AI賦能的建筑消防韌性保障系統(tǒng)研究

摘要：現(xiàn)代建筑的復(fù)雜性與火災(zāi)風(fēng)險不斷增加，傳統(tǒng)消防體系的被動響應(yīng)模式難以為繼。因此，基于“韌性”理論，提出并設(shè)計了一種基于AI技術(shù)的建筑消防韌性保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)以“消防AI+大腦”為決策中樞，整合并重構(gòu)了傳統(tǒng)消防、智慧消防和移動監(jiān)測等3大體系，建立了“感知-評估-處置”的閉環(huán)管理模式。建筑消防韌性評估模型從建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)施可靠性和消防安全管理等3個維度進行全面評價。分析了AI技術(shù)在早期火情識別、智能消防響應(yīng)以及移動巡檢等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。本系統(tǒng)旨在實現(xiàn)對建筑火災(zāi)風(fēng)險的災(zāi)前預(yù)防、災(zāi)中應(yīng)對與救援以及災(zāi)后分析與恢復(fù)的全過程管理，從而全面提升建筑消防安全保障能力。

關(guān)鍵詞：建筑消防韌性；韌性評估指標(biāo)；消防AI+大腦；智能體協(xié)同控制

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0029-03

0 引言

進入21世紀(jì)以來，我國城市建設(shè)高速發(fā)展，對消防安全工作提出了更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)消防系統(tǒng)是以被動式消防系統(tǒng)為主，一旦出現(xiàn)火勢蔓延的情況，往往難以及時有效地應(yīng)對。而“韌性”理論為這種困局的破解帶來了新契機。聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略（UNISDR）推進“韌性社會”的創(chuàng)建及構(gòu)建“韌性社會”的評估標(biāo)準(zhǔn)[1]。在我國，一些地區(qū)已經(jīng)開始這方面的實踐，如樂山消防救援大隊提出了基于“韌性社區(qū)”的智慧消防總體框架[2]。本文提出并設(shè)計了基于人工智能的建筑消防韌性保障體系，是現(xiàn)有技術(shù)的整合，也是架構(gòu)性的革新。由人工智能技術(shù)搭建起來一個“檢測評價-智能決策-迭代優(yōu)化”的閉環(huán)，提供現(xiàn)代化的、更可靠有效的建筑物消防安全保障。

1 建筑消防韌性保障系統(tǒng)的總體架構(gòu)與構(gòu)成

本文提出的基于消防AI的建筑消防韌性保障系統(tǒng)是分層遞進、相互協(xié)作的一個整體，是通過基于“消防AI+大腦”的智能核心，將傳統(tǒng)消防、智慧消防和移動監(jiān)測等3大體系有機整合為一個統(tǒng)一的智能保障系統(tǒng)。

1.1" 基礎(chǔ)支撐層：傳統(tǒng)消防系統(tǒng)

傳統(tǒng)消防系統(tǒng)是保障系統(tǒng)功能不可或缺的物理基礎(chǔ)和執(zhí)行單元。依據(jù)《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，其包括火災(zāi)自動報警、自動噴水滅火、防排煙、應(yīng)急照明與疏散指示等一系列子系統(tǒng)，為建筑提供靜態(tài)的、基礎(chǔ)性的安全保障。在本保障系統(tǒng)中，這些傳統(tǒng)設(shè)施是接受“消防AI+大腦”統(tǒng)一調(diào)度和狀態(tài)監(jiān)控的“神經(jīng)末梢”。

1.2" 感知與網(wǎng)絡(luò)層：智慧消防系統(tǒng)

智慧消防系統(tǒng)是數(shù)據(jù)感知與傳輸中樞。它通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將部署在建筑內(nèi)的各類感知設(shè)備，如溫濕度傳感器、火災(zāi)報警系統(tǒng)等所獲取的環(huán)境及設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行整合，形成全面的數(shù)據(jù)監(jiān)測矩陣。這些海量、多源的原始數(shù)據(jù)，通過2G、4G、NB、Lora等網(wǎng)絡(luò)上傳至消防AI+大腦，為AI智能分析和判斷提供原始數(shù)據(jù)。

