基于CPS的智慧消防應(yīng)用探討

雷馮近 李百毅 鄭 敏 張 彪 李宗潤

(1.西南交通大學(xué)，四川 成都 610000；2.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610000； 3.四川省中壘華建消防科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

伴隨城市建設(shè)的日新月異，消防安全風(fēng)險不斷上升，傳統(tǒng)的消防工作模式已經(jīng)無法適應(yīng)新形勢、新挑戰(zhàn)，無法滿足火災(zāi)防控、滅火救援和消防管理的現(xiàn)實需要。2017年，公安部消防局下發(fā)《關(guān)于全面推進“智慧消防”建設(shè)的指導(dǎo)意見》[1]，從城市物聯(lián)網(wǎng)消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、實戰(zhàn)指揮平臺、高層住宅智能消防預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)字化預(yù)案編制和管理應(yīng)用平臺、社會消防安全管理系統(tǒng)等方面指導(dǎo)智慧消防的建設(shè)，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)與消防工作進行深度融合，推動傳統(tǒng)火災(zāi)防控和應(yīng)急救援工作模式向科技化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級，提升消防人員的應(yīng)急救援能力，提高消防遠(yuǎn)程監(jiān)控與集中管理的水平。

1 智慧消防存在的問題及需求

智慧消防是智慧城市的重要組成部分，是一種將現(xiàn)代信息技術(shù)與消防工作進行深度融合的消防動態(tài)決策系統(tǒng)。智慧消防運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行數(shù)據(jù)實時、動態(tài)、互動的收集、傳遞和處理，在數(shù)字平臺上進行數(shù)據(jù)分析并及時預(yù)警，同時將調(diào)度指令反饋給相關(guān)部門，并且能進行自我不斷優(yōu)化，實現(xiàn)火災(zāi)防控精準(zhǔn)化、救援指揮智能化、管理工作高效化[2,3]。智慧消防具有廣泛性、共享性和智能性的特點，消防信息感知網(wǎng)絡(luò)覆蓋社會生活的多個領(lǐng)域，需要個人、多部門的配合和支持，共同分享和使用消防信息，通過大數(shù)據(jù)、云計算、地理信息、遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)對信息進行整合分析，實現(xiàn)一張圖指揮、調(diào)度、分析、決策的滅火救援模式，最大限度地減少火災(zāi)發(fā)生率以及降低火災(zāi)帶來的生命財產(chǎn)損失[1,4]。

1.1 消防的現(xiàn)存問題

目前，我國消防火災(zāi)防控基礎(chǔ)薄弱，消防信息化建設(shè)滯后，存在消防設(shè)備監(jiān)督難、火災(zāi)預(yù)警不及時、火災(zāi)現(xiàn)場情況不明、消防資源不清、指揮調(diào)度盲目等問題。在火災(zāi)發(fā)生時，無法及時主動報警，只能靠人為電話報警，延誤救火時機；在進行現(xiàn)場救火時，現(xiàn)場火災(zāi)發(fā)生位置、受困人數(shù)、消防水源狀況、建筑物構(gòu)造不清楚，救援處于被動，并且由于現(xiàn)場情況不明只能依靠經(jīng)驗通過語音溝通指揮救援，救援效率低且容易造成消防人員傷亡；在日常火災(zāi)防控中，由于人工監(jiān)督檢查難度大，無法及時掌握火災(zāi)噴淋設(shè)施、消防滅火設(shè)施、火災(zāi)預(yù)警設(shè)施的損壞情況。

1.2 智慧消防的需求

針對消防所存在的問題，智慧消防的需求主要集中于以下幾方面：一是實現(xiàn)火災(zāi)防控自動化，建立實時的火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過圖像識別技術(shù)、感溫感煙探測器等對現(xiàn)場情況進行識別分析，判斷火災(zāi)風(fēng)險并自動報警；二是實現(xiàn)應(yīng)急救援智能化，將遠(yuǎn)程監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、無人設(shè)備等技術(shù)運用于消防救援中，做到能感知火災(zāi)還能感控火情，實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場可視化，使用無人機、消防機器人等設(shè)備執(zhí)行危險救援任務(wù)，提高科學(xué)救援水平；三是實現(xiàn)消防業(yè)務(wù)管理精細(xì)化，完整記錄救援過程，與相關(guān)部門做到數(shù)據(jù)銜接、共享，做到信息公開，提高規(guī)范化水平[4]。

