BIM和物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建智能消防管理系統(tǒng)探討

（重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城市中新建、擴建、改建工程大量涌現(xiàn)，同時住宅朝向大容量、大跨度、高層及超高層方向發(fā)展。這些建筑中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、龐大的空間使建筑消防的難度大大增加。而火災(zāi)發(fā)生時，無論是火災(zāi)發(fā)生位置還是后期發(fā)展趨勢，都具有很強的隨機性，那么如何快速確定滅火位置以及準確有效地疏散建筑內(nèi)人員變得非常重要。然而現(xiàn)階段建筑內(nèi)提供的主要是二維的疏散示意圖，雖然起到一定的作用，但存在直觀性差等缺陷[1]，無法根據(jù)火災(zāi)獲得具體情況靈活地調(diào)整逃生路線[2-3]。同時，由于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二維模式下的消防疏散圖，很難將其中的空間信息、設(shè)備信息、人員信息之間的相互關(guān)系有效地展示出來，對建筑不熟悉的人員很難找到消防設(shè)備以及安全出口的位置，而且在濃煙等惡劣環(huán)境的干擾下，救援人員也很難通過二維圖紙快速熟悉建筑環(huán)境，及時找到滅火路線，建筑內(nèi)部人員也很難快速尋找到疏散路徑逃生，這對疏散路徑的選擇是極其不利的[4]。此外，不同的起火點也直接影響到疏散路徑的選擇。因此，傳統(tǒng)以疏散示意圖作為疏散引導(dǎo)的方式已不能滿足現(xiàn)在大型建筑的疏散引導(dǎo)需求[5]。加之火災(zāi)發(fā)生的地點及火勢大小都有很強的隨機性，傳統(tǒng)靜態(tài)的疏散引導(dǎo)方式也已很難進行高效的疏散引導(dǎo)[6-7]。

1 BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用分析

由于傳統(tǒng)的消防管理系統(tǒng)無法充分了解火災(zāi)現(xiàn)場、周圍消防設(shè)施布置以及火災(zāi)區(qū)域結(jié)構(gòu)等信息，消防人員難以在最短時間內(nèi)找到起火點、了解火災(zāi)情況及制定最佳救援路徑。本文提出的基于BIM技術(shù)的三維可視化智能消防管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對建筑信息、設(shè)備信息的管理，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)信息的實時更新，從而能夠快速、高效地了解火災(zāi)環(huán)境，將極大地提高消防救援的效率。

BIM技術(shù)將建筑物實體和功能特性參數(shù)等信息進行數(shù)字表達，利用BIM技術(shù)建立的建筑物三維信息模型，能夠?qū)⒔ㄖ锔麟A段參與方數(shù)據(jù)、建筑結(jié)構(gòu)、空間位置、配套設(shè)備等信息涵括在模型中，從而實現(xiàn)建筑物所有信息的集成管理和全壽命周期管理。同時，基于BIM的共享數(shù)字表達，模型中數(shù)據(jù)規(guī)范，并可以通過開放式標準實現(xiàn)信息的交互，為信息寫入到模型中提供了端口。

目前，一些建筑物的消防設(shè)施設(shè)備，如防火卷簾、自動噴淋系統(tǒng)等，雖然有傳感器等末端感應(yīng)器進行數(shù)據(jù)采集，再通過物聯(lián)網(wǎng)的傳輸，可以實現(xiàn)對這些設(shè)備所處狀態(tài)的了解，但不能直觀地了解到這些設(shè)備的位置、運行狀態(tài)等信息。此外，有些不便于設(shè)置傳感器的消防設(shè)備，如滅火器、消防栓等，雖可以知道分布數(shù)量、滅火器類型等信息，但不能直觀地了解分布情況信息?？梢姡畔⒘可?、信息不明確等成為了制約消防救援效率的因素。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信息采集方式呈現(xiàn)出多元化，如RFID、二維碼、視頻監(jiān)控、傳感器等，通過這些信息采集設(shè)備的覆蓋，能實現(xiàn)對建筑物的消防設(shè)備、消防通道、安全出口等的實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)信息的實時采集并生成數(shù)字信息，再通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)傳輸出去?；贐IM模型數(shù)據(jù)的開放式標準，物聯(lián)網(wǎng)采集、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則可根據(jù)約定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過BIM端口接入到模型中。同時，根據(jù)消防設(shè)施設(shè)備的實際位置，BIM建立的三維模型，給建筑物中的設(shè)施設(shè)備的位置賦予ID號，通過物聯(lián)網(wǎng)采集的信息就可以在對應(yīng)ID號中進行存儲，進而實現(xiàn)消防設(shè)施設(shè)備的三維可視化管理，信息的即時性、準確性也將會得到極大的提高。BIM模型與物聯(lián)網(wǎng)的信息端口對接見圖1。

圖1 BIM模型與物聯(lián)網(wǎng)的信息端口對接示意圖

2 智能消防管理系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

智能消防管理系統(tǒng)的目的是提高火災(zāi)發(fā)生時消防救援的效率，因此需要有足夠的信息量和準確的信息來指導(dǎo)被困者的自救以及救援人員的施救。為此，智能消防管理系統(tǒng)需要由五大功能模塊組成，系統(tǒng)功能模塊構(gòu)架圖見圖2。

