基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實的滅火救援及訓練系統(tǒng)

馮寧等

摘 要：隨著我國經(jīng)濟建設發(fā)展，如何提升城市消防質量備受關注，而利用物聯(lián)網(wǎng)相關技術對重點消防單位的實時監(jiān)控已成為發(fā)展趨勢。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實的滅火救援及訓練系統(tǒng)，基于Wi-Fi技術分為遠程監(jiān)控和虛擬現(xiàn)實兩個模塊。傳感器采集數(shù)據(jù)并實時向監(jiān)控管理中心傳送，結合虛擬現(xiàn)實成像技術構造監(jiān)控單位的仿真環(huán)境。此系統(tǒng)為火災現(xiàn)場的指揮、部署提供全面合理的救援方案，并為后續(xù)消防隊員的消防訓練提供了仿真平臺和經(jīng)驗分析。

關鍵詞：消防；物聯(lián)網(wǎng)；虛擬現(xiàn)實；無線傳感

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-04

0 引 言

目前我國所應用的火災自動報警系統(tǒng)基本上以區(qū)域火災自動報警系統(tǒng)、集中火災自動報警系統(tǒng)和控制中心火災自動報警系統(tǒng)為主。這些系統(tǒng)自成體系，火情發(fā)生時，這些報警系統(tǒng)均只在建筑現(xiàn)場作用。消防值班人員還需采用電話報警方式向城市“119”火警受理中心報告，而系統(tǒng)自身不能自動報告[1]。美國、澳大利亞等發(fā)達國家都已建立了重點單位消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡，其中重點保護單位如醫(yī)院、幼兒園、老人院，或者一級防火單位如政府辦公樓、加油站、化工廠。人員密集區(qū)的火災報警系統(tǒng)直接與遠程消防監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，并由全天值班的監(jiān)控中心負責網(wǎng)絡管理和報警處置，直接與當?shù)叵?19 指揮中心報告，形成三方同時監(jiān)管的模式。

目前，消防隊員在滅火過程中發(fā)生事故的主要原因是對火場情況的未知。外部指揮中心無法掌握室內火情和消防人員分布情況，無法做出全面部署，造成救援效率低、行動盲目，同時給消防隊員帶來巨大的安全隱患。當下，消防部隊對火災救援和搶險撲救的模擬訓練針對重點監(jiān)控單位的特點，引入煙、熱訓練系統(tǒng)，提升環(huán)境針對性。但在訓練基地的構建上需耗費大量人力物力及場地保障，訓練準備時間長[2]。訓練過程中無法靈活地重現(xiàn)實際環(huán)境的變動，在某些危險場景下難以保障消防人員的人身安全，因此存在諸多局限。

1 系統(tǒng)概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)與人機交互技術的完善，利用圖形圖像學進行模擬，已經(jīng)成為軍事領域和工業(yè)界廣泛采用的新技術。虛擬現(xiàn)實是20世紀末興起的一種可創(chuàng)建、體驗和參與虛擬環(huán)境的計算機模擬技術，具有三大特征：沉浸感、想象性、交互性。它的基礎實現(xiàn)技術包括計算機圖形學、傳感與測量技術、人工智能、多媒體仿真等。這種技術可構造一個虛擬世界，使得用戶沉浸于其中[3]。對火災現(xiàn)場的虛擬構建能夠提高指揮中心對火情的全面掌握，使決策更具宏觀性。在后期消防訓練中可采用交互裝置（例如智能頭盔等），達到消防人員視聽、觸碰與實現(xiàn)的交互。與傳統(tǒng)方式相比，虛擬技術更逼真，交互性更強，給滅火救援指揮和訓練提供了新思路。因此，有必要展開這一方面的研究，研制基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實的滅火救援及訓練系統(tǒng)。

2 需求分析

根據(jù)上述分析，針對醫(yī)院、學校、化工廠、政府辦公樓等消防安全重點單位，需要開發(fā)一套的基于物聯(lián)網(wǎng)仿真的滅火救援模擬訓練系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有火場遠程監(jiān)控模擬成像功能，還為消防單位提供基于火場重現(xiàn)的仿真訓練。故為滿足兩大需求，該方案需配備以下具體功能[4]：

（1）數(shù)據(jù)采集功能

利用提前布置好的各種AP節(jié)點對傳感器數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和采集，傳感器主要針對其所處環(huán)境的溫度、煙霧濃度、有毒氣體等做出檢測。

（2）無線傳輸功能

接入WiFi的AP節(jié)點接收無線傳感器的檢測數(shù)據(jù)，AP將數(shù)據(jù)裝入特定數(shù)據(jù)結構中，并將其通過以太網(wǎng)發(fā)送至消防監(jiān)控中心服務器。

