一種基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合消防控制系統(tǒng)研究

萬(wàn) 力 / 姚 康

(1.合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

一種基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合消防控制系統(tǒng)研究

萬(wàn) 力1/ 姚 康2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

從城市消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)角度，分析了目前我國(guó)消防自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化的基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合消防控制系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)消防信息的互通互聯(lián)，形成智能決策系統(tǒng)，而且可統(tǒng)一系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，提高消防控制的可靠性。

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng) 架構(gòu) 消防現(xiàn)場(chǎng)控制器 消防決策指揮

1 背景

隨著我國(guó)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和建筑功能的提高，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在建筑消防安全中的作用越來(lái)越重要。近年，智慧城市建設(shè)提出了對(duì)城市級(jí)消防監(jiān)控平臺(tái)的需求，因此對(duì)建筑內(nèi)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提出了新的技術(shù)要求。

1.1火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的組成

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)一般設(shè)置在工業(yè)與民用建筑場(chǎng)所，與自動(dòng)滅火系統(tǒng)、疏散誘導(dǎo)系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)以及防火分隔系統(tǒng)等其他消防分類(lèi)設(shè)備一起構(gòu)成了完整的建筑消防系統(tǒng)?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由火災(zāi)探測(cè)報(bào)警、消防聯(lián)動(dòng)控制、可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警及電氣火災(zāi)監(jiān)控等幾個(gè)子系統(tǒng)組成。隨著GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50016-2013《火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 17945-2010《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)》等系列消防規(guī)范的實(shí)施，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的功能也在不斷擴(kuò)展。

基于傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警與消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，目前常見(jiàn)的建筑消防控制系統(tǒng)的功能還包括：消防泵巡檢系統(tǒng)、防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、智能消防疏散系統(tǒng)。經(jīng)歸納，目前建筑內(nèi)常見(jiàn)的消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

另外，在一些特定場(chǎng)所，空氣管探測(cè)系統(tǒng)、感溫電纜探測(cè)系統(tǒng)、光截面探測(cè)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)消防廣播系統(tǒng)的應(yīng)用更豐富了消防控制系統(tǒng)的內(nèi)容。隨著機(jī)電設(shè)備的增加和技術(shù)的進(jìn)步，更多的消防控制子系統(tǒng)會(huì)不斷出現(xiàn)。

1.2消防控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

我國(guó)的消防自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)基本上是延續(xù)了國(guó)外的控制總線(xiàn)技術(shù)，隨著消防功能的不斷增多，其技術(shù)架構(gòu)存在的問(wèn)題也越來(lái)越多。

1)系統(tǒng)采用的RS485總線(xiàn)大多在半雙工狀態(tài)下工作，對(duì)于通訊壓力不大的應(yīng)用場(chǎng)合沒(méi)有明顯問(wèn)題，但如果遇到大數(shù)量用戶(hù)集中并發(fā)使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非常明顯的通訊阻塞，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常使用。信號(hào)線(xiàn)與強(qiáng)電距離過(guò)近或分段時(shí)，會(huì)導(dǎo)致RS485信號(hào)和通信不穩(wěn)定及共模干擾。

2)各個(gè)子系統(tǒng)之間硬件獨(dú)立，多系統(tǒng)并存，前端設(shè)備大量重復(fù)，布線(xiàn)復(fù)雜，維護(hù)工作量極大，資金大量浪費(fèi)。

3)系統(tǒng)為前端到報(bào)警控制器的二級(jí)架構(gòu)，采用的是二總線(xiàn)架構(gòu)，一旦總線(xiàn)出現(xiàn)故障，則會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，對(duì)于多防火分區(qū)的大型公共建筑，其可靠性得不到充分保障。

4)各個(gè)子系統(tǒng)之間軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立、標(biāo)準(zhǔn)不一，每個(gè)系統(tǒng)都有軟件服務(wù)器，要實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)集成功能，還需要在此基礎(chǔ)上增加一套集成管理系統(tǒng)才能和部分硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能互通，浪費(fèi)了較多的資源，也限制了功能的應(yīng)用。

