數(shù)字孿生技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用探索

摘要：深入分析了數(shù)字孿生技術(shù)的定義及架構(gòu)，結(jié)合當(dāng)前滅火救援技術(shù)和方法的局限性，以四川省某城市大型綜合體作為具體案例，深入探索了數(shù)字孿生技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用與效果。研究結(jié)果表明，數(shù)字孿生技術(shù)在滅火救援中具有巨大的應(yīng)用潛力和開發(fā)價值，可以為滅火救援行動帶來更多寶貴的時間，實現(xiàn)更高效的火災(zāi)預(yù)防及救援。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；滅火救援；大型綜合體

中圖分類號：D631.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0041-04

現(xiàn)代城市建筑群體規(guī)模不斷擴大，結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，火災(zāi)事故的突發(fā)性和潛在危害性也隨之增加。在此背景下，如何借助數(shù)字孿生等新興技術(shù)手段提升滅火救援行動的科學(xué)性和高效性，成為當(dāng)前亟須解決的重要課題。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生（Digital Twin）是指通過數(shù)字化手段在虛擬空間中創(chuàng)建一個與物理實體高度一致的虛擬模型，通過數(shù)據(jù)連接，使兩者在全生命周期內(nèi)保持動態(tài)同步，從而實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)控、模擬和優(yōu)化[1]。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)通常由以下三個核心部分構(gòu)成：第一，物理實體，這是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)，指的是現(xiàn)實世界中的設(shè)備、系統(tǒng)或過程。物理實體通過傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備將自身的運行狀態(tài)、環(huán)境條件等信息實時傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中。第二，虛擬模型，這是物理實體在數(shù)字空間中的映射，通常采用多種建模技術(shù)，如幾何建模、物理建模和行為建模等[2]。第三，數(shù)據(jù)連接，這是物理實體和虛擬模型之間的橋梁，不僅包括物理實體向虛擬模型的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸，還包括虛擬模型反饋到物理實體的控制指令和優(yōu)化建議。

在滅火救援領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場實時監(jiān)測、模擬火情發(fā)展、優(yōu)化救援方案等重要應(yīng)急救援功能，大幅提升滅火救援的科學(xué)性和有效性。

2 當(dāng)前滅火救援技術(shù)和方法的局限性

2.1 火情監(jiān)測的延遲與不準(zhǔn)確性

在火災(zāi)發(fā)生的時候，火情監(jiān)測的及時性和準(zhǔn)確性是滅火救援的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的火情監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)常面臨延遲和不準(zhǔn)確的情況[3]。以“11·15”上海某公寓大樓特大火災(zāi)事故為例，施工人員違規(guī)進(jìn)行電焊作業(yè)，電焊濺落的金屬熔融物掉落從而引發(fā)火災(zāi)，加之建筑內(nèi)部監(jiān)測設(shè)備不完善，火情未能及時被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致火勢迅速蔓延并最終釀成特大火災(zāi)[4]。此外，傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備在面對復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)時，容易受到墻體、樓層等因素的阻隔，也會嚴(yán)重影響火情數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和判斷。

2.2 火情模擬與預(yù)警系統(tǒng)的局限性

火情模擬與預(yù)警系統(tǒng)的有效性是消防救援人員在滅火救援中的重要依據(jù)，目前國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)水平在此方面具有較大的提升空間。例如，多數(shù)火情模擬系統(tǒng)是通過預(yù)設(shè)火災(zāi)場景和固定參數(shù)進(jìn)行模擬，難以實時反映火災(zāi)的動態(tài)發(fā)展。以吉林德惠“6·3”特別重大火災(zāi)為例，火災(zāi)發(fā)生時，由于預(yù)警系統(tǒng)未能充分考慮到生產(chǎn)車間的特殊結(jié)構(gòu)和可燃物堆積情況，導(dǎo)致火情迅速蔓延，加之主廠房內(nèi)沒有報警裝置，部分人員對火災(zāi)知情晚，使一些人喪失了最佳逃生時機。該事件說明火情模擬和預(yù)警系統(tǒng)在應(yīng)對復(fù)雜火災(zāi)場景時，缺乏實時性和精準(zhǔn)度[5]。

