浅析窄带物联网在智慧消防平台中的应用研究
作者 | 安科瑞张星2022-01-07

针对目前“智慧消防”建设中存在的感知层接入硬件种类有限、接入技术手段不完善等问题,本文对窄带物联网技术(NB-IoT)在智慧消防建设中的应用问题进行了探讨,提出了NB-IoT终端作为采集层,将公有物联网、大数据、云计算、区块链和人工智能技术作为网络层,对火灾风险进行研判,消防监管信息化,社区单元自治、消防装备数字化管理、智能灭火救援为“智慧消防”建设“智能消防”三层架构模式,提高全社会消防安全管理现代化、信息化、智能化水平。

关键词:窄带物联网;智能消防;消防管理;消防救援。

引言

根据统计,仅2019年我国共报告火灾23.3万起,导致1335人死亡,837人受伤,在全国范围内,直接财产损失36.12亿元,严重损害社会稳定和国民经济健康发展,可持续性的发展给人们带来了不利的影响,加强社会火灾的预防和控制已经迫在眉睫。现行消防监督、消防救援和消防风险控制技术手段相对落后,已不能适应经济社会的高速发展和现代化,由于信息管理的需要,在消防安全主体责任未能有效落实的情况下,消防安全管理水平与消防安全需求之间的矛盾突出,实施智慧消防建设正日益成为解决这一矛盾的重要手段之一

建设智慧消防系统的意义及存在的问题

1.1界定智能灭火系统

作者认为:“智慧消防”是基于物联网(IoT)、基于消防大数据(BD)、云(CloudComputing)、人工智能(AI)、在现代信息技术支持下,虚拟现实(VR)和区块链(BlockChain)等信息化、智能化社会消防管理,其中,消防、消防、消防等行政管理、运营、决策服务系统,是“智慧城市”的重要组成部分。

1.2建设智慧消防系统的意义

实施“智慧消防”建设,在一定程度上优化火灾预防机制,将消防监督、消防管理、消防救援等业务需求有机结合,从"传统消防"到"智慧消防"的转变与跨越,可以解决传统消防监管体制效率低下,社会主体责任不落实,当前消防安全管理不到位等问题,使得消防工作模式从传统的“树状”转变为新的“网络”模式。促进了消防管理体制与机制的转型升级,实现了有针对性、科学化管理,它是目前及未来消防工作实现火灾风险预测、消防安全管理智能化、消防救援工作信息化的重要手段与途径。

1.3建设智慧消防系统的现实问题

有关部门和企业对“智慧消防”的认识,目前还处于概念认识和理论探讨阶段。《智能消防》相关规范和标准还没有出台,智慧城市的有关建设标准没有明确规定智慧消防建设。作业层主要参照独立烟感火警探测报警、由于火警系统和城市消防远程监测系统等相关标准正在建设中,由于感知层的访问硬件种类有限,接入网技术手段落后,导致“智慧消防”建设的物联网属性不强,存在“有网无物”、“有物无网”等不足,尽管在施工数量上“遍地开花”,但在技术标准上却处于“各自为政”的管理状态。

NB-IoT技术和“智慧消防”建设

2.1NB-loT的技术优势

IoT是实现“智慧消防”的基础。当前,常用的物联网技术主要有NB-IoT、Wi-Fi、Sigfox、LoRa(LongRange)、ZETA、Zigbee(紫蜂协议)和蓝牙等7种。NB-IoT技术相对于其它技术有五个方面的优越性,即智慧消防建设。

首先,网络的建设是广泛的。我国各大电信公司都把NBIoT网络建设作为未来业务的发展方向,在我国NB-IoT技术从核心技术、市场规模和应用深度三个方面展开。

其次,终端电力消耗的降低。NB-IoT技术通过减少不需要的信号来支持不连续的接收延长(eDRX),深睡眠功能和节电模式(终端休眠,PSM),进一步降低了耗电量,使装置可长时间在线,并且无需布线,易于施工,后期管理简单,维修费用低。

第三,综合经济成本低。NB-IoT技术直接依托现有的GSM、UMTS或LTE网络基站,再加上NB-IoT模块使用嵌入式物联网eSIM卡,一台设备一个专属号码,即插即用且不用频繁更换电池,简单方便,简单实用。

第四,数据安全得到保证。NB-IoT技术是适用于频谱许可和基于蜂窝技术设计的可运行的电信网络,能够在数据传输和设备认证方面提供电信级信息安全保障。

第五,参数感知。NB-IoT技术使各个系统能够实时地访问海量的物联网感知终端,并且使eSIM卡能够适应较恶劣的使用环境。特别适用于建造建筑物内的自动消防设备中的各种火灾探测器和阀门仪表以及输入输出模块,能够对每个NB-IoT终端设备进行远程独立监控。

