建筑物電氣火災(zāi)一體化智慧消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

曹卓媛，王偉

（杭州市消防救援支隊(duì)，杭州310000）

1 引言

為提升火災(zāi)救援響應(yīng)速率，各領(lǐng)域?qū)＜?、科研學(xué)者積極加入智慧消防開發(fā)、建設(shè)歷程中，貢獻(xiàn)了諸多優(yōu)良成果經(jīng)驗(yàn)。 周塑鎮(zhèn)[1]引入STM32F103RC 芯片、SQL 數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系進(jìn)行優(yōu)化改良，大幅提升了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量，避免了信息傳送質(zhì)量不佳、信息內(nèi)容屢次丟失的情況。Chu Haiyan 等[2]人則聚焦家庭、公寓等小型場(chǎng)所火災(zāi)防范需求，引入單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)報(bào)警裝置進(jìn)行升級(jí)改造。 姜韜等[3]采用NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了快捷化、實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)警報(bào)管理，有助于提升滅火救援效率。 這些成果為智慧消防體系的建設(shè)提供了更加優(yōu)質(zhì)、開放的思路，但由于研究視域較為狹窄，僅討論了數(shù)據(jù)庫、警報(bào)系統(tǒng)等某一方面的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，所以很難為一體化、整合化的平臺(tái)設(shè)計(jì)提供指引。 基于此，本文引入低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術(shù)體系，對(duì)消防系統(tǒng)采集層、通信層及應(yīng)用層開發(fā)、設(shè)計(jì)情況進(jìn)行展開論述，研究成果更加系統(tǒng)、完整，具有一定的創(chuàng)新、借鑒意義。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 主要采用了LPWAN 體系中的代表性技術(shù)，即LoRa 技術(shù)和NB-loT 技術(shù)，它們的綜合性能優(yōu)良，可以有效改變現(xiàn)有系統(tǒng)信息采集靈敏度不足、功耗較高的困境，鏈路預(yù)算高達(dá)157 dB，理論通信距離可以達(dá)到15 km，且接收電流僅有10 mA 左右。支持多信道并行處理，若將網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有通信基站中，那么發(fā)射功率可以達(dá)到20 dBm，整體的容量更大、覆蓋范圍更廣。 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由4 個(gè)部分構(gòu)成，即終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器以及應(yīng)用端。 其中，終端可以內(nèi)置模塊的形式存在，緩解了網(wǎng)絡(luò)布局受限的矛盾。 從宏觀角度看，該架構(gòu)呈現(xiàn)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端設(shè)備以單跳形式運(yùn)行，可以與單個(gè)、多個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)靈活通信。 基于此，本文將一體化智慧消防平臺(tái)分為3 個(gè)功能層級(jí)：采集層負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，監(jiān)控對(duì)象包含消防危險(xiǎn)源、消防設(shè)施、環(huán)境參數(shù)等；通信層負(fù)責(zé)接收和傳遞；應(yīng)用層負(fù)責(zé)分析處理，可以滿足存儲(chǔ)、分析、報(bào)警等系列需求（見圖1）。 系統(tǒng)平臺(tái)采用賬號(hào)密碼管理方式，以LDPA 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為核心，能夠在多應(yīng)用系統(tǒng)共存場(chǎng)景下，保障單點(diǎn)登錄、身份認(rèn)證的快捷性，附帶手機(jī)驗(yàn)證碼系統(tǒng)，可以防范暴力破解行為，保證了賬號(hào)的私密性和安全性。

圖1 電氣火災(zāi)一體化智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)采集層設(shè)計(jì)

