消防信息通信系統(tǒng)運行管理與建設(shè)研究

韓冰

（呼倫貝爾市消防救援支隊信息通信科，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008）

1 引言

近年來，我國市場經(jīng)濟增速放緩、城市建設(shè)步伐加快，各種高層、超高層建筑拔地而起，工業(yè)行業(yè)規(guī)模也不斷擴張，為區(qū)域發(fā)展注入新生活力的同時，也給消防管理帶來諸多阻礙。傳統(tǒng)的消防信息通信系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足實際需求，亟須功能更加完善、覆蓋范圍更廣、響應(yīng)速度更快的虛擬平臺系統(tǒng)輔助優(yōu)化。針對該種情況，許多專業(yè)領(lǐng)域?qū)W者加入研究開發(fā)隊列中。近年來，科技產(chǎn)業(yè)興盛，“智慧消防”的呼聲愈發(fā)高漲。據(jù)統(tǒng)計，2020年智慧消防行業(yè)市場規(guī)模已經(jīng)達到2 757億元，智能報警、智能疏散產(chǎn)品[1]等層出不窮。本文立足消防信息通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，從消防業(yè)務(wù)層面入手進行全局性設(shè)計，與舊有研究成果相比，其創(chuàng)新之處主要集中在如下幾個方面：

1）信息通信系統(tǒng)板塊劃分更加完善、全面，在常規(guī)火災(zāi)受理、調(diào)度、情報板塊的基礎(chǔ)上，配套設(shè)計重大危險源評估板塊、通信模擬訓(xùn)練板塊等。

2）引入集群無線通信技術(shù)、車載動中通衛(wèi)星通信技術(shù)等，通信更加可靠和高效，可以減少信號中斷、失穩(wěn)帶來的風(fēng)險因素。

3）融合設(shè)計了智能決策板塊，采用層次-灰度關(guān)聯(lián)分析法設(shè)計輔助決策機制，可以克服主觀判斷失誤問題，提升消防反饋、響應(yīng)速度。

2 消防信息通信系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)及功能分屬

從需求角度出發(fā)，將消防信息通信系統(tǒng)架構(gòu)分為3個部分，即通信層、存儲層和業(yè)務(wù)層，現(xiàn)將每個層級分述如下。

2.1 通信層

通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)即時溝通、動態(tài)監(jiān)控的重要依托，可以為消防情報的交互分享、指揮決策的上傳下達提供平臺，這種平臺應(yīng)當(dāng)是集語音、文字、圖像為一體的綜合化系統(tǒng)，因此，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，綜合運用了多形式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，力求提升通信層穩(wěn)定性、兼容性以及高效性（見圖1）。其一是有線通信網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字程控交換機、電信終端設(shè)備為核心，另外搭配多種附加設(shè)備、配置專屬線路，能夠在火警電話電路、調(diào)度專線、公安電話網(wǎng)等主體之間建立有機聯(lián)系。其二是無線通信網(wǎng)，融入LTE網(wǎng)絡(luò)、微波、短波通信技術(shù)等，可以為救援現(xiàn)場、各級信息、調(diào)度、指揮中心提供通信服務(wù)。其三是衛(wèi)星通信網(wǎng)，能夠在規(guī)避地形影響的前提下實現(xiàn)高速交互，保障指揮中心、火災(zāi)現(xiàn)場通信順暢，可滿足視頻、語音等多種形式的交流，與車載動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)相連接，還能規(guī)避信號捕捉能力差、連續(xù)性不佳等問題。

