城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘要：針對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的城市消防環(huán)境，構(gòu)建基于城市互聯(lián)的消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)成為地區(qū)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。在本次研究中，本文詳細(xì)分析了城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)闡述了該系統(tǒng)的組成方案，并對(duì)該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案展開深入討論。之后，基于大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)、GIS視角，對(duì)城市互聯(lián)消防安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

關(guān)鍵詞：城市互聯(lián)網(wǎng)；消防安全數(shù)字化；大數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)

消防是現(xiàn)代城市安全系統(tǒng)的重要組成部分，在當(dāng)前城鎮(zhèn)化進(jìn)度加快的情況下，傳統(tǒng)消防安全管理系統(tǒng)的功能缺陷越來(lái)越明顯。功能簡(jiǎn)單的報(bào)警裝置不利于接警、處警，導(dǎo)致火災(zāi)救援煙霧。為了能夠彌補(bǔ)常規(guī)消防安全管理系統(tǒng)的弊端，構(gòu)建基于城市互聯(lián)的消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。該系統(tǒng)應(yīng)解決傳統(tǒng)消防安全系統(tǒng)存在的信息反饋不及時(shí)、系統(tǒng)不易集中管理等問(wèn)題，并能在火災(zāi)隱患發(fā)生后的第一時(shí)間做出反應(yīng)，將火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)控制在萌芽狀態(tài)，以保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

一、城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)城市互聯(lián)的消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，可以為消防管理智能化提供支持，針對(duì)城市化建設(shè)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析、整理等處理，適用于不同場(chǎng)景以及不同傳感單元的數(shù)據(jù)處理。在智能化處理各類數(shù)據(jù)資料后，可以減少消防系統(tǒng)誤差發(fā)生率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該系統(tǒng)具有深層次的數(shù)據(jù)共享與全流程覆蓋的能力，可以支持各種條件下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)整，為保護(hù)城市安全提供必要的支持[1]。

同時(shí)，該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。該系統(tǒng)通過(guò)引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，將城市消防現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)同步至數(shù)據(jù)平臺(tái)上。此外，該系統(tǒng)還可以整合城市的交通、通信以及醫(yī)療等資源，方便進(jìn)行一體化管理。通過(guò)將城市消防現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集中管理和共享，該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)孤島的難題。綜合管理城市的各項(xiàng)資源，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綜合調(diào)度和決策，提高城市消防安全的效率和響應(yīng)速度。因此，該系統(tǒng)的一體化管理能夠提升城市整體消防安全防控水平。

二、系統(tǒng)組成

城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)整合城市內(nèi)部的各個(gè)單元以及消防管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)消防管理單位之間的信息交互。在該系統(tǒng)中，分布在各個(gè)單位的消防監(jiān)控室是子系統(tǒng)，不僅提供消防信息，還受益于城市消防互聯(lián)。該系統(tǒng)通過(guò)快速采集本單位的消防信息，并進(jìn)行各類消防設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備的日常維護(hù)管理，最終依靠多個(gè)子系統(tǒng)的支持，構(gòu)建了基于城市的消防安全監(jiān)控體系。

各個(gè)單位的消防監(jiān)控室是該系統(tǒng)的中樞。該系統(tǒng)主要包括智能型火災(zāi)探測(cè)裝置、控制模塊以及消防監(jiān)控室的火災(zāi)報(bào)警裝置。在該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，利用智能型火災(zāi)探測(cè)裝置可以采集現(xiàn)場(chǎng)的火災(zāi)信息。將火場(chǎng)資料記錄的溫度與煙霧濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并發(fā)送給火災(zāi)報(bào)警控制器?；馂?zāi)報(bào)警控制器接收信號(hào)后判斷信號(hào)內(nèi)容，并根據(jù)視頻探頭記錄的資料判斷現(xiàn)場(chǎng)是否發(fā)生火災(zāi)。一旦確定存在火災(zāi)，即可啟動(dòng)控制模塊，啟動(dòng)系統(tǒng)的消防泵與風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

在上述基層模塊的基礎(chǔ)上，本文介紹了城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)采。它采用無(wú)極性總線傳輸方式，并利用當(dāng)前成熟的4G/5G無(wú)線傳輸方。同時(shí)，該系統(tǒng)還采用了柔性地址編解碼尋址的方法，以及先進(jìn)的通信協(xié)議與系統(tǒng)組網(wǎng)方式。在網(wǎng)絡(luò)路由器的支持下，確保信息可以抵達(dá)任意節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境參數(shù)的補(bǔ)償。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，特別設(shè)置了環(huán)境參數(shù)變化特征曲線，以提升火場(chǎng)探索與反應(yīng)能力。

