系統可以實時跟蹤聲學信號和熱源變化，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，結合熱源成像設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定的熱源區域，這個區域就更有可能存在被困并發出呼救信號的人員。

（三）火勢蔓延監測

1.監測火焰溫度

熱源成像設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域往往表示火勢正處于猛烈燃燒階段；溫度相對較低且穩定的區域可能代表火勢即將熄滅或者受到了一定抑制[6]。

2.預測火勢蔓延

基于對火勢發展和溫度變化趨勢的分析，熱源成像設備能夠為滅火救援人員提供火勢蔓延方向的預測依據。救援人員可以提前在火勢蔓延的區域采取措施，如設置防火隔離帶、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熱圖像判斷出最需要滅火力量集中撲救的區域，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配到這些區域進行撲救。

2.估算滅火劑選擇與用量

不同類型的火災需要選擇不同的滅火劑，而熱源成像設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。高溫火災可能需要采用冷卻效果好的滅火劑；一些電氣火災需要選用不導電的滅火劑。同時，根據火源的溫度和規模，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不足。

三、熱源成像設備在滅火救援中的局限性

（一）環境適應性

第一，在惡劣天氣條件下，如高溫、低溫、強降雨、強降雪等，熱源成像設備的性能可能會受到影響。例如，在高溫環境下，設備自身的散熱問題可能干擾其正常工作，導致圖像質量下降；在低溫環境下，探測器的靈敏度可能降低，影響對低溫熱源的探測能力。第二，當火災現場存在強烈的太陽光或者人工燈光等強光時，可能對熱源成像設備的熱成像產生干擾，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，在復雜的火災場景中，如多個熱源相互疊加、熱源與物體的熱傳導混淆等情況下，熱源成像設備產生的熱圖像可能存在一定的模糊性和復雜性，救援人員需要具備較豐富的專業知識和經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構等細節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、熱源成像設備的未來發展趨勢

（一）技術創新

隨著傳感器技術和圖像處理技術的不斷發展，熱源成像設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救援中的性能。開發適應各種惡劣環境的熱源成像設備。例如，改進散熱技術以適應高溫環境，研發抗干擾技術以減少強光等外界因素的影響，通過優化探測器的材料和工作原理，提高低溫環境下的性能。

（二）與其他設備的融合

現階段熱源成像設備與消防無人機進行融合。無人機可以搭載熱源成像設備快速到達消防車輛和人員難以到達的區域，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，熱源成像設備將與智能消防系統進行深度集成[7]。在智能消防系統中，熱源成像設備的數據將與其他傳感器（如煙霧傳感器、溫度傳感器等）的數據進行綜合，實現火災的早期預警、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。

結語

綜上所述，熱源成像設備在滅火救援中具有不可替代的作用。它能夠為火災現場偵察、被困人員搜索、火勢蔓延監測和滅火決策輔助等方面提供關鍵信息，提高滅火救援效率和成功率。然而，目前熱源成像設備在應用中也存在著一些局限性，如環境適應性和圖像解讀難等問題。隨著技術的不斷創新和與其他設備的融合，熱源成像設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，應進一步加強對熱源成像設備的推廣和應用，提高消防人員的操作和解讀熱圖像的能力，同時持續關注設備技術的發展動態，以便更好地發揮其在保障人民群眾生命財產安全方面的重要作用。

參考文獻

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