三維可視化消防安全系統(tǒng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 陽，劉 建，呂 帥

（1.重慶市地理信息和遙感應(yīng)用中心，重慶 401147）

近年來，城市綜合體、TOD社區(qū)等大體量復(fù)雜建筑紛紛涌現(xiàn)，作為城市建設(shè)的地標(biāo)級(jí)產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)多樣、功能復(fù)雜、材料新穎，須配備的消防設(shè)施設(shè)備點(diǎn)位多、總量大，給消防設(shè)計(jì)和設(shè)備管理帶來了新的挑戰(zhàn)。在這些建筑物消防安全管理中，存在建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、進(jìn)入重點(diǎn)防火部位路徑多樣、建筑物內(nèi)可燃物位置分布不明確等現(xiàn)狀，使得消防救援無法快速有序開展，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成人員傷亡[1]。

傳統(tǒng)的建筑防火設(shè)計(jì)主要基于二維平面，設(shè)施設(shè)備也多以圖紙的形式展現(xiàn)；而利用傳統(tǒng)的靜態(tài)存儲(chǔ)管理模式無法處理目前信息化時(shí)代的海量數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)管理的效率、系統(tǒng)設(shè)備的協(xié)調(diào)性、緊急救援的準(zhǔn)確性以及逃生路線的優(yōu)化等方面都難以適應(yīng)新型建筑發(fā)展的需要。利用三維可視化技術(shù)建立消防安全預(yù)警防控系統(tǒng)，可將建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等多專業(yè)信息與日常消防救援管理相結(jié)合，有效提高消防管理的效率和水平，適應(yīng)現(xiàn)代建筑行業(yè)信息化發(fā)展的趨勢(shì)，加速整個(gè)行業(yè)的成長(zhǎng)[2]。

本文建設(shè)了基于三維可視化技術(shù)的消防安全預(yù)警防控系統(tǒng)，并對(duì)消防安全關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，以期達(dá)到消防安全透明化監(jiān)督檢查、火災(zāi)隱患動(dòng)態(tài)掌控和輔助滅火救援的目的。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)消防安全的應(yīng)用需求，基于三維可視化技術(shù)的消防安全預(yù)警防控系統(tǒng)采用COM和SaaS架構(gòu)，以通用性、穩(wěn)定性為主導(dǎo)，進(jìn)行分層設(shè)計(jì)和開發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)從邏輯上分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)支撐層、服務(wù)支撐層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 基于三維可視化技術(shù)的消防安全預(yù)警防控系統(tǒng)架構(gòu)

1）基礎(chǔ)設(shè)施層提供系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、安全、輸入/輸出等設(shè)施，以及保障上述設(shè)施正常運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件環(huán)境。該層是系統(tǒng)的軟硬件設(shè)施基礎(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、高效管理和快速傳輸，為三維消防預(yù)警系統(tǒng)提供了安全、高效和穩(wěn)定的運(yùn)行 環(huán)境。

2）數(shù)據(jù)層是三維消防預(yù)警系統(tǒng)的核心。在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范的規(guī)定下，該層由實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)消防監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫組成；同時(shí)還包括空間數(shù)據(jù)之間的邏輯訪問和維護(hù)接口，用于接入新的消防物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問接口具有通用性，可根據(jù)不同權(quán)限配置訪問不同數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同用戶的數(shù)據(jù)訪問與共享需求。

3）平臺(tái)支撐層包括整個(gè)系統(tǒng)所依賴的GIS平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)和消防監(jiān)控平臺(tái)，構(gòu)成了三維消防預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)支撐環(huán)境。

4）服務(wù)支撐層提供系統(tǒng)平臺(tái)的綜合服務(wù)支撐。該層主要包括二/三維地圖服務(wù)、資源目錄服務(wù)、功能應(yīng)用服務(wù)以及消防數(shù)據(jù)接口服務(wù)等數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。

5）應(yīng)用層是直接與用戶交互的系統(tǒng)功能層，根據(jù)用戶差異化需求，構(gòu)建和開發(fā)不同的應(yīng)用，為各類用戶需求提供服務(wù)。該層建立在服務(wù)支撐層的基礎(chǔ)上，負(fù)責(zé)滿足用戶需求的數(shù)據(jù)庫管理，提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，主要包括瀏覽展示、信息查詢、地形分析、緩沖區(qū)分析、火情標(biāo)記等[3]。

1.2 系統(tǒng)功能

基于三維可視化技術(shù)的消防安全預(yù)警防控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)消防設(shè)施監(jiān)測(cè)、火災(zāi)預(yù)警報(bào)警、防火巡查、消防控制室人員在崗管理等多種功能。

1）建筑消防設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過安裝在建筑消防設(shè)施上的傳感器，實(shí)時(shí)采集火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、防火分離系統(tǒng)、消防電源系統(tǒng)等消防設(shè)施的工作狀態(tài)，并將其狀態(tài)發(fā)送至消防監(jiān)控中心[4]。

