BIM及智能化技術(shù)在消防系統(tǒng)中應(yīng)用研究

薛文軍

(中鐵建設(shè)集團有限公司 北京 100040)

1 前言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化進程越來越快，高層建筑越來越多，娛樂設(shè)施越來越集中、群租現(xiàn)象越來越嚴(yán)重、老舊小區(qū)越來越難以管理，這都給消防工作帶來難題和挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的消防設(shè)施已不能滿足社會的智能化發(fā)展需求，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，智慧消防系統(tǒng)應(yīng)運而生。但是由于整個消防系統(tǒng)的長期封閉，造成目前智慧消防系統(tǒng)相較于其他智能場景發(fā)展速度相對較慢。BIM(Building Information Modeling建筑信息化模型)技術(shù)隨著我國基建發(fā)展越來越受重視，并在建模、模擬、仿真、數(shù)字孿生等方面為各類應(yīng)用帶來更高的智能化水平[1－2]。本文將在智慧消防系統(tǒng)基礎(chǔ)上探究BIM應(yīng)用與實現(xiàn)方式，從而提高智慧消防系統(tǒng)的易用性與實用效果。

2 消防行業(yè)政策改革趨勢

近年來，全國各級各部門高度重視消防事業(yè)發(fā)展，消防工作整體水平明顯提升。隨著城市容量不斷增長，新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，城市公共消防安全形勢面臨新情況、新問題，傳統(tǒng)的消防監(jiān)管模式難以適應(yīng)新形勢、新挑戰(zhàn)。

智慧消防在國內(nèi)發(fā)展相對較慢，并且區(qū)域之間發(fā)展極不平衡。在長三角、珠三角區(qū)域發(fā)展較快，上海等城市已推出相關(guān)政策強制新建建筑配備智慧消防系統(tǒng)，消防隱患較大的老舊小區(qū)必須進行智慧消防系統(tǒng)改造。而其他地區(qū)雖然目前沒有相關(guān)政策落地，但隨著智慧消防系統(tǒng)的普及與應(yīng)用，必將追隨發(fā)達地區(qū)腳步推出強制政策推進智慧消防系統(tǒng)的發(fā)展，提高地區(qū)消防水平，為保障人民生命財產(chǎn)安全提高安全系數(shù)。

國家公安部依據(jù)“智慧消防”公消【2017】297號要求，在社會消防安全治理中進行模式創(chuàng)新，呼吁全面參與社會消防安全治理，利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、5G等信息化技術(shù)進行多元治理，利用新興技術(shù)推進“智慧消防”建設(shè)[13]，依據(jù)消防業(yè)務(wù)在信息化方向不斷探索，實現(xiàn)信息化與消防深度融合，打造信息化消防體系，全面提升消防能力，為社會體系由傳統(tǒng)向智慧轉(zhuǎn)變提供方向，為社會消防安全提供科技支撐，提升整體消防體系水平。

3 智能消防系統(tǒng)介紹

與傳統(tǒng)消防系統(tǒng)相比，智慧消防以云計算、云存儲、通信控制為技術(shù)核心，通過各類智能感知設(shè)備為重點防火單位提供物聯(lián)網(wǎng)消防預(yù)警服務(wù)[5－6]。監(jiān)管方消防部門和用戶方物業(yè)管理部門可以通過信息化平臺獲取消防設(shè)施的信息和狀態(tài)，并通過平臺系統(tǒng)發(fā)出控制命令，從而實現(xiàn)消防系統(tǒng)的智慧管控。

平臺能力可以用“感、傳、知、用”四個字來概括(見圖1)。“感”:實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)的全面感知；“傳”:實現(xiàn)全天候?qū)崟r數(shù)據(jù)信息同步互聯(lián)；“知”:實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施故障預(yù)知及警情預(yù)測；“用”:實現(xiàn)多級安全管理統(tǒng)計分析和決策。

圖1 智能化自主感知設(shè)備接入

平臺系統(tǒng)通過對設(shè)備、產(chǎn)品進行管理，對設(shè)備進行實時有效監(jiān)控，實現(xiàn)了消防狀態(tài)可視化實時預(yù)警，并且支持TCP/UDP、MQTT等主流物聯(lián)網(wǎng)接入?yún)f(xié)議，見圖2。

圖2 智慧消防系統(tǒng)管理平臺

消防單位或者物業(yè)用戶通過信息化管理平臺實現(xiàn)故障、預(yù)警、響應(yīng)、恢復(fù)閉環(huán)消防任務(wù)。

智慧消防產(chǎn)品的優(yōu)勢在于系統(tǒng)化、平臺化，將原有獨立產(chǎn)品、獨立任務(wù)通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、信息化技術(shù)聯(lián)系到一起，聯(lián)動管控。

