一種基于網絡架構的綜合消防控制系統研究

萬 力 / 姚 康

(1.合肥工業大學建筑設計研究院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

一種基于網絡架構的綜合消防控制系統研究

萬 力1/ 姚 康2

(1.合肥工業大學建筑設計研究院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

從城市消防設施聯網監測系統建設角度，分析了目前我國消防自動報警系統的特點，提出了一種標準化的基于網絡架構的綜合消防控制系統，不僅可實現消防信息的互通互聯，形成智能決策系統，而且可統一系統標準，提高消防控制的可靠性。

火災自動報警系統 架構 消防現場控制器 消防決策指揮

1 背景

隨著我國建設規模的擴大和建筑功能的提高，火災自動報警系統在建筑消防安全中的作用越來越重要。近年，智慧城市建設提出了對城市級消防監控平臺的需求，因此對建筑內的火災自動報警系統提出了新的技術要求。

1.1火災自動報警系統的組成

火災自動報警系統一般設置在工業與民用建筑場所，與自動滅火系統、疏散誘導系統、防排煙系統以及防火分隔系統等其他消防分類設備一起構成了完整的建筑消防系統。火災自動報警系統由火災探測報警、消防聯動控制、可燃氣體探測報警及電氣火災監控等幾個子系統組成。隨著GB 50016-2014《建筑設計防火規范》、GB 50016-2013《火災報警系統設計規范》及GB 17945-2010《消防應急照明和疏散指示系統》等系列消防規范的實施，火災自動報警系統的功能也在不斷擴展。

基于傳統的火災自動報警與消防聯動系統，目前常見的建筑消防控制系統的功能還包括：消防泵巡檢系統、防火門監控系統、電氣火災監控系統、智能消防疏散系統。經歸納，目前建筑內常見的消防聯動控制系統架構見圖1。

圖1 消防聯動控制系統架構

另外，在一些特定場所，空氣管探測系統、感溫電纜探測系統、光截面探測系統及網絡消防廣播系統的應用更豐富了消防控制系統的內容。隨著機電設備的增加和技術的進步，更多的消防控制子系統會不斷出現。

1.2消防控制系統的特點

我國的消防自動報警系統基本上是延續了國外的控制總線技術，隨著消防功能的不斷增多，其技術架構存在的問題也越來越多。

1)系統采用的RS485總線大多在半雙工狀態下工作，對于通訊壓力不大的應用場合沒有明顯問題，但如果遇到大數量用戶集中并發使用時，會出現非常明顯的通訊阻塞，從而嚴重影響系統的正常使用。信號線與強電距離過近或分段時，會導致RS485信號和通信不穩定及共模干擾。

2)各個子系統之間硬件獨立，多系統并存，前端設備大量重復，布線復雜，維護工作量極大，資金大量浪費。

3)系統為前端到報警控制器的二級架構，采用的是二總線架構，一旦總線出現故障，則會造成整個系統癱瘓，對于多防火分區的大型公共建筑，其可靠性得不到充分保障。

4)各個子系統之間軟件和數據庫獨立、標準不一，每個系統都有軟件服務器，要實現聯動集成功能，還需要在此基礎上增加一套集成管理系統才能和部分硬件設備實現功能互通，浪費了較多的資源，也限制了功能的應用。

5)數據格式不統一，消防決策指揮功能單一，滿足不了城市消防設施聯網監測系統的要求，難適應智慧城市大數據融合的需要。

因此，有必要站在智慧城市對城市消防設施聯網監測系統要求的角度，從行業的創新發展上考慮，嘗試對建筑消防控制系統提出新的架構設計。

2 總體目標

2.1城市架構下的建筑消防控制系統

城市消防設施聯網監測系統要求通過數據通信網絡將原本各建筑物內獨立的火災自動報警系統聯網，并綜合應用地理信息系統、數字視頻監控等技術，在監控中心實現對所有聯網建筑物火災報警情況的實時監測，以及消防設施的集中管理。圖2所示為城市消防監控架構下的建筑消防控制系統。

