基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化消防系統(tǒng)研究

李良創(chuàng)，羅梓聰，阮彥俊，吳澤宇，鄭雯戈，王文迪

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000）

1 智能化消防系統(tǒng)研究

1.1 設(shè)計(jì)方案

在落實(shí)現(xiàn)代科技與消防管理工作的深度融合的基礎(chǔ)上，為提高變電站、換流站的消防公共服務(wù)能力，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、 云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建集成消防設(shè)施狀態(tài)識別、全時(shí)段線上監(jiān)測報(bào)警、日常監(jiān)管、智能分析、安全評估于一體的消防監(jiān)管和服務(wù)體系，整合站內(nèi)各消防子系統(tǒng)，接入各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合存儲與及集中控制；通過調(diào)用人工智能平臺成熟算法，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行隱患，也為后續(xù)算法開發(fā)、運(yùn)行提供環(huán)境，有效提升設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平與應(yīng)用效果；完成全站三維建模，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用三維建模完成站內(nèi)設(shè)備與運(yùn)行狀態(tài)的直觀展示，結(jié)合智能裝備與人工智能，輔助完成消防安全管控。從而實(shí)現(xiàn)變電站、換流站消防信息化條件下火災(zāi)防控、數(shù)智消防管理工作轉(zhuǎn)型升級，全面提升消防監(jiān)管水平和火災(zāi)防控能力[2]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用四層架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要有感知層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層構(gòu)成。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.3 智能化消防系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

感知層主要包括視頻監(jiān)控、火災(zāi)自動報(bào)警、煙感探測、裂解質(zhì)監(jiān)測分析、電纜溫度監(jiān)測、蓄水池水位監(jiān)測等子系統(tǒng)。裂解質(zhì)檢測分析系統(tǒng)針對燃燒前產(chǎn)物（裂解質(zhì)）進(jìn)行探測。實(shí)現(xiàn)火災(zāi)極早期高靈敏度、高可靠性的感知。能于火災(zāi)第一階段（熱分解期）報(bào)警，爭取最長的反應(yīng)時(shí)間，將生命及財(cái)物損失降到最低點(diǎn)。

智能化消防系統(tǒng)服務(wù)層主要提供算法模型服務(wù)和數(shù)據(jù)管理服務(wù)?？梢蕴峁┫涝O(shè)備狀態(tài)識別模型、消防提前預(yù)警模型、消防報(bào)警模型、消防安全評估模型；可提供數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)監(jiān)督、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化處理以及數(shù)據(jù)分類等功能。

在消防物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)部署信息采集裝置，利用物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)感知技術(shù)，獲取各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。并自動實(shí)時(shí)傳輸?shù)较拦芾硐到y(tǒng)。消防管理系統(tǒng)對收集的信息進(jìn)行處理分析，得出各設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀況，當(dāng)被監(jiān)測消防設(shè)施發(fā)生故障或狀態(tài)不正常時(shí)，消防管理系統(tǒng)發(fā)出故障告警指令，同時(shí)聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)。方便管理人員遠(yuǎn)程確認(rèn)故障狀況并及時(shí)處理，節(jié)約故障恢復(fù)時(shí)間。構(gòu)建火災(zāi)提前預(yù)警模型，消防物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)實(shí)時(shí)接收來消防系統(tǒng)收集的被監(jiān)測環(huán)境消防指標(biāo)數(shù)據(jù)。當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域環(huán)境指標(biāo)超出正常范圍時(shí)候。向監(jiān)控中心提前發(fā)起預(yù)警,以彈窗的形式進(jìn)行告警。告警的同時(shí)可聯(lián)動告警位置關(guān)聯(lián)的安防視頻。方便管理人員遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場情況、進(jìn)一步采取相應(yīng)措施?；馂?zāi)提前預(yù)警機(jī)制可幫助管理人員有效消除火災(zāi)發(fā)生的各種隱患，很大程度減少火災(zāi)帶來的損失。構(gòu)建火災(zāi)報(bào)警模型，當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防系統(tǒng)將信息發(fā)動到報(bào)警裝置。報(bào)警裝置發(fā)起火災(zāi)警報(bào)，聯(lián)動自動滅火裝置，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)根據(jù)報(bào)警的具體情況將告警信息發(fā)動到消防監(jiān)控中心，同時(shí)聯(lián)動發(fā)生火災(zāi)的安防視頻。方便管理人員遠(yuǎn)程掌握火災(zāi)情況，為消防時(shí)間遠(yuǎn)程指揮、實(shí)施遠(yuǎn)程滅火提供的智慧化方案。構(gòu)建消防安全評估模型消，通過收集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測環(huán)境消防指標(biāo)等數(shù)據(jù)，多層次、多維度綜合評價(jià)消防安全水平，評價(jià)的維度包括：設(shè)備運(yùn)行狀況、巡檢完成情況、隱患整改情況等多個(gè)方面。

