高層建筑消防安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)高層建筑復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)和火災(zāi)發(fā)展特性，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)，設(shè)計(jì)一套多層級(jí)、一體化的消防安全管理系統(tǒng)。介紹了高層建筑消防安全管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，引入了多模態(tài)物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了基于長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的火情動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建了多系統(tǒng)協(xié)同的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制機(jī)制，并應(yīng)用F-N曲線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與熱力學(xué)模型進(jìn)行火災(zāi)發(fā)展與蔓延路徑量化分析，旨在為高層建筑消防安全管理提供系統(tǒng)化、智能化的技術(shù)路徑，提升城市消防韌性。

關(guān)鍵詞：高層建筑；消防安全；物聯(lián)網(wǎng)；人工智能

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，基于智能感知與決策支持的消防管理系統(tǒng)逐步形成，并在實(shí)際工程中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文聚焦高層建筑火災(zāi)防控需求，構(gòu)建多層級(jí)、集成化的消防安全管理系統(tǒng)架構(gòu)，并結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)體系和數(shù)學(xué)建模方法，系統(tǒng)分析火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、響應(yīng)和聯(lián)動(dòng)控制等各環(huán)節(jié)的優(yōu)化路徑。

1 高層建筑消防安全管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" 感知層

感知層是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，其采集頻率高、覆蓋范圍廣，能夠?qū)崟r(shí)獲取建筑內(nèi)消防參數(shù)。該層部署煙霧探測(cè)器（響應(yīng)靈敏度為0.05～0.2dB/m）與溫度傳感器（量程為-40～120℃、精度±0.5℃）等設(shè)備。根據(jù)建筑功能與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，每平方米配置0.5～1.2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將傳感器響應(yīng)時(shí)間控制在2s內(nèi)，以此快速捕捉初期火情，提升感知可靠性，擴(kuò)大覆蓋范圍。

1.2" 傳輸層

傳輸層是感知層與平臺(tái)層之間的數(shù)據(jù)通道，能夠確保消防監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定傳輸。系統(tǒng)基于NB-IoT與LoRa技術(shù)構(gòu)建混合無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足廣覆蓋和低功耗的需求。其數(shù)據(jù)傳輸延遲≤200ms，誤碼率低于10-6，即使在多設(shè)備高并發(fā)環(huán)境下，仍能保持高效傳輸和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.3" 平臺(tái)層

平臺(tái)層作為系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，承擔(dān)著數(shù)據(jù)聚合、處理及分析的任務(wù)。采用Spark分布式實(shí)時(shí)計(jì)算框架，數(shù)據(jù)處理能力達(dá)106條/s，支持大規(guī)模并發(fā)流式處理。集成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法完成火情發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)與火災(zāi)等級(jí)判定，提升異常狀態(tài)分析決策能力，處理時(shí)間≤1.5s，保障感知到響應(yīng)的高效閉環(huán)處理。

1.4" 應(yīng)用層

應(yīng)用層承擔(dān)系統(tǒng)與用戶的交互職能，能夠?qū)⑵脚_(tái)分析結(jié)果以可視化形式進(jìn)行展示，從而輔助消防指揮決策制定。系統(tǒng)架構(gòu)中內(nèi)嵌了高精度、可視化指揮調(diào)度模塊，其火源定位功能精度達(dá)±0.5m，能夠快速識(shí)別火災(zāi)區(qū)域，提升應(yīng)急資源調(diào)度效率。

2 高層建筑消防安全管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)體系

2.1" 物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了消防安全管理系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，其核心功能依托多元傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑消防安全參數(shù)的實(shí)時(shí)捕獲與持續(xù)追蹤。復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致高層建筑存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，為此，多模態(tài)傳感器融合技術(shù)被引入系統(tǒng)架構(gòu)，其所集成的煙霧探測(cè)器、溫變感應(yīng)裝置、電弧識(shí)別單元、氣體分析模塊等異質(zhì)傳感單元共同構(gòu)建了空間拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，顯著提升了監(jiān)測(cè)覆蓋密度。為確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備足夠的覆蓋廣度與冗余可靠性，傳感器部署密度需滿足以下關(guān)系：

（1）

式中：C——有效覆蓋率，要求≥97%；

N——傳感器總數(shù)量，個(gè)；

A——建筑面積，m2；

R——冗余系數(shù)，取值范圍1.2～1.5。

2.2" 人工智能決策模型

目前，人工智能技術(shù)正被加速應(yīng)用于城市安全治理領(lǐng)域，人工智能決策模型逐步成為高層建筑消防安全管理的核心手段，能夠顯著提升火情預(yù)判與應(yīng)急指揮效率。消防安全管理系統(tǒng)依托LSTM架構(gòu)，專門開發(fā)了火災(zāi)發(fā)展動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。該模型具備對(duì)火勢(shì)演化趨勢(shì)進(jìn)行高精度建模的能力，可以同步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警功能。