2）消防設(shè)施故障隱患自動(dòng)預(yù)警。當(dāng)安裝在建筑消防設(shè)施上的傳感器采集到異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端的運(yùn)算邏輯，自動(dòng)判斷消防設(shè)施的故障隱患，并將故障隱患轉(zhuǎn)換為預(yù)警報(bào)文發(fā)送至消防監(jiān)控中心。

3）火災(zāi)實(shí)時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)采集火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警且得到確認(rèn)時(shí)，用戶信息傳輸裝置則將火災(zāi)信息實(shí)時(shí)發(fā)送至消防監(jiān)控中心[5]。

4）每日防火巡查。消防巡查人員每日對(duì)建筑消防設(shè)施進(jìn)行掃碼巡查，若發(fā)現(xiàn)消防設(shè)施故障隱患或存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的不規(guī)范行為，則進(jìn)行拍照并上傳至消防監(jiān)控中心，由消防管理人員及時(shí)敦促相關(guān)部門對(duì)故障隱患進(jìn)行維護(hù)，對(duì)不規(guī)范行為進(jìn)行糾正。

5）消防值班人員脫崗監(jiān)管。通過消防值班室的視頻監(jiān)控和呼叫功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)督消防值班人員是否脫崗，當(dāng)視頻未發(fā)現(xiàn)值班人員時(shí)，可通過系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程呼叫。

6）疏散通道和消防車道阻塞自動(dòng)預(yù)警。通過視頻監(jiān)控和圖形識(shí)別，判斷主要的消防疏散通道、消防車道和滅火作業(yè)面是否存在被阻塞隱患，若發(fā)生阻塞，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端則將阻塞預(yù)警信息發(fā)送至消防監(jiān)控中心。

7）基于三維可視化的火災(zāi)監(jiān)測(cè)。以三維實(shí)景地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合火焰和煙霧識(shí)別技術(shù)，通過高空攝像頭云臺(tái)的全方位旋轉(zhuǎn)對(duì)區(qū)域火災(zāi)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，特別是對(duì)于無建筑消防設(shè)施的城市棚戶區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高分辨率在線無縫三維瀏覽技術(shù)

為了滿足海量地理三維數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與管理、在線地圖服務(wù)、三維建筑物可視化、各類消防傳感器數(shù)據(jù)接入等需求，系統(tǒng)選用Supermap9D IServer作為地理信息可視化平臺(tái)進(jìn)行服務(wù)。

1）承載海量地理數(shù)據(jù)，高性能運(yùn)行。為保障用戶在線三維可視化的流暢瀏覽，系統(tǒng)采用Docker容器化技術(shù)實(shí)現(xiàn)GIS服務(wù)更細(xì)粒度的彈性伸縮與靈活部署。系統(tǒng)分層加載已分塊的三維建筑數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了云GIS服務(wù)的高效率部署、高性能運(yùn)行和低資源占用。針對(duì)超大體量的二維和三維地理數(shù)據(jù)集進(jìn)行分布式空間分析和數(shù)據(jù)處理，能顯著提升傳統(tǒng)空間分析性能，且其性能隨著計(jì)算節(jié)點(diǎn)的增加接近線性增長(zhǎng)。

2）支持多用戶并發(fā)訪問、運(yùn)行效率高，基于云服務(wù)器的分布式流數(shù)據(jù)處理。IServer采用基于Spark的分布式架構(gòu)，將Oracle數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更高效的空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行運(yùn)維管理，部署和維護(hù)也更加靈活。Spark Streaming在處理前，需對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分片，按照時(shí)間間隔形成小的批處理任務(wù)。當(dāng)大量用戶同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的不同功能頁面進(jìn)行瀏覽時(shí)，IServer采用開放式并發(fā)控制，以滿足不同用戶的瀏覽查詢需求。

3）高性能動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)支持無縫切換二/三維視圖。采用先進(jìn)的圖像壓縮和動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)，以及高性能分布式動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)，無需預(yù)先裁切瓦片，即可完成海量數(shù)據(jù)的快速發(fā)布與實(shí)時(shí)渲染，實(shí)現(xiàn)二/三維瀏覽的流暢無縫連接。

4）支持多種消防物聯(lián)網(wǎng)傳感器智能集群的高擴(kuò)展性。系統(tǒng)涉及多種硬件的消防傳感器（視頻、水壓、煙霧、液面高度）和多種類型的地理數(shù)據(jù)（三維模型、影像、DEM），因此需要具備高擴(kuò)展性以便集成跨硬件平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)平臺(tái)的異構(gòu)傳感器和數(shù)據(jù)集群，還需支持消防設(shè)備新類型傳感器的接入擴(kuò)展。系統(tǒng)提供了平臺(tái)級(jí)的服務(wù)器擴(kuò)展機(jī)制——領(lǐng)域空間信息服務(wù)擴(kuò)展，即基于內(nèi)核容器級(jí)的擴(kuò)展機(jī)制，將行業(yè)功能與GIS服務(wù)平臺(tái)融為一體。