2 信息物理系統(tǒng)(CPS)

CPS是基于3C(Computing，Communication，Control)技術(shù)有機融合和深度協(xié)作的綜合技術(shù)體系，利用計算技術(shù)、通信技術(shù)和智能控制技術(shù)實現(xiàn)物理空間和信息空間的數(shù)據(jù)交互，其隱藏著巨大的潛力。

2.1 CPS概述

信息物理系統(tǒng)(CPS)是支撐信息化和工業(yè)化深度融合，在工業(yè)和信息技術(shù)范圍內(nèi)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨平臺的綜合技術(shù)體系。CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。其本質(zhì)是構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化[5](如圖1所示)。

2.2 CPS的三個層次

CPS具有單元級、系統(tǒng)級、系統(tǒng)之系統(tǒng)級(SystemofSystems，SoS級)三個層次，單元級CPS通過組合和集成構(gòu)成系統(tǒng)級CPS，系統(tǒng)級CPS通過云計算、大數(shù)據(jù)等平臺構(gòu)成SoS級CPS。單元級CPS是由自動控制硬件、工業(yè)軟件和通信模塊構(gòu)成的CPS最小單元，具有不可分割性，其自身具備數(shù)據(jù)自動流動的“感知—分析—決策—執(zhí)行”基本閉環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自我資源優(yōu)化配置。系統(tǒng)級CPS是多個單元級CPS以及非CPS單元設(shè)備的集成，引入統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)(如CPS總線)對多個單元級CPS進行指揮管理，確保彼此的交互協(xié)作，實現(xiàn)單個系統(tǒng)范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。SoS級CPS是多個系統(tǒng)級CPS的集成，構(gòu)建起CPS智能服務(wù)平臺，確保系統(tǒng)級CPS間的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置[5](如圖2所示)。

3 基于CPS的智慧消防應(yīng)用體系

我國消防目前存在消防設(shè)備監(jiān)督難、火災(zāi)預(yù)警不及時、火災(zāi)現(xiàn)場情況不明、消防資源不清、指揮調(diào)度盲目等問題，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防仍存在“物”聯(lián)范圍較小、各系統(tǒng)融合度低、遠(yuǎn)程控制功能不完善等不足。相較于物聯(lián)網(wǎng)，CPS在智慧消防建設(shè)上具有更大的優(yōu)勢，因此為了完善智慧消防，將基于CPS的單元級、系統(tǒng)級、SoS級三層次，逐級建立智慧消防的應(yīng)用體系。

3.1 單元級

單元級CPS智慧消防應(yīng)用體系由物理裝置和信息殼構(gòu)成，物理裝置包括物理實體、傳感器、執(zhí)行器、信息交互設(shè)備等，如溫感傳感器、火災(zāi)探測報警器、消防噴淋設(shè)備等；信息殼具備感知、計算、通信和控制等功能，是連接物理裝置和信息世界的橋梁。物理裝置通過傳感器監(jiān)測建筑內(nèi)部的溫度變化、煙霧濃度等數(shù)據(jù)，通過信息殼將這些物理實體的數(shù)據(jù)“數(shù)字化”，經(jīng)由消防實戰(zhàn)指揮平臺的分析反饋，通過信息殼或者執(zhí)行器對物理實體進行控制，比如控制消防噴淋頭進行定點滅火并實時上報火情。

3.2 系統(tǒng)級

系統(tǒng)級CPS協(xié)同控制和聯(lián)動多個單元級CPS,實現(xiàn)局部消防資源的自組織、自配置、自決策、自優(yōu)化。系統(tǒng)級CPS智慧消防應(yīng)用體系基于RFID(射頻識別)無線傳感、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，包括火災(zāi)防控、報警聯(lián)動、設(shè)施巡檢、消防監(jiān)督等多個方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控消防設(shè)施的維護情況、消防水資源狀態(tài)、易燃物分布、火場實時情況等，做到對火災(zāi)的早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早處理。