2.2NB-IoT技术的政策优势

工信部下发文件要求,将NBIoT作为我国物联网建设应用的主要技术标准,结合智慧城市建设,加速发展NBIoT在城市公共服务和管理中的应用。确定NBIoT网络使用GSM系统的800MHz和900MHz频段,FDD-LTE系统的1800MHz频段和2100兆赫频率,并且以“140XX~144XX”作为物联网网号,2020年NB-IoT正式成为5G技术标准之一,作为5GmMTC场景的核心部件,迎来了爆发式发展。

2.3“智慧城市”NB-loT技术建设实践经验

NB-IoT技术的优点使它被广泛应用于“智慧城市”建设中,中国照明学会,全国半导体照明工程研究与开发及产业联盟联合发布了《基于窄带物联网(NBIoT)道路照明智能控制系统技术规范》(
CIES015-2017/T/CSA052-2018),深圳市,上海等城市已开始使用NB-IoT在智能消防栓、智能感烟探测器、智能水位探测器、智能燃气抄表在市政领域,智能路灯等方面进行试点。这三个方面的试点工作,积累了一定的技术经验,也取得了良好的社会效益,初步实现了信息、资料多跑路,让群众少跑腿,规范管理,治理预期目标。

基于NB-IoT技术建立“智能火灾”模型

3.1基于NB-IoT技术的智能消防系统架构

智能消防系统将消防设备的物联网络实现消防管理的数据化,是消防物联网、消防大数据、云及其他信息技术的有机融合,其体系结构分为三个层次:感知层(NB-IoT终端)、网络层(NB-IoT运营商,云计算,大数据)、应用层(消防监督、消防救援和消防管理)如图1所示。

基于NB-IoT的智慧消防系统架构图

图1基于NB-IoT的智慧消防系统架构图

3.2感知层

知觉层是“智能消防”神经元,物联网是中间神经,“消防大数据”和云计算是它的大脑,承担各类火警信息的采集及消防设施的工作状态采集,如防火卷帘等被动防火系统防火门及主动消防系统,如消防给水系统,防排烟系统,自动火警系统,在自动灭火系统和其他设备上集成的NBIoT模块可以联网改造,这样就可以连接到物联网中的每个探测器,每个消火栓、每个输入输出模块组成了“智能灭火”的神经元。如图2所示。

浅析窄带物联网在智慧消防平台中的应用研究

对部分现有建筑物的火灾隐患进行整治,其中包括“九小场所”、“三合一场所”、社会福利机构、在其消防设施的改造升级中加装火灾自动报警系统,NB-IoT模块配有烟感、感温、火焰、将图象与手控按钮等火警探测器组合成独立式火警报警装置,利用NB-IoT网络对其进行虚拟组网,连接到互联网的云平台,采集并发送各类火灾报警信号,该系统可实现火警探测器自动在线巡检、实时状态采集、火警推送、人机交互、远程控制管理等功能,对避免频繁发生“小火亡人”事故具有重要意义,但在施工过程中也能有效地避免传统总线传输报警系统凿墙开洞、破坏建筑物结构及原有风貌等缺陷。

运用NB-IoT技术,对可燃气体探测报警系统和电气火灾监测系统进行了更新,实现了燃气管道的功能,对电力线路中气体浓度及电压、测弧、泄漏电流、线缆温度等情况进行实时在线监控和智能处理。它对于防止和减少电气火灾、煤气事故、减少灾害损失、提高防灾能力等有着非常明显的优势。NB-IoT采用了重传、低阶调制等机制,可以在地面下1~2层进行信号渗透,它的深度覆盖功能不仅可以满足传统仪表、报警器、温湿度、环境参数采集及传输等功能,而且还具有消防水池、在高位消防水箱间、消防水泵房、变配电室、柴油发电机房、防排烟室等消防设施布置位置与管理要求高度一致,针对消防设备安装环境复杂、信号不易穿透等问题,对构筑物、地下空间、管道、管道、管道、对于深度覆盖要求很高的井盖,在很大程度上简化了现有系统的复杂性。

3.3网络层次

云计算的基础是大数据,根据“智慧消防”的应用要求,因地制宜地建立火灾基础信息大数据库。用于消防泵、防排风扇、压力开关、水流指示器、液位计、监控器和输入输出模块,该系统自动采集、实时监测各种消防设备的工作状况、报警信号及动作信号、水压不足、水量不足等,数据传输模块全部触发,将异常数据上传到IoT平台,实现各种建筑物消防设施状态信息、数据信息的在线监测、远程监测与诊断,这是消防大数据的重要组成部分。如图3所示。

