基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶智能消防系統(tǒng)

楊啟堯

(浙江水利水電學(xué)院電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著近年來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國際化程度提高，船舶的數(shù)量不斷增長，同時(shí)船舶發(fā)生火災(zāi)事故的數(shù)量也越來越多.1970－1999年30年中，船舶火災(zāi)事故310起，139人死亡，195人受傷，造成經(jīng)濟(jì)損失34418.59萬元，而在2000－2004年，船舶火災(zāi)造成47人死亡，71人受傷的情況，經(jīng)濟(jì)損失也達(dá)1957.96萬元.火災(zāi)的原因有多種，比如船舶的老舊，消防設(shè)備的配備不足，許多消防設(shè)備已經(jīng)老化沒有及時(shí)更新，消防員的素質(zhì)不夠高、訓(xùn)練和演習(xí)不夠，船員以及乘客的消防意識(shí)薄弱、獲取火災(zāi)信息的技術(shù)落后，指揮調(diào)度不夠有序高效，沒有按照國際的規(guī)則嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)定等［1－3］.

船舶發(fā)生火災(zāi)以后，指揮及消防人員獲知火災(zāi)第一手的信息滯后，火災(zāi)現(xiàn)場與駕駛艙以及指揮救援中心的通訊不夠及時(shí)，特別是對(duì)于我國許多船舶老舊程度高，沒有利用現(xiàn)代化的通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)不夠及時(shí)，海上救援無法迅速支援，造成火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)散，導(dǎo)致更嚴(yán)重的損失.因此有必要采用現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能化的消防系統(tǒng)，降低火災(zāi)發(fā)生的概率，減少損失到最低程度.目前關(guān)于船舶的智能消防，周榕［2］、徐向文［2］、魏偉仁［4］開展了關(guān)于船舶消防的方案、預(yù)防火災(zāi)的預(yù)案的研究、或者簡單提出了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的的智能船舶消防，曹冬華、常壯、任鴻翔等人研究利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)船舶模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，劉高山等人主要開展了船舶上消防設(shè)備的研究［5－6］，張艷麗，王炳輝、張海濤等人主要從管理的角度研究船舶消防系統(tǒng)失效與消防能力評(píng)估體系.尚未看到提出一種船舶智能消防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［6－7］.國外也是主要開展了關(guān)于火源定位、消防措施、安全措施、救援策略等與智能船舶消防相關(guān)的研究［6－9］.本文研究的是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將船舶智能消防系統(tǒng)與海上消防救援中心、港口智能信息中心、智慧城市、海上消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等其他系統(tǒng)聯(lián)系在一起，理清各個(gè)子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)流的關(guān)系.

1 消防物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來新興的技術(shù)，該技術(shù)是2008年IBM公司首先提出“智慧地球”的概念，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)就是用來構(gòu)建“智慧地球”、“智慧城市”的關(guān)鍵技術(shù).為給船舶的智能消防提供一個(gè)清晰的架構(gòu)，構(gòu)建智能船舶消防物聯(lián)網(wǎng)，將船舶的消防、海上救援中心、港口智能信息中心、GPS系統(tǒng)聯(lián)系在一起(見圖1)，分為感知層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層三個(gè)層次，感知層主要是對(duì)船舶發(fā)生火災(zāi)的各種信息進(jìn)行檢測，如溫濕度傳感器、煙霧傳感器、海上方位傳感器等，而網(wǎng)絡(luò)層主要是利用物聯(lián)網(wǎng)中各種現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)將船舶內(nèi)部進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和資源共享，并送到上一層應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)與海上救援中心、港口智能信息中心、智能航行系統(tǒng)、船舶人員定位系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用的進(jìn)行通信和聯(lián)系［13－14］.

