防火與滅火救援一體化模式的技術(shù)架構(gòu)與應(yīng)用

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)消防模式在應(yīng)急響應(yīng)、信息處理和現(xiàn)場(chǎng)指揮中的不足，提出一體化模式并設(shè)計(jì)了具體的技術(shù)架構(gòu)，該架構(gòu)包括信息采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊、自動(dòng)化指揮與智能設(shè)備聯(lián)動(dòng)機(jī)制。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)消防信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析提高火災(zāi)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。智能化指揮系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策，指揮救援力量與滅火設(shè)備的協(xié)同工作，提升應(yīng)急響應(yīng)效率。實(shí)際應(yīng)用研究中選取工業(yè)園區(qū)和城市建筑群為案例，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和可靠性，重點(diǎn)分析響應(yīng)速度、滅火效果和人員安全保障等指標(biāo)，提出優(yōu)化策略提升系統(tǒng)效能。旨在提高系統(tǒng)在復(fù)雜火災(zāi)場(chǎng)景中的應(yīng)急反應(yīng)能力，確保在提高滅火效率的同時(shí)，保障人員安全和應(yīng)急資源的最優(yōu)配置。

關(guān)鍵詞：一體化模式；防火與滅火救援；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；大數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2024）11-0061-03

目前，傳統(tǒng)的消防模式在應(yīng)急響應(yīng)、信息處理和指揮效率上面臨一定的挑戰(zhàn)，信息傳遞的時(shí)效性和指揮調(diào)度的實(shí)時(shí)性可能影響火災(zāi)救援的效率和效果。防火與滅火救援一體化模式逐漸成為研究的熱點(diǎn)，旨在使用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和智能化指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防火監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮與設(shè)備聯(lián)動(dòng)的高度集成。一體化模式將信息采集、數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)化決策和執(zhí)行單元整合在一個(gè)平臺(tái)上，構(gòu)建更加高效的消防安全體系。本文設(shè)計(jì)了一體化模式的技術(shù)架構(gòu)，探索其在實(shí)際應(yīng)用中的效果，經(jīng)過系統(tǒng)化設(shè)計(jì)和案例分析，驗(yàn)證了該模式在提升火災(zāi)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)能力方面的潛力。

1 防火與滅火救援一體化的技術(shù)架構(gòu)

1.1" 一體化系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

一體化系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、分析與決策層，以及執(zhí)行與反饋層。數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它使用高靈敏度傳感器、熱成像設(shè)備以及化學(xué)檢測(cè)裝置等，實(shí)時(shí)采集溫度、煙霧濃度、風(fēng)速和有害氣體含量等多維數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和全面性。采集的數(shù)據(jù)被即時(shí)傳輸至傳輸層，該層采用高效通信協(xié)議，如5G或低延遲LoRa網(wǎng)絡(luò)，以保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性和穩(wěn)定性，優(yōu)化系統(tǒng)反應(yīng)速度。

1.2" 智能感知與數(shù)據(jù)融合技術(shù)

智能感知技術(shù)能夠高效獲取與火災(zāi)相關(guān)的多維環(huán)境數(shù)據(jù)，支持實(shí)時(shí)火情監(jiān)測(cè)與分析。該技術(shù)依賴于分布廣泛、性能高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括溫度傳感器、煙霧傳感器、濕度傳感器、有害氣體檢測(cè)器以及風(fēng)速風(fēng)向探測(cè)儀等設(shè)備。這些傳感器布設(shè)在建筑物的關(guān)鍵區(qū)域，如逃生通道、地下停車場(chǎng)、設(shè)備機(jī)房等，覆蓋直徑根據(jù)區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和空間布局進(jìn)行精確計(jì)算，確保無監(jiān)控盲區(qū)。傳感器具備自校準(zhǔn)與自適應(yīng)特性，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整采樣頻率和檢測(cè)范圍，提升監(jiān)測(cè)精度。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過5G通信模塊快速傳輸至指揮系統(tǒng)，在高干擾環(huán)境下，運(yùn)用信號(hào)增強(qiáng)與抗干擾技術(shù)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和完整性。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)通過結(jié)合溫度、煙霧濃度、濕度、風(fēng)速和有害氣體濃度等多種數(shù)據(jù)，減少誤報(bào)并提高火災(zāi)識(shí)別精度。常用的融合算法有卡爾曼濾波、貝葉斯推理和深度學(xué)習(xí)。卡爾曼濾波用于實(shí)時(shí)更新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和過濾噪聲，貝葉斯推理模型結(jié)合先驗(yàn)概率和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。深度學(xué)習(xí)則通過歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)訓(xùn)練，識(shí)別復(fù)雜場(chǎng)景中的異常情況，例如，在煙霧濃度上升而溫度變化不大時(shí)判斷是否為火災(zāi)早期征兆。系統(tǒng)采用分布式計(jì)算架構(gòu)，在邊緣節(jié)點(diǎn)與中心服務(wù)器之間高效處理數(shù)據(jù)，保證實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