2.1 信息采集模塊

本模塊主要完成信息采集的功能。利用RFID、傳感器、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成系統(tǒng)的信息采集網(wǎng)，對建筑物內(nèi)消防設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，包括消防用水、消防器材、消防電氣、安全出口及通道等。通過對消防狀態(tài)信息的掌握，確保信息的準確性和有效性，從而為制定消防救援、被困者自救提供有力指導(dǎo)。此外，此模塊還具備信息接收功能，可以在接收到管理中心指令后運作，發(fā)布消防消息。

2.2 模型模塊

本模塊是制定救援路線和被困者逃生路線的重要支撐。利用BIM技術(shù)建立的建筑物三維模型，可以查閱建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息、水電氣信息以及消防設(shè)施設(shè)備信息，并且可以直觀地查看需要的位置信息，能夠為救援路線和自救路線的規(guī)劃提供依據(jù)。

2.3 信息處理模塊

正常情況下，物聯(lián)網(wǎng)終端采集的信息傳輸?shù)紹IM模型對應(yīng)的ID位置進行存儲，信息處理模塊通過與設(shè)定的標準對比，進行信息的日常檢查并記錄。當出現(xiàn)設(shè)施設(shè)備故障、火災(zāi)等異常情況時，信息處理模塊的應(yīng)急功能響應(yīng)，同時信息也將傳輸?shù)较到y(tǒng)管理中心。信息處理模塊通過對數(shù)據(jù)的對比分析，找出異常點，而后經(jīng)過管理中心的判斷，由管理中心下達工作指令。如發(fā)生設(shè)施設(shè)備故障，下發(fā)指令到裝備部，由裝備部進行檢查和維修；如發(fā)生火災(zāi)，調(diào)集異常點周圍的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行數(shù)據(jù)再確認，信息處理模塊規(guī)劃出救援路徑和自救路徑，管理中心進行發(fā)布。

2.4 管理中心模塊

管理中心是系統(tǒng)的決策中心，同時也是系統(tǒng)的日常管理者。系統(tǒng)日常維保工作由管理中心負責并進行記錄、監(jiān)督。當發(fā)生火災(zāi)時，管理中心就轉(zhuǎn)變?yōu)闆Q策中心和應(yīng)急指揮中心，通過對信息的讀取與分析進行決策，并發(fā)布緊急疏散命令，全程指導(dǎo)救援工作。

2.5 終端APP模塊

該模塊為接受指令模塊，面向救援人員和住戶。救援人員通過終端APP，接收決策中心傳來的指令，同時，可根據(jù)終端了解實時的火災(zāi)現(xiàn)場信息，能夠?qū)ν话l(fā)情況隨機應(yīng)變。對于住戶，最便利的是在手機安裝終端APP終端，平時可以通過APP了解小區(qū)的日常消防情況，參與小區(qū)的消防管理工作；在遇到火災(zāi)突發(fā)情況時，管理中心確定火點位置后，推送火災(zāi)指令到APP中，并在模型中標記著火點位置，在判斷了火災(zāi)大小和預(yù)測了火災(zāi)發(fā)展趨勢后，對處于火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的住戶發(fā)布緊急通知，并將規(guī)劃出的逃生路線推送至火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的住戶，同時管理中心根據(jù)APP了解住戶實時逃生的位置，及時指導(dǎo)被困者逃生。

圖2 系統(tǒng)功能模塊構(gòu)架圖

3 智能消防管理系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工程流程圖

借助現(xiàn)有傳感器和服務(wù)器技術(shù)，當火災(zāi)報警終端發(fā)生警報時，同時將警報信息傳入服務(wù)器，服務(wù)器對傳入的信息進行收集，服務(wù)器將收集的信息通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）傳輸?shù)紹IM模型，在BIM模型中，報警位置將會高亮顯示，同時迅速調(diào)出該點附近所有消防設(shè)備信息以及整個樓層信息。服務(wù)器會根據(jù)傳輸進來的數(shù)據(jù)進行分析與記錄，在確定為報警信息真實時，系統(tǒng)通過與管理中心的連接自動報警，同時發(fā)出警報，通知室內(nèi)人員迅速撤離。在撤離過程中，火災(zāi)區(qū)域住戶通過手機APP快速獲取逃離路徑，其路徑規(guī)劃根據(jù)住戶所處位置，根據(jù)所接受的推送信息以及該位置附近的消防設(shè)備，判定安全路線，對于火勢較大情況，給予逃生者標出相對安全位置，等待救援。對于消防救援的路線，首先確定待救者位置，然后獲取該樓層信息，包括該樓層燃氣管道及電力線路等次生危險源，規(guī)劃出救援路線，找到逃生者并將其安全帶出，最后解除警報。如果在數(shù)據(jù)處理階段，發(fā)現(xiàn)為假報警，該系統(tǒng)將會直接推送代碼至服務(wù)器，再經(jīng)服務(wù)器輸出命令，解除警報。

4 結(jié)語

本次研究中提出并設(shè)計了基于BIM的三維可視化智能消防管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立起建筑物的消防信息采集網(wǎng)，同時可將建筑物的結(jié)構(gòu)、空間及消防設(shè)施設(shè)備等信息傳輸?shù)紹IM模型中對應(yīng)的ID位置進行存儲，以此建立建筑物實體與模型的對應(yīng)關(guān)系，從而可以通過模型直觀地查看實物的信息，火災(zāi)發(fā)生時，消防救援的效率將得到極大的提高。但本文提出的消防管理系統(tǒng)還處在理論階段，實際建筑物的消防管理系統(tǒng)的構(gòu)建還有待進一步研究。

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