圖1 消防信息通信系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 儲存層

進入經(jīng)濟新常態(tài)以來，我國城市建設(shè)規(guī)模明顯擴張，截至2021年年末，城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達到64.72%。該背景下帶來的消防管理壓力也是與日俱增，消防信息呈現(xiàn)出指數(shù)化、異構(gòu)化發(fā)展趨勢，亟須引入大數(shù)據(jù)技術(shù)進行梳理、管控和分析。因此，在新型信息通信系統(tǒng)中，融合應(yīng)用了Hadoop平臺中的HDFS分布式系統(tǒng)，并結(jié)合消防實際需求對其存儲策略進行改進。該系統(tǒng)本身擁有一套完整的存儲策略，可以根據(jù)Client節(jié)點位置，精準(zhǔn)選擇機架節(jié)點DataNode集群進行分布式存儲，當(dāng)單個節(jié)點出現(xiàn)宕機錯誤時，系統(tǒng)直接從其他節(jié)點加載副本，防止斷線、容錯率過低等問題。但這種情況也帶來了一定的局限性，那就是單個節(jié)點處理能力下降，難以適應(yīng)消防系統(tǒng)多數(shù)據(jù)中心的情況，因此，設(shè)計過程中引入“資源權(quán)重值”概念，對各服務(wù)器性能進行分析計算，結(jié)合心跳機制準(zhǔn)確衡量節(jié)點存儲能力，以最大限度保障分布式系統(tǒng)功能。權(quán)重因素主要選取5個，包含CPU（F）、剩余內(nèi)存（M）、硬盤剩余容量（C）、磁盤讀寫速度（V）以及網(wǎng)絡(luò)狀況（N），計算公式為：

式中，λ1~λ5均為權(quán)重值，相加后和等于1；W代表資源權(quán)重值。

計算完成后數(shù)據(jù)庫根據(jù)權(quán)重情況、節(jié)點位置等分配消防數(shù)據(jù)副本存儲區(qū)域，提升適用性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3 業(yè)務(wù)層

消防信息通信系統(tǒng)是火情傳遞、調(diào)度指揮、輔助決策的重要平臺，其業(yè)務(wù)功能覆蓋范圍應(yīng)當(dāng)全面、完整，通信能力則要可靠、順暢，應(yīng)當(dāng)以省指揮中心為核心，聯(lián)通各級指揮中心、應(yīng)急聯(lián)動部門，保障跨區(qū)調(diào)動可行性，同時從火災(zāi)預(yù)防管控角度出發(fā)，增設(shè)業(yè)務(wù)模擬板塊、危險源評估板塊等。消防信息通信系統(tǒng)模塊劃分示意圖見圖2。

圖2 消防信息通信系統(tǒng)模塊劃分示意圖

1）火警受理及調(diào)度板塊。該板塊主要部署于接警中心，可以在多形式通信技術(shù)的支持下，對火警業(yè)務(wù)信息進行接收、記錄，并提供警情辨識、實時錄音、地理信息描繪等功能。板塊接口向各級指揮中心開放，可以傳送災(zāi)情信息，反饋相關(guān)指令，并與火場建立實時通信。

2）消防車輛動態(tài)管理板塊。該板塊主要針對消防車輛展開定位管理，可以在GPS、GIS技術(shù)以及車載動中通衛(wèi)星通信技術(shù)支持下，實時更新車輛位置、速度、方向等信息，為科學(xué)調(diào)度、精確引導(dǎo)的實現(xiàn)提供助力。

3）消防情報信息管理板塊。負責(zé)消防業(yè)務(wù)信息的管理、傳輸和存儲，基礎(chǔ)功能包含用戶身份、權(quán)限管理等，延伸功能包含實時采集、自動統(tǒng)計功能等，不僅支持火災(zāi)現(xiàn)場圖像傳送、車輛編號、狀態(tài)信息傳送，還包含消防站圖像、當(dāng)日氣象、溫度、風(fēng)力信息[2]等，可以綜合多種異構(gòu)數(shù)據(jù)運行智能決策機制。

4）消防救援預(yù)案管理板塊。滅火預(yù)案以數(shù)字化形式存在于該板塊之中，部局級、總隊級消防隊均可以調(diào)取查看，可同時支持精準(zhǔn)、模糊查詢，以及編輯、修改操作。

5）重大危險源評估管理板塊。該板塊是從應(yīng)急評價、危害預(yù)防角度出發(fā)設(shè)計搭建的，可以依托GIS技術(shù)對轄區(qū)內(nèi)部消防風(fēng)險因素進行篩查、排列，重點關(guān)注對象有人員密度過大區(qū)域、存在爆炸、毒害風(fēng)險區(qū)域等。

6）通信指揮模擬訓(xùn)練板塊。該板塊集成情報處理、傳遞功能、預(yù)案管理功能及調(diào)度指揮功能，可以模擬真實情境進行通信預(yù)演，并在監(jiān)控流程支持下輔助完成訓(xùn)練考核工作，方便系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)不足、優(yōu)化改進。

本文對各板塊涉及的重點、創(chuàng)新技術(shù)進行展開闡述。

3 消防信息通信系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新及智能機制設(shè)計

3.1 無線數(shù)字集群通信技術(shù)