基于NB-IoT的智慧消防网络层架构图

图3基于NB-IoT的智慧消防网络层架构图

利用云计算技术(IaaS)的基础设施,即服务,有很强的数据访问、管理和服务能力,如平台(PaaS)和软件即服务(SaaS),把大部分的事务工作都交给软件系统来处理,用户不需要开发软件和构建数据,可以大大提高工作效率,减少管理难度和维修费用,逐步辐射消防行业的生产、流通、管理、预警和其他消防产品制造企业的全过程。在消防技术服务机构、社会单位、各级政府、消防救援机构的消防管理、救火决策等方面提供数据分析与技术支持;增强防火安全监督及报警的能力。

3.4应用层

智能消防的应用主要包括:火灾风险研究判断、消防监督管理、消防安全独立管理、消防设备数字化管理、消防救援等五个方面,可根据实际情况进行扩展。如图4所示。

基于NB-IoT的智慧消防应用层架构图

图4基于NB-IoT的智慧消防应用层架构图

第一,对火灾风险进行了研判。多个相对独立的消防设备通过NB-IoT感应器连接起来,NB-IoT数据传输网络发送到云、防火大数据库,危险化学品、施工项目、将有关数据纳入消防大数据共享范围,并根据当地火灾发生情况、直接财产损失情况、死亡人数、伤情等“四大指数”,结合辖区内社会单位的基本信息和经营情况,立足全时段、全要素,利用统计原理,对火灾隐患、征候等前兆、苗头问题进行大数据分析,找出火灾防治的客观规律,最后给出了火灾发展趋势的预测方法。

第二,消防监督管理信息化。消防队机构可根据火灾风险智能研判结果,及时分析治理效果,进而完善和优化现有的消防监管体制、方式方法,实现消防管理模式从“管人”“管物”到“管数”的方式。即可避免“地毯式”查房给社会单位的生产经营活动带来不必要的干扰,又可有效降低基层执勤执法人员的工作强度,做到火灾防控工作的提质增效,实现消防监督管理和安全稳定的综合管理。

第三,消防安全管理自主。利用NB-IoT技术可实现消防管理人员与消防设备、消防设备及消防设备之间的各种信息的互连。可让消防安全责任者、管理人实时掌握其管理权限范围内建筑消防设施的动态信息,充分发挥系统监控作用,监督、预警等功能,实现人防、物防、技防的有效结合,构建一套、无缝隙、可靠的“智慧消防”管理体系。与此同时,通过建立建(构)筑物消防人员(消防设施操作人员)信息库,可以有效地提高社会单位建筑消防设施的管理水平。

第四,消防器材的数字化管理。借助于建筑信息模型(BIM),安装、使用、保养(修理)、产品检查、采用无线射频识别(RFID)技术,将建筑物消防设备检测等信息制成RFID电子标签、QR码等智能标识,构建大型数据库,并在NB-IoT基础上设置有信号输入、输出功能的消防装置;利用移动App或PaaS等物联网应用终端,对其工作状态进行检测和查询,实现三维可视、信息化、精细化、智能管理模式,从而实现消防产品及设备的质量安全管理、追溯、使用、四维建筑对维修甚至报废建筑的全寿命周期消防安全管理进行了全面的分析。

第五,灭火救援的科学指挥。结合NB-IoT技术,如温度、湿度、易燃气体、氧气和其它有毒有害浓度的传感器,通过BIM的三维模型,准确地判断出建筑物内发生火灾的位置,从而实现了对现场环境的实时监控,通过预判火灾发展趋势,确定消火栓位置、疏散通道、安全出口位置及建筑物消防设施工作状况;对作战阵地、进攻路线、应急避险地点的合理选择,为消防救援工作提供准确的数据支持,提高火灾逃生疏散效率;降低伤亡人数。

实施建议

(1)加强和完善“智慧消防”建设的顶层设计。2017年前公安部消防局下发了《关于推进“智慧消防”建设的指导意见》(公消[2017]297号),就如何利用消防平台提高消防管理水平进行探讨。但是,随着我国智慧城市建设的快速推进和公安消防部队重组的集体转业,该指导方针提出的建设原则和目标已与当前消防工作实际存在较大差距。为此,我们必须与时俱进,加强顶层设计,从基本国情和各地实际情况出发,把"智慧消防"建设纳入国家"智慧城市"建设总体方案,同时明确县级以上地方政府及相关行业部门的建设任务。