系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)治理工具，對設(shè)備臺帳數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、缺陷/故障數(shù)據(jù)等多 類數(shù)據(jù)，按要求進(jìn)行規(guī)整化處理，提高數(shù)據(jù)的可靠性，清洗無效數(shù)據(jù)，將價(jià)值回饋于業(yè)務(wù)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面分析識別數(shù)據(jù)值域及分布、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式；在數(shù)據(jù)內(nèi)容層面，自動分析并直觀展現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)體及屬性；在數(shù)據(jù)關(guān)系層面，剖析得出各字段的數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)格式、值域、長度、分散度、空值率等重要數(shù)據(jù)特征。數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化處理過程，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)不改變，數(shù)據(jù)規(guī)范性、完整性極大提高的目的。針對抽取過來的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，先按照數(shù)據(jù)的行為將數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)；再通過多表關(guān)聯(lián)，將數(shù)據(jù)單獨(dú)成表，動態(tài)更新數(shù)據(jù)條目。針對不同的業(yè)務(wù)需求場景，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，根據(jù)算法關(guān)聯(lián)度推送需求數(shù)據(jù)；在機(jī)器學(xué)習(xí)的過程中，優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)對數(shù)據(jù)資源的利用效率，將數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)類別進(jìn)行劃分后再分類為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、測試數(shù)據(jù)集和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，完成算法的學(xué)習(xí)、測試和驗(yàn)證[3]。

智能化消防系統(tǒng)應(yīng)用層主要有設(shè)備狀態(tài)識別、消防提前預(yù)警、消防安全評估等功能。設(shè)備狀態(tài)識別主要包括：對消防主機(jī)儀器顯示、感溫光纜設(shè)備、裂解質(zhì)設(shè)備、電氣火災(zāi)設(shè)備、蓄水池、水泵、滅火器設(shè)備的狀態(tài)識別。消防提前預(yù)警包括裂解質(zhì)分析火災(zāi)預(yù)警、電纜溫度監(jiān)測預(yù)警、視頻聯(lián)動及AI分析預(yù)警、煙火分析監(jiān)測預(yù)警、消防通道監(jiān)測預(yù)警、蓄水池水位水流量監(jiān)測預(yù)警、滅火器監(jiān)測預(yù)警和消防報(bào)警功能。消防安全評估主要有消防設(shè)備安全評估和環(huán)境安全評估。視頻聯(lián)動及AI分析預(yù)警是對視頻AI分析應(yīng)用系統(tǒng)通過接入重點(diǎn)場所、疏散出口、消防通道、配電房內(nèi)的安防監(jiān)控視頻，對人員、物品、火焰及煙霧進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，如監(jiān)測到異常事件（人員離崗、物品占用、火焰及煙霧）后，將自動把報(bào)警信息發(fā)送至智能化消防系統(tǒng)，系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地給出報(bào)警。

煙火分析監(jiān)測預(yù)警充分利用配電房、會議室、實(shí)驗(yàn)室、庫房等重點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像，采用視頻分析算法，實(shí)時(shí)探測監(jiān)控區(qū)域的火焰和煙霧，使現(xiàn)有安防監(jiān)控系統(tǒng)具有火災(zāi)預(yù)警功能，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)生煙霧及火焰時(shí)，平臺及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息至管理人員，提醒管理人員及時(shí)處理。消防通道監(jiān)測預(yù)警利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像，建立監(jiān)控區(qū)域數(shù)據(jù)模型，對消防通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)消防通道被車輛、自行車違規(guī)占用或堵塞時(shí)，系統(tǒng)會自動發(fā)出提醒，保障消防通道實(shí)時(shí)處于暢通狀態(tài)，為人員快速疏散和消防車快速通行提供快速通道。

蓄水池水位水流量監(jiān)測預(yù)警對接站點(diǎn)內(nèi)蓄水池水位監(jiān)測系統(tǒng)通訊接口，實(shí)時(shí)采集蓄水池水位監(jiān)測系統(tǒng)探測到水位變化的數(shù)據(jù)，當(dāng)蓄水池水位低于設(shè)定閥值時(shí)，通過對接的通訊接口自動把預(yù)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送到智能化消防系統(tǒng)。在蓄水池入水口加裝補(bǔ)水流量監(jiān)測器，實(shí)時(shí)監(jiān)測水流量的情況，當(dāng)外部水管突然沒有水流流入蓄水池或水流量低于設(shè)定閥值時(shí)，預(yù)警信息通過網(wǎng)絡(luò)方式上傳物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)，主機(jī)會第一時(shí)間發(fā)出蓄水池水流量異常預(yù)警。

滅火器監(jiān)測預(yù)警滅火器底部加裝智能計(jì)量模板，再加結(jié)合網(wǎng)絡(luò)將滅火器的重量變化實(shí)時(shí)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)主機(jī)。建立滅火器檢修數(shù)據(jù)，對滅火器過期失效進(jìn)行預(yù)警。