智能感知和數(shù)據(jù)融合是系統(tǒng)智能化的核心。傳感器網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)火災(zāi)特性和建筑結(jié)構(gòu)布置，一般間隔5～10m，覆蓋關(guān)鍵區(qū)域。通過卡爾曼濾波和貝葉斯推理等算法，將多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融合，減少噪聲并提高精度。某商業(yè)綜合體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見表1。

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)地下停車場(chǎng)的溫度和煙霧濃度異常高，超過設(shè)定的預(yù)警閾值。使用計(jì)算公式對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算：

式中：R——風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；

T——溫度指標(biāo)，℃；

S——煙霧濃度，μg/m3；

V——風(fēng)速，m/s；

G——有害氣體濃度，μg/m3；

系數(shù)α、β、γ、δ依據(jù)火災(zāi)特點(diǎn)及環(huán)境因素調(diào)整。

2 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法

2.1" 火災(zāi)預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

火災(zāi)預(yù)測(cè)模型基于復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論和數(shù)據(jù)分析方法。一體化系統(tǒng)使用多變量時(shí)間序列分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，構(gòu)建火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型。模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)源于偏微分方程，描述火災(zāi)擴(kuò)散速度與環(huán)境因素之間的關(guān)系，計(jì)算出火勢(shì)蔓延范圍和時(shí)間。核心方程為：

式中：x——熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

Q——熱源強(qiáng)度，W。

模型將環(huán)境數(shù)據(jù)輸入方程計(jì)算，預(yù)測(cè)火情演變。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估部分使用多參數(shù)權(quán)重模型，將溫度、濕度、風(fēng)速、燃料密度等多項(xiàng)因素綜合考慮，設(shè)置權(quán)重參數(shù)α、β、γ、δ，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估函數(shù)：

式中：H——濕度，g/m3；

W——風(fēng)速，m/s；

D——燃料密度，kg/m3。

權(quán)重系數(shù)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)化評(píng)估精度。數(shù)據(jù)分析過程中模型使用高頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并使用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新參數(shù)，以減少誤差。

2.2" 智能調(diào)度與救援路徑優(yōu)化

智能調(diào)度系統(tǒng)依賴于先進(jìn)的調(diào)度算法和路徑優(yōu)化策略。調(diào)度算法使用改進(jìn)的遺傳算法與蟻群算法融合，經(jīng)過選擇、交叉、變異等步驟尋找最優(yōu)救援隊(duì)伍配置方案。適應(yīng)度函數(shù)定義如下：

式中：ti——第i支救援隊(duì)的到達(dá)時(shí)間；

ci——隊(duì)伍負(fù)荷量，kg；

λ——權(quán)重因子，用于平衡時(shí)間和負(fù)荷。

路徑規(guī)劃使用基于Dijkstra算法的改進(jìn)版，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑。方程描述最短路徑權(quán)值計(jì)算：

式中：L——路徑權(quán)值，m；

dj——路徑長(zhǎng)度，m；

rj——實(shí)時(shí)交通狀況阻力系數(shù)；

μ——權(quán)重[1]。

結(jié)合實(shí)際救援場(chǎng)景系統(tǒng)計(jì)算得出救援路徑耗時(shí)比傳統(tǒng)規(guī)劃縮短20%，提升了資源利用效率。實(shí)例數(shù)據(jù)分析表明智能調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)隊(duì)伍配置和最短路徑選擇。

2.3" 實(shí)時(shí)通信與協(xié)同救援技術(shù)

實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，結(jié)合5G、LoRa等多種通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)廣覆蓋、低延遲。實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)使用動(dòng)態(tài)頻率分配技術(shù)優(yōu)化通信效率，在高密度建筑物環(huán)境下使用波束成形技術(shù)提高信號(hào)質(zhì)量。系統(tǒng)部署多路徑冗余機(jī)制來減少通信中斷的可能性，當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)信號(hào)受損時(shí)，迅速切換至備用通信鏈路，確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性。

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則集中于高效、穩(wěn)定、低延遲的特點(diǎn)，使用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通信協(xié)議使用動(dòng)態(tài)頻率分配技術(shù)，避免信號(hào)擁堵。系統(tǒng)將4G/5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信結(jié)合，保證信號(hào)覆蓋的連續(xù)性。計(jì)算通信延遲的公式為：

式中：D——總延遲；

P——數(shù)據(jù)包大小，B；

B——帶寬，bps；

L——傳輸路徑延遲。

分析通信數(shù)據(jù)得知，多方協(xié)同救援中延遲小于150ms，確保信息傳遞的實(shí)時(shí)性。多方協(xié)同救援機(jī)制經(jīng)過數(shù)據(jù)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，各部門共享火情動(dòng)態(tài)和資源狀態(tài)。關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)加密與分布式存儲(chǔ)，保證信息安全和完整性?？绮块T協(xié)作采用優(yōu)先級(jí)控制算法，計(jì)算救援資源分配優(yōu)先級(jí)：

