超早期消防預警系統讓火災止于“火星”

何奇超 王佳旭 陳贊鋒 溫紫霞

（佛山科學技術學院數學與大數據學院，廣東 佛山 528000）

一、項目背景與市場分析

（一）項目背景

消防防火工作是保證人民生命財產安全的重中之重。雖然我國的消防工作取得了一些成果，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。火災過程分為四個階段：初起、發(fā)展、猛烈燃燒和熄滅。自動噴水滅火系統，往往只能檢測發(fā)展或者燃燒階段的火災。

火災初期煙氣量大，可燃物燃燒面積迅速擴大，溫度迅速升高。一般情況下，自動噴水滅火系統在15 分鐘內達到劇烈燃燒階段后才會啟動。但在這樣的高溫下，對于那些缺乏逃生知識的人來說，生存的機會非常渺茫。因此，解決火災問題迫在眉睫。

（二）市場需求分析

1.歷史背景分析

在我國，消防警報系統的研究和生產始于20 世紀70 年代，并迅速發(fā)展，盡管速度緩慢。隨著國內基建項目的興起，煙氣報警器作為安全報警領域的重要產品，能夠通過傳感器識別周圍環(huán)境，判斷是否有火災、有毒氣體泄漏等危險，并發(fā)出報警，具有較大的市場需求。然而，傳統的煙霧報警器存在響應延遲大、識別不準確等缺點，在很大程度上不能保證人們的生命財產安全。

2.市場規(guī)模預測

中國是世界上最大的制造業(yè)國家。2019年，中國工業(yè)增加值317109億元，約占同期國內生產總值的32%；制造業(yè)增加值約269175 億元，約占同期國內生產總值的27.2%。制造業(yè)仍然是中國的最大行業(yè)。

預計未來我國經濟仍將保持穩(wěn)定增長勢頭，其規(guī)模預測如圖1-1 所示。

圖1 -1 2018-2025 年中國消防行業(yè)市場規(guī)模預測圖

據不完全統計，82.61%的制造業(yè)工廠，倉庫設有完備消防設施，帶動了消防行業(yè)的發(fā)展。因此煙霧、氣體報警器產品在市場上的需求量會有很大的增長。鑒于傳統產品的缺點，研發(fā)一種新型報警器不僅可以填補行業(yè)空缺，而且擁有很大的競爭優(yōu)勢，極具廣闊的市場前景。

3.行業(yè)競爭分析

超早期消防預警系統與現有的消防系統不同，本團隊的項目可以通過利用大數據算法預測火災的發(fā)生，能夠快速檢測環(huán)境并且判斷是否將發(fā)生火災，具有很好的預防作用。

本團隊研究項目的選取十分新穎，就目前來說，國外與國內對于火災預警的研究還非常缺乏。

二、項目概述

（一）項目發(fā)明思路

隨著物聯網、大數據等一系列科學技術的發(fā)展，消防科學、消防技術和消防軟科學作為消防科技研究的主要方向，進入了快速發(fā)展階段。因此，將人工智能算法應用于消防領域是必然趨勢。為此，本團隊設計了超早期火災預警系統，借助大數據算法進行實時數據分析和火災預警。該系統能夠采用傳感器實時采集分析、移動終端技術實現火災報警系統的采集和快速報警；同時，基于大數據技術的算法對不同類型的火災物質進行預測和實時報警，并根據火災原因采取有針對性的滅火措施。

圖2-1 發(fā)明思路圖

（二）項目設計

本團隊對這個項目的實施做了規(guī)劃和設計。保證整個項目可以順利的進行，保證可以達到預期的目標。

前期階段，本團隊從論文和以往的經驗為突破點進行研究。團隊分析了大量的材料和實施調研以及試驗，研究物體在各種燃燒得狀態(tài)下，空氣中物質信息和與沒有火災隱患的時候信息含量的區(qū)別。分析各種火災存在的因素，通過各種狀態(tài)的研究調整試驗方案，保證項目的可行性。

中期，團隊根據前期階段取得的初步結論和方案建立數學預測模型，制定了產品的開發(fā)計劃以及技術研究方案。并且開始著手設備的開發(fā)，快速推進項目的進程。圖2-2 是產品的開發(fā)整體思路。該產品的設備核心部件是由信息監(jiān)測單元、數據處理單元、聲光預警單元、無線傳輸單元和管理終端單元組成。