2.3 人員疏散指揮的困難性

火災(zāi)發(fā)生后，迅速有效地疏散人員是減少火災(zāi)傷亡的關(guān)鍵舉措，然而，在實際操作中，人員疏散往往面臨巨大挑戰(zhàn)。以無錫“11·20”某紡織公司火災(zāi)為例，火災(zāi)發(fā)生時，高溫及有毒有害煙氣迅速蔓延至疏散樓梯間，該公司未及時組織員工疏散撤離，加之室外疏散樓梯安全出口被鎖閉，消防救援人員在救援過程中難以掌握被困人員的確切位置，延誤了最佳救援時機[6]。

2.4 消防資源調(diào)度效率有待進(jìn)一步提高

在重大火災(zāi)事故中，消防資源的快速調(diào)度和合理分配對于遏制火勢至關(guān)重要。然而，當(dāng)前部分消防資源調(diào)度系統(tǒng)的效率有待進(jìn)一步提高[7]。以“8·12”天津港某特大火災(zāi)爆炸事故為例，由于現(xiàn)場情況復(fù)雜，涉及危險化學(xué)品，救援工作極為困難，導(dǎo)致火災(zāi)蔓延和爆炸事件。在面對復(fù)雜火災(zāi)場景時，消防資源調(diào)度系統(tǒng)缺乏智能化和動態(tài)調(diào)整能力，需要加強應(yīng)急救援力量建設(shè)和特殊器材裝備配備，提高生產(chǎn)安全事故應(yīng)急處置能力[8]。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用

3.1 案例概況

在四川省某城市大型綜合體內(nèi)，消防救援體系全面升級，引入了“智慧消防云平臺”，以實現(xiàn)對滅火救援工作的全方位智能化管理。該平臺深度融合了多源系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對消防接警處理、火災(zāi)統(tǒng)計、消防監(jiān)督管理等核心職能，并對接了外部“消防重點單位物聯(lián)網(wǎng)”和“智慧用電”系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。平臺依托“政務(wù)云”，支持在電腦端和手機端實時查詢相關(guān)信息，為滅火救援行動提供了強大的技術(shù)支撐。

該平臺分為消防機構(gòu)、指揮調(diào)度、火災(zāi)預(yù)防、戰(zhàn)勤保障、隊伍管理、災(zāi)情分析六大模塊。消防機構(gòu)模塊提供了全市消防救援站的實時數(shù)據(jù)，包括人員、車輛等信息，方便調(diào)度指揮。指揮調(diào)度模塊涵蓋應(yīng)急值班、水源管理、預(yù)案信息和聯(lián)勤聯(lián)動等子模塊，提升了指揮調(diào)度的效率和準(zhǔn)確性?；馂?zāi)預(yù)防模塊通過對重點單位的精準(zhǔn)定位和設(shè)施監(jiān)控，加強了火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)督。戰(zhàn)勤保障模塊則實現(xiàn)了對消防車輛和裝備的全生命周期管理和調(diào)度。隊伍管理模塊有效助力分析消防人員的訓(xùn)練成效與體能狀態(tài)，提高了整體的作戰(zhàn)能力與效率。災(zāi)情分析模塊通過深度挖掘歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行綜合分析和風(fēng)險預(yù)測，極大地增強了火災(zāi)應(yīng)對的決策能力。

3.2 技術(shù)應(yīng)用設(shè)計

在城市大型綜合體中，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計涵蓋了火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警、火情模擬與態(tài)勢感知、人員疏散與救援、消防資源調(diào)度與指揮等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過這些技術(shù)模塊的集成和協(xié)同運作，實現(xiàn)了滅火救援全過程的智能化與高效化。

3.2.1 火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警

為了提升火災(zāi)監(jiān)測的準(zhǔn)確性與及時性，綜合體內(nèi)部署了密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器覆蓋了建筑的各個關(guān)鍵區(qū)域，包括易燃物堆放區(qū)、主要通道、機電設(shè)備間等，可實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、煙霧濃度、氣體成分等，并將這些信息傳輸至“智慧消防云平臺”。其中，紅外熱成像傳感器尤為關(guān)鍵，可以實時捕捉環(huán)境中的熱量變化，尤其是在溫度監(jiān)測難以直接感知的隱蔽區(qū)域，如天花板或墻體內(nèi)部；而紫外線火焰檢測器以其高靈敏度著稱，能在火災(zāi)初期，火焰還未大范圍蔓延時便迅速捕捉到火焰輻射。此外，氣體傳感器通過監(jiān)測一氧化碳、二氧化碳及其他可燃?xì)怏w的濃度，能夠識別潛在的火災(zāi)隱患，尤其是機電設(shè)備間的短路、過載等問題。

