高層建筑智慧消防電氣控制系統(tǒng)研究及應用

摘要： 隨著醫(yī)院、商場、學校、老年公寓等公共住宅和一類住宅建筑投入運營的時間增加，建筑物自身的消防系統(tǒng)逐漸老化甚至失效，近年來發(fā)生的火災事故造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了改善現(xiàn)有建筑的消防系統(tǒng)，通過智慧化集成管理提出了“智慧消防”的概念，對于現(xiàn)有建筑的消防系統(tǒng)管理的研究具有推動意義。關鍵詞： 高層建筑消防; 智慧消防; 消防電氣控制; 智能化管理

中圖分類號： TU855文獻標志碼： A文章編號： 1674-8417（2024）08-0026-05

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.08.006

0引言

北京長峰醫(yī)院4.18重大火災的發(fā)生，給大眾帶來了重大的警示。公眾逐漸意識到作為已投入使用的人員密集公共建筑和一類住宅建筑，一旦發(fā)生火災如果撲救不及時的危害性極大，不能單純依靠外部的消防力量撲救，樓內(nèi)的消防系統(tǒng)是否長期保持有效狀態(tài)，是否能夠早發(fā)現(xiàn)早撲救，將火災消滅在萌芽狀態(tài)成為關注焦點。

消防的重點在“防”。我國現(xiàn)有的高層建筑內(nèi)設備隨著使用年限的增加普遍存在三大老化問題：自然老化、使用性老化和耗用性老化，直接導致設備的運行穩(wěn)定性降低，必須定期排查故障和維護保養(yǎng)。目前多數(shù)高層建筑仍是依賴人工來進行消防設備巡查，因人力檢測的弊端，無法保證做到全天候、全覆蓋、實時巡檢，并且主觀性強、工作量大并不能保障所有消防設備的正常運轉(zhuǎn)。在此條件下，智慧消防的理念應運而生?！爸腔巯馈被谒枷胝J識、設備運行、管理模式等多方面、多維度進行創(chuàng)新，相對傳統(tǒng)消防有了革命性的轉(zhuǎn)變，可引導消防系統(tǒng)的健康有序發(fā)展。

隨著現(xiàn)代信息技術快速發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑物消防系統(tǒng)舊式管理模式無法滿足成本、質(zhì)量、安全、信息化的要求。在此之前，智慧消防的發(fā)展受制于廣泛地域性和復雜的分類項目，無法大面積推廣。智慧化的集成管理解決了此類難題，為智慧消防的發(fā)展提供了廣闊空間。

“智慧消防”通過對共性信息的關鍵內(nèi)容提取并分析，提出最佳的解決方案，可應對各類復雜多變的消防環(huán)境?！爸腔巯馈睆谋举|(zhì)上是各類系統(tǒng)和技術的集成，通過對管理系統(tǒng)、信息化技術系統(tǒng)、設備設施系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等各類系統(tǒng)集成來保證智慧消防與高層建筑的有機結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術建設一套從“物聯(lián)感知采集”到“共享協(xié)作指揮”的“智慧消防”系統(tǒng)［1］，從而更好地保障建筑使用安全。

1高層建筑火災危害性

1.1火災發(fā)生概率大

高層建筑不僅人流量大（比如醫(yī)院、商場、學校等人員密集的公共建筑），且因其屬性功能不同還運行著多種大功率設備，隨著各類設備的共同使用，用電壓力陡增，同時隨著使用年限的增加，線路存在老化的問題，容易引起火災事故，需專業(yè)人員定期檢查。

1.2火勢蔓延速度快

高層建筑火災發(fā)生時，被困人員因情緒緊張和蔓延的大量煙霧，無法及時找到安全有效的避險區(qū)域，并且因高層建筑的“煙筒效應”和風速等因素的共同作用，具有火災蔓延快的特點，給被困人員的逃生帶來了極大的挑戰(zhàn)。