圖2 城市消防監控架構下的建筑消防控制系統

從功能上看，建立聯網的建筑消防設施檢查系統，可以實現建筑各個子系統的相互聯動，實現消防的決策指揮功能；可以將報警主機接收到的火警信息實時傳遞到城市消防指揮中心，解決人為報警不及時、遲報、瞞報、誤報等情況，加快報警速度和對著火點的準確判斷，為滅火救援贏得時間；同時通過現場視頻監控，提供最佳疏散通道；另外，應用消防聯網監測系統，還可以實現對火災聯網監控設備的自動巡檢，從而加強單位內部消防設施的管理。

2.2系統總體目標

可以看出，隨著城市消防功能不斷完善，基于傳統二總線的多個系統隔離的消防子系統已經很難適應消防數據互聯互通的要求，有必要采用統一的基于網絡架構的綜合消防系統。其總體目標如下。

1)對各個消防子系統進行合并，統一標準，規避異種功能、器件及廠商帶來的各種兼容性問題，從系統架構頂層把握和引導未來消防控制系統的技術體系。

2)采用基于TCP/IP的網絡架構，取代傳統的RS485總線，加強系統可靠性，構建兼容開放的消防控制系統。

3)根據防火分區，結合顯示和傳輸需要設置現場消防控制器，可采用總線、網絡和無線等多種方式傳輸，在系統故障的情況下，也可保障區域獨立運行和數據存儲。

4)架構根據各類消防子系統的應用特點，統一數據庫及數據編碼規則，形成消防智慧決策，并與城市消防監控系統互聯互通。

3 總體架構

本文研究方案的總線構架建立在建筑內常用的專用以太網(或Wi-Fi)基礎上，因此適應各種消防場景的使用。總體理念是將所有器件的狀態和控制都進行標準化，從而使建筑消防的各功能子系統都能夠實現即裝即用、無縫聯網、統一可控。

系統的總體框架可由統一管理UI界面、統一管理核心和消防現場控制器三部分組成。

3.1統一管理UI界面

這是消防綜合管理端的用戶界面，通過在終端顯示設備上顯示各種功能子系統(如電氣火災監控、防火門監控、光截面監控等)的狀態和控制參數，實現對消防各個子系統的狀態掌控。

由于采用統一的語言協議和標準的功能描述，各種消防功能終端接入并部署管理軟件模塊后，UI展現風格能夠高度一致，方便用戶進行后臺管理控制。

3.2統一管理核心

這是消防綜合控制系統的核心管理部分，通常部署在中央消防控制室。通過在服務器中部署核心管理軟件，建立標準化的消防數據字典，按照標準字典建設中央數據庫和消防集中控制策略庫；在此基礎上，集中指令系統軟件根據中央數據庫和中央控制策略庫進行控制運算，對相關功能對象和功能終端向現場消防控制器下發控制指令，從而實現建筑內所有消防功能對象的總體頂層控制。

3.3消防現場控制器

消防現場控制器包括決策控制器和通用接口控制器兩部分，決策控制器由中央處理器(CPU)、本地消防數據庫和本地消防策略庫組成。現場控制器的決策控制器可以理解為一個分布式的子控制中心，與統一管理核心不同的是，它只需滿足該防火區域的消防控制功能即可。

設計相對獨立的決策控制器，一方面是為了方便消防系統對于局部控制的個性化需求，另一方面是出于系統故障容錯考慮，當上游通訊、統一管理核心等出現任何故障時，局部現場控制器的決策控制器仍然能夠相對獨立地工作，不影響局部區域的消防控制。另外，現場控制器的這種架構也方便小型消防場景(如大空間消防區域的分布式控制器)統一管理核心直接使用，大幅度提高方案的靈活性和適應性。