“智慧消防云平臺”依托大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，分析大量歷史火災(zāi)案例的數(shù)據(jù)特征，即時構(gòu)建并優(yōu)化火災(zāi)風(fēng)險預(yù)測模型。系統(tǒng)在分析溫度、煙霧和氣體濃度等數(shù)據(jù)的同時，還能結(jié)合建筑布局、消防設(shè)備狀態(tài)以及外部氣象條件等因素，動態(tài)調(diào)整火災(zāi)預(yù)測的精度。一旦捕捉到異常信號，如溫度急劇上升或煙霧濃度超標(biāo)，平臺將立即啟動預(yù)警機制，精準(zhǔn)定位火災(zāi)源頭，還可以根據(jù)火情嚴(yán)重程度，分級發(fā)出預(yù)警信號，確保各級應(yīng)急響應(yīng)措施能夠迅速啟動。同時，預(yù)警系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和場景特點，預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的可能性和嚴(yán)重性，進(jìn)一步提升火災(zāi)防控的主動性。

3.2.2 火情模擬與態(tài)勢感知

在火災(zāi)發(fā)生時，數(shù)字孿生技術(shù)可以結(jié)合多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，整合來自溫度傳感器、煙霧探測器、氣體監(jiān)測儀等不同類型傳感器的實時數(shù)據(jù)。同時，建筑內(nèi)的監(jiān)控攝像頭也可以為系統(tǒng)提供關(guān)鍵的視覺維度，通過圖像識別技術(shù)，對火災(zāi)發(fā)展情況進(jìn)行實時分析處理，并將這些信息映射到虛擬模型中，構(gòu)建出火災(zāi)場景的動態(tài)全息模擬。虛擬模型精確展現(xiàn)了建筑的結(jié)構(gòu)布局和消防設(shè)施位置等關(guān)鍵信息。借助實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以模擬火勢的蔓延路徑、燃燒速率和煙霧擴散情況，在模擬火勢擴散路徑時，系統(tǒng)會綜合考慮建筑內(nèi)部的氣流流向、通風(fēng)系統(tǒng)影響、各類材料的燃燒特性以及建筑結(jié)構(gòu)的阻火作用。燃燒速度和煙霧擴散的模擬則依賴于先進(jìn)的計算流體動力學(xué)（CFD）模型，該模型精確捕捉火災(zāi)環(huán)境中的熱力、煙氣流動情況，為指揮員提供科學(xué)的預(yù)測依據(jù)。

此外，系統(tǒng)還具備自動評估火災(zāi)蔓延趨勢的功能，結(jié)合火災(zāi)的實時與歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測火勢蔓延的區(qū)域，及時向指揮員發(fā)出預(yù)警。系統(tǒng)還能動態(tài)調(diào)整模擬結(jié)果，根據(jù)建筑內(nèi)溫度變化、煙霧擴散速度等實時數(shù)據(jù)，不斷更新火情演變情況。這一系列的模擬和態(tài)勢感知功能，指揮員可以掌握當(dāng)前火災(zāi)狀況，預(yù)測火災(zāi)未來的發(fā)展趨勢，從而作出更為精準(zhǔn)的資源調(diào)配和救援決策?；鹎槟M結(jié)果會以直觀可視化形式展現(xiàn)在指揮中心的大屏幕上，指揮員可以通過這一界面，迅速了解火災(zāi)的當(dāng)前態(tài)勢，并精準(zhǔn)預(yù)判未來趨勢，從而作出更精準(zhǔn)的決策。