1.3應急疏散難度大

現(xiàn)有高層建筑的層數(shù)和高度決定了疏散人員必須有較好的體力，否則難以在發(fā)生火災和煙霧蔓延的情況下通過疏散通道在安全的疏散時間內(nèi)逃生。高層建筑普遍采用樓梯和室外連廊作為火災發(fā)生時的疏散通道，根據(jù)火災發(fā)生的樓層和人員所處位置疏散至樓底逃生或者樓頂平臺等待救援，因疏散路線基本相似，同時在面臨火災的情況下，人員普遍較為緊張，若沒有統(tǒng)一的疏散引導，容易引發(fā)混亂導致疏散擁擠錯過最佳逃生時間，甚至發(fā)生踩踏等二次傷害事故。

1.4滅火作業(yè)障礙多

因高層建筑的高度普遍較高，須借助消防云梯車參與救援，但如果火勢較大，消防車輛一時難以滿足要求，消防人員又無法從建筑外圍救援，同時高層建筑火災蔓延速度較快，一系列不利因素容易導致錯過最佳救援時間，火災的迅速蔓延，甚至會影響周邊的其他建構(gòu)筑物，導致火災范圍擴大，威脅群眾的生命財產(chǎn)安全。

2總體思路

“智慧消防”秉承模塊化的設計理念，系統(tǒng)共分為感知、傳輸、數(shù)據(jù)和應用層，選用低成本、低功耗、廣覆蓋的NB-IoT無線通信技術，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)存儲平臺采用OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過MQTT協(xié)議接入，主控手機采用STM32芯片，通過各類傳感器實現(xiàn)對消防區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和檢測以及消防設備運行狀態(tài)監(jiān)測;一旦系統(tǒng)判定發(fā)生火災，實行蜂鳴報警，繼電器立即啟動自動噴水裝置，為提高火災報警的準確率，報警系統(tǒng)火災的判定普遍結(jié)合多傳感器火災融合算法;采用OneNET云平臺作為管理端實現(xiàn)對管轄區(qū)域的消防系統(tǒng)運行情況監(jiān)測并整合歷史數(shù)據(jù)進行分析［2］;智能App客戶控制端的研發(fā)，實現(xiàn)了消防系統(tǒng)的實時監(jiān)測和一鍵處置功能，提高了管理效率，縮短了應急時間，為消防預警滅火系統(tǒng)的啟動和人員疏散爭取到寶貴的時間。

3智慧消防系統(tǒng)功能設計

3.1消防設備聯(lián)動技術

3.1.1技術背景

隨著社會的發(fā)展以及科技的進步，越來越多的新型設備被引入到生活中，在方便生活的同時，也造成了新的火災隱患。為實現(xiàn)全天候?qū)ㄖ?nèi)火災隱患的監(jiān)控，火災智慧化預警系統(tǒng)應運而生，它起著監(jiān)控、預防、指揮、傳遞信息的關鍵作用。系統(tǒng)需要一個成熟且標準的調(diào)試方法，以減少安裝過程中因遺漏關鍵點造成的隱患，避免后期不必要的頻繁維護，增長系統(tǒng)使用壽命，控制工程投入。

3.1.2系統(tǒng)工作流程

（1） 智慧預警系統(tǒng)

① 火災源模擬。煙霧模擬（例如通過點燃衛(wèi)生紙、香煙等小型易燃物，將其煙霧靠近感煙探測器）。高溫模擬（用打火機或火柴等靠近感溫探測器），或按下手動報警按鈕。

② 系統(tǒng)報警。為避免誤判，消防控制中心接到2次以上報警信號時，消防聯(lián)動控制器向事故區(qū)域及相鄰區(qū)域報警器發(fā)出聲光信號，注明火災發(fā)生位置，提示人員撤離。警鈴報警、消防廣播播音、消防設備自動打開，切斷非消防電源，通信設備自動關閉，普通照明停止工作，事故照明開始接通。

③ 預警信息推送?！?智慧消防”APP與消防聯(lián)動控制器結(jié)合，該APP可實時查看現(xiàn)場視頻畫面，方便用戶做出決策并制定行動措施。同時，該APP具備一鍵報警功能，還可將當前火警位置、GIS地圖定位、本人電話、警情描述等信息發(fā)送至管理平臺。