4 BIM及智能化在消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

BIM技術(shù)是基于三維面向應(yīng)用對象的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，通過對建筑物建模，并對幾何尺寸信息、材料信息等相關(guān)信息進行錄入，構(gòu)建功能、經(jīng)濟信息、建筑材料重量等非幾何信息，實現(xiàn)信息化管理。BIM技術(shù)可將項目各階段的信息整合到模型中，如前期規(guī)劃設(shè)計階段、過程建造、后期運營管理等[7](見圖3)，項目管理人員通過對項目全過程跟蹤即可獲得各階段完整的數(shù)據(jù)信息。在項目前期，數(shù)據(jù)庫建立信息較少，但隨著工程進度的推進，數(shù)據(jù)信息不斷豐富和完善，不同需求人員可以從中獲取需要的信息，實現(xiàn)信息共享，同時保證了信息一致性，進而實現(xiàn)項目各階段降本增效，同時提高項目協(xié)同效率。

圖3 BIM模型的應(yīng)用

BIM模型信息的完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性能夠為建筑生命周期管理提供高效支持，通過信息共享、數(shù)據(jù)協(xié)同實現(xiàn)管理提升，利用模型的數(shù)據(jù)集成性，能增強項目主體的交互協(xié)作意識[8－9]。在智慧消防系統(tǒng)中引入BIM技術(shù)能夠更加科學(xué)、智能，實現(xiàn)消防安全管理可視化。

4.1 智慧消防系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計階段

協(xié)助設(shè)計人員在系統(tǒng)設(shè)計初期把控全局。借助建筑物和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、管網(wǎng)的BIM模型，設(shè)計人員可以對各種傳感器設(shè)備、管網(wǎng)及消防節(jié)點在整體上“一目了然”，從而可以更加合理地分配資源、預(yù)先查看安裝效果、與監(jiān)管單位溝通是否滿足需求，同時還能通過系統(tǒng)通盤檢查模型是否有死角、盲點遺漏。這些功能在BIM模型的基礎(chǔ)上實施起來更加直觀，使各種枯燥數(shù)據(jù)形象化，以達到可視化目的。

4.2 智慧消防系統(tǒng)產(chǎn)品安裝實施階段

指導(dǎo)安裝人員直觀掌握消防設(shè)施特點性能、定位設(shè)備精確安裝位置、安裝方式，并且在安裝完成后可以在BIM模型上檢查設(shè)備安裝實施效果，對照實物運行情況進行質(zhì)量檢測，最終對項目進行驗收。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄模式相比，基于BIM模型的智慧消防系統(tǒng)，在設(shè)備安裝、調(diào)試、檢測、驗收方面大大提高了智慧消防系統(tǒng)實施的效率和準(zhǔn)確性。

4.3 智慧消防系統(tǒng)產(chǎn)品運維階段

協(xié)助運維、管理人員在安裝部署了智慧消防系統(tǒng)的建筑物、園區(qū)、社區(qū)的BIM消防模型上對消防設(shè)備、設(shè)施、管網(wǎng)等進行實時監(jiān)測，并檢查其運行狀態(tài)、參數(shù)，以確?；馂?zāi)發(fā)生時各消防設(shè)備、設(shè)施能及時按要求啟動工作；在設(shè)備配置改變時，可以通過BIM消防模型進行同步更改，保證運維、監(jiān)管部門能獲取系統(tǒng)的最新數(shù)據(jù)與狀態(tài)[10]，解決了以往消防系統(tǒng)在服役多年后出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失及難以維護的問題。

4.4 在火災(zāi)模擬演練和火災(zāi)實際發(fā)生階段

通過布設(shè)在通道內(nèi)的攝像頭和基于BIM的智慧消防模型，可以實時監(jiān)測各通道暢通情況、實時計算各通道當(dāng)前逃生人員流量、實時監(jiān)測各通道逃生門是否處于打開狀態(tài)等。以上數(shù)據(jù)通過后臺進行整合、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算，迅速提供建筑物各層、各戶人員當(dāng)前最優(yōu)逃生路線，可以通過BIM消防模型實時顯示或者聯(lián)動現(xiàn)場擴音器以音頻形式指導(dǎo)逃生人員正確選擇逃生路線，指導(dǎo)災(zāi)情現(xiàn)場所有人員有序撤離。BIM消防模型見圖4。

圖4 BIM智能模型指導(dǎo)逃生

5 BIM及智能化在消防系統(tǒng)中的實現(xiàn)模式

智慧消防系統(tǒng)的實現(xiàn)需要考慮兩種情況:一種是老舊小區(qū)、樓宇改造，需要對目標(biāo)進行輕量級3D建模，把基于BIM的智慧消防系統(tǒng)布置到建筑模型中，并進行數(shù)據(jù)通信的匹配；另一種是新建高層建筑，基于BIM的智慧消防系統(tǒng)只需考慮對不同服務(wù)器及引擎系統(tǒng)進行技術(shù)對接。