(2)加强“智慧消防”建设,制订操作技术标准及管理制度。应加强对“智慧消防”标准化研究,进一步建立和完善整个建设、管理、运营等方面的法规、技术标准,经营体制和政策体系,借鉴相关行业成熟经验,从源头规范统一“智慧消防”建设的指导思想和功能,对采集参数等技术参数进行研究,制定《“智慧消防”建设技术规范》,推动“智慧消防”规模化、标准化发展。与此同时,要加强技术支持,抓紧“产学”各环节的战略合作,加强消防信息化的顶层设计,开展大数据建设等方面的深度合作,形成具有自主技术的生态产业链,开展科研应用示范工程,“智慧消防”市场占据行业技术制高点,健康有序地发展。此外,警惕消防大数据时代存在的安全隐患,根据政府授权,企业化管理,明确职能原则,建立消防大数据技术服务机构,加强对供方、使用者等行为的规范和管理,确保信息安全。

第一,对火灾风险进行了研判。多个相对独立的消防设备通过NB-IoT感应器连接起来,NB-IoT数据传输网络发送到云、防火大数据库,危险化学品、施工项目、将有关数据纳入消防大数据共享范围,并根据当地火灾发生情况、直接财产损失情况、死亡人数、伤情等“四大指数”,结合辖区内社会单位的基本信息和经营情况,立足全时段、全要素,利用统计原理,对火灾隐患、征候等前兆、苗头问题进行大数据分析,找出火灾防治的客观规律,最后给出了火灾发展趋势的预测方法。

第二,消防监督管理信息化。消防队机构可根据火灾风险智能研判结果,及时分析治理效果,进而完善和优化现有的消防监管体制、方式方法,实现消防管理模式从“管人”“管物”到“管数”的方式。即可避免“地毯式”查房给社会单位的生产经营活动带来不必要的干扰,又可有效降低基层执勤执法人员的工作强度,做到火灾防控工作的提质增效,实现消防监督管理和安全稳定的综合管理。

第三,消防安全管理自主。利用NB-IoT技术可实现消防管理人员与消防设备、消防设备及消防设备之间的各种信息的互连。可让消防安全责任者、管理人实时掌握其管理权限范围内建筑消防设施的动态信息,充分发挥系统监控作用,监督、预警等功能,实现人防、物防、技防的有效结合,构建一套、无缝隙、可靠的“智慧消防”管理体系。与此同时,通过建立建(构)筑物消防人员(消防设施操作人员)信息库,可以有效地提高社会单位建筑消防设施的管理水平。

第四,消防器材的数字化管理。借助于建筑信息模型(BIM),安装、使用、保养(修理)、产品检查、采用无线射频识别(RFID)技术,将建筑物消防设备检测等信息制成RFID电子标签、QR码等智能标识,构建大型数据库,并在NB-IoT基础上设置有信号输入、输出功能的消防装置;利用移动App或PaaS等物联网应用终端,对其工作状态进行检测和查询,实现三维可视、信息化、精细化、智能管理模式,从而实现消防产品及设备的质量安全管理、追溯、使用、四维建筑对维修甚至报废建筑的全寿命周期消防安全管理进行了全面的分析。

第五,灭火救援的科学指挥。结合NB-IoT技术,如温度、湿度、易燃气体、氧气和其它有毒有害浓度的传感器,通过BIM的三维模型,准确地判断出建筑物内发生火灾的位置,从而实现了对现场环境的实时监控,通过预判火灾发展趋势,确定消火栓位置、疏散通道、安全出口位置及建筑物消防设施工作状况;对作战阵地、进攻路线、应急避险地点的合理选择,为消防救援工作提供准确的数据支持,提高火灾逃生疏散效率;降低伤亡人数。

实施建议

(1)加强和完善“智慧消防”建设的顶层设计。2017年前公安部消防局下发了《关于推进“智慧消防”建设的指导意见》(公消[2017]297号),就如何利用消防平台提高消防管理水平进行探讨。但是,随着我国智慧城市建设的快速推进和公安消防部队重组的集体转业,该指导方针提出的建设原则和目标已与当前消防工作实际存在较大差距。为此,我们必须与时俱进,加强顶层设计,从基本国情和各地实际情况出发,把"智慧消防"建设纳入国家"智慧城市"建设总体方案,同时明确县级以上地方政府及相关行业部门的建设任务。