3.2.3 人員疏散與救援

在火災(zāi)發(fā)生時，為了進(jìn)一步提高人員疏散的效率，數(shù)字孿生平臺結(jié)合了多種定位技術(shù)，如超寬帶（UWB）定位、無線射頻識別（RFID）和藍(lán)牙信標(biāo)等。這些技術(shù)的組合可以在復(fù)雜的建筑環(huán)境中提供厘米級的高精度定位，不僅能夠精準(zhǔn)追蹤每個人員的實時位置，還能判斷其運動速度和方向，幫助系統(tǒng)動態(tài)評估疏散進(jìn)程。此外，平臺在規(guī)劃疏散路徑時，還會運用智能路徑規(guī)劃算法，綜合考慮建筑的布局、消防通道的寬度、可通行區(qū)域的分布、火勢蔓延情況以及當(dāng)前通道的人員密度等因素，實時為不同區(qū)域的人員指引最優(yōu)疏散路徑。例如，當(dāng)某個通道因火勢封鎖或人員密集而3a073a46736d4e081c4a481426c93505無法通行時，系統(tǒng)會立刻進(jìn)行調(diào)整，并規(guī)劃新的安全疏散路徑，確保人員能夠避開危險區(qū)域。在模擬疏散演練方面，平臺可以通過虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)進(jìn)行沉浸式演練，使救援人員能夠在虛擬環(huán)境中體驗火災(zāi)情景，預(yù)先識別疏散過程中的風(fēng)險點。通過這些演練，消防隊員能夠更好地掌握建筑內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、疏散路線的可行性以及可能出現(xiàn)的人員密集點，進(jìn)而優(yōu)化疏散方案。當(dāng)火災(zāi)實際發(fā)生時，“智慧消防云平臺”不僅會提供疏散路徑，還會結(jié)合現(xiàn)場火勢和煙霧擴散情況，動態(tài)調(diào)整疏散策略。例如，通過對火勢傳播速度進(jìn)行計算，預(yù)判某條通道是否在一定時間內(nèi)仍然安全，從而及時調(diào)整人員撤離路線。疏散過程中的人員移動數(shù)據(jù)和火災(zāi)動態(tài)信息會同步傳輸?shù)街笓]中心，指揮員可以通過大屏幕實時查看疏散進(jìn)展，并做出相應(yīng)的調(diào)整。另外，平臺還具備智能預(yù)警功能，一旦某些區(qū)域的人員疏散速度減緩或出現(xiàn)滯留，系統(tǒng)會立刻發(fā)出警報，提醒指揮員采取措施。同時，平臺也可以根據(jù)各區(qū)域人員的密集度優(yōu)先疏散高危密集區(qū)域，確保救援行動的有效性。

3.2.4 消防資源調(diào)度與指揮

為了實現(xiàn)消防資源的高效調(diào)度，平臺會對所有消防資源的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，包括消防車輛、裝備、人員等要素，并將資源的實時位置、使用情況、剩余可用性等信息匯總至平臺的指揮模塊，為指揮員提供全面、即時的決策依據(jù)。

在資源調(diào)度方面，平臺運用了優(yōu)化算法，根據(jù)火災(zāi)的類型、規(guī)模、具體位置以及當(dāng)前消防資源的分布情況，自動計算出最優(yōu)的資源調(diào)度方案。指揮員可以依托平臺提供的建議，快速調(diào)動資源并進(jìn)行任務(wù)分配。此外，平臺還集成了綜合指揮系統(tǒng)，確保各相關(guān)部門、單位之間能夠迅速建立有效的聯(lián)動與協(xié)作，形成一體化的應(yīng)急指揮網(wǎng)絡(luò)，各級指揮員可以在平臺上實時共享信息，統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度指揮，確保滅火救援行動的協(xié)調(diào)性與高效性。

3.3 效果評估

3.3.1 提升火災(zāi)響應(yīng)速度

依托數(shù)字孿生技術(shù)，該城市綜合體內(nèi)的火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集和分析傳感器數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了對火災(zāi)的早期預(yù)警功能。相比傳統(tǒng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)，該平臺的反應(yīng)速度更快，能夠在火災(zāi)發(fā)生的初期及時發(fā)出預(yù)警信號，有效遏制火勢蔓延。在實際應(yīng)用中，預(yù)警時間較傳統(tǒng)系統(tǒng)縮短了30%以上，有效提高了火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的速度。

3.3.2 精準(zhǔn)制定滅火救援決策

借助火情模擬與態(tài)勢感知功能，指揮員能夠在火災(zāi)發(fā)生時迅速掌握火勢發(fā)展動態(tài)，并科學(xué)預(yù)測火災(zāi)的演變趨勢。通過多次模擬演練和實戰(zhàn)驗證，火情態(tài)勢感知系統(tǒng)可大大降低決策錯誤率，提升了滅火救援行動的準(zhǔn)確性與效率。

3.3.3 提高人員疏散的安全性

數(shù)字孿生技術(shù)在火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)中的人員疏散與救援模塊發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該技術(shù)通過實時追蹤建筑內(nèi)人員的位置信息，并動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)疏散路徑，顯著提升了火災(zāi)發(fā)生時人員撤離的速度和安全性。經(jīng)過系統(tǒng)模擬和實戰(zhàn)演練的驗證，采用數(shù)字孿生技術(shù)，不僅縮短了人員疏散時間，還提高了疏散成功率，有效降低了火災(zāi)現(xiàn)場的人員傷亡風(fēng)險。