1.3" 動態(tài)執(zhí)行與巡檢層：移動監(jiān)測系統(tǒng)

為了避免固定監(jiān)測點的空間盲區(qū)并彌補人工巡檢時效性的缺陷，本系統(tǒng)中引入移動監(jiān)測系統(tǒng)作為動態(tài)能力的補充。使用無人機、巡檢機器人等智能移動設(shè)備進行“消防AI+大腦”模式下日常自動化消防巡檢、火警信息快速抵達確認(rèn)、初期火災(zāi)輔助撲滅、火勢監(jiān)測與搜救。實驗發(fā)現(xiàn)，無人機巡檢在覆蓋效率、成本、異常檢出率等方面全面優(yōu)于傳統(tǒng)人工巡檢。

1.4" 決策中樞：消防AI+大腦

“消防AI+大腦”是整個建筑消防韌性保障系統(tǒng)的核心，它依托多模態(tài)數(shù)據(jù)融合、數(shù)字孿生與深度強化學(xué)習(xí)技術(shù)，以“感知-分析-決策-執(zhí)行”全鏈路為閉環(huán)管理目標(biāo)，發(fā)揮“火因預(yù)警-綜合研判-自主決策-應(yīng)急處置”為核心的智能決策作用。

一是整合協(xié)同，將上述3大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與功能進行統(tǒng)一接入與協(xié)調(diào)控制，打破信息孤島。二是智能決策，運行韌性評估模型，分析火災(zāi)風(fēng)險，并在火情發(fā)生時通過多智能體協(xié)同算法，指揮消防設(shè)施聯(lián)動，為移動監(jiān)測設(shè)備規(guī)劃最優(yōu)任務(wù)路徑。三是閉環(huán)優(yōu)化，持續(xù)學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)與真實事件反饋，不斷優(yōu)化評估模型與決策算法，使整個保障系統(tǒng)的性能得以持續(xù)提升。

2 系統(tǒng)核心功能之一：消防韌性評估

利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過GIS、BIM和遙感技術(shù)完成空間可視化分析，為消防資源配置提供動態(tài)決策支持。2012年，ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）提出城市韌性恢復(fù)力指標(biāo)概念。2020年，王夢瑤[4]等從“人-機-環(huán)-管”4個維度將高層建筑消防安全的韌性分為4個2級指標(biāo)、14個3級指標(biāo)。2022年，劉晅亞[5]將情景分析納入消防韌性評估。

準(zhǔn)確動態(tài)地評價建筑消防韌性是主動應(yīng)對、科學(xué)管理的前提，韌性評價是以“消防AI+大腦”基于各感知層的實時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)持續(xù)進行分析的過程。本系統(tǒng)形成的評價模型主要由建筑結(jié)構(gòu)評價、設(shè)施可靠性評價、管理效果評價等3大部分組成。

2.1" 建筑結(jié)構(gòu)韌性評估

建筑結(jié)構(gòu)韌性評估設(shè)置三級遞進指標(biāo)。結(jié)構(gòu)風(fēng)險包含布局變異與服役年限。布局變異的影響程度被量化評估。實際人員密度比值采用動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。物品存放合規(guī)性與裝修阻燃性能形成雙重驗證機制。

2.2" 設(shè)施可靠性評估

設(shè)施可靠性權(quán)重占比40%，其中設(shè)備完好率設(shè)定25分閾值。設(shè)備維保響應(yīng)時間采用時序建模預(yù)測，智能傳感技術(shù)可進行自動資產(chǎn)清點及報告，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點可實時采集水壓、溫度等參數(shù)。

2.3" 消防安全管理評估

對執(zhí)行效能水平加以管控。制度落實情況共核查38項制度，制度落實情況包含4個邊界，含培訓(xùn)演練等，將基礎(chǔ)性養(yǎng)護巡查數(shù)據(jù)導(dǎo)入PDCA閉環(huán)平臺，防火檢查記錄可得到查詢，采用數(shù)字孿生的方式，將能有效提高運行效能水平。評價模型中還加入了柔性權(quán)值概念，實現(xiàn)了評價模型中靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)的耦合優(yōu)化，使得模型評價結(jié)果更加合理、接近事實。

