基于CPS的消防設(shè)施智能監(jiān)控與輔助值守系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)泼鳌《?/p>

【摘 要】針對(duì)建筑消防系統(tǒng)運(yùn)行狀況不佳、消防安全管理不到位的問(wèn)題，以信息物理系統(tǒng)（CPS）技術(shù)為基礎(chǔ)，研究開(kāi)發(fā)消防設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)和輔助值守系統(tǒng)，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和目標(biāo)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，分析系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)。該系統(tǒng)利用信息物理技術(shù)和移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，一方面實(shí)現(xiàn)單位自主的消防設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，另一方面實(shí)現(xiàn)消防管理值守輔助，提升了系統(tǒng)的可靠性，提高社會(huì)消防安全水平。

【關(guān)鍵詞】消防設(shè)施;信息物理系統(tǒng);智能監(jiān)控;輔助值守

中圖分類號(hào)： X924.4，TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）32-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.033

Design of Intelligent Monitoring and Auxiliary Duty System for Fire Fighting Facilities Based on CPS

ZHANG Yun-ming DONG Li

（China People's Police University，Langfang Hebei 065000，China）

【Abstract】In view of the problems of poor operation of building fire protection system and inadequate fire safety management，based on the Cyber-Physical System（CPS） technology，the paper studies and develops the operation status and auxiliary duty system of fire protection facilities，determines the system design ideas and objectives，designs the system hardware and software architecture，and analyzes the technical points of the system.The system uses the information physics technology and mobile communication network，on the one hand，it realizes the remote monitoring of the operation state of the unit's independent fire-fighting equipment，on the other hand，it realizes the fire-fighting management on duty assistance，improves the reliability of the system，and improves the social fire-fighting safety level.

【Key words】Fire fighting facilities;Cyber-physical system;Intelligent monitoring;Auxiliary duty

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速進(jìn)步，人們的安全意識(shí)不斷增強(qiáng)，對(duì)安全的需求也逐步提高。目前，建筑內(nèi)消防設(shè)施的安裝和使用已經(jīng)深入到社會(huì)生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，這種高普及率的自動(dòng)消防設(shè)施在提高社會(huì)安全水平方面發(fā)揮著重要作用，但是現(xiàn)有的消防設(shè)施在使用上也存在諸多問(wèn)題。從公開(kāi)的調(diào)查報(bào)道來(lái)看，很多消防設(shè)施在火災(zāi)發(fā)生時(shí)并沒(méi)有起到應(yīng)用的作用，從事故分析結(jié)果來(lái)看既有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)問(wèn)題，也有人員管理上的問(wèn)題，最終導(dǎo)致火災(zāi)蔓延擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1，2]。例如北京石景山喜隆多商場(chǎng)發(fā)生的火災(zāi)，由于消防中控室值班人員僅對(duì)火警進(jìn)行了告警消音處理，使得火災(zāi)蔓延擴(kuò)大，造成兩名消防員犧牲和重大財(cái)產(chǎn)損失。從前期調(diào)研結(jié)果來(lái)看，我國(guó)現(xiàn)有消防設(shè)施存在設(shè)備運(yùn)行狀況不佳、值守人員專業(yè)技能和敬業(yè)精神不夠，甚至無(wú)人值守的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，從而導(dǎo)致很多安裝有消防設(shè)施的場(chǎng)所火災(zāi)情況下消防設(shè)施不能發(fā)揮作用。另外，對(duì)于一些有消防安全需求的分散場(chǎng)所，例如移動(dòng)通訊基站、油氣管網(wǎng)輸油站和集氣站等，由于系統(tǒng)可靠性要求的提升，正在大量安裝自動(dòng)消防設(shè)施，對(duì)于這些無(wú)人值守的場(chǎng)所，消防遠(yuǎn)程監(jiān)控與集中管理成為必然趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與目標(biāo)