（3）建筑物內火災場景模擬

虛擬現(xiàn)實顯示方案的實現(xiàn)，需要提前對實際的場地進行測繪，建立數(shù)據(jù)庫。采用3DMAX等軟件構建基本的場景素材。此外，根據(jù)監(jiān)控信息周期性或實時地構建虛擬事故場景（例如煙霧、火苗等）。事故發(fā)生時三維事故場景將真實呈現(xiàn)給消防人員，達到交互作用。該功能是模擬訓練系統(tǒng)的一個基礎功能，即讓訓練人員在虛擬環(huán)境中定位，熟悉周邊環(huán)境，起到偵查建筑室內環(huán)境和火情的目的。

（4）門窗開關

根據(jù)火場環(huán)境及相應現(xiàn)實需求，由系統(tǒng)控制人員對門窗開關進行設置并映射到仿真場景當中。

（5）消防器材添加或移除[5]

在仿真訓練前對訓練場景初始化設置，由訓練人員或系統(tǒng)管理人員根據(jù)監(jiān)控信息配置消防器件。作業(yè)過程中消防人員對消防器材進行操作，據(jù)此添加或移除需要的消防設備，例如滅火器、消防栓等。保證仿真場景應用過程中的實時響應和靈活變化，有利于對火情的假定并推測火災蔓延過程及范圍。對研究消防操作程度對滅火效果的影響有重要意義。

（6）使用滅火設備進行滅火

該功能是模擬訓練的主要訓練部分。主要包括選取滅火設備的適當選取和救援操作。此過程中訓練人員需根據(jù)現(xiàn)場情況定位最近距離的消防器材，并調整位置和姿勢進行滅火訓練。

（7）生成訓練過程視頻文件

將救援過程仿真視頻保存，以便作業(yè)重查和消防過程操作評定。對后繼救援指揮和訓練提供意見和建議。此視頻為消防人員仿真訓練提供基礎和平臺。

3 設計方案

3.1 總體流程

基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實的滅火救援及訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩部分：實時遠程監(jiān)控模塊和虛擬仿真模塊。

監(jiān)控模塊利用無線傳感器技術對信息進行采集和整理，通過WiFi無線通訊進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)對重點單位的消防環(huán)境的監(jiān)控。有效地提高對城市消防安全工作的管理，此外后續(xù)功能的擴展僅需與現(xiàn)有相關監(jiān)控和感知設備系統(tǒng)結合，無需額外投資，直接將擴展單元導入原有系統(tǒng)的接口即可。

虛擬仿真模塊實現(xiàn)模擬訓練的研究，主要是利用計算機模擬技術構建單純的仿真場景。系統(tǒng)將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實技術結合，根據(jù)監(jiān)控信息實時調整視圖操作、生成虛擬場景實現(xiàn)人機互動。

3.2 遠程監(jiān)控模塊

如圖1所示為監(jiān)控方案示意圖，整個系統(tǒng)由監(jiān)管中心、通訊網(wǎng)絡、傳感器節(jié)點三大層次組成，如圖1所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)方案中基本功能，是系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的來源和控制基礎。本模塊通過溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、紅外傳感器等傳感器檢測裝置對監(jiān)控對象進行實時地數(shù)據(jù)采集，將采集的模擬信號通過A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，通過集成無線發(fā)送器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示。

圖1 消防安全重點單位遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

所使用的無線傳感器以以下三種為例：

（1）溫度傳感器

基于1-Wire技術的溫度傳感器將溫度信號直接轉換成串行數(shù)字信號以供單片機處理，在單總線接口上掛接了多個傳感器，直接以一總線的數(shù)字方式傳輸現(xiàn)場溫度，方便地組成分布式多點測溫系統(tǒng)。1-Wire總線技術數(shù)字溫度傳感器成本低，應用系統(tǒng)可靠性高、傳輸距離遠。目前該技術已經(jīng)成熟地應用于分布式測溫的火災報警系統(tǒng)中。

（2）煙霧傳感器

煙霧傳感器檢測周圍環(huán)境的煙霧濃度，將所檢測的實時數(shù)據(jù)利用無線發(fā)送模塊通過接入的AP節(jié)點發(fā)送至服務器，服務器將接收的數(shù)據(jù)進行存儲。

（3）WiFi攝像頭

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，WiFi攝像頭起著不可取代的作用，它是唯一可以為監(jiān)控中心的管理人員提供聯(lián)網(wǎng)內所有單位的實時畫面的器件。一旦發(fā)生災情，指揮人員就可通過攝像頭來目測災情大小并指導參與現(xiàn)場消防人員進行合理地搶險救災[7]。

