基于大數(shù)據(jù)的智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)探討

吳先洪，車 輝，楊 波，邢慧芬，樊玉琦

（1.深圳市智為科創(chuàng)技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.織里鎮(zhèn)公共事業(yè)服務(wù)中心，浙江 湖州 313000；3. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000；4.巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000；5.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

近年來(lái)，全國(guó)多個(gè)地方連續(xù)發(fā)生重特大火災(zāi)事故，火災(zāi)防護(hù)形勢(shì)十分嚴(yán)峻，消防工作面臨著極大考驗(yàn)，因此提升消防工作效率，研究基于大數(shù)據(jù)的智能消防系統(tǒng)成為重中之重。2017年10月，公安部消防局下發(fā)了《關(guān)于全面推進(jìn)“智慧消防”建設(shè)的指導(dǎo)意見》，旨在全面提升我國(guó)消防運(yùn)行效率，提高應(yīng)急響應(yīng)速度，保障人民生命與財(cái)產(chǎn)安全。智慧消防[1-2]是利用物聯(lián)網(wǎng)[3]、人工智能、大數(shù)據(jù)[4]和云計(jì)算[5]等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市消防的智能化，用以提高信息的傳遞效率、保障消防設(shè)施完好、改善執(zhí)法及管理效果、增強(qiáng)救援能力、降低火災(zāi)發(fā)生概率及其造成的損失。

傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)環(huán)境、財(cái)政預(yù)算等條件的制約，缺少頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，使得各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)層相互獨(dú)立，且獨(dú)立向外提供服務(wù)、認(rèn)證、接口和安全服務(wù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。傳統(tǒng)智慧消防頂層架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足智慧消防的建設(shè)需求，具有開發(fā)部署靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于缺乏頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，因此各子系統(tǒng)相互獨(dú)立、缺乏統(tǒng)一認(rèn)證管理，導(dǎo)致資源浪費(fèi)、系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)較高等。隨著消防技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，較大的消防系統(tǒng)集成商出現(xiàn)，傳統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)逐步被整體式智慧消防系統(tǒng)和分層式智慧消防系統(tǒng)取代。

1 整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

在整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)中，各子系統(tǒng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層彼此獨(dú)立，負(fù)責(zé)采集終端的消防數(shù)據(jù)，并接受上層控制。數(shù)據(jù)層則匯聚底層各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，各子系統(tǒng)的共有大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)消防數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)分析、安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)接口，為應(yīng)用層提供服務(wù)。應(yīng)用層通過(guò)APP、Web和數(shù)據(jù)墻等方式向用戶提供服務(wù)。整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

整體式智慧消防系統(tǒng)從頂層設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了數(shù)據(jù)的融合與統(tǒng)一，并由應(yīng)用層統(tǒng)一向外界提供服務(wù)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，降低了應(yīng)用層的開發(fā)成本。大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)統(tǒng)一對(duì)外提供安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)接口，提高了系統(tǒng)的安全性，降低了管理的復(fù)雜度。

消防各子系統(tǒng)由于承擔(dān)的功能不同，因此對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度、時(shí)延要求存在明顯差異。但整體式智慧消防系統(tǒng)由大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和底層終端響應(yīng)，因此對(duì)平臺(tái)的性能和底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算等硬件的要求較高，導(dǎo)致平臺(tái)軟件開發(fā)復(fù)雜度和底層硬件的成本較高，反而不利于應(yīng)用和推廣。

2 分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

在分層式智慧消防系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)增加了一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)層，用于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，從而提高各子系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)降低大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)開發(fā)的復(fù)雜度和對(duì)底層硬件的要求。在分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)中，系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。其中在基礎(chǔ)層中各子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理，如對(duì)底層終端的控制信息和對(duì)時(shí)間敏感性較高的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)匯聚到大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，由大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、查詢功能，并統(tǒng)一向外提供認(rèn)證、數(shù)據(jù)接口等，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和安全性。分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)各子系統(tǒng)增加了一個(gè)數(shù)據(jù)處理層，負(fù)責(zé)對(duì)底層時(shí)間敏感性數(shù)據(jù)的處理，如火災(zāi)告警信息的判斷處理，從而提高數(shù)據(jù)的處理速度，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；同時(shí)各子系統(tǒng)根據(jù)需求部署相應(yīng)的存儲(chǔ)和處理硬件，降低系統(tǒng)的建設(shè)成本；系統(tǒng)向外提供的認(rèn)證和數(shù)據(jù)接口等功能統(tǒng)一由大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)完成，因此系統(tǒng)具有較高的安全性；系統(tǒng)還具有較好的靈活性和擴(kuò)展性，具備較高的應(yīng)用價(jià)值。

3 三種消防系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比分析

3.1 系統(tǒng)安全性分析

傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)各子系統(tǒng)由不同的集成商建設(shè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的服務(wù)器上，相互獨(dú)立，缺乏統(tǒng)一的認(rèn)證管理和對(duì)外服務(wù)接口，從而給數(shù)據(jù)造成了很大的安全隱患。

整體式和分層式智慧消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中，并由大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)統(tǒng)一對(duì)外提供安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)接口，因此系統(tǒng)具有較高的安全性。