5)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，消防決策指揮功能單一，滿(mǎn)足不了城市消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，難適應(yīng)智慧城市大數(shù)據(jù)融合的需要。

因此，有必要站在智慧城市對(duì)城市消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求的角度，從行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展上考慮，嘗試對(duì)建筑消防控制系統(tǒng)提出新的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 總體目標(biāo)

2.1城市架構(gòu)下的建筑消防控制系統(tǒng)

城市消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將原本各建筑物內(nèi)獨(dú)立的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，并綜合應(yīng)用地理信息系統(tǒng)、數(shù)字視頻監(jiān)控等技術(shù)，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)所有聯(lián)網(wǎng)建筑物火災(zāi)報(bào)警情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及消防設(shè)施的集中管理。圖2所示為城市消防監(jiān)控架構(gòu)下的建筑消防控制系統(tǒng)。

圖2 城市消防監(jiān)控架構(gòu)下的建筑消防控制系統(tǒng)

從功能上看，建立聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)施檢查系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)建筑各個(gè)子系統(tǒng)的相互聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)消防的決策指揮功能；可以將報(bào)警主機(jī)接收到的火警信息實(shí)時(shí)傳遞到城市消防指揮中心，解決人為報(bào)警不及時(shí)、遲報(bào)、瞞報(bào)、誤報(bào)等情況，加快報(bào)警速度和對(duì)著火點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷，為滅火救援贏(yíng)得時(shí)間；同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控，提供最佳疏散通道；另外，應(yīng)用消防聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備的自動(dòng)巡檢，從而加強(qiáng)單位內(nèi)部消防設(shè)施的管理。

2.2系統(tǒng)總體目標(biāo)

可以看出，隨著城市消防功能不斷完善，基于傳統(tǒng)二總線(xiàn)的多個(gè)系統(tǒng)隔離的消防子系統(tǒng)已經(jīng)很難適應(yīng)消防數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的要求，有必要采用統(tǒng)一的基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合消防系統(tǒng)。其總體目標(biāo)如下。

1)對(duì)各個(gè)消防子系統(tǒng)進(jìn)行合并，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)避異種功能、器件及廠(chǎng)商帶來(lái)的各種兼容性問(wèn)題，從系統(tǒng)架構(gòu)頂層把握和引導(dǎo)未來(lái)消防控制系統(tǒng)的技術(shù)體系。

2)采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，取代傳統(tǒng)的RS485總線(xiàn)，加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，構(gòu)建兼容開(kāi)放的消防控制系統(tǒng)。

3)根據(jù)防火分區(qū)，結(jié)合顯示和傳輸需要設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)消防控制器，可采用總線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)等多種方式傳輸，在系統(tǒng)故障的情況下，也可保障區(qū)域獨(dú)立運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4)架構(gòu)根據(jù)各類(lèi)消防子系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，形成消防智慧決策，并與城市消防監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)互通。

3 總體架構(gòu)

本文研究方案的總線(xiàn)構(gòu)架建立在建筑內(nèi)常用的專(zhuān)用以太網(wǎng)(或Wi-Fi)基礎(chǔ)上，因此適應(yīng)各種消防場(chǎng)景的使用?？傮w理念是將所有器件的狀態(tài)和控制都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而使建筑消防的各功能子系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)即裝即用、無(wú)縫聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一可控。

系統(tǒng)的總體框架可由統(tǒng)一管理UI界面、統(tǒng)一管理核心和消防現(xiàn)場(chǎng)控制器三部分組成。

3.1統(tǒng)一管理UI界面

這是消防綜合管理端的用戶(hù)界面，通過(guò)在終端顯示設(shè)備上顯示各種功能子系統(tǒng)(如電氣火災(zāi)監(jiān)控、防火門(mén)監(jiān)控、光截面監(jiān)控等)的狀態(tài)和控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)掌控。

由于采用統(tǒng)一的語(yǔ)言協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的功能描述，各種消防功能終端接入并部署管理軟件模塊后，UI展現(xiàn)風(fēng)格能夠高度一致，方便用戶(hù)進(jìn)行后臺(tái)管理控制。