采集層位于智慧消防體系前端，主要由各種高性能、高敏度的傳感檢測(cè)器組成，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、煙霧等關(guān)鍵火災(zāi)信息進(jìn)行監(jiān)控、 采集， 并將相應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給總控臺(tái)，以供識(shí)別和處理；對(duì)于消防系統(tǒng)中包含的各種設(shè)施裝置，如消防水箱、噴淋頭等，也可以通過水壓、水位檢測(cè)器的裝配，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化、遠(yuǎn)程化的信息采集。 其中，感煙、感溫探測(cè)終端是最為常見的采集層裝置，內(nèi)部以嵌入式方法裝配LoRa 模塊組件，能夠在24 h 不間斷的情況下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、煙霧濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 信息經(jīng)過F8926-L 網(wǎng)關(guān)路由器以及F8L10GW 基站，與寬帶網(wǎng)絡(luò)或NB-loT 網(wǎng)絡(luò)相連接，并傳送至總控臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化的同步與更新（見圖2）。部分高危場(chǎng)所，如化學(xué)品倉庫、加油站等建筑中，還會(huì)設(shè)置可燃?xì)馓綔y(cè)設(shè)備，可以對(duì)目標(biāo)氣體濃度進(jìn)行探測(cè)收集，針對(duì)電氣火災(zāi)頻發(fā)現(xiàn)狀，也引入和裝配了專用的電壓、電流、電弧故障探測(cè)器，可以通過內(nèi)置模塊與總控臺(tái)進(jìn)行智能聯(lián)網(wǎng)。 由于采集的信息結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此到達(dá)總控臺(tái)后，會(huì)以分布式存儲(chǔ)策略放置在數(shù)據(jù)庫之中，存儲(chǔ)策略由“資源權(quán)重值W”控制。

圖2 采集層設(shè)備監(jiān)測(cè)通信邏輯

4 系統(tǒng)通信層設(shè)計(jì)

對(duì)于LPWAN 技術(shù)來說， 現(xiàn)場(chǎng)可用的通信層設(shè)計(jì)方案是比較靈活、可選的，可以根據(jù)實(shí)際條件使用有線、無線，以及雙重備份等方式， 溫感、 煙感裝置通信連接過程中， 可以采用LoRa 自組網(wǎng)技術(shù)，以滿足高穿透力的使用需求，經(jīng)試驗(yàn)?zāi)軌虼┩? 層以上樓板。 也可以采用NB-loT 組網(wǎng)技術(shù)，其覆蓋深度更高，對(duì)于地下室、地下車庫等監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)區(qū)域，同樣可以保障高質(zhì)量通信。 考慮到電氣火災(zāi)本身突發(fā)性、危害性較強(qiáng)，單一通信線路的架設(shè)可能無法保證可靠性，因此，采用有線、無線雙備份方式組網(wǎng)， 無線LoRa 擔(dān)任主要的通信任務(wù)， 搭配485/CAN 等有線通道進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。 該類有線通信采用串行總線邏輯，具有較高的抗電磁干擾性，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)各種可能的錯(cuò)誤類型，現(xiàn)階段在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療自動(dòng)化中均有較為廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)無線LoRa 由于基站、天氣等因素?zé)o法保證消防通信時(shí)，該種有線通道也可以就近發(fā)送隱患信息，防止?jié)撛陲L(fēng)險(xiǎn)的擴(kuò)散蔓延。 所有信息分類集成、整合，并通過防火墻審核后送入服務(wù)器，由服務(wù)器分配、發(fā)送到監(jiān)控中心或移動(dòng)終端，保證響應(yīng)速度的同時(shí)提升系統(tǒng)安全性能，減少黑客入侵、病毒感染等潛在風(fēng)險(xiǎn)（見圖3）。 由于電氣消防業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)較為繁雜，消防設(shè)施信息、交通水利協(xié)同辦公信息、交通信息等均要及時(shí)對(duì)接和采集，以保障感知、預(yù)警和決策的科學(xué)性，因此在通信層中，還基于Web API 環(huán)境構(gòu)建了公共接口層，對(duì)于Web 網(wǎng)站來源、移動(dòng)終端來源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，確保格式符合要求后整合、打包給數(shù)據(jù)訪問層，如此一來提升了系統(tǒng)靈活性和快捷性，數(shù)據(jù)接口也更加開放、豐富。

圖3 一體化智慧消防系統(tǒng)報(bào)警信息接收及派發(fā)流程

5 系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

在一體化智慧消防平臺(tái)中， 應(yīng)用層有著關(guān)鍵性的核心地位，為方便接入和使用，本次設(shè)計(jì)采用B/S 架構(gòu)，用戶無須下載專屬客戶端，通過標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器即可登錄進(jìn)入，內(nèi)置GIS 地圖查詢功能，并且支持手機(jī)App 端接入。服務(wù)器組建環(huán)節(jié)，同樣遵循分布式思維，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等各司其職，核心服務(wù)器組件還進(jìn)行了額外備份，監(jiān)測(cè)算法定期輪詢確定節(jié)點(diǎn)狀態(tài)， 一旦超過響應(yīng)時(shí)間上限即會(huì)切換至備用線路，可以在廣域化的感知基礎(chǔ)上最大限度地保障可靠性。 功能設(shè)計(jì)上也采用了多元化思維，覆蓋隊(duì)伍管理、應(yīng)急指揮、火災(zāi)防控等多個(gè)方面。 應(yīng)用界面被分為4 大板塊（見圖4），分述如下。