3 系統(tǒng)核心功能之二：AI賦能的關(guān)鍵應(yīng)用

為了執(zhí)行“災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后”的全周期保障任務(wù)，“消防AI+大腦”部署了一系列先進的人工智能算法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為行動。這些應(yīng)用是保障系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的具體體現(xiàn)。

3.1" 早期火情識別算法

基于傳統(tǒng)探測器對陰燃、初期細(xì)小火苗的識別率較低的問題，系統(tǒng)利用YOLOv11等視覺算法輔助增強模型，利用特征金字塔重構(gòu)和注意力機制將模型提升，增強對細(xì)微目標(biāo)的識別，識別煙霧或直徑僅有幾厘米的微火苗，經(jīng)過測試，較傳統(tǒng)系統(tǒng)準(zhǔn)確率從67.4%提升至89.2%，為早期處置爭取了寶貴時間。

3.2" 室內(nèi)外及疏散救援路徑規(guī)劃

保障系統(tǒng)具備強大的三維空間路徑規(guī)劃能力。室外采用北斗＋RTK差分修正技術(shù)實現(xiàn)厘米級精準(zhǔn)定位，依據(jù)深度強化學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)移動設(shè)備規(guī)避障礙物的路徑最優(yōu)規(guī)劃；室內(nèi)根據(jù)BIM模型和多種傳感器融合的定位技術(shù)（見專利CN117906617A[6]和專利CN117130392A[7]），實現(xiàn)亞米級精準(zhǔn)導(dǎo)航。發(fā)生火災(zāi)時，實時預(yù)測火災(zāi)的蔓延趨勢，能夠為被困人員規(guī)劃最佳疏散路徑，并同步為消防人員、機器人等規(guī)劃最佳救援路徑，實現(xiàn)疏散與救援協(xié)同。

3.3" 消防控制室機器人值守

為響應(yīng)《廣東省消防條例》（2023版）[8]等支持遠程集中控制的條文號召，本系統(tǒng)也支持對值守機器人的部署，可通過機器人取代人工完成設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、火災(zāi)信號的復(fù)合判斷和處理等工作，利用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（Modbus-TCP等）0.5s即可完成啟風(fēng)機、落卷簾等聯(lián)動操作，在解放勞動力、減少人力投入的同時，也保證了更快更準(zhǔn)確地響應(yīng)，向控制室全天候無人值守邁出了一步。

3.4" 災(zāi)后損失評估與重建輔助

火情消除后，系統(tǒng)能調(diào)度智能終端對受災(zāi)現(xiàn)場進行掃描檢測，結(jié)合YOLO算法等人工智能技術(shù)自動識別建筑受損狀況，并結(jié)合BIM模型快速重建災(zāi)后現(xiàn)場數(shù)字孿生模型，基于此模型，“消防AI+大腦”能自動統(tǒng)計建筑損毀度、設(shè)備損壞點位等直接損失，一鍵生成結(jié)構(gòu)化的災(zāi)后重建報告，極大地提升災(zāi)后恢復(fù)工作效率。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計并論證了一套AI賦能的建筑消防韌性保障系統(tǒng)，以“消防AI+大腦”為決策核心，通過有機整合傳統(tǒng)消防、智慧消防與移動監(jiān)測體系，實現(xiàn)了“實時監(jiān)測-動態(tài)評估-智能決策”的消防全流程閉環(huán)管控，且包含建筑消防韌性評估模型，結(jié)合AI賦能的各項應(yīng)用，實現(xiàn)了對火災(zāi)風(fēng)險的早期監(jiān)測、智能決策與聯(lián)合作戰(zhàn)等?！跋繟I+大腦”未來探索的重點在于采集、標(biāo)注各種更加復(fù)雜多樣的真實場景應(yīng)用數(shù)據(jù)，深度訓(xùn)練其模型對安全性能的評價和決策能力。相信隨著數(shù)據(jù)的增多與算法的改進，最終完成對消防韌性的“自我進化”。

參考文獻

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[7]深圳森磊弘泰消防科技有限公司.基于BIM數(shù)據(jù)進行室內(nèi)定位導(dǎo)航的無人機及控制方法：CN117130392A[P].2023-10-26.

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