3.2統(tǒng)一管理核心

這是消防綜合控制系統(tǒng)的核心管理部分，通常部署在中央消防控制室。通過(guò)在服務(wù)器中部署核心管理軟件，建立標(biāo)準(zhǔn)化的消防數(shù)據(jù)字典，按照標(biāo)準(zhǔn)字典建設(shè)中央數(shù)據(jù)庫(kù)和消防集中控制策略庫(kù)；在此基礎(chǔ)上，集中指令系統(tǒng)軟件根據(jù)中央數(shù)據(jù)庫(kù)和中央控制策略庫(kù)進(jìn)行控制運(yùn)算，對(duì)相關(guān)功能對(duì)象和功能終端向現(xiàn)場(chǎng)消防控制器下發(fā)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)所有消防功能對(duì)象的總體頂層控制。

3.3消防現(xiàn)場(chǎng)控制器

消防現(xiàn)場(chǎng)控制器包括決策控制器和通用接口控制器兩部分，決策控制器由中央處理器(CPU)、本地消防數(shù)據(jù)庫(kù)和本地消防策略庫(kù)組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制器的決策控制器可以理解為一個(gè)分布式的子控制中心，與統(tǒng)一管理核心不同的是，它只需滿(mǎn)足該防火區(qū)域的消防控制功能即可。

設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立的決策控制器，一方面是為了方便消防系統(tǒng)對(duì)于局部控制的個(gè)性化需求，另一方面是出于系統(tǒng)故障容錯(cuò)考慮，當(dāng)上游通訊、統(tǒng)一管理核心等出現(xiàn)任何故障時(shí)，局部現(xiàn)場(chǎng)控制器的決策控制器仍然能夠相對(duì)獨(dú)立地工作，不影響局部區(qū)域的消防控制。另外，現(xiàn)場(chǎng)控制器的這種架構(gòu)也方便小型消防場(chǎng)景(如大空間消防區(qū)域的分布式控制器)統(tǒng)一管理核心直接使用，大幅度提高方案的靈活性和適應(yīng)性。

通用接口控制器包含控制器與通用接口兩大部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制器與功能終端(火災(zāi)探測(cè)器、電動(dòng)閥、開(kāi)關(guān)、火災(zāi)區(qū)域視頻、報(bào)警器和廣播等)的控制指令輸出和狀態(tài)反饋輸入。

為了增強(qiáng)安全性，提高故障容錯(cuò)能力，現(xiàn)場(chǎng)控制器與統(tǒng)一消防管理核心之間設(shè)計(jì)安全邏輯閉環(huán)檢測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)指令和功能終端的狀態(tài)邏輯檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理核心與現(xiàn)場(chǎng)控制器的策略同步、校驗(yàn)、邏輯分析、緊急狀態(tài)響應(yīng)等安全控制功能。綜上所述，本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過(guò)多方面的歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化，將建筑消防控制系統(tǒng)整體拓?fù)淇蚣苓M(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化整合，取消了各種功能對(duì)象和功能終端之間的差異帶來(lái)的兼容性問(wèn)題，為智慧城市的消防設(shè)備監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)整合鋪平了道路?；诮ㄖW(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)綜合消防系統(tǒng)總體框架見(jiàn)圖3。

4 關(guān)鍵技術(shù)和意義

構(gòu)建上述架構(gòu)體系是為了實(shí)現(xiàn)建筑消防系統(tǒng)各種功能終端的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一管控，從整體拓?fù)涞狡骷涌谛纬梢惶淄暾臉?biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品體系，其關(guān)鍵技術(shù)及意義具有較好的推廣價(jià)值。

4.1形成標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一的消防控制系統(tǒng)

由于該系統(tǒng)脫離了現(xiàn)行的消防自動(dòng)報(bào)警架構(gòu)，因此結(jié)合系統(tǒng)的功能需要，在智能控制標(biāo)準(zhǔn)化體系的基礎(chǔ)上，形成接口通用的各種功能終端生態(tài)圈和產(chǎn)業(yè)鏈，讓通用性得到較好的體現(xiàn)。