④ 預警解除。預警解除實行系統(tǒng)識別，多人確認的管理機制。平臺通過火災源識別，確認火災源得到有效控制，安全負責人確認火災隱患處理完畢后上傳平臺，物業(yè)負責人復查合格并在系統(tǒng)內(nèi)確認，平臺方可解除預警。

（2） 自動噴水滅火系統(tǒng)。

打開某層末端試水裝置，模擬噴淋頭超溫爆裂、噴水，水流指示器轉(zhuǎn)動，向消防控制中心報警［3］，管道上壓力控制器穩(wěn)壓系統(tǒng)、噴淋泵先后起動。

根據(jù)區(qū)域劃分，對火災區(qū)域自動斷電，啟用火災區(qū)域消防設備（消防栓、室內(nèi)消防球等），并進行消防設備蜂鳴閃爍警示定位。報警控制中心顯示器顯示報警、控制、水泵動作的所有信息。

（3） 穩(wěn)壓系統(tǒng)。穩(wěn)壓系統(tǒng)具備二次穩(wěn)壓的功能，第一次依靠系統(tǒng)原有的壓力，通過氣囊壓縮的壓力能儲備，在系統(tǒng)報警初期穩(wěn)住消火栓和自動噴水滅火系統(tǒng)的水壓，保證設備有效運轉(zhuǎn)。

火災事故繼續(xù)擴大，系統(tǒng)壓力降低，通過壓力控制器起動穩(wěn)壓水泵，繼續(xù)短期維持系統(tǒng)壓力。

最后控制系統(tǒng)自動起動消防栓系統(tǒng)或自動噴水滅火系統(tǒng)的主水泵，滿足現(xiàn)場的實際需要。

3.2智慧消防應用技術

3.2.1消防系統(tǒng)監(jiān)管

智慧消防可智能化監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，有效提高安全隱患預判能力，降低安全巡檢頻次，減少火災發(fā)生的風險。

（1） 火災報警。由于高層建筑的特殊構(gòu)造，電梯井、管道井、電纜井等結(jié)構(gòu)類型多，存在火災不能及時發(fā)現(xiàn)、人工報警反應時間長等弊端，特別是醫(yī)院、商場、學校、老年公寓等人員密集場所和一類住宅建筑，在此類人員密集場所的重點區(qū)域設置煙感報警器，可實行實時監(jiān)管，做到早發(fā)現(xiàn)，早預警。管理人員通過監(jiān)控中心和系統(tǒng)的平臺可隨時檢查煙感報警器的運行情況，一旦設備出現(xiàn)故障，可做到及時發(fā)現(xiàn)和維修，確保設備持續(xù)有效地運行;一旦發(fā)生火災，煙感報警器可及時報警，消防系統(tǒng)的火災救援系統(tǒng)立即反應，最大限度減少了報警和滅火的延誤時間［4］，保障了人員和財產(chǎn)的安全。

（2） 消防設施監(jiān)測。最近影響較大的2024-01-30日貴陽市東山壹號小區(qū)甲棟2單元14樓火災事故，事發(fā)時該樓座無消防登高面，消防云梯車無法展開救援，這個時候樓內(nèi)的消防系統(tǒng)顯得尤為重要。雖然消防救援隊伍及時趕到現(xiàn)場，但樓內(nèi)消火栓被螺絲釘固定無法正常打開延緩了滅火時間，同時消防栓口與水帶不匹配無法正常取水，最后只能通過鋪設水帶從1樓引至14樓滅火，整個過程延續(xù)了36 min，最終造成被困人員不幸吸入過多濃煙而去世。慘痛的事故教訓暴露了消防設施的專項驗收、日常巡檢等多個環(huán)節(jié)的問題，痛心的事實引人深思。