通用接口控制器包含控制器與通用接口兩大部分，實現現場控制器與功能終端(火災探測器、電動閥、開關、火災區域視頻、報警器和廣播等)的控制指令輸出和狀態反饋輸入。

為了增強安全性，提高故障容錯能力，現場控制器與統一消防管理核心之間設計安全邏輯閉環檢測控制系統，該系統通過對指令和功能終端的狀態邏輯檢測，實現統一管理核心與現場控制器的策略同步、校驗、邏輯分析、緊急狀態響應等安全控制功能。綜上所述，本文提出的系統設計方案通過多方面的歸一化、標準化，將建筑消防控制系統整體拓撲框架進行了標準化整合，取消了各種功能對象和功能終端之間的差異帶來的兼容性問題，為智慧城市的消防設備監控聯網整合鋪平了道路。基于建筑網絡的現場綜合消防系統總體框架見圖3。

4 關鍵技術和意義

構建上述架構體系是為了實現建筑消防系統各種功能終端的標準化統一管控，從整體拓撲到器件接口形成一套完整的標準和產品體系，其關鍵技術及意義具有較好的推廣價值。

4.1形成標準化的統一的消防控制系統

由于該系統脫離了現行的消防自動報警架構，因此結合系統的功能需要，在智能控制標準化體系的基礎上，形成接口通用的各種功能終端生態圈和產業鏈，讓通用性得到較好的體現。

圖3 基于建筑網絡的現場綜合消防系統總體框架

4.2廣泛適應性的消防現場控制器

由于消防現場控制器是一個包含了消防數據采集、交換、運算與策略控制、指令接口的集成模塊化器件，因此現場控制器將會成為未來建筑消防設計方案中極其重要的一個組件，而且適用于多種建筑消防應用場景(如隧道消防、大空間消防、船舶消防等)，前景良好。由于規范了各個子系統的標準和接入方式，保證了各種消防的異構功能終端可以達到“即裝即用、即用即管”的目標，為系統的設計、安裝和運維提供了一個全新的選擇。

4.3面向城市級的智能消防控制平臺

系統基于云架構綜合數據服務中心，通過物聯網、互聯網、云計算、大數據處理技術及建筑信息模型(BIMS)等諸多技術的綜合應用，建立城市級別和行業級建筑消防系統，對建筑(特別是大型公共建筑)的消防設備和消防系統對象模型，通過數據采集、實時傳輸、集中存儲與共享、深度數據挖掘，集成全方位的數據信息服務。

系統網絡結構可抽象分為以下四個平臺。

1)統一的消防數據存取平臺：實現現場采集器和執行器數據到系統的無縫連接，實現部分系統和功能的同類型數據整合、建立內部決策、聯動和緊急通信服務模塊。

2)統一的數據計算平臺：實現各子系統的數據處理計算，根據消防規范和功能要求，經過抽取、分析、判斷整理出有效的數據信息，實現分布式數據分享服務。

3)統一的信息展示和交互平臺：可以通過組態、組合、定制等手段，完成不同子系統和消防設備不同類型的終端信息展示和交互，同時提供在交互中和系統數據的融合及信息關聯。

4)統一的支撐應用的決策系統平臺：實現數據中心的高可用技術，支持橫向擴展、監控和容災。

5 結束語

隨著國家大數據應用政策及“互聯網+”發展綱要實施，城市對公共安全的技術要求提高到了戰略性發展的地位，單一建筑體的消防系統從長遠看應實現互聯互通、數據的融合以及決策的協調，因此，對基于網絡架構的消防控制系統的研究具有良好的基礎和現實意義。

[1] 萬力.智慧單元及智慧總線可行性研究報告.安徽省電氣與信息化標準化技術委員會2016年課題.2016.4.

[2] 孫德斌.城市消防設施聯網監測系統關鍵技術分析與應用[J].武警學院學報. 2015,31(6):18-21.

[3] 孫建川.探究消防電氣設計在高層民用建筑中的應用[J].低碳世界，2015(1):222-223.

ResearchoftheIntegratedFireControlSystemBasedonNetworkArchitecture

Wan Li / Yao Kang

The characteristics of the automatic fire alarm system are analyzed from the perspective of the construction of the urban fire protection facilities network monitoring system in China,a standardize integrated fire control system based on network architecture is given,it’s not only can achieve interworking the fire control information,formation intelligent decision system,but also standardized the system architecture and improve the reliability of fire control.

automatic fire alarm system, architecture, fire site controller, fire decision-making command