2.2 SaaS模式的智慧消防系統(tǒng)技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的消防設(shè)施狀態(tài)信息實(shí)時(shí)交互可實(shí)現(xiàn)智能整合、動(dòng)態(tài)感知、自動(dòng)推送。通過構(gòu)建基于SaaS模式的物聯(lián)網(wǎng)智慧消防系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)建筑消防部件與事件的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和空間可視化管理[6]。在建筑消防設(shè)施上采用統(tǒng)一的二維編碼，并在云端數(shù)據(jù)庫建立“一數(shù)一源”的對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)；在云端采用KPI關(guān)鍵指標(biāo)和CAP預(yù)警（報(bào)警）機(jī)制，實(shí)時(shí)采集建筑消防設(shè)施工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)異常報(bào)警信息，并進(jìn)行主動(dòng)推送，具有實(shí)時(shí)感知、高度并發(fā)、自主協(xié)同和預(yù)警報(bào)警等特征。云平臺(tái)還提供了大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用服務(wù)，將上述消防設(shè)施特征狀態(tài)和異常狀態(tài)數(shù)據(jù)融入云計(jì)算平臺(tái)中，并與消防業(yè)務(wù)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，從而形成物聯(lián)網(wǎng)智慧消防系統(tǒng)，創(chuàng)新地將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算有機(jī)融合在一起。

2.3 雙維度的三級(jí)報(bào)警技術(shù)

系統(tǒng)中采用雙維度的三級(jí)短信報(bào)警機(jī)制（圖2）：一級(jí)為報(bào)警短信發(fā)送給消防值班人員，二級(jí)為報(bào)警短信發(fā)送給消防責(zé)任人和消防維保人員，三級(jí)為報(bào)警短信發(fā)送給消防監(jiān)管人員。

圖2 雙維度的三級(jí)分級(jí)報(bào)警機(jī)制

1）壓力維度（水壓曲線1）。當(dāng)建筑消防滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓力低于一級(jí)報(bào)警壓力時(shí)，發(fā)送一級(jí)短信報(bào)警；低于二級(jí)報(bào)警壓力時(shí)，發(fā)送二級(jí)短信報(bào)警；低于三級(jí)報(bào)警壓力時(shí)，發(fā)送三級(jí)短信報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)壓力維度的三級(jí)報(bào)警。

2）時(shí)間維度（水壓曲線2）。當(dāng)建筑消防滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓力低于一級(jí)報(bào)警壓力時(shí)，發(fā)送一級(jí)短信報(bào)警；在維持該低壓力值超過24 h后發(fā)送二級(jí)短信報(bào)警；在維持該低壓力值超過48 h后發(fā)送三級(jí)短信報(bào)警，從而建立時(shí)間維度的三級(jí)報(bào)警機(jī)制。

2.4 傾斜攝影與多種數(shù)據(jù)相結(jié)合的精細(xì)化三維重建技術(shù)

利用ContextCapture軟件對(duì)五鏡頭攝影測(cè)量系統(tǒng)采集的傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算、實(shí)景三維重建，得到的實(shí)景三維模型在低矮建筑物側(cè)面、道路兩側(cè)等數(shù)據(jù)采集不完整的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生紋理拉花、結(jié)構(gòu)扭曲、破面缺面等問題。對(duì)于系統(tǒng)中的實(shí)景三維模型，采用手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)拍攝的近景影像、車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的全景影像、三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)源融合的方法對(duì)數(shù)據(jù)采集不完整區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化三維建模，可有效解決由單一傾斜攝影無法采集到部分區(qū)域數(shù)據(jù)而造成的紋理拉花等問題[7]。試點(diǎn)區(qū)域?qū)嵕叭S模型如圖3所示。

圖3 試點(diǎn)區(qū)域?qū)嵕叭S模型

3 結(jié) 語

基于三維可視化技術(shù)的消防安全預(yù)警防控系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、三維可視化實(shí)景呈現(xiàn)的方式，為智慧消防提供了客觀、真實(shí)的數(shù)據(jù)；并通過對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、防火分離系統(tǒng)、消防電源系統(tǒng)等消防設(shè)施的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止了消防設(shè)施出現(xiàn)長(zhǎng)期處于故障或癱瘓狀態(tài)、消防系統(tǒng)不能及時(shí)聯(lián)動(dòng)、消防設(shè)施陳舊老化等 情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)消防設(shè)施故障，并告知相關(guān)負(fù)責(zé)人盡快排除故障隱患，從而有效避免了火災(zāi)發(fā)生后設(shè)施不能聯(lián)動(dòng)控制的狀態(tài)，將火災(zāi)造成的損失降到最低。

建筑物一旦發(fā)生火災(zāi)，通過建筑物內(nèi)消防物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合三維可視化的呈現(xiàn)方式，可為人員逃生和滅火救援提供最佳的逃生路線指引。系統(tǒng)內(nèi)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、視頻及其實(shí)景三維數(shù)據(jù)可為消防部門快速制定滅火方案提供有力支撐。同時(shí)，利用三維實(shí)景和高空攝像能為無建筑消防設(shè)施的城市棚戶區(qū)、老舊城區(qū)提供火災(zāi)預(yù)警和防控，為減少和控制城市火災(zāi)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的服務(wù)。