智慧消防可以監(jiān)管消防設施的布局和運行狀態(tài)，確?；馂陌l(fā)生時可及時投入滅火，避免火災發(fā)生時因消防設施故障錯過最佳的滅火時間。對于消防輸水管道和水泵房，可分別在內(nèi)部安裝傳感器，用于檢測進水總管的壓力、消火栓管網(wǎng)的壓力、電源狀態(tài)、手動/自動狀態(tài)、啟停狀態(tài)［4］;為便于消防人員在發(fā)生火情時及時找到滅火器，可在滅火器內(nèi)安裝定位傳感器，定位數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)较揽刂破脚_和手機App，消防人員可通過App及時找到需用設備，監(jiān)管系統(tǒng)人員也可根據(jù)滅火器數(shù)量及時補充，當判定無法滿足滅火需求時，及時采取其他滅火措施。

系統(tǒng)終端通過各類傳感器，采集到溫濕度、煙霧濃度、電壓和管道壓力等各類數(shù)據(jù)，以此來判定傳感器、報警器和噴水裝置等消防設備的運行狀態(tài)，使得消防環(huán)境的監(jiān)測達到全覆蓋［4］。

通過消防控制系統(tǒng)監(jiān)管消防設備，所有數(shù)據(jù)均可在大屏實時更新展示。智慧消防系統(tǒng)界面如圖1所示。實現(xiàn)了消防監(jiān)管智能化和直觀化，信息統(tǒng)一規(guī)范化保存在服務器中;消防人員通過手機下載App，可隨時進入系統(tǒng)查看消防設備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備故障并予以消除。App擁有火災預警功能，一旦發(fā)生火災，會將火情信息立即發(fā)送給手機持有人，并且自動報警，保證了火災救援的及時性和有效性，實現(xiàn)科學、高效地滅火。App推送的消防知識、火災案例和嚴重火災事故警示教育等內(nèi)容，可有助于消防人員隨時學習消防知識，提高消防意識。系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)集成和歸集，可提醒消防人員對火災隱患精準排查，消除薄弱環(huán)節(jié)，重點管控隱患點。

（3） 消防巡檢。

通過手機App，可將巡檢發(fā)現(xiàn)的火災隱患（滅火器數(shù)量不足、失效，樓梯間堆放雜物等）記錄在App上報，相關人員均可在系統(tǒng)內(nèi)查看，避免了手動填寫書面巡檢單容易丟失并且無法全員共享的弊端，形成了全員監(jiān)督的機制，提高工作效率的同時，有助于火災隱患的徹底消除。

（4） AI智慧眼。

通過系統(tǒng)設備的攝影頭，監(jiān)控煙感、火光等各類火災危險信號，AI平臺立即識別判定是否發(fā)生火災。一旦判定發(fā)生火災，平臺首先會啟動預警程序，語音系統(tǒng)會告知消防監(jiān)控人員報警或者平臺自行啟動自動報警程序。24 h的全天候監(jiān)控，可實現(xiàn)無死角和超視距立體監(jiān)控，形成方位感知和視頻聯(lián)動等各類功能，提高了消防隱患的預判能力，降低巡檢頻次約30%，節(jié)省了大量的人員物力，火災監(jiān)控更加科學高效。

（5） 遠程控制。

為了提高消防管理的工作效率，實行消防的智能化運行，系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)和云平臺不但具備分析數(shù)據(jù)、監(jiān)測設備的功能，同時對判定的火情自動預警，管理人員可通過監(jiān)控中心或者手機App遠程對蜂鳴報警器和滅火裝置自動或者手動控制啟閉，針對不同環(huán)境中消防設備，可設置不同閾值，實現(xiàn)系統(tǒng)和設備智能化管理。

（6） 現(xiàn)場安全哨兵。

免安裝零維護設計，多種安裝方式，可插，可掛;采用 5G網(wǎng)絡傳輸，可實現(xiàn)現(xiàn)場雙向通話，配合危險作業(yè)實時記錄，自動生成報表。

3.2.2火災應急

（1） 火災報警。

一旦發(fā)生火災，智慧消防系統(tǒng)會通過監(jiān)控平臺、手機App等渠道發(fā)出預警，同時啟動蜂鳴報警器通知值班人員和相關消防人員，相關人員通過監(jiān)控平臺、手機App調(diào)取現(xiàn)場監(jiān)控畫面，核實火源和火災的范圍，確認情況后及時報警并告知消防部門負責人。