式中：Pi——第i類資源優(yōu)先級(jí)；

ti——響應(yīng)時(shí)間，s；

ai——資源可用性；

η——調(diào)整系數(shù)[2]。

實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)配備應(yīng)急通信中繼器和衛(wèi)星通信設(shè)備，確保在極端環(huán)境下保持高效協(xié)作。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明多部門協(xié)作救援響應(yīng)時(shí)間相比傳統(tǒng)模式縮短30%，實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)整體通信性能提升。

3 應(yīng)用案例與技術(shù)驗(yàn)證

3.1" 城市綜合體的防火與救援應(yīng)用

某市大型商業(yè)綜合體的一體化防火與救援系統(tǒng)由高密度傳感器網(wǎng)絡(luò)、5G通信模塊和智能指揮中心組成，實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)。各樓層安裝傳感器總數(shù)達(dá)300個(gè)，每個(gè)傳感器覆蓋直徑10m范圍，確保無監(jiān)測(cè)盲區(qū)。根據(jù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳感器每秒采集并上傳數(shù)據(jù)包至指揮中心，使用數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行火情分析。

運(yùn)行效果評(píng)估基于火災(zāi)模擬演練，設(shè)定模擬火災(zāi)在中庭區(qū)域，觸發(fā)周圍傳感器的溫度升高至80℃，煙霧濃度升至400μg/m3。數(shù)據(jù)被即刻傳送至指揮系統(tǒng)，系統(tǒng)分析火勢(shì)擴(kuò)散并給出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)公式計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值：

式中：S——煙霧濃度，μg/m3；

W——環(huán)境風(fēng)速，m/s；

α、β、γ——經(jīng)驗(yàn)權(quán)重系數(shù)，α=0.5、β=0.3、γ=0.2[3]。

數(shù)據(jù)輸入得出R=60+120+190，超過設(shè)定閾值150，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)滅火裝置并向消防隊(duì)發(fā)出預(yù)警。

性能評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)與應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間縮短至10s內(nèi)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的30s響應(yīng)時(shí)間。綜合分析指出系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集精度高、響應(yīng)速度快、協(xié)同救援高效，但部署成本較高，且對(duì)通信穩(wěn)定性要求極高。在實(shí)際應(yīng)用中干擾因素，如建筑結(jié)構(gòu)屏蔽信號(hào)問題需進(jìn)一步解決，以保障系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2" 特殊場(chǎng)景下的系統(tǒng)適應(yīng)性驗(yàn)證

在森林火災(zāi)場(chǎng)景中一體化系統(tǒng)增加了耐高溫、抗震的傳感器設(shè)備，優(yōu)化傳感器布設(shè)間距至50m，覆蓋火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。實(shí)驗(yàn)在某林區(qū)進(jìn)行，使用溫控裝置模擬火源，傳感器記錄溫度升至300℃并伴隨有害氣體釋放[4]。數(shù)據(jù)分析表明，系統(tǒng)在火情初期檢測(cè)出的準(zhǔn)確率達(dá)95%。系統(tǒng)根據(jù)火勢(shì)擴(kuò)散模型，運(yùn)用偏微分方程預(yù)測(cè)火勢(shì)蔓延范圍，公式為：

式中：k——擴(kuò)散系數(shù)，模型模擬火焰蔓延速度符合真實(shí)擴(kuò)散趨勢(shì)。

在工業(yè)園區(qū)火災(zāi)場(chǎng)景中，一體化系統(tǒng)需應(yīng)對(duì)爆炸和化學(xué)泄漏等復(fù)雜情況。傳感器布局優(yōu)化為10m間距，并增加有毒氣體檢測(cè)裝置。實(shí)驗(yàn)?zāi)M化工儲(chǔ)罐爆炸，釋放有害氣體，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并上報(bào)數(shù)據(jù)，指揮系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值啟動(dòng)隔離措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為15s，控制設(shè)備啟動(dòng)比傳統(tǒng)手動(dòng)操作快40%。但在高噪聲環(huán)境中，通信信號(hào)易受干擾，需要專用頻段或信號(hào)中繼器。

4 結(jié)束語

本文圍繞防火與滅火救援一體化模式的技術(shù)架構(gòu)與實(shí)際應(yīng)用展開深入研究，使用數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、分析與決策層、執(zhí)行與反饋層的協(xié)調(diào)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高效火情監(jiān)測(cè)與響應(yīng)優(yōu)化，智能感知與數(shù)據(jù)融合技術(shù)提高了火災(zāi)預(yù)測(cè)精度，結(jié)合改進(jìn)的遺傳算法與路徑優(yōu)化模型，顯著提升了應(yīng)急調(diào)度與資源配置效率，實(shí)時(shí)通信與協(xié)同救援技術(shù)在多方協(xié)作中表現(xiàn)出卓越的低延遲性能，應(yīng)用案例驗(yàn)證顯示系統(tǒng)在城市綜合體火災(zāi)中縮短了響應(yīng)時(shí)間。

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