消防設(shè)施監(jiān)控與輔助值守系統(tǒng)以建設(shè)消防監(jiān)控與服務(wù)平臺(tái)為目的，通過(guò)消防設(shè)施狀態(tài)監(jiān)控、消防系統(tǒng)運(yùn)行流程監(jiān)控、從業(yè)人員在崗管控、消防操作輔助提醒與遠(yuǎn)程值守，實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)智能化監(jiān)督管理。消防系統(tǒng)信息采集、傳輸、存儲(chǔ)與可視化是智慧消防管控的硬件基礎(chǔ)，從物理層面解決了信息的獲取與呈現(xiàn)問(wèn)題;消防數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)邏輯建模與智能應(yīng)用是消防系統(tǒng)智慧監(jiān)控與值守系統(tǒng)的內(nèi)在核心?；谟布?lián)網(wǎng)的消防物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在目前的大多數(shù)智慧消防系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)[3]，而基于數(shù)據(jù)分析和智能處理的智慧消防應(yīng)用仍然需要在智慧消防交叉學(xué)科領(lǐng)域深入研究。信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）是一個(gè)綜合信息、實(shí)物和控制的多維智能系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，具有安全、可靠、實(shí)施、高效的特點(diǎn)[4， 5]。與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相比，基于CPS的智慧消防系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)消防網(wǎng)絡(luò)化外，通過(guò)消防業(yè)務(wù)邏輯與大數(shù)據(jù)、人工智能的交叉融合，可以實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)智能處理，滿足火災(zāi)監(jiān)控與智能值守復(fù)雜工作需求[6，7]。

消防設(shè)施監(jiān)控與輔助值守系統(tǒng)按照軟硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成整體方案研制硬件裝置并編制軟件系統(tǒng)。首先系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)消防設(shè)施信息采集和數(shù)據(jù)處理的硬件裝置，研制由數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置、大數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)成硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)消防設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)和火警信息自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸和匯總處理功能。其次是編制信息管理與數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，建立大數(shù)據(jù)智能分析模型，開(kāi)發(fā)針對(duì)電腦瀏覽器和移動(dòng)APP兩種應(yīng)用模式的多功能軟件模塊。最后通過(guò)系統(tǒng)集成形成消防智能監(jiān)控與輔助值守管理系統(tǒng)，集成系統(tǒng)能夠?qū)⒂布杉降臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)智能計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，并能以圖表和地圖形式展現(xiàn)結(jié)果，用戶通過(guò)電腦瀏覽器或移動(dòng)APP訪問(wèn)服務(wù)器，查詢實(shí)時(shí)信息和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，系統(tǒng)同時(shí)具備關(guān)鍵信息告警與推送功能。

2 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件體系架構(gòu)按照消防系統(tǒng)信息流輸轉(zhuǎn)流程，分為前端信息采集、中間網(wǎng)絡(luò)傳輸、后端信息處理和終端用戶呈現(xiàn)四大模塊。在前端采集模塊，傳感器采集獲取消防報(bào)警主機(jī)設(shè)備狀態(tài)信息和控制室人員狀態(tài)信息。在網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，中間信息傳輸層將消防系統(tǒng)的運(yùn)行信息經(jīng)過(guò)聯(lián)網(wǎng)模塊、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。后端信息處理模塊，動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)與消防業(yè)務(wù)邏輯模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、監(jiān)控、輔助值守等業(yè)務(wù)智能處理。終端用戶模塊，不同類型用戶根據(jù)權(quán)限訪問(wèn)、查詢、接收告警信息和推送信息，并實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)管。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)來(lái)源主要為各單位或監(jiān)控點(diǎn)的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)和消防控制室人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息?；馂?zāi)防控硬件信息又包括固定設(shè)施狀態(tài)信息、探測(cè)器及手報(bào)報(bào)警信息、固定設(shè)施聯(lián)動(dòng)信息、固定設(shè)施故障排除信息等五類數(shù)據(jù)。這些硬件狀態(tài)信息主要由建筑內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警控制器和外接傳感器采集，并匯總于用戶采集傳輸裝置。消防控制室人員信息主要來(lái)源于查崗應(yīng)答器和視頻監(jiān)控器采集，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初步處理后，再匯總于用戶采集傳輸裝置。最后各單位用戶采集傳輸裝置，通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)傳輸至消防大數(shù)據(jù)中心。

