智慧城市背景下消防安全實時監(jiān)測關鍵技術探析

摘要：隨著城市化進程的推進，火災事故隱患越來越受到社會各界的重視。隨著越來越多的信息技術和智能技術融入消防工作中，消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對監(jiān)控場景的實時監(jiān)測，從而更加快捷、高效地感知和傳遞火災信息，實現(xiàn)火災預警和快速響應。基于此，本文從需求和功能的角度剖析了智慧城市背景下消防安全實時監(jiān)測技術的設計思路和技術架構，介紹了消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中的關鍵技術應用，希望能夠給相關單位提供一定啟發(fā)。

關鍵詞：智慧城市；消防；實時監(jiān)測；關鍵技術

引言

近年來，5G通信技術、信息技術和智能技術的發(fā)展日益成熟，智慧城市理念逐漸從構想變?yōu)楝F(xiàn)實。在智慧城市理念中，城市運營管理的各項工作都依賴于技術手段，大幅提升了管理質量和效能。智慧消防是智慧城市的重要延伸，有助于改變傳統(tǒng)的以人力為主導的消防管理模式，借助現(xiàn)代技術實現(xiàn)消防實時監(jiān)控和管理。當前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計算、人工智能等技術已經(jīng)逐步與消防管理工作相融合，形成了集實時監(jiān)控、火災識別、風險評估、火災預警、應急響應為一體的消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，大幅提升了火災預防和應對能力，保障了社會大眾的生命和財產(chǎn)安全。

一、智慧城市背景下消防安全實時監(jiān)測技術的設計思路和技術架構

（一）設計思路

隨著城市化進程的加快，當前我國的城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達到了66.16%，城市規(guī)模不斷擴張，建筑物數(shù)量、高度和密度也在不斷增加，給消防安全管理和滅火救援工作帶來了很大困難。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術的發(fā)展，當前的城市管理工作正在逐步朝著信息化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，“智慧城市”理念也就是在這一背景下應運而生。智慧城市是指在城市的規(guī)劃、建設、運營管理等各個方面融入信息技術和數(shù)字技術，從而實現(xiàn)不同領域、不同基礎設施和服務之間的互通互聯(lián)和高效配合。

在智慧城市背景下，消防管理工作也逐漸從傳統(tǒng)的人力管理模式朝著智能化方向發(fā)展。城市中建筑物眾多，大量的消防隱患因素和風險區(qū)域難以采用現(xiàn)場檢查的方式來防范火災事故的發(fā)生。隨著技術的發(fā)展，當前建筑物中普遍安裝了如煙霧報警器、自動噴水滅火系統(tǒng)等設備，從而快速應對火災事故的發(fā)生并進行初步處理。然而，這一技術具有誤報率高、反應較慢、滅火能力不足等缺陷，難以滿足城市樓宇的消防安全管理需求。研究開發(fā)消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境的實時監(jiān)測、火災因素的實時感知和及時預警，是消防智慧化發(fā)展的主要趨勢。

智慧城市背景下的消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)應滿足以下要求。第一，能夠對建筑物內的主要區(qū)域進行實時消防監(jiān)測，采集溫度、濕度、煙霧等主要數(shù)據(jù)；第二，能夠對所采集的數(shù)據(jù)進行分析和識別，準確評估其是否屬于火災信號以及火災的風險程度；第三，能夠依據(jù)評估結果進行火災風險預警，將建筑內的消防火災風險位置、風險等級向相關單位和人員進行預報[1]。

（二）技術架構

結合消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路應包含物聯(lián)網(wǎng)、5G通信技術、大數(shù)據(jù)云計算技術、人工智能等?；炯夹g架構主要有四層。感知層：主要用于采集消防監(jiān)測所需的各類數(shù)據(jù)，通過煙霧探測器、感溫探測器等傳感設備和攝像設備實現(xiàn)。在應用消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)時，城市建筑業(yè)主方或物業(yè)部門應在消防部門的指導下在建筑關鍵部位安裝相關設備，并與系統(tǒng)進行連接，以便感知環(huán)境和采集數(shù)據(jù)。通信層：主要用于數(shù)據(jù)傳輸，包括ZigBee協(xié)調器、5G無線網(wǎng)絡、智能網(wǎng)關等配置。同時，為了確保消防數(shù)據(jù)的安全性，還應配置防火墻等安全防護措施，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露、遺失等現(xiàn)象[2]。處理層：處理層是整個消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)的核心和大腦，感知層所采集的數(shù)據(jù)最終匯入這一層，在數(shù)據(jù)清洗和處理后存儲于數(shù)據(jù)庫中，便于分析和應用。通過人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術對感知數(shù)據(jù)進行分析，篩查其中的異常數(shù)據(jù)，開展火災分析，一旦發(fā)現(xiàn)火災風險，迅速開展定位和預警工作。展示層;主要服務于系統(tǒng)管理員和使用人員，如消防部門、建筑物業(yè)管理部門等，結合消防管理的實際需要，應滿足PC端和移動端的展示需求，將火災預警信息實時發(fā)送到相關負責人的設備上，管理人員登錄系統(tǒng)進行消防事務處理。