消防報(bào)警結(jié)合視頻聯(lián)動系統(tǒng)，采用視頻分析算法，實(shí)時(shí)探測監(jiān)控區(qū)域（站用變、蓄電池柜、通訊機(jī)房、電纜夾層、閥廳、蓄水池等）的火焰和煙霧，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)生煙霧及火焰時(shí)，平臺第一時(shí)間發(fā)出消防火災(zāi)告警信息通知站點(diǎn)管理人員，提醒管理人員馬上進(jìn)行處理。如圖3所示。

圖3 智能分析系統(tǒng)架構(gòu)

消防物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)實(shí)時(shí)收集來自消防設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)并發(fā)送給系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，對整個(gè)消防系統(tǒng)的安全水平進(jìn)行綜合評估。 消防物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)實(shí)時(shí)收集消防系統(tǒng)對監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)測指標(biāo)并發(fā)送給系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行分析、實(shí)現(xiàn)對環(huán)境安全水平進(jìn)行綜合評估。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)多渠道收集、統(tǒng)一后臺管理、多應(yīng)用推送；并針對多渠道收集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析檢測單位的安全指數(shù)、高危信號、重大問題等；系統(tǒng)采用統(tǒng)一后臺管理，所有數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)層的應(yīng)用是同一后臺管理[4]。

中心能夠展示消防系統(tǒng)接入的主機(jī)和探測器等終端上報(bào)的消防業(yè)務(wù)報(bào)警數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；用于進(jìn)行日常運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括：用戶管理、設(shè)備管理；日常巡檢、隱患整改；警情處理、警情統(tǒng)計(jì)分析；數(shù)據(jù)可視化、高危信號、重大隱患查詢；消防遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看；分析報(bào)告：日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)；報(bào)警信息推送，及時(shí)將各系統(tǒng)的報(bào)警信息發(fā)送給相關(guān)人員，便于第一時(shí)間確認(rèn)、處理火災(zāi)自動報(bào)警、液位低、欠壓等報(bào)警事件，提高報(bào)警處理效率[5]。

1.4 三維數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)采用WebGL+HTML技術(shù)，進(jìn)行三維GIS引擎開發(fā)，主要包含參考坐標(biāo)系構(gòu)建、視點(diǎn)投影控制、數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)調(diào)度、數(shù)據(jù)裁剪、場景渲染、交互響應(yīng)等幾部分組成。用戶通過客戶端輸入設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤等）進(jìn)行場景參數(shù)輸入，云端收到場景參數(shù)，通過部署在服務(wù)器上的三維渲染引擎，進(jìn)行三維場景在云端進(jìn)行高效渲染，再通過視頻流的形式傳輸?shù)接脩舳耍瑥亩玫礁哔|(zhì)量的三維渲染場景。系統(tǒng)平臺利用視覺、激光等多傳感器采集的多源同步數(shù)據(jù)，采用SLAM實(shí)時(shí)建圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)場景360全景和點(diǎn)云實(shí)景的無縫融合；采用人工智能深度學(xué)習(xí)算法，對全景和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備識別，完成對電網(wǎng)場景物理世界的高精度克隆，快速構(gòu)建電網(wǎng)場站數(shù)字孿生模型。如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)場站數(shù)字孿生模型

系統(tǒng)以設(shè)備部件模型庫為支撐，采用深度學(xué)習(xí)人工智能算法，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的電網(wǎng)設(shè)備識別，分類及實(shí)例化建模，實(shí)現(xiàn)基于高密度點(diǎn)云和全景影像的變電主設(shè)備高保真數(shù)字孿生模型構(gòu)建。如圖5所示。

圖5 基于模型庫進(jìn)行點(diǎn)云設(shè)備

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)針對三維GIS高頻次、大容量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦?，采用HTTP協(xié)議和RPC自定義協(xié)議進(jìn)行結(jié)合，直接面向需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)體，減少網(wǎng)絡(luò)描述信息的傳輸及問答，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，提升系統(tǒng)交互響應(yīng)時(shí)間。利用物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)感知技術(shù)在各個(gè)變電站的消防控制室內(nèi)部署用戶信息傳輸裝置，將變電站的各個(gè)消防主機(jī)下的設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測的信息進(jìn)行處理分析，得出各設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀況（正常運(yùn)行、故障、停用、異常等）。當(dāng)被監(jiān)測消防設(shè)施發(fā)生故障或狀態(tài)不正常時(shí)，消防物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)發(fā)出故障告警指令，同時(shí)聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便管理人員遠(yuǎn)程確認(rèn)故障狀況并及時(shí)處理，節(jié)約故障恢復(fù)時(shí)間。

2 結(jié)論

智能化消防系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對消防設(shè)施設(shè)備及站點(diǎn)消防管理工作遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)一步完善了消防設(shè)施的檢查手段，保障消防設(shè)施的正常運(yùn)行，有效提高工作效率，為企業(yè)科學(xué)運(yùn)行提供科學(xué)決策、提供依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐；對變電站、換流站的消防安全進(jìn)行統(tǒng)籌指揮和管理，能夠有效的保障運(yùn)行需求；工作站及監(jiān)控中心均可實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，使智能電網(wǎng)消防管理從事后處理向事前預(yù)警演變，從定期巡檢向狀態(tài)巡檢演變，為各站內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。