圖2為在信息化的時(shí)代中，船舶智能消防系統(tǒng)本身的能力還是比較有限，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將船舶消防系統(tǒng)與港口智能信息中心、海上消防救援中心之間進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)資源共享，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，盡早提供在船舶自身以外的救援.虛擬現(xiàn)實(shí)消防訓(xùn)練系統(tǒng)在目前已經(jīng)廣泛開展應(yīng)用，可以在平時(shí)對(duì)船員和消防人員進(jìn)行系統(tǒng)性的訓(xùn)練，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)也可以提供一些經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)和規(guī)則的提示，幫助船上所有乘客.海上消防模擬規(guī)劃演示系統(tǒng)主要是為海上救援中心或者附近港口提供救援最短的路徑規(guī)劃，也為船上乘客提供逃生的路徑規(guī)劃.船舶與港口以及海上救援中心可以通過4G或者其他的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信.

圖1 船舶智能消防物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的船舶智能消防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 船舶智能消防系統(tǒng)的構(gòu)成

從圖2中可以看出，船舶智能消防系統(tǒng)由七塊構(gòu)成，包含了火災(zāi)探測系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、船舶人員定位跟蹤系統(tǒng)、智能航行系統(tǒng)、逃生指示系統(tǒng)等構(gòu)成.

2.1 火災(zāi)探測與滅火系統(tǒng)

2.1.1 火災(zāi)探測系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)

從最近的參考文獻(xiàn)看來，90%以上的船舶火災(zāi)是由于在初期沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并進(jìn)行抑制，造成火災(zāi)蔓延，損失嚴(yán)重.利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶的各個(gè)主要部位的重要物件安裝照RFID感應(yīng)器，溫濕度傳感器、煙霧傳感器，紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅髟诟袘?yīng)到火災(zāi)時(shí)將信號(hào)傳輸?shù)较乐笓]中心并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)消防中心通過攝像頭采集各個(gè)部位的實(shí)時(shí)信號(hào)(見圖3).感知層獲得的火災(zāi)信息通過網(wǎng)絡(luò)層中的聯(lián)動(dòng)裝置將火災(zāi)信息、船舶設(shè)備信息、視頻信息傳送到船舶消防決策指揮中心，感知層與網(wǎng)絡(luò)層之間的通信方式可以采用網(wǎng)絡(luò)或者CAN總線等方式.這樣獲得的各種火災(zāi)信息以及視頻信息不但在船舶的消防監(jiān)控指揮中心可以獲得，也通過3G/4G等網(wǎng)絡(luò)直接傳遞到海上消防救援中心和最近的港口智能信息中心，方便提供及時(shí)的救援［16－17］.

圖3 自動(dòng)/人工滅火系統(tǒng)

2.1.2 自動(dòng)/人工滅火系統(tǒng)

滅火系統(tǒng)主要分成兩類，即自動(dòng)和人工兩種(見圖4)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層中的各種溫濕度傳感器及紅外傳感器感知到較小的火焰時(shí)，可以采用火源定位的技術(shù)，自動(dòng)對(duì)船舶上剛開始的微小火源進(jìn)行自動(dòng)噴淋，達(dá)到滅火的效果，同時(shí)也通過報(bào)警系統(tǒng)提醒消防員和船上的消防監(jiān)控中心立即開展有計(jì)劃性的消防滅火行動(dòng).

圖4 自動(dòng)/人工滅火系統(tǒng)

目前比較先進(jìn)的船舶滅火系統(tǒng)有三種，一種是細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，這種針對(duì)一般的火災(zāi)，可分為高壓和低壓的兩種細(xì)水霧，可以根據(jù)感知層的火災(zāi)探測器自動(dòng)噴出水霧，或者遠(yuǎn)程手動(dòng)控制也可以，高壓細(xì)水霧一般用于局部，而低壓用于全局包括全淹沒的場合.第二種是高倍泡沫滅火系統(tǒng)是適用與油輪，撲滅油等火源.撲滅效果較好，但成本高.第三種是氣溶膠滅火系統(tǒng)，利用液體或或固體微粒懸浮于氣體分散介質(zhì)中形成的一種溶膠，通過吸熱降溫和氣相化學(xué)抑制作用、固相化學(xué)抑制作用達(dá)到滅火的效果［18－19］.