二、智慧城市背景下消防安全實時監(jiān)測關鍵技術

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術

在消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術主要用于數(shù)據(jù)采集和智能預警。物聯(lián)網(wǎng)技術的核心在于“萬物互聯(lián)”，即將系統(tǒng)內的所有“物”通過傳感器、RFID和通信網(wǎng)絡進行串聯(lián)，以便實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的采集、分析和應用。

數(shù)據(jù)采集是物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎，也是消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)構建感知層、實現(xiàn)消防管理功能的基礎。正常情況下的建筑物與火災發(fā)生時的建筑物在溫度、煙霧、氣體等多個方面有較大差異，通過對環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，能夠為火災發(fā)現(xiàn)、評估和定位奠定基礎。消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中，需要對建筑物的關鍵位置和潛在風險區(qū)域進行監(jiān)測，并對各個位置上的傳感器等設備信息和環(huán)境數(shù)據(jù)進行識別和采集。物聯(lián)網(wǎng)將建筑物內的傳感器、攝像頭、RFID射頻識別標簽與消防管理系統(tǒng)相串聯(lián)，24小時不間斷傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)以供處理層分析和識別[3]。此外，物聯(lián)網(wǎng)技術還能夠實現(xiàn)對消防通道、消防器材、消防水源等消防管理工作必備基礎設施的監(jiān)測，確保其始終處于正常狀態(tài)。以消防水源監(jiān)測為例，在消防水源系統(tǒng)的關鍵節(jié)點，如閥門、噴淋嘴等位置設置傳感器來感應水壓、水位和故障情況。當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)就能夠迅速感知并將相關信息傳輸?shù)焦芾砣藛T的接收終端，提示其快速進行排查和處理。

當系統(tǒng)識別到建筑物內的火災風險后，需要對其進行定位，以便向管理員和用戶發(fā)送火災預警信息。因此，火災區(qū)域定位也是消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分。傳統(tǒng)的火災定位方式并不精準，實時性不強，難以起到良好的預警效果。傳感器本身是隨機布置的，不適宜安裝GPS定位（能耗高、成本較大）。對此，消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)以感知層數(shù)據(jù)為基礎，通過質心算法來分析射頻信號的節(jié)點，從而精準定位。在確定火災位置后，系統(tǒng)將分析獲得的火災風險等級和位置信息發(fā)送給消防部門和用戶，能夠提升響應速度，降低火災風險的不良后果。還可以配置消防管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對火災的自動報警和應急處理。這一套系統(tǒng)同樣可以采用物聯(lián)網(wǎng)技術，即將實時監(jiān)測系統(tǒng)接入消防管理系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)火災事故后將預警信號傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)。管理系統(tǒng)在自動化技術的輔助下打開消防水泵、噴淋泵管道閥門，迅速處理和控制初期火情。

（二）大數(shù)據(jù)云計算技術

大數(shù)據(jù)云計算技術在消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中的應用主要是數(shù)據(jù)的存儲和分析。在感知層中，分布在建筑物各個位置的傳感器會傳遞大量的環(huán)境數(shù)據(jù)以供分析，而這些數(shù)據(jù)的處理效率和精度決定了消防安全實時監(jiān)測的效果。借助大數(shù)據(jù)云計算技術，能夠搭建云端數(shù)據(jù)庫，并形成多個數(shù)據(jù)處理模塊，以實現(xiàn)火災監(jiān)測、預警等智能決策功能。

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)處理的前提和基礎。在消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中，整合了各類數(shù)據(jù)信息，如建筑結構數(shù)據(jù)、消防設施數(shù)據(jù)、傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)、消防檢查信息、歷史火災數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)來源不同，蘊含的價值也各有差異，在數(shù)據(jù)庫的整合下，消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠對數(shù)據(jù)進行綜合管理和分析應用[4]。數(shù)據(jù)庫不僅能夠為實時數(shù)據(jù)的后續(xù)分析奠定基礎，還能夠滿足歷史數(shù)據(jù)分析需求，如可以從過往數(shù)據(jù)中評估哪些區(qū)域、哪些時段事故的發(fā)生概率較高，從而調整消防措施。