在控制器網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)方面，考慮到火災(zāi)報(bào)警以及網(wǎng)絡(luò)信息交互的相關(guān)需求，本文選擇了技術(shù)成熟的CAN接口。該接口具有高穩(wěn)定性，并且能夠與目前市面上的大部分接口進(jìn)行對(duì)接[2]。在該系統(tǒng)的集中控制設(shè)定中，采用了分布式智能系統(tǒng)模式。通過(guò)添加適用于火災(zāi)報(bào)警的設(shè)備，該控制器可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)渠道以及通信協(xié)議將火災(zāi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳。消防部門可以通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)調(diào)用、管理體積網(wǎng)絡(luò)通信等方式，將最近的消防單位調(diào)配到火場(chǎng)。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，再結(jié)合智能數(shù)據(jù)處理方式，能基本滿足城市互聯(lián)消防管理的要求。

為了滿足TCP/IP國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和軟件接口方式的需求，在系統(tǒng)設(shè)定中需要確保火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的相互操作性。為此，本文采用了智能接口轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是支持RS232與RS485等總線接口，該結(jié)構(gòu)可以提供終端數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)接口的轉(zhuǎn)換功能。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的模式如圖1所示。

三、軟件與硬件設(shè)計(jì)方案

（一）硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)使用CC2530為主芯片，該芯片的優(yōu)勢(shì)顯著。首先，它具有不同的運(yùn)行模式，可以根據(jù)需要選擇不同的模式。其次，它具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以在不同的環(huán)境中正常運(yùn)行。

煙霧傳感器采用的是MQ-2型號(hào)，該裝置可以實(shí)時(shí)檢測(cè)煙霧濃度變化。一旦檢測(cè)到煙霧濃度升高，傳感器內(nèi)部的電位器阻值增加，導(dǎo)致輸出的電信號(hào)發(fā)生改變。因此，該系統(tǒng)對(duì)建筑物中煙氣濃度變化非常敏感。

溫濕度傳感器采用的是DHT11型號(hào)。該傳感器具有許多優(yōu)勢(shì)，首先，它能夠輸出準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)，并且可以在信號(hào)輸出前進(jìn)行校準(zhǔn)，因此信號(hào)的穩(wěn)定性較好。其次，該裝置采用單線制串行接口，更適用于短距離無(wú)線傳輸，能夠降低系統(tǒng)信號(hào)處理的難度。

（二）軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用客戶機(jī)向服務(wù)機(jī)發(fā)送控制指令操作信息，旨在防止誤報(bào)操作。當(dāng)系統(tǒng)接收到火災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)，會(huì)減少不必要的動(dòng)作，開始對(duì)疑似火場(chǎng)地區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)查。只有在確定火情發(fā)生后，多個(gè)探測(cè)器同時(shí)發(fā)送火情警報(bào)，系統(tǒng)才會(huì)認(rèn)定存在火災(zāi)，并指派工作人員前往現(xiàn)場(chǎng)。

巡檢模塊通過(guò)與報(bào)警器的連接來(lái)定位異常位置，并將疑似火情或確定存在火情的情況記錄在資料庫(kù)中。巡檢模塊通過(guò)RS 232接口與報(bào)警控制器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的遠(yuǎn)程控制功能。

聯(lián)動(dòng)模塊設(shè)置支持遠(yuǎn)程操控與現(xiàn)場(chǎng)操作兩種模式。在遠(yuǎn)程操作中，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的火情信息，自動(dòng)開啟警鈴或者噴淋泵等消防系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)操作則允許現(xiàn)場(chǎng)工作人員操控設(shè)備進(jìn)行滅火相關(guān)的控制指令。

資料查詢模塊允許工作人員遠(yuǎn)程查詢所有火警信息。

通信模塊負(fù)責(zé)子系統(tǒng)與消防部門的通信。例如，當(dāng)上級(jí)火警部門發(fā)出控制指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向上級(jí)部門反映火情信息。若通信系統(tǒng)未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收回復(fù)信息，系統(tǒng)將按照火警嚴(yán)重等級(jí)向上級(jí)部門反饋，以避免火情信息被遺漏[3]。