(2)加强“智慧消防”建设,制订操作技术标准及管理制度。应加强对“智慧消防”标准化研究,进一步建立和完善整个建设、管理、运营等方面的法规、技术标准,经营体制和政策体系,借鉴相关行业成熟经验,从源头规范统一“智慧消防”建设的指导思想和功能,对采集参数等技术参数进行研究,制定《“智慧消防”建设技术规范》,推动“智慧消防”规模化、标准化发展。与此同时,要加强技术支持,抓紧“产学”各环节的战略合作,加强消防信息化的顶层设计,开展大数据建设等方面的深度合作,形成具有自主技术的生态产业链,开展科研应用示范工程,“智慧消防”市场占据行业技术制高点,健康有序地发展。此外,警惕消防大数据时代存在的安全隐患,根据政府授权,企业化管理,明确职能原则,建立消防大数据技术服务机构,加强对供方、使用者等行为的规范和管理,确保信息安全

安科瑞智慧消防平台介绍

5.1平台结构

浅析窄带物联网在智慧消防平台中的应用研究

5.2平台主要功能介绍

5.2.1首页

用户登录成功之后进入首页,如图所示。主要展示的内容有:项目概况、设备状态、设备分类、设备报警信息、报警分类、报警统计、设备台账信息等。其中百度地图可以选配成BIM建筑模型,任何传感器报警时可以在BIM模型中预警显示。

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5.2.2消防系统。

智能消防管理云平台包括电子智能系统、防排烟子系统、消防水子系统、消防设备电源子系统、防火门子系统、消防设备管理子系统、视频监控子系统等。智能电子系统可接通电气火警、孤航电弧、电气火警主机、灭弧探测器、无线测温探测器等。按一下智能电子系统进入智能用电监控页面,点击菜单显示整个项目的基本信息和探测器信息,按下菜单显示全部项目信息,按末级节点显示具体探测器的监控页面。

浅析窄带物联网在智慧消防平台中的应用研究

浅析窄带物联网在智慧消防平台中的应用研究

灭火水子系统可连接消防栓、消防水压、水位传感器等,实时监测消防水管网的压力、液位、漏水情况,还有开盖等事件,当消防水压力不足、管网漏水时,系统还可以实时发出报警,可以让相关人员及时进行维修和维护,保证防火安全。

防排烟分系统通过高灵敏的无线烟感报警装置,实现对烟雾、有害气体、气体灭火信息等数据采集;实时秒级检测烟幕,一且发现监控数量超出风险阈值,APP、短信报警、电话报警都是通过设备标签,地点定位,迅速通知业主、物业消防单位是哪一处火灾隐患。

防火装置电源子系统对消防系统各部分(例如:消防报警主机、楼层显示器、水泵、喷淋装置、电梯等)的电源工作状态进行实时监测,确保消防设备供电正常,并对各部件电源产生的过压、欠压、过流、短路、断路等故障提示。能长时间记录电压、电流运行参数,自动分析消防电源一段时间的运行状态,警告可能产生的隐患。

消防门系统通过与门禁、视频识别的关联、消防通道、安全出口、消防通道、消防通道的开启、消防通道的堆放物状况以及紧急情况下的开启、关闭等功能。保证防火门常闭、不上锁状态和保证火警救援是消防生命通道的畅通等,保障安全生活、工作环境。

紧急照明及疏散指示分系统可以实时监测和控制各应急灯,一旦发生火灾,能精确地给出安全撤离路径,智能开启消防紧急指示灯指示方向和应急照明,协助建筑物内的人群选择逃生和疏散路线,指导安全逃生方向。

视讯子系统数据部在接收到感应端各分系统的报警信息后,可以调出与报警地点相关的监控摄像机图像,查看报警现场视频协助火情确认。该系统可实现火灾报警子系统、消防水子系统、电气火警子系统、防排烟分站、消防设备电源分系统、消防监控分系统、视频监控分系统,实现报警与监控点联动。

防火器材管理子系统能将各建筑物、工程节点的消防设备及资产全部纳入管理,并能对一些消防栓、灭火器、重点标注喷淋室、消防队地址等,日常巡检及维修要纳入规划,在紧急情况下,与GIS调度子系统联动调度。

结束语

推广基于NB-物联网技术的智能消防建设模式,创新社会消防安全管理模式,解决城市消防安全管理问题,构建信息、三维、全覆盖、智能社会消防系统,可以有效避免消防工作,跟随消防和隐患被动情况,进一步提高城乡基本公共消防服务水平,增强消防安全感。可以预见,智能消防建设将深刻改变传统的消防防治理念和手段,可以使党委和政府的领导责任、行业监督责任、社会单位主要责任、消防救援机构监督责任等消防安全四责任有效落实,为智慧城市和城市安全发展做出创新贡献。


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2022-01-07