3.3 SoS級

SoS級可以通過大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)跨平臺、跨系統(tǒng)的聯(lián)通以及信息共享共用，實現(xiàn)全局范圍內(nèi)的信息全面感知、深度分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。SoS級CPS智慧消防應(yīng)用體系依托邊界接入平臺、公安PGIS、消防信息網(wǎng)及指揮調(diào)度網(wǎng)，借助城市應(yīng)急信息系統(tǒng)獲取災(zāi)情動態(tài)、數(shù)據(jù)以實現(xiàn)災(zāi)情信息實時化，借助GIS和BIM獲取災(zāi)害場所的地理信息、建筑信息、周邊資源及消防設(shè)施信息以實現(xiàn)作戰(zhàn)對象精準(zhǔn)化，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集消防資源、設(shè)備、人員等信息以實現(xiàn)力量信息精準(zhǔn)化，應(yīng)用BIM、移動指揮終端以實現(xiàn)作戰(zhàn)指揮可視化，建立指揮、調(diào)度、分析、決策“一張圖”的實戰(zhàn)指揮平臺，并且通過大數(shù)據(jù)平臺與政府應(yīng)急聯(lián)動部門、社會企業(yè)、居民住宅管理部門等進行信息共享，充分調(diào)動全局資源[6]。此外還可以建立數(shù)字化預(yù)案編制和管理應(yīng)用平臺，基于實戰(zhàn)指揮平臺以及其他系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，進行數(shù)字化預(yù)案編制、火情復(fù)盤、火災(zāi)模擬演練[1]。

4 基于CPS的智慧消防應(yīng)用場景

CPS是基于計算、通信和控制的綜合體系，可以將其應(yīng)用于智慧消費者的火情防控預(yù)警、火災(zāi)應(yīng)急救援、消防設(shè)施維護等場景。

4.1 火情防控預(yù)警

利用圖像識別、射頻感知、電氣監(jiān)控等技術(shù)監(jiān)控建筑內(nèi)部情況，通過溫度、煙霧傳感器等設(shè)備將火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧、高溫、氣體等信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息，借助大數(shù)據(jù)平臺對數(shù)據(jù)進行分析、傳遞，預(yù)判火災(zāi)風(fēng)險并自動報警，避免耽誤救援時機，并將火災(zāi)信息發(fā)布于移動APP上告知周圍群眾。

4.2 火災(zāi)應(yīng)急救援

在進行火災(zāi)救援時，往往存在現(xiàn)場情況不明、消防設(shè)備不清的情況，使救援處于被動?？赏ㄟ^視頻監(jiān)控系統(tǒng)反饋火災(zāi)現(xiàn)場情況，并根據(jù)傳感器監(jiān)測到火災(zāi)情況自動切換到相應(yīng)監(jiān)控點，將數(shù)據(jù)反饋回實戰(zhàn)指揮平臺，通過光、聲音等指示現(xiàn)場救火人員。依托BIM建立建筑三維立體模型，將建筑結(jié)構(gòu)、樓梯走廊布置、消防設(shè)備分布實現(xiàn)可視化，聯(lián)動救援人員身上佩戴的GPS系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，規(guī)劃最佳救援路線，并根據(jù)實時情況進行優(yōu)化。

4.3 消防設(shè)施維護

消防設(shè)施人工檢查難度大，無法實時掌握設(shè)施狀況。通過采集火災(zāi)噴淋設(shè)施、消防水箱、消防供水管道等設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)，融合多源信息，對裝備性能、安全、狀態(tài)等進行特性分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的異常情況，并提前采取適宜的措施對異常狀態(tài)進行預(yù)測性維護。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，專家可進行遠(yuǎn)程征兆性診斷，在虛擬設(shè)備中進行預(yù)演推測維修方案，及時快速解決故障。

5 結(jié)語

CPS作為支撐信息化和工業(yè)化深度融合的綜合技術(shù)體系，具有廣闊的應(yīng)用前景。智慧消防是消防安全建設(shè)的必然趨勢，借助CPS完成消防領(lǐng)域信息化和工業(yè)化的深度融合，從單元級、系統(tǒng)級、SoS級構(gòu)建智慧消防應(yīng)用體系，將CPS運用于火情防控預(yù)警、火災(zāi)應(yīng)急救援、消防設(shè)施維護等場景，推動消防資源配置方式以及指揮調(diào)度方式的優(yōu)化，提高消防救援的能力、效率以及安全性，促進消防工作模式由“傳統(tǒng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤艾F(xiàn)代”，實現(xiàn)真正意義上的智慧消防。