3.2 系統(tǒng)可擴(kuò)展性分析

在傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，因此具有較高的可擴(kuò)展性；分層式智慧消防系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，新建的子系統(tǒng)保持獨(dú)立，將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理分析功能交給上層的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，因此也具有較高的可擴(kuò)展性。

整體式智慧消防系統(tǒng)由大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)統(tǒng)一對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)處理分析，新建子系統(tǒng)不但會(huì)增加平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理和管理復(fù)雜度，而且如果新增子系統(tǒng)的時(shí)間敏感性更高，則平臺(tái)和底層存儲(chǔ)將難以適應(yīng)新的應(yīng)用需求，因此系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差。

3.3 系統(tǒng)服務(wù)器性能分析

在傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，因此可以根據(jù)各子系統(tǒng)的實(shí)際需求配置服務(wù)器，從而降低底層硬件部署的復(fù)雜度和成本。而分層式智慧消防系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，只是把部分?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能交給上層處理，因此服務(wù)器的部署成本和復(fù)雜度也較低。

整體式智慧消防系統(tǒng)統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和底層設(shè)備管理，由于平臺(tái)連接設(shè)備數(shù)量巨大、設(shè)備并發(fā)性較高，這就對(duì)系統(tǒng)的性能和處理速度具有較高的要求。而系統(tǒng)是根據(jù)各子系統(tǒng)中性能最高的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)底層硬件部署的復(fù)雜度和成本都較高。

3.4 系統(tǒng)復(fù)雜度分析

傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，新增加的數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層只是模塊的疊加，而且各子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)度較低，因此系統(tǒng)并不復(fù)雜。

整體式智慧消防系統(tǒng)由統(tǒng)一的平臺(tái)進(jìn)行管理，需要處理的數(shù)據(jù)量巨大，因此對(duì)平臺(tái)軟件的性能與底層硬件的性能、系統(tǒng)開發(fā)、硬件部署等方面要求較高，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

分層式智慧消防系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)式和整體式智慧消防系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，把對(duì)底層設(shè)備的控制和部分?jǐn)?shù)據(jù)處理交給各子系統(tǒng)，從而縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；把數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能交給大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，從而降低軟件開發(fā)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)性能。

4 分層式智慧消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

某地區(qū)是浙江省智慧城市示范試點(diǎn)之一，在做智慧消防頂層規(guī)劃時(shí)，采用了分層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方式，先后建成了智能預(yù)警系統(tǒng)[6]、消防栓水壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]、智慧用電系統(tǒng)[8]、智慧安監(jiān)系統(tǒng)[9]和消防流動(dòng)人口管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)[10]，并由大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、安全認(rèn)證和系統(tǒng)對(duì)外對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了消防區(qū)域的用電、消防栓水壓、煙感數(shù)據(jù)、門禁數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)、出租房數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和消防聯(lián)動(dòng)。某地區(qū)智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中引入云化和分布式核心技術(shù)，結(jié)合Redis、MySQL等開源軟件，突破傳統(tǒng)架構(gòu)的容量和性能瓶頸。通過(guò)應(yīng)用服務(wù)化、負(fù)載均衡、異步處理解耦、高速緩存和底層的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。在接口方面，基于系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后端系統(tǒng)分離，前端系統(tǒng)通過(guò)RPC方式調(diào)用后端系統(tǒng)提供的服務(wù)，即后端系統(tǒng)以API發(fā)布的方式為前端系統(tǒng)提供服務(wù)能力；系統(tǒng)與其他外圍子系統(tǒng)交互基于定義的數(shù)據(jù)交互接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)，各外圍子系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接的接口規(guī)范來(lái)達(dá)到與系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的目的。

建成后的智慧消防大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一設(shè)備管理、統(tǒng)一接入管理、統(tǒng)一標(biāo)注管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和企業(yè)安全管理等功能。通過(guò)該系統(tǒng)不但能夠?qū)z像頭、煙感傳感器、水壓設(shè)備、電表設(shè)備和門禁設(shè)備標(biāo)注在地圖上，也能夠?qū)崟r(shí)接收、顯示、處理所管轄設(shè)備的基礎(chǔ)信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、查詢和展示功能，如安監(jiān)巡防場(chǎng)所巡查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、安居巡防街道變化對(duì)比和安監(jiān)巡查記錄。圖5為某地區(qū)智慧消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)墻。

圖5 智慧消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)墻

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)消防系統(tǒng)由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)環(huán)境、財(cái)政預(yù)算等條件的制約，缺少頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，使得各系統(tǒng)相互獨(dú)立，嚴(yán)重阻礙了智慧消防的建設(shè)和發(fā)展。文章根據(jù)消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的不同，提出了整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)和分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)2種系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)劣性進(jìn)行了討論。智慧消防通過(guò)統(tǒng)一大數(shù)據(jù)平臺(tái)把各子系統(tǒng)進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)消防數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，有效提高消防部門的管理效率。該系統(tǒng)具有一定的實(shí)踐和推廣價(jià)值。

注：本文通訊作者為車輝。