2.2 系統(tǒng)軟件與功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件體系架構(gòu)從下至上按照感知層、通信層、計(jì)算層、控制層、服務(wù)層進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)信息采集與無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、功能應(yīng)用，最后至用戶終端瀏覽器或手機(jī)APP應(yīng)用。系統(tǒng)軟件主要功能模塊如表1所示。

表1 系統(tǒng)軟件功能

3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

3.1 消防設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化

本系統(tǒng)基于CPS的核心技術(shù)，結(jié)合數(shù)字通信技術(shù)和模塊化軟件平臺(tái)，探索基于現(xiàn)有消防設(shè)施的信號(hào)提取與識(shí)別共性關(guān)鍵技術(shù)，突破自動(dòng)消防設(shè)施聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)壁壘，解決不同產(chǎn)品通信協(xié)議之間的數(shù)據(jù)融合共享問(wèn)題，開(kāi)發(fā)兼容主流品牌和型號(hào)的模塊化數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置。系統(tǒng)在原有自動(dòng)消防設(shè)施的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝的小型模塊化數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置，以最低的成本實(shí)現(xiàn)消防設(shè)施狀態(tài)信息自動(dòng)采集與無(wú)線傳輸，完成消防設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)化。

3.2 消防設(shè)施真實(shí)信息獲取與共享

本系統(tǒng)在消防自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)上，綜合利用了物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)消防設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)和人員在崗應(yīng)答數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與實(shí)時(shí)上傳，數(shù)據(jù)來(lái)源真實(shí)可靠，從而保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的客觀真實(shí)性，避免了人為因素干擾。以真實(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)傳輸和集中數(shù)據(jù)管理，可以實(shí)現(xiàn)社會(huì)單位、消防管理部門(mén)、物業(yè)管理部門(mén)多方共享的消防大數(shù)據(jù)服務(wù)，增強(qiáng)了信息互通，形成信息收集、處理、發(fā)布一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全時(shí)空消防設(shè)施監(jiān)控與輔助值守遠(yuǎn)程管理。

3.3 消防大數(shù)據(jù)應(yīng)用與輔助值守

本系統(tǒng)根據(jù)平臺(tái)獲取的實(shí)時(shí)信息和歷史數(shù)據(jù)，一方面，建立自己的消防大數(shù)據(jù)平臺(tái)和智能監(jiān)控與輔助值守業(yè)務(wù)邏輯模型，利用消防設(shè)施全生命周期歷史數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)信息，預(yù)測(cè)設(shè)備隱患及發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)隨機(jī)人員應(yīng)答機(jī)制監(jiān)控人員在崗情況，利用火災(zāi)事故處理模型實(shí)現(xiàn)火災(zāi)告警與輔助值守。另一方面，通過(guò)大數(shù)據(jù)與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型的結(jié)合，系統(tǒng)可以判斷和預(yù)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為政府部門(mén)和消防機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)區(qū)域火災(zāi)隱患提供科學(xué)依據(jù)，增強(qiáng)消防部門(mén)和社會(huì)單位的主動(dòng)防范能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)消防系統(tǒng)監(jiān)督管理和人員值守存在的問(wèn)題，以信息物理融合技術(shù)體系為基礎(chǔ)，研制消防系統(tǒng)信息采集與傳輸硬件裝置，開(kāi)發(fā)信息管理與數(shù)據(jù)分析軟件，集成構(gòu)建消防設(shè)施監(jiān)控與輔助值守系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)消防設(shè)施狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、消防系統(tǒng)輔助值守。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與建設(shè)為社會(huì)單位、物業(yè)管理機(jī)構(gòu)和政府消防部門(mén)提供了一套高效率、智能化的監(jiān)督管理平臺(tái)。

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