團隊對設備研究進展進行初步總結，以及對于技術方案進行修正，研究進程和克服困難瓶頸，使得技術方案更加完善。

后期階段，實現其在現實中的適用性，也繼續(xù)對產品的算法進行優(yōu)化，不斷提高的預測的準確度，同時也實現算法較強的魯棒性和泛化性。

三、項目技術介紹

（一）產品整體概念

（二）消防預警系統的發(fā)展

最早的火災預警系統的起源可以追溯到20 世紀初，恒溫火災探測器的誕生；20 世紀20 年代中期，差溫火災探測器出現;20 世紀40 年代初期，瑞士發(fā)明了離子感煙探測器，實現火災預警;隨著各類傳感器元件的發(fā)展，光電感煙探測器也隨之誕生。

圖2-2 開發(fā)整體思路圖

目前，我國火災自動報警系統主要有區(qū)域火災自動報警系統、控制中心火災自動報警系統和集中火災自動報警系統三種形式。在超早期火災探測報警系統應用還幾乎處于空白。國外已研制出適用于潔凈空間的高靈敏度感煙火災探測報警系統，如激光式高靈敏度感煙火災探測器、吸氣式高靈敏度感煙火災探測報警系統、氣體火災探測報警系統等，與普通火災探測報警系統相比，其探測靈敏度提高了兩個數量級，這些系統采用了激光粒子計數、激光散射等原理監(jiān)視被保護空間，系統可在火災發(fā)生前幾小時識別潛在的火災危險性，實現超早期火災報警。

（三）超早期消防預警系統和傳統消防預警系統對比

下面是對超早期消防預警系統和傳統消防預警系統進行分析和比較，了解傳統消防預警系統需要改進的方向和超早期消防預警系統的優(yōu)勢所在。

表3-1 超早期消防預警系統和傳統消防預警系統對比

產品的優(yōu)勢除了上面的比較外，在市場層面迎合了當今客戶對生命財產保護的迫切需求。通過平臺可以反饋燃燒物質的材質，給出相應的滅火方法和建議。利用消防安監(jiān)大數據和5G 技術輔助為基礎，不斷提升精確度，更快更精確地響應警報。采用NB-IoT/LoRa+4G 無線傳輸技術，超低功耗運行。

（四）產品工作過程描述

超早期消防預警系統的產品主要以名為“極早期的消防安全火災預警檢測裝置”的設備為主，該設備的核心部件是由信息監(jiān)測單元、數據處理單元、聲光預警單元、無線傳輸單元和管理終端單元組成。

設備的信息監(jiān)測單元是由管道抽風系統、光感探測器和紫外線探燈組成，管道排風系統由排風機和導風管組成。設備啟動后，利用排風機的來吸入外部空氣，再由風管引導進入煙氣監(jiān)測室，紫外線燈持續(xù)向煙霧監(jiān)測室發(fā)射紫外線。當紫外光照射煙霧粒子時，光電探測器接收到的紫外線信號會發(fā)生波動，然后將波動信號傳送到數據處理單元。

數據處理單元是由數據轉換器和GoKit4.0 處理器兩部分組成，數據轉換器的功能是把光感探測器產生的光電信號轉換為數字信號，而GoKit4.0處理器負責把數字信號傳輸到無線傳輸單元，若數據經后臺大數據分析且判斷達到火災預警情況，GoKit4.0 處理器則會激活聲光預警單元。

聲光預警單元是由警報發(fā)聲器和警報發(fā)光器兩部分組成，若GoKit4.0處理器激活聲光預警單元，警報發(fā)聲器則發(fā)出足以起警示的警報聲響，警報發(fā)光裝置將發(fā)出紅色和藍色相間的警示燈。

由通信模塊和信號發(fā)送器組成無線通訊單元，通訊模組把數字信號轉化為電磁波信號，通過信號發(fā)射器把電磁波信號傳輸到管理終端單元。

管理終端由后臺服務器和信息管理控制中心組成。后臺服務器通過接收“極早期的消防安全火災預警檢測裝置”傳輸的數據，通過數據庫的形式把數據進行格式化和存儲，信息管理控制中心可以通過以訪問數據庫的形式訪問“極早期的消防安全火災預警檢測裝置”傳輸的數據，供大數據分析處理以判斷是否達到火災預警情況。