圖3 基于建筑網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)綜合消防系統(tǒng)總體框架

4.2廣泛適應(yīng)性的消防現(xiàn)場(chǎng)控制器

由于消防現(xiàn)場(chǎng)控制器是一個(gè)包含了消防數(shù)據(jù)采集、交換、運(yùn)算與策略控制、指令接口的集成模塊化器件，因此現(xiàn)場(chǎng)控制器將會(huì)成為未來(lái)建筑消防設(shè)計(jì)方案中極其重要的一個(gè)組件，而且適用于多種建筑消防應(yīng)用場(chǎng)景(如隧道消防、大空間消防、船舶消防等)，前景良好。由于規(guī)范了各個(gè)子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和接入方式，保證了各種消防的異構(gòu)功能終端可以達(dá)到“即裝即用、即用即管”的目標(biāo)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維提供了一個(gè)全新的選擇。

4.3面向城市級(jí)的智能消防控制平臺(tái)

系統(tǒng)基于云架構(gòu)綜合數(shù)據(jù)服務(wù)中心，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)及建筑信息模型(BIMS)等諸多技術(shù)的綜合應(yīng)用，建立城市級(jí)別和行業(yè)級(jí)建筑消防系統(tǒng)，對(duì)建筑(特別是大型公共建筑)的消防設(shè)備和消防系統(tǒng)對(duì)象模型，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸、集中存儲(chǔ)與共享、深度數(shù)據(jù)挖掘，集成全方位的數(shù)據(jù)信息服務(wù)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可抽象分為以下四個(gè)平臺(tái)。

1)統(tǒng)一的消防數(shù)據(jù)存取平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集器和執(zhí)行器數(shù)據(jù)到系統(tǒng)的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)部分系統(tǒng)和功能的同類(lèi)型數(shù)據(jù)整合、建立內(nèi)部決策、聯(lián)動(dòng)和緊急通信服務(wù)模塊。

2)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算，根據(jù)消防規(guī)范和功能要求，經(jīng)過(guò)抽取、分析、判斷整理出有效的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)分享服務(wù)。

3)統(tǒng)一的信息展示和交互平臺(tái)：可以通過(guò)組態(tài)、組合、定制等手段，完成不同子系統(tǒng)和消防設(shè)備不同類(lèi)型的終端信息展示和交互，同時(shí)提供在交互中和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合及信息關(guān)聯(lián)。

4)統(tǒng)一的支撐應(yīng)用的決策系統(tǒng)平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高可用技術(shù)，支持橫向擴(kuò)展、監(jiān)控和容災(zāi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家大數(shù)據(jù)應(yīng)用政策及“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展綱要實(shí)施，城市對(duì)公共安全的技術(shù)要求提高到了戰(zhàn)略性發(fā)展的地位，單一建筑體的消防系統(tǒng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)看應(yīng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)的融合以及決策的協(xié)調(diào)，因此，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的消防控制系統(tǒng)的研究具有良好的基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 萬(wàn)力.智慧單元及智慧總線(xiàn)可行性研究報(bào)告.安徽省電氣與信息化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)2016年課題.2016.4.

[2] 孫德斌.城市消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與應(yīng)用[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào). 2015,31(6):18-21.

[3] 孫建川.探究消防電氣設(shè)計(jì)在高層民用建筑中的應(yīng)用[J].低碳世界，2015(1):222-223.

ResearchoftheIntegratedFireControlSystemBasedonNetworkArchitecture

Wan Li / Yao Kang

The characteristics of the automatic fire alarm system are analyzed from the perspective of the construction of the urban fire protection facilities network monitoring system in China,a standardize integrated fire control system based on network architecture is given,it’s not only can achieve interworking the fire control information,formation intelligent decision system,but also standardized the system architecture and improve the reliability of fire control.

automatic fire alarm system, architecture, fire site controller, fire decision-making command