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備接入層是智慧消防的基礎(chǔ)建設(shè)，通過覆蓋指定區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，對區(qū)域消防各類數(shù)據(jù)進行采集，并上傳至互聯(lián)智慧消防云平臺，用于BIM或其他信息技術(shù)運用。

BIM虛擬層是對智慧消防數(shù)據(jù)的3D化承載與展示。建筑信息的集成與融合，在BIM與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用后得以呈現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供建筑構(gòu)件的信息感知、收集、傳遞、監(jiān)控等功能，而BIM技術(shù)起到信息集成、交互、展示和協(xié)調(diào)管理的作用。二者結(jié)合是虛擬信息化管理和實體環(huán)境硬件的結(jié)合。

業(yè)務(wù)實現(xiàn)層呈現(xiàn)給用戶的業(yè)務(wù)功能，包括信息展示、設(shè)備監(jiān)管、流程機制等。在這些業(yè)務(wù)功能基礎(chǔ)上，BIM為共享、共治平臺提供協(xié)同管理，降低消防指揮的管理難度，提高了消防救援效率。

5.2 智慧消防設(shè)備信息與BIM模型實時聯(lián)通

設(shè)備在安裝調(diào)試成功后，BIM記錄設(shè)備的安裝位置并反映在BIM模型上。通過設(shè)備數(shù)據(jù)接口，將設(shè)備狀態(tài)和信息通過5G網(wǎng)絡(luò)，加密傳送到服務(wù)器上。服務(wù)器收到相應(yīng)指令后，對信息進行解密，并將設(shè)備狀態(tài)或者設(shè)備信息在BIM模型上進行顯示。系統(tǒng)將BIM模型作為設(shè)備信息的載體，在BIM模型上建立可視化的交互操作，數(shù)據(jù)通過BIM模型的實體類屬性加載到模型中，通過局部動態(tài)數(shù)據(jù)更新以及相關(guān)的可視化手段，對數(shù)據(jù)進行展現(xiàn)[11－12]。

用戶交互方面，系統(tǒng)內(nèi)置了多種交互事件。通過事件觸發(fā)，提交用戶指定動作信息，并加密發(fā)送到設(shè)備中。設(shè)備收到數(shù)據(jù)指令信息后，對數(shù)據(jù)進行逆向解密，并按照指令觸發(fā)相應(yīng)的設(shè)備動作，見圖5。

圖5 智慧消防系統(tǒng)信息交互

BIM結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)服務(wù)接收到的設(shè)備信息進行加載，通過三維可視化的方式，將數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)給用戶。

5.3 智慧消防系統(tǒng)與BIM模型交互接口

智慧消防系統(tǒng)與BIM模型交互接口包括:

(1)BIM模型定義接口。該接口用于定義設(shè)備在BIM模型的類別、位置、坐標(biāo)、描述、屬性、業(yè)務(wù)意義等相關(guān)信息。

(2)基于BIM模型設(shè)備屬性接口。該接口用于定義設(shè)備的各項屬性，結(jié)合BIM模型實現(xiàn)三維圖像的顯示。

(3)基于BIM模型的設(shè)備數(shù)據(jù)接口。該接口主要定義設(shè)備的數(shù)據(jù)類別和數(shù)據(jù)格式，通過數(shù)據(jù)格式定義實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，識別信息和指令將通過數(shù)據(jù)格式定義進行格式化，然后加密傳輸。

(4)基于BIM模型的設(shè)備交互方式接口。該接口主要定義用戶觸發(fā)的相關(guān)操作，定義用戶操作屬性和操作方式，配置用戶與設(shè)備交互的相關(guān)信息體和信息內(nèi)容，實現(xiàn)在BIM模型上對設(shè)備進行指令發(fā)送、設(shè)備狀態(tài)查詢等功能。

通過以上四類接口對不同設(shè)備進行定義，配置交互方式、規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，并在BIM模型上進行描點、渲染，以實現(xiàn)智慧消防系統(tǒng)與BIM模型緊密結(jié)合。

6 結(jié)論

BIM技術(shù)應(yīng)用于智慧消防系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，未來的智慧消防系統(tǒng)，將深入結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)等技術(shù)，并在BIM模型上實現(xiàn)三維實景展現(xiàn)，與設(shè)計、運維、監(jiān)管人員形成深度互動，可更好地執(zhí)行消防任務(wù)，保衛(wèi)人民群眾生命財產(chǎn)安全。