2.2 消防指揮與航行系統(tǒng)

2.2.1 船舶消防決策與指揮系統(tǒng)

船舶消防決策與指揮系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心(見圖5)，當(dāng)船舶發(fā)生火災(zāi)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)感知層所感應(yīng)的各種火災(zāi)信號(hào)傳遞到船舶消防監(jiān)控中心，該系統(tǒng)同時(shí)將火災(zāi)信息傳遞到海事局、消防部隊(duì)、港口部隊(duì)，由海事局也將該信號(hào)傳遞到出事海域附近的漁船，方便及時(shí)開展救援，各種力量綜合在一起.通過有經(jīng)驗(yàn)的消防指揮官，派定火災(zāi)的偵察員，然后根據(jù)不同船只具體的情況制定滅火方案和進(jìn)攻路線，在實(shí)施過程中要根據(jù)實(shí)際情況合理地調(diào)整救援方案.注意兩個(gè)原則:就是注意救人第一，保證消防員自身的安全，同時(shí)要有效利用船上配備的消防裝備，如高倍泡沫滅火裝置，高壓細(xì)水霧等裝備.

圖5 船舶消防決策與指揮系統(tǒng)

2.2.2 智能航行系統(tǒng)

智能航行系統(tǒng)主要是船舶平時(shí)能夠根據(jù)GPS系統(tǒng)選擇合適的航線，當(dāng)遇到前方船舶時(shí)能夠提供智能避免碰撞的提示.在智能消防系統(tǒng)中，主要是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，除了系統(tǒng)自動(dòng)向海上救援中心(海事局)等發(fā)出求援信號(hào)，而且可以自動(dòng)規(guī)劃出一條合適的路線，幫助船舶能夠向最近的港口或者容易獲救的方向航行.

2.3 GPS系統(tǒng)與逃生指示系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)是全球定位系統(tǒng)，對(duì)于船舶在海上航行是極重要的，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將GPS系統(tǒng)與整個(gè)船舶智能消防系統(tǒng)聯(lián)系在一起.平時(shí)的時(shí)候可以作為導(dǎo)航使用，幫助船員按照航線正確行駛，并提供航行軌跡修正等功能.當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)感知的信號(hào)自動(dòng)送達(dá)GPS定位系統(tǒng)，可以為駕駛員提供一條最安全的逃生規(guī)劃路徑，這可以從海上消防規(guī)劃模擬演示系統(tǒng)獲得.同時(shí)也將船舶的位置通過物聯(lián)網(wǎng)報(bào)告給海事局，以便進(jìn)行救援.也可以通過衛(wèi)星觀察初步船舶火災(zāi)的嚴(yán)重程度.當(dāng)火災(zāi)特別嚴(yán)重時(shí)，如果技術(shù)發(fā)展許可，可以開啟自動(dòng)導(dǎo)航的功能，使船舶在無人駕駛時(shí)也能沿著規(guī)劃的安全路徑航行.同時(shí)也將安全規(guī)劃的路徑通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸給船員和乘客的智能手機(jī)，方便在救生艇和救生船上逃生.

3 消防訓(xùn)練與海上規(guī)劃模擬系統(tǒng)

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)消防訓(xùn)練系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要是用于訓(xùn)練消防員以及船員，為船上發(fā)生火災(zāi)做好準(zhǔn)備.曹冬華、任鴻翔、常壯等人對(duì)此開展了研究.主要是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)、可視化技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的船舶火災(zāi)訓(xùn)練系統(tǒng)，可以模擬火災(zāi)發(fā)生、火災(zāi)探測、滅火救援、指揮、逃生等各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)有系統(tǒng)地進(jìn)行訓(xùn)練，具體組成(見圖 6)［5－6，15］.