消防救援及調(diào)配工作具有顯著的綜合性、復(fù)雜性特征，現(xiàn)場局勢、火情瞬息萬變，信息通信過程中僅依靠語音傳遞、文字描繪是遠遠不夠的，還必須綜合調(diào)動圖像、視頻傳輸方式，基于此，建立集多種通信技術(shù)為一體的、寬窄帶融合的集群通信渠道就顯得異常重要。本系統(tǒng)中主要以LTE核心網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，融合微波無線通信技術(shù)、短波通信技術(shù)、VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)等，在各級轄區(qū)中建設(shè)衛(wèi)星助戰(zhàn)，TSAT小站等設(shè)施，站點之間相互配合、共同運作，形成星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，大、小口徑天線的搭配，可以滿足高、低發(fā)射功率的差異性需求，保障了實時通信穩(wěn)定性。

3.2 車載動中通衛(wèi)星通信技術(shù)

車載動中通衛(wèi)星通信技術(shù)運用更加智能化的信息傳遞方式，系統(tǒng)內(nèi)部分別設(shè)置了信號收發(fā)板塊、伺服板塊，可以通過陀螺儀、極化角傳感器[3]等準(zhǔn)確測定消防車輛位置、狀態(tài)以及速度變化情況（見圖3）。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接方式相比，該種系統(tǒng)架構(gòu)下消防信號更加穩(wěn)定和可靠。即使是在較為偏遠的地區(qū)，車載CPU也可以精準(zhǔn)捕捉衛(wèi)星方位，經(jīng)過DVD播放器的處理，以及編碼器、交換機、衛(wèi)星Modem的處理，還能夠完成視頻信息的傳送和播放，精度高且受干擾程度小。

圖3 車載動中通衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 智能決策模型技術(shù)

當(dāng)前社會層面消防管理需求激增，消防應(yīng)急、決策能力均面臨較大挑戰(zhàn)，信息通信系統(tǒng)設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)適時融入“智慧消防”理念，改善通信系統(tǒng)信息分析能力薄弱的現(xiàn)實問題。本次設(shè)計主要采用層次-灰度關(guān)聯(lián)分析算法，該算法本質(zhì)上是一種多因素統(tǒng)計分析方式，可以在多個“相關(guān)目標(biāo)”中找到對指標(biāo)影響最大的因素，并自動生成排序結(jié)果，方便系統(tǒng)決策。以消防站選取、調(diào)度為例，備選方案記為Y={y1，y2，…，yn}，系統(tǒng)會自動提取集合站點各相關(guān)因素（因素分層結(jié)構(gòu)可見圖4）。

圖4 基于層次-灰度關(guān)聯(lián)分析的消防智能決策因素模型

在此基礎(chǔ)上生成相應(yīng)的新合集C={c1，c2，…，cm}，整合得到全面化的評價序列Yn={yn（c1），yn（c2），…，yn（cm）}，經(jīng)過一致性檢驗、無量綱化處理后，計算每個序列關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij，并運用下述關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣計算得到最終的關(guān)聯(lián)度H，為站點選擇提供依據(jù)。n、m分別代表備選站點個數(shù)以及判決指標(biāo)個數(shù)。

4 結(jié)語

綜上，本文以集成化、實用化思路為指引，搭建和完善了一種新型的消防信息通信系統(tǒng)，引入無線數(shù)字集群通信技術(shù)、車載動中通衛(wèi)星通信技術(shù)對通信層進行優(yōu)化設(shè)計，引入HDFS平臺對數(shù)據(jù)存儲層進行完善升級，在此基礎(chǔ)上健全消防業(yè)務(wù)板塊，設(shè)計了火警受理及調(diào)度板塊、重大危險源評估板塊、消防通信模擬訓(xùn)練板塊等，采用的層次-灰度關(guān)聯(lián)分析算法還能綜合消防站位置、消防水源分布情況等輔助決策，整個結(jié)構(gòu)較為條理、清晰，可為系統(tǒng)設(shè)計實踐提供思路指引。但考慮到技術(shù)、需求等方面的因素，本系統(tǒng)還存在諸多待改進之處，未來有望引入5G通信技術(shù)、智能疏散技術(shù)等進行優(yōu)化改良。