客戶端通信模塊允許系統(tǒng)向不同單位發(fā)送火情巡查的工作指令，并且及時(shí)響應(yīng)服務(wù)器發(fā)送的火情信息。

城市顯示模塊支持定位和漫游功能。一旦系統(tǒng)接收火情信息后，即可在系統(tǒng)中標(biāo)定火災(zāi)發(fā)生的位置，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取與之相關(guān)的文件，以方便工作人員采取救援行動(dòng)。

數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊用于存儲(chǔ)城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)所產(chǎn)生的各類信息資料?？紤]到城市產(chǎn)生的火警信息總量不斷增加，在數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中可采用大型的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。

智能火災(zāi)報(bào)警控制器軟件設(shè)計(jì)中采用串行中斷服務(wù)程序模式，該功能是完成探測(cè)數(shù)據(jù)的顯示與更新。

上述城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的程序架構(gòu)為客戶/服務(wù)機(jī)，兩者均由Visual C＋＋7.0實(shí)現(xiàn)。在通信中使用TCP/IP協(xié)議模式，通過(guò)socket套件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送?？蛻魴C(jī)端使用SQL 8.0，數(shù)據(jù)服務(wù)器端使用Access，并使用Windows操作系統(tǒng)。

四、基于GIS技術(shù)的城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究可知，子系統(tǒng)在城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。為強(qiáng)化其監(jiān)控能力，確保能夠在最短的時(shí)間內(nèi)記錄火災(zāi)信息，應(yīng)通過(guò)GIS技術(shù)對(duì)子系統(tǒng)布設(shè)方案進(jìn)行改進(jìn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，可按照最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型計(jì)算子系統(tǒng)分布。通過(guò)城市區(qū)域劃分以及網(wǎng)絡(luò)模擬最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型劃分監(jiān)控系統(tǒng)的位置信息。其間可以參照城鎮(zhèn)范圍內(nèi)部的消防站點(diǎn)、火災(zāi)發(fā)生的位置以及阻斷頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。從而得到消防區(qū)域范圍內(nèi)最大設(shè)施的最大服務(wù)時(shí)間。該數(shù)值也可以作為監(jiān)控點(diǎn)位劃分的重要依據(jù)。

因此，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入最小抗阻的可達(dá)性理念，預(yù)測(cè)每個(gè)子系統(tǒng)與消防站的距離以及可達(dá)性指標(biāo)。同時(shí)還要考慮子系統(tǒng)與消防站之間的行車時(shí)間，理想狀態(tài)下，兩者的時(shí)間間隔應(yīng)控制在5分鐘以內(nèi)。

五、大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

在城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)可以顯著強(qiáng)化系統(tǒng)的監(jiān)控能力。通過(guò)全方位的消防數(shù)據(jù)干預(yù)與獲取，可以將火災(zāi)隱患控制在萌芽狀態(tài)，并且該系統(tǒng)也借助云平臺(tái)做出快速響應(yīng)，具有優(yōu)勢(shì)。

（一）數(shù)字化監(jiān)控交互方案

在本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化監(jiān)控與交互系統(tǒng)中，結(jié)合了大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)一管理。通過(guò)將采集的各類數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)中心，并經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口管理模式，使系統(tǒng)可以在第一時(shí)間對(duì)潛在消防隱患問(wèn)題做出反饋[4]。相比傳統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)采用統(tǒng)一的管理數(shù)據(jù)接口與交互式數(shù)據(jù)模式，消除了各類數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼系K，兼顧數(shù)據(jù)的時(shí)效性，可以確保所有監(jiān)控的火情數(shù)據(jù)得到上級(jí)部門的反饋。同時(shí)，對(duì)于存在擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)的火情信息，系統(tǒng)可以通過(guò)短信的形式發(fā)送至工作人員的手機(jī)，確保在任何時(shí)間段都能監(jiān)控到火情信息。