從圖6中可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬火災(zāi)的產(chǎn)生、蔓延的過程，利用現(xiàn)代的圖像處理技術(shù)，如VRML語言、OpenGL、CAD等技術(shù)設(shè)計(jì)三維動(dòng)畫，同時(shí)利用場模型、區(qū)域模型和網(wǎng)模型等可以模擬火災(zāi)的整個(gè)過程，可以建立虛擬的消防艇、虛擬滅火器和虛擬的噴淋系統(tǒng).教練員可以設(shè)計(jì)不同場景火災(zāi)的發(fā)生，讓消防員進(jìn)行訓(xùn)練，這樣的仿真可以自動(dòng)錄像回放，每次可以總結(jié)救援過程中出現(xiàn)的問題并進(jìn)行改進(jìn).利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將該系統(tǒng)生成知識(shí)經(jīng)驗(yàn)庫一方面可以作為消防指揮的借鑒，另一方面可以給船員和乘客在船上時(shí)可以現(xiàn)場模擬訓(xùn)練，做到有備無患.

3.2 海上消防規(guī)劃模擬演示系統(tǒng)

胡志蘋、林國順等人開展了海上消防規(guī)劃模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究，海上消防救援規(guī)劃主要是針對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)如何快速地確定搜救和逃生的路線規(guī)劃，建立一個(gè)規(guī)范的海上消防救援體系.該系統(tǒng)以一個(gè)城市為中心，確定圍繞一個(gè)港口城市附件海域的救援體系，能夠動(dòng)態(tài)地規(guī)劃消防的布局，并且可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)各種路線進(jìn)行仿真，也可以提供演示系統(tǒng)，可以統(tǒng)計(jì)出如何快速到達(dá)著火船舶海域，統(tǒng)計(jì)出大概的時(shí)間，確定一條最優(yōu)的路線，如何提醒周邊的漁船等前往救援，各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)是什么等等.這個(gè)系統(tǒng)也是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)入智能船舶消防系統(tǒng)，作為船員平時(shí)訓(xùn)練以及海事局如何快速進(jìn)行救援的訓(xùn)練［20］.

4 港口與海上消防救援中心

4.1 海上消防救援中心

海上消防救援中心主要由五大部分組成(見圖7)，分為海事局、陸地消防部隊(duì)、港口軍隊(duì)、港口智能信息中心、附近船舶等構(gòu)成，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能船舶消防系統(tǒng)連接，海事局是中心，負(fù)責(zé)總體的聯(lián)絡(luò)和銜接，當(dāng)通過物聯(lián)網(wǎng)獲得所在船舶的救援信號(hào)時(shí)，立刻給出船舶的逃生規(guī)劃路徑，同時(shí)指揮就近的船舶前往救援，同時(shí)根據(jù)船舶火災(zāi)的嚴(yán)重程度可以通過港口智能信息中心調(diào)動(dòng)駐扎港口的軍隊(duì)、以及陸地的消防部隊(duì)前往救援，確保將船舶發(fā)生火災(zāi)的損失降到最低程度，形成一個(gè)有系統(tǒng)性的救援體系.港口智能信息中心應(yīng)當(dāng)具有通知船舶救援的功能，以及如何讓救援的船只能夠快速從港口出發(fā)，并幫助港口的軍隊(duì)和軍艦以最快速度趕往出事海域.如果船只是在港口附近著火的危險(xiǎn)級(jí)別，指揮港口船只做出有效的自我保護(hù)［20］.

圖6 虛擬現(xiàn)實(shí)船舶模擬消防系統(tǒng)

圖7 海上消防救援中心

5 結(jié)論

通過構(gòu)建船舶消防物聯(lián)網(wǎng)，將目前各種先進(jìn)的消防技術(shù)集成應(yīng)用到船舶火災(zāi)的預(yù)防與救援當(dāng)中，詳細(xì)說明船舶火災(zāi)的探測與滅火系統(tǒng)，消防指揮與航行系統(tǒng)，消防訓(xùn)練與海上規(guī)劃模擬系統(tǒng)、港口與海上消防救援中心之間數(shù)據(jù)流的關(guān)系，將船舶消防與海上救援、港口陸地的消防中心形成一個(gè)利用現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)緊密聯(lián)系的有機(jī)體，并且經(jīng)消防的模擬訓(xùn)練以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用結(jié)合在該系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)集預(yù)防、訓(xùn)練、救援為一體的船舶智能消防系統(tǒng).

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