此模型主要輸入?yún)?shù)涵蓋火源熱釋放率、燃燒面積、火焰高度等指標(biāo)。材料特性系數(shù)用于量化材料易燃性，準(zhǔn)確表征火焰?zhèn)鞑ヌ卣?，其物理意義明確，與物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)直接相關(guān)。在建模過(guò)程中，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重調(diào)整機(jī)制，促使預(yù)測(cè)結(jié)果與消防工程實(shí)際場(chǎng)景高度適配。

火災(zāi)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的非線性特征與時(shí)序特性通過(guò)LSTM網(wǎng)絡(luò)建模如下：

Yt=LSTM（Qt，At，Ht，βt）+ε （2）

式中：Yt——時(shí)刻t的火情預(yù)測(cè)狀態(tài)（如溫升曲線、蔓延速度）；

Qt——時(shí)刻t的火源熱釋放率，kW；

At——時(shí)刻t的燃燒面積，m2；

Ht——時(shí)刻t的火焰高度，m；

βt——時(shí)刻t的材料特性系數(shù)，取值范圍0.07～0.15；

ε——系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練控制在＜3%范圍內(nèi)。

該模型基于歷史火災(zāi)案例數(shù)據(jù)與模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)訓(xùn)練，能夠識(shí)別火災(zāi)初期的動(dòng)態(tài)參數(shù)并分析其變化趨勢(shì)，進(jìn)而形成預(yù)判與聯(lián)動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制。系統(tǒng)可對(duì)不同區(qū)域的火情發(fā)展趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)3s級(jí)的識(shí)別響應(yīng)，顯著縮短火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間。此外，嵌入該人工智能模型的智能預(yù)警系統(tǒng)能夠顯著提升逃生路徑動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法效率，增強(qiáng)疏散路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃能力；模型與BIM平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，整合建筑結(jié)構(gòu)、疏散通道及人員分布信息，能夠提升火場(chǎng)指揮智能化程度[1]。

2.3" 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制

高層建筑火災(zāi)具有垂直蔓延速度快、疏散路徑復(fù)雜等特征。單一消防系統(tǒng)難以快速完成初期火災(zāi)撲救與人員疏散任務(wù)?，F(xiàn)代高層建筑消防體系采用多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，由自動(dòng)噴淋系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、智能疏散引導(dǎo)系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成智能協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，形成快速響應(yīng)與科學(xué)決策的應(yīng)急架構(gòu)。該系統(tǒng)以多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方程為核心控制邏輯，具體表達(dá)如下：

E=α·S+β·R+γ·G （3）

式中：E——應(yīng)急聯(lián)動(dòng)效能，屬于綜合評(píng)價(jià)體系；

S——噴淋系統(tǒng)激活指數(shù)（0～1區(qū)間值，反映噴頭覆蓋密度）；

R——排煙系統(tǒng)性能參數(shù)（涵蓋風(fēng)量調(diào)控精度、煙區(qū)隔離效果及壓差穩(wěn)定性）；

G——疏散引導(dǎo)優(yōu)化值（由逃生通道智能適配度與群體行為反饋率共同決定）；

α、β、γ——?jiǎng)討B(tài)權(quán)重參數(shù)（根據(jù)建筑功能分類、人員聚集特征及火情演變模式實(shí)時(shí)校準(zhǔn)）。

此模型架構(gòu)融合火場(chǎng)環(huán)境感知數(shù)據(jù)流與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)矩陣，智能匹配資源調(diào)度等級(jí)并生成調(diào)控指令序列，構(gòu)建“抑火強(qiáng)度-排煙效能-疏散效率”三維協(xié)同的決策閉環(huán)。其運(yùn)算核心具備毫秒級(jí)響應(yīng)特性，火情識(shí)別后3s輸出處置方案，關(guān)鍵設(shè)備啟動(dòng)指令與逃生通道拓?fù)涓略?0s周期內(nèi)同步執(zhí)行，使黃金救援窗口期的行動(dòng)效能實(shí)現(xiàn)量級(jí)提升[2]。

3 高層建筑消防安全管理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用

3.1" 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

本系統(tǒng)采用修正版F-N曲線模型實(shí)施高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估。該模型在重大事故風(fēng)險(xiǎn)分析中應(yīng)用廣泛，可用于描述不同事故頻率與傷亡人數(shù)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而判斷建筑火災(zāi)潛在危害程度。在研究設(shè)定F-N曲線坐標(biāo)系時(shí)，橫軸表示火災(zāi)年均發(fā)生頻率F，縱軸表示死亡人數(shù)≥N的期望值。引入改進(jìn)參數(shù)后，該模型能夠契合高層建筑實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)特征，準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密集、電氣負(fù)荷重等特性。修正模型的評(píng)價(jià)體系涵蓋以下核心參數(shù)：