3.3.4 提高消防資源調(diào)度效率

通過平臺對消防資源的實時監(jiān)控和調(diào)度優(yōu)化算法，指揮員能夠更加科學(xué)合理地分配和調(diào)動消防資源。在多次火災(zāi)應(yīng)對實踐中，縮短了消防資源到場的時間。綜合指揮系統(tǒng)的集成應(yīng)用，使得不同部門、單位之間的協(xié)作更加順暢，有效避免了傳統(tǒng)指揮模式下的資源浪費和調(diào)度不及時的問題。

3.3.5 強化火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)督的有效性

火災(zāi)預(yù)防模塊通過對消防重點單位的全面監(jiān)控與深入分析，提高了消防監(jiān)督工作的精確度和有效性。該平臺能夠迅速識別并準(zhǔn)確定位消防設(shè)施的潛在隱患和故障，及時進(jìn)行維護(hù)與整改。自平臺投入使用以來，火災(zāi)隱患的發(fā)現(xiàn)率提升了42%，整改率也實現(xiàn)了增長，有效遏制了火災(zāi)事故的發(fā)生。

3.3.6 全面提升消防救援能力

“智慧消防云平臺”的引入，全面提升了城市大型綜合體的消防救援能力。該平臺不僅顯著提高了火災(zāi)響應(yīng)速度和決策的精準(zhǔn)性，還增強了人員疏散的安全保障和消防資源的調(diào)度效率。通過對火災(zāi)的全面預(yù)防和實時應(yīng)對，該平臺實現(xiàn)了對火災(zāi)事件的科學(xué)管理和高效處置，有效降低了火災(zāi)造成的損失，全面提升了城市綜合體的消防安全水平。

4 結(jié)束語

總之，數(shù)字孿生技術(shù)有效彌補了當(dāng)前滅火救援技術(shù)和方法中存在的局限性。數(shù)字孿生技術(shù)通過構(gòu)建火災(zāi)場景模型，實現(xiàn)了對火情的實時監(jiān)測與預(yù)測，大幅降低了火情監(jiān)測的延遲與不準(zhǔn)確性，為消防人員提供了及時、準(zhǔn)確的信息支持。基于數(shù)字孿生的火情模擬與預(yù)警系統(tǒng)，能夠更加真實地反映火災(zāi)發(fā)展的動態(tài)過程，為制定科學(xué)合理的滅火救援方案提供了依據(jù)，提升了火情應(yīng)對的效率和準(zhǔn)確性。四川某城市大型綜合體的應(yīng)用案例結(jié)果表明，數(shù)字孿生技術(shù)可以顯著優(yōu)化滅火救援的全過程管理，提升消防救援能力，為城市消防安全管理提供了強有力的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]楊曉峰，丁祥郭.數(shù)字孿生在滅火救援中的應(yīng)用探索[J].電信快報，2024（6）：21-24.

[2]黃麗蒂，趙朝瑞，孫志敏.老年公寓建筑數(shù)字孿生模型聯(lián)合仿真疏散模擬方法[J].河南科學(xué)，2023，41（3）：414-422.

[3]王亮，張涵清，李鵬飛，等.基于數(shù)字孿生的某文體中心消防疏散算法設(shè)計[J].現(xiàn)代建筑電氣，2023，14（1）：1-5.

[4]上海靜安區(qū)人民政府.“11·15”特別重大火災(zāi)事故處理決定公布[EB/OL].https：//www.jingan.gov.cn/rmtzx/003001/20110614/b205ff94-b54a-40d1-ac97-8e842a76538e.html

[5]人民網(wǎng).吉林德惠特大事故調(diào)查報告發(fā)布 消防部門曾違法出具驗收合格書[EB/OL].http：//politics.people.com.cn/n/2013/0712/c70731-22169884.html

[6]無錫市應(yīng)急管理局.無錫惠山區(qū)無錫天天潤紡織科技有限公司“11·20”較大火災(zāi)事故調(diào)查報告[EB/OL].http：//yjglj.wuxi.gov.cn/doc/2024/05/17/4311665.shtml

[7]張麗巖，劉婧，馬健.數(shù)字孿生驅(qū)動的多層建筑火災(zāi)智能應(yīng)急系統(tǒng)研究[J].電子測試，2022，36（17）：5-7+58.

[8]新華網(wǎng).天津港“8·12”特別重大火災(zāi)爆炸事故調(diào)查報告公布[EB/OL].https：//www.chinanews.com/sh/2016/02-05/7750592.shtml