圖4 電氣火災(zāi)一體化智慧消防系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)功能

1）作戰(zhàn)指揮智能輔助板塊。 融合了大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，與外部通信設(shè)備相連接，連接對(duì)象不僅包含單兵5G 通信設(shè)備，還包含消防機(jī)器人、其他執(zhí)法終端設(shè)備等，可以通過紅外遠(yuǎn)程感知技術(shù)，對(duì)人體生命體征進(jìn)行捕捉、定位，加快搶險(xiǎn)救援速度。 系統(tǒng)自身分析、處置能力較強(qiáng)，還能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)視頻、空氣質(zhì)量、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并生成相應(yīng)的二維圖表、三維景象等，輔助完成作戰(zhàn)方案的決策編制。

2）用電感知及風(fēng)險(xiǎn)研判板塊。 同樣融合了人工智能技術(shù)，不僅可以遠(yuǎn)程獲取電壓、電流測(cè)定值，生成相應(yīng)的歷史記錄、實(shí)時(shí)記錄報(bào)表，還可以從采集層協(xié)同辦公、消防辦公及現(xiàn)場(chǎng)感知模塊中，獲取相應(yīng)的氣象、電力信息，定期開展?fàn)顟B(tài)評(píng)估與衡量，并生成警報(bào)、提示信號(hào)，引導(dǎo)各單位及時(shí)排查潛在隱患，防止線路老化、天氣因素等造成的建筑物火災(zāi)事故。

3）消防設(shè)施監(jiān)管模塊。 可以呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)主要的消防站點(diǎn)、消防總隊(duì)、支隊(duì)信息，以及消防水箱水位、噴淋設(shè)備水壓等設(shè)備參數(shù)信息， 支持自動(dòng)化的圖表轉(zhuǎn)換， 方便開展設(shè)施監(jiān)管決策?；馂?zāi)來臨之際還能夠輔助完成資源調(diào)配，主要借助GIS 技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)運(yùn)行操作， 總臺(tái)與消防車輛內(nèi)置GPS 接發(fā)器連接，可以結(jié)合火災(zāi)地點(diǎn)位置、路徑長度、路況信息等規(guī)劃最科學(xué)的路線，排除擁堵等不良干擾，確保救援力量以最快速度到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

4）在其他智慧應(yīng)用模塊，開設(shè)了重點(diǎn)部位視頻監(jiān)測(cè)等創(chuàng)新功能，可以對(duì)加油站、煤氣站等進(jìn)行監(jiān)控畫面提取，還設(shè)置了公共服務(wù)查詢系統(tǒng)，開放基礎(chǔ)設(shè)施查詢、火災(zāi)自救教學(xué)、智能逃生路線查詢等功能。 當(dāng)火災(zāi)來臨之際，現(xiàn)場(chǎng)人員可以較為便捷地登錄查詢，獲知安全出口、避難場(chǎng)所等信息，最大限度減少火災(zāi)帶來的人身財(cái)產(chǎn)損失。

6 結(jié)語

綜上所述， 本文引入LPWAN 體系中的代表性技術(shù)LoRa，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一體化智慧消防系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，保障商業(yè)建筑、住宅等構(gòu)筑物安全運(yùn)行，LoRa模塊內(nèi)嵌于各傳感器中，使得布局更加靈活自由。 通信層采用LoRa 自組網(wǎng)技術(shù)，搭配CAN 有線技術(shù)備份聯(lián)用，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比功耗更低，不僅支持超長距離傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)多樓層穿透傳送，可以較好地適應(yīng)消防平臺(tái)監(jiān)控管理需求。 應(yīng)用平臺(tái)中開發(fā)4 個(gè)不同板塊，可以為搶險(xiǎn)救援提供決策支持，為消防設(shè)施狀態(tài)監(jiān)管、公眾消防查詢等提供幫助，仿真運(yùn)行測(cè)試結(jié)果良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用借鑒意義。