（2） 智慧斷電。

消防系統(tǒng)判定某處區(qū)域發(fā)生火情，在預警的同時，可自動對相關區(qū)域斷電，避免引發(fā)電力的火災，物聯(lián)網(wǎng)及時推動火情給管理人員，確?；馂木仍募皶r性和有效性，保證人員和財產(chǎn)的安全。

（3） BIM模擬逃生路線。

Pathfinder軟件建立的疏散模型并輔助Steering模式分析人員運動，總結(jié)最佳的疏散方案。公共建筑人員類型較為復雜，分別對不同類型的人員，例如病人、顧客、員工、物業(yè)管理人員、老弱婦孺等設置對應的參數(shù)，最大程度展現(xiàn)疏散逃生的真實情況，追求模擬數(shù)據(jù)的最優(yōu)可靠性和科學性。3D可視化展現(xiàn)了疏散人員的逃生路線和所用時間，通過匯總數(shù)據(jù)尋求最佳疏散方案。

（4） 滅火資源實時跟蹤。

水噴淋系統(tǒng)作為高層建筑常見的滅火首選，是智慧消防系統(tǒng)重要組成部分。智慧消防系統(tǒng)通過監(jiān)控平臺和手機App設有定期提醒功能，通過發(fā)送信息提供給消防人員檢查水噴淋系統(tǒng)中的水泵運行狀態(tài)、閥門開啟狀態(tài)、水池蓄水量、水箱水量等各類參數(shù)并且將檢查整改結(jié)果上傳到系統(tǒng)中實行閉環(huán)管理。

一旦發(fā)生火情，智慧消防系統(tǒng)可根據(jù)火災的大小計算滅火的難易程度，從而估算滅火所需的資源，對比現(xiàn)有的滅火資源存有量判定是否滿足滅火要求，若不滿足可自動生成補充量，及時提醒消防人員補充，確保消防滅火的連續(xù)性。滅火期間，AI系統(tǒng)可全過程監(jiān)控水箱、蓄水池、泡沫液、噴放氣體實時使用量和存有量，便于消防人員及時掌握數(shù)據(jù)，同時根據(jù)火勢的發(fā)展自動分析需用量，確認是否需要通知消防人員補充。

4結(jié)語

智慧消防整合了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)消防系統(tǒng)的智能化管理，云平臺通過對實時數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，實現(xiàn)了火情自動研判和自動預警。App的研發(fā)讓消防人員通過手機可隨時隨地檢查設備的運行狀態(tài)，智慧消防系統(tǒng)在安全管理、運維服務等方面的應用，使高層建筑的消防安全管理從此變得更加智慧高效。

［1］張云鵬，馬桂寧，閆偉，等.智慧消防系統(tǒng)在高層建筑施工中的應用［C］∥2023年全國工程建設行業(yè)施工技術交流會論文集（上冊），2023：5.

［2］金家勝.基于NB-IoT和OneNET云平臺的消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.沈陽：遼寧大學，2021.

［3］于潔.某速遞分撥中心消防給水系統(tǒng)設計［C］∥2015中部7省建筑消防給水高峰論壇暨建筑給水排水青年工程師委員會年會論文集，2015：561-566.

［4］張云明，劉毅.獨立煙感報警監(jiān)控與輔助值守系統(tǒng)設計［J］.科技與創(chuàng)新，2019（24）：1-3.

收稿日期： 20240115

Research and Application of Intelligent Fire Electrical

Control System for High-Rise Buildings

HAN Tao，HAO Weili

（Shandong Shenghao Intelligent Engineering Co.， Ltd.， Jining 272000， China）

Abstract： With the increasing operation time of public residences such as hospitals，shopping malls，schools，and elderly apartments，as well as a type of residential building，the fire protection system of the building itself gradually ages or even fails.In recent years，fire accidents have caused serious casualties and property losses.In order to improve the existing fire protection system of the building，the concept of “smart fire protection” has been proposed through intelligent integrated management，The research on the management of fire protection systems in existing buildings has driving significance.

Key words： high rise building fire protection; intelligent fire protection; fire electrical control; intelligent management