在消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)模塊主要包含三個部分。第一，數(shù)據(jù)采集模塊。這一模塊主要接收傳感器經(jīng)由通信技術傳輸而來的數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在此匯總，并在數(shù)據(jù)庫中進行存儲備份。第二，數(shù)據(jù)預處理模塊。由于采集設備的差異性，系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)可能會存在格式不統(tǒng)一、信息不完整等情況，需要進行預處理。在這個模塊中，可以應用數(shù)據(jù)清洗技術，將多源異構數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗和轉換，形成直接可用的結構化數(shù)據(jù)。在完成數(shù)據(jù)預處理后，數(shù)據(jù)中心會將格式統(tǒng)一后的數(shù)據(jù)上傳至云計算中心，并在云端開展分析和決策[5]。第三，數(shù)據(jù)分析模塊。在這一模塊中，所有數(shù)據(jù)將會根據(jù)特定算法、模型開展分析。分析模塊中還包含大量數(shù)據(jù)分析工具，如可視化工具，將數(shù)據(jù)以可視化圖表的形式呈現(xiàn)；趨勢預測工具，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化特征進行趨勢預判，以提升消防響應能力。

（三）人工智能技術

近年來，人工智能技術得到了飛速發(fā)展，越來越多的領域開始應用人工智能技術。在消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中引入人工智能技術，能夠進一步提升火災識別和分析能力。在火災識別中，通常采用傳感設備來識別火災相關因素，如溫度變化、煙霧、氣體等。人工智能具有圖像識別功能，以此技術為核心的AI攝像頭能夠對視頻圖像進行實時監(jiān)測和分析。例如，煙火識別算法能夠準確評估監(jiān)測場景中是否出現(xiàn)了火點、煙霧和火焰，從而配合傳感設備對火災進行精準識別[6]。無論是傳感器還是AI攝像頭，均為事后識別，即在火災發(fā)生后進行識別。隨著人工智能技術的進一步發(fā)展，AI攝像頭不僅能夠實現(xiàn)火災因素的分析，還能夠對場景中的火災風險進行識別。一般來說，火災起因分為客觀和人為兩種。客觀是指電氣火災、極端天氣火災等由客觀因素造成的火災；人為是指由于違規(guī)操作、用火不慎等行為引起的火災。AI攝像頭在對建筑場景進行監(jiān)測時，可以對人為因素進行識別和分析，如有人亂扔煙頭，可以適時發(fā)出警告。

在火災分析中，人工智能技術主要用于評估火災的風險程度，從而選擇對應的消防措施。普通的環(huán)境數(shù)據(jù)分析手段評估火災風險程度的結果比較模糊，容易出現(xiàn)預警信息不夠精準的情況。借助人工智能的模糊算法，能夠將通常使用的風險程度評價術語（高、中、低等）轉換為數(shù)據(jù)指標（閾值或百分比），并通過對應的方式進行更為精準的評估[7]。

（四）5G通信技術

5G通信技術是智慧城市建設的前提，具有高速率、低時延、大容量的通信特征。在整個消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)十分關鍵，通信系統(tǒng)的傳輸速度決定了消防監(jiān)測能否真正達到“實時”。對于一幢大型建筑來說，存在諸多需要監(jiān)測的點位，如電力系統(tǒng)周邊、電梯井、消防通道等。因此，需要布設大量的數(shù)據(jù)采集設備，不斷獲取數(shù)據(jù)信息并傳輸至消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中。為了避免數(shù)據(jù)流的增加占用信道資源，要充分利用5G通信技術形成大容量、超高速的通信方案，從而為消防系統(tǒng)的高效運作提供有力支持[8]。

為了提升傳輸效率，消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)中的通信層在整合感知層的各項數(shù)據(jù)后，可以在5G通信技術的基礎上，采用ZigBee、藍牙多種通信技術傳輸?shù)胶蠖说奶幚韺?，以便處理層更加快速開展數(shù)據(jù)分析工作，實現(xiàn)火災事故的及時響應。

結語

隨著互聯(lián)網(wǎng)和科技的飛速發(fā)展，消防工作也日益朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。融合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)云計算等關鍵技術的消防安全實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)消防關鍵節(jié)點的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。通過對火災隱患的實時分析和火災險情的快速預警，能夠有效保障城市環(huán)境的消防安全。

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作者簡介：

亢佳（1994- ），男，漢族，陜西漢中人，本科，研究方向：消防監(jiān)督。