作者以新鄉(xiāng)市某重點商場作為研究示例，并進行了現(xiàn)場測繪。圖3所示為被監(jiān)控大樓某層檢測網(wǎng)絡分布和傳感器分布示意圖。

圖3 某重點企業(yè)大樓某層檢測網(wǎng)絡分布示意圖

3.2.2 傳輸模塊

無線傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)方案如圖4所示，采用基于WiFi的無線傳輸通信方式。目前WiFi技術發(fā)展成熟，該技術具有覆蓋范圍廣、有效距離長、傳輸速度快、可靠性高、工作效率高等優(yōu)點，是物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術之一。

傳輸模塊流程基本原理是：首先進行設備初始化配置，然后查詢、鏈接設備。在傳感器網(wǎng)絡中，每個傳感器節(jié)點都有一個固定IP和端口號，通過主節(jié)點進行傳輸，如若鏈接成功則接入節(jié)點；如若數(shù)據(jù)保持不變，則系統(tǒng)默認為休眠模式；如若數(shù)值超過設置閾值，則激活節(jié)點接收數(shù)據(jù)；判斷幀頭鏈路是否正確，本地地址是否有誤，若檢測無誤則通過以太網(wǎng)最終實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

圖4 系統(tǒng)方案框架圖

3.2.3 數(shù)據(jù)處理與控制

數(shù)據(jù)處理與控制包括數(shù)據(jù)存儲、分析控制和遠程監(jiān)控三部分。其中數(shù)據(jù)存儲部分主要由數(shù)據(jù)存儲器、GIS數(shù)據(jù)庫、實時通信服務器等組成，其主要功能是將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行存儲和更新；分析控制部分有監(jiān)控服務器、報警預警系統(tǒng)、PC以及遠程控制設備組成，負責對存儲區(qū)中的反饋數(shù)據(jù)進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練，并實現(xiàn)管理人員的運算決策。此模塊確保所監(jiān)控單位實現(xiàn)安全生產作業(yè)，及時處理火災情況保證工作人員生命和財產安全[8]。

3.3 虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)

現(xiàn)實呈現(xiàn)采用目前流行的虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)。該方案主要包括兩部分：服務器和客戶端。其中，服務器負責管理建筑物室內場景素材庫和火災模擬數(shù)據(jù)，同時維護與客戶端的連接；客戶端負責終端場景顯示與實時更新，包括滅火救援動作的交互?？蛻舳藢鼍昂突鹎樽儎有畔魉椭练掌?，與此同時，服務器反饋將系統(tǒng)狀態(tài)信息廣播給各客戶端[9]。系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 虛擬現(xiàn)實顯示方案總體結構圖

而在虛擬環(huán)境構建中，可以采用常用的AutoCAD、3DMAX、瑪雅、粒子系統(tǒng)、OpenGL引擎等實現(xiàn)高質量的逼真3D效果的構建。在構建時，需要根據(jù)設備信息、實際的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理。虛擬現(xiàn)實部分的功能如圖6所示。

圖6 虛擬現(xiàn)實方案功能流程圖

舉例根據(jù)現(xiàn)場測繪，可得到下室內場景的效果，如圖7所示。一旦監(jiān)控系統(tǒng)傳來現(xiàn)場信息異常，可根據(jù)采集的信息（例如溫度異常、煙霧異常），判定大概的火源區(qū)域，進而在虛擬顯示系統(tǒng)中，更新顯示效果，如圖8所示。

圖7 建筑物虛擬成像 圖8 火災效果模擬

其中，可利用3DMAX，對著火點和現(xiàn)場進行整體效果的繪制，如圖9所示。

圖9 火災現(xiàn)場整體3D效果

4 結 語

本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對城市消防安全重點單位遠程監(jiān)控管理和模擬訓練，該方案的關鍵之處在于對重點單位的消防信息進行實時采集并將數(shù)據(jù)進行高效的傳輸，并通過虛擬現(xiàn)實技術，對火災現(xiàn)場虛擬構建。本方案旨在為現(xiàn)場滅火救援提供全面整體的救援指揮信息，障消防人員自身安全、及時制定營救方案?；谔摂M顯示的滅火救援及訓練系統(tǒng)的實現(xiàn)大大提高指揮決策的準確性和消防工作效率，保障了救援中的人員安全。同時為后續(xù)消防部隊的訓練提供場景再現(xiàn)的平臺和訓練保障，為建立一個高效而可靠的消防體系提供了基礎。

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