λ：?jiǎn)挝幻娣e年點(diǎn)火頻率，量級(jí)一般為10-6～10-4，與建筑用途、可燃物分布密度及管理水平有關(guān)；

Pscalation：外部火災(zāi)升級(jí)概率，考慮建筑內(nèi)相鄰功能區(qū)、管井貫通等因素對(duì)火勢(shì)蔓延的促進(jìn)作用；

特定死亡率：指在既定建筑結(jié)構(gòu)和管理?xiàng)l件下，發(fā)生火災(zāi)事件后造成人員死亡的比例，受疏散路徑設(shè)計(jì)、逃生響應(yīng)時(shí)間、煙毒控制等多因素影響。

結(jié)合建筑人口密度、可燃材料種類、歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)等參數(shù)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)F-N曲線圖能夠在建筑生命周期各階段生成。這種可視化工具能清晰展示系統(tǒng)在“可接受風(fēng)險(xiǎn)”“ALARP區(qū)間”“不可接受風(fēng)險(xiǎn)”等安全等級(jí)下的變化軌跡，并橫向?qū)Ρ雀黝惙揽夭呗詭?lái)的風(fēng)險(xiǎn)削減幅度。

3.2" 熱力學(xué)模型

在高層建筑火災(zāi)場(chǎng)景中，火勢(shì)蔓延速度與路徑受建筑結(jié)構(gòu)、材料熱性能及外部通風(fēng)條件的影響[3]。此模型將建筑主要構(gòu)件（如墻體、樓板、豎井等）設(shè)定為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，輸入材料的熱擴(kuò)散特性參數(shù)以及火場(chǎng)溫升實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以重構(gòu)火源周邊的熱場(chǎng)分布狀態(tài)。熱擴(kuò)散系數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)，鋼筋混凝土、輕質(zhì)板材等建筑材料對(duì)應(yīng)的數(shù)值普遍分布在0.1～0.8mm2/s范圍。當(dāng)該數(shù)值增大時(shí)，材料的導(dǎo)熱效率顯著提升。模型還同步整合了單位空間熱釋放強(qiáng)度、煙氣溫度梯度等變量，用于測(cè)算熱量跨空間傳播的概率與臨界時(shí)間閾值。

4 性能評(píng)估體系

4.1" 多維度性能指標(biāo)體系構(gòu)建

本系統(tǒng)構(gòu)建的評(píng)估框架涵蓋7類關(guān)鍵性能指標(biāo)，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

各項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格遵循GB50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，融合典型工程實(shí)踐構(gòu)建，兼具可操作性和指導(dǎo)意義。

4.2" 指標(biāo)體系的可拓展性與適應(yīng)性

該體系能夠依據(jù)建筑形態(tài)差異（如辦公樓、商場(chǎng)、綜合體）調(diào)整參數(shù)配置、擴(kuò)展功能模塊，兼容BIM平臺(tái)與城市物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口，從而構(gòu)建完整的評(píng)估運(yùn)維閉環(huán)。它周期性開展量化評(píng)估，動(dòng)態(tài)追蹤消防安全管理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迭代升級(jí)。評(píng)估數(shù)據(jù)通過(guò)云端平臺(tái)交互傳輸，運(yùn)維決策依據(jù)多維參數(shù)智能生成，消防設(shè)備運(yùn)行日志自動(dòng)關(guān)聯(lián)評(píng)估模型參數(shù)庫(kù)[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高層建筑消防安全管理正處于從傳統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能決策過(guò)渡的新階段。本文構(gòu)建的多層次消防安全管理系統(tǒng)架構(gòu)，集成了感知網(wǎng)絡(luò)、 人工智能決策模型、熱力學(xué)模擬與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制機(jī)制，在多維性能指標(biāo)方面展現(xiàn)出良好的適配性與可擴(kuò)展性。通過(guò)將數(shù)學(xué)模型與實(shí)證數(shù)據(jù)相結(jié)合，該系統(tǒng)具備火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估與聯(lián)動(dòng)響應(yīng)優(yōu)化能力，可顯著提升高層建筑在復(fù)雜火情環(huán)境下的安全防控水平。

參考文獻(xiàn)

[1]王松.高層建筑消防安全管理的幾點(diǎn)思考[J].四川建材，2023，

49（5）：244-246.

[2]房艷.高層建筑消防隱患分析與防火監(jiān)督策略研究[J].今日消防，2022，7（1）：49-51.

[3]高睿.高層建筑消防安全現(xiàn)狀分析和火災(zāi)防控措施[J].今日消防，2022，7（2）：72-74.

[4]吳振坤.高層建筑外保溫材料的消防安全管理問(wèn)題及對(duì)策研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2022，41（9）：1296-1299.