（二）監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

該系統(tǒng)方案基于大數(shù)據(jù)融合技術(shù)，采用了物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)，確保各類消防安全數(shù)據(jù)得到及時(shí)響應(yīng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層與平臺(tái)層四個(gè)模塊。感知層是系統(tǒng)的起點(diǎn)，它能夠?qū)崟r(shí)感知監(jiān)控單元內(nèi)的所有設(shè)備數(shù)據(jù)。一旦探測(cè)模塊識(shí)別火情信息后，將信息匯總至平臺(tái)，并統(tǒng)一發(fā)送給大數(shù)據(jù)融合中心。在大數(shù)據(jù)融合中心借助智能算法可以下發(fā)指令，如將火情信息發(fā)送給消防或者安防部門、啟動(dòng)消防噴淋裝置、啟動(dòng)排風(fēng)系統(tǒng)等。

整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，將各類消防安全數(shù)據(jù)集中管理，并通過(guò)大數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)火情信息，提高消防安全的效率和精準(zhǔn)性。

該系統(tǒng)中的四個(gè)功能層包括：

1.感知層

感知層是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控的基礎(chǔ)，是消防系統(tǒng)柵格化的體現(xiàn)，按照不同場(chǎng)景的消防需求針對(duì)性鋪設(shè)傳感器。在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)加裝在消防設(shè)備上的感知單元采集建筑物內(nèi)的溫度、煙氣等數(shù)據(jù)，判斷有無(wú)火災(zāi)發(fā)生。該功能層主要包括消防水檢測(cè)裝置、溫度傳感器、煙霧傳感器以及逃生路線檢測(cè)系統(tǒng)等。

2.網(wǎng)絡(luò)層

經(jīng)感知層獲取到火情資料后，網(wǎng)絡(luò)層起到了紐帶作用，在該單元層的搭載下，可以將火情信息精準(zhǔn)地發(fā)送至指定功能模塊中。

3.平臺(tái)層

是城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、系統(tǒng)管理以及決策分析單元等，整個(gè)城市范圍內(nèi)的消防監(jiān)控信息都會(huì)上傳至本層進(jìn)行處理。同時(shí)考慮到消防的特殊性，系統(tǒng)運(yùn)算能力對(duì)每個(gè)層級(jí)承擔(dān)的數(shù)據(jù)流壓力提出了更高要求，因此按照“一次采集，處處使用”的原則，有助于增強(qiáng)系統(tǒng)功能并為快速反應(yīng)提供依據(jù)。

4.應(yīng)用層

通過(guò)技術(shù)融合，應(yīng)用層被設(shè)置在數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的頂端，具有發(fā)送、判斷和指揮的功能。應(yīng)用層擁有不同的系統(tǒng)載體，包括公眾號(hào)、手機(jī)（或平板電腦）終端或者APP等。它不僅可以綜合監(jiān)控資源，還可以針對(duì)監(jiān)控資源內(nèi)容做出反饋。

（三）系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)方案

該數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)定位以及大數(shù)據(jù)處理的方法，通過(guò)平臺(tái)對(duì)整個(gè)城市的消防安全數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)，因此可以顯著提升火情風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控能力。本文所介紹的新數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)中整合了地理信息系統(tǒng)、城市數(shù)據(jù)采集格柵以及傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等內(nèi)容。采集消防點(diǎn)位監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，將煙霧探測(cè)器、溫度探測(cè)器、消防水泵等數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后再傳輸。此時(shí)一旦信息生成，上級(jí)系統(tǒng)就可以編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)尋址，通過(guò)智能控制算法計(jì)算后實(shí)現(xiàn)災(zāi)害感知，最終快速且正確地識(shí)別火情[5]。該系統(tǒng)還可以提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，在運(yùn)行過(guò)程中可以匯總消防報(bào)警發(fā)生地點(diǎn)、起火原因、火災(zāi)中心分布、被困人員情況等，為實(shí)現(xiàn)火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)防奠定基礎(chǔ)。最終有效降低火災(zāi)造成的損失與傷害，并且可以支持不同火災(zāi)環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互。

六、結(jié)束語(yǔ)

在城市互聯(lián)消防安全數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，可以隨時(shí)記錄城市火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。結(jié)合城市地理環(huán)境分析等方法，有助于消除潛在的火災(zāi)隱患，并滿足火災(zāi)隱患遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程管理的要求，具有先進(jìn)性。為了不斷強(qiáng)化系統(tǒng)功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等方法不斷強(qiáng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少火災(zāi)造成的傷害，最終適應(yīng)“智慧城市”的發(fā)展要求。

作者單位：焦志高 紹興市消防救援支隊(duì)防火監(jiān)督科

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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