火情評測預警及疏導系統設計

張錚 郭志宏 吳文濤

摘要：“火情評測預警及疏導系統”是由火災探測器、消防火災報警主機、消防應急標志燈具、智能疏散系統控制主機等設備組成的一套智能消防疏散系統。通過傳感器的數據采集功能、ZigBee信息無線通信技術以及計算機數據處理能力對管理空間的各個位置的環境進行檢測和數據分析，以達到及時高效的火情判斷、火勢預測、火災預警、自動滅火等功能，顯示著火位置，并為緊急疏散逃生提供最佳逃生路線等智能指導。ZigBee網絡化管理傳感器能使火災發生部分傳感器失效時，整個系統仍然能夠正常工作，保證了系統的可靠性。

關鍵詞：火情評測;預警;疏導;系統

火災早已成為我國常發性和破壞性以及影響力最強的災害之一。從國內外的文獻來看，對于火災火勢評測系統與人員緊急疏散系統相結合的研究少，主要側重于人員疏散。鑒于此，設計出具有人機交互界面，可對應急標志燈具實時巡檢、并與報警主機系統聯動、在有火災發生時根據起火位置智能選擇最佳逃生路線進行疏散指示的綜合系統顯得尤為重要。

一、系統實現

本系統由探測器中的各類傳感器進行數據采集，將采集的數據通過無線通信網絡傳入中央控制器，中央控制器對數據進行系統分析處理，當發生火災時，中央控制器對火勢大小、火勢蔓延預測、可燃氣體分析數據綜合計算，并在顯示終端輸出著火位置、火情等級、最佳疏散逃生路線等。系統框架圖如圖1所示。

（一）實時監控信息的采集與傳遞

1.可燃氣體與煙霧實時檢測。基于優異性能的MQ-2可燃氣體煙霧傳感器對當前環境進行檢測，單片機控制無線網絡傳輸信號給中央控制器。當環境狀況正常時，中央控制器不進行警告;當環境可燃氣體或者煙霧超出預設范圍時，中央控制器進行數據分析，并結合環境溫度數據決定是否發出火災預警或警報。

2.溫度實時檢測。本系統基于能受高溫的鉑熱電阻溫度傳感器對當前溫度進行檢測，與煙霧傳感器協同用無線網絡傳輸數據給中央控制器，并由其判斷是否發出預警或者警報。

（二）信息傳輸網絡的建立與維護

該網絡基于遵從ZigBee2007規范協議棧的Z-Stack的終端節點應用層設計。網絡化管理傳感器使得當火災發生部分傳感器失效時，整個系統仍然能夠正常工作，保證了此系統的可靠性。在當前環境正常但傳感器失效時，中央控制器進行數據分析，進行預告，以便技術人員進行維護。

二、顯示終端智能化

顯示終端包括電子屏和報警器，安放于整個防護對象的各個安全且醒目位置，正常狀態處于休眠狀態，當收到中央控制器信號時喚醒控制此系統中的單片機，控制系統進行各項活動，用于警示受困群眾及提供最佳疏散逃生路徑。

（一）報警系統

報警系統采用BC-6工業聲光電子蜂鳴器，該報警器功率大、可靠性高，當收到報警信號后發聲警示。

（二）電子屏

電子屏采用LED顯示屏，LED顯示屏具有成本低、質量穩定的特點。收到相應單片機的信號后顯示最佳疏散路徑高效指導受困人員疏散逃生。

三、中央控制器數據分析

中央控制計算機位于監控室，對無線網絡傳來的數據進行系統分析，并做出回應并執行相關策略。

（一）中央控制器相關數據設定

中央控制器數據設定包括傳感器閾值設定、環境因素系數設定。中央控制器通過傳感器傳回的數據與設定閾值對比做出相應計算并回應，若發生火災，控制器通過環境因素系數與現時狀況數據綜合分析得出著火位置、火情等級、火勢預測、最佳疏散和逃生路線等其他重要信息并迅速有效地將其反饋到顯示終端。

1.傳感器閾值設定。中央控制器設定正常環境的相關數據閾值，當傳感器傳回的數據超過相對應的閾值時，開始進行異常分析。

2.環境數據設定。環境數據設定包括對建材、空間用途等環境因素數據進行設定。火勢蔓延預測與空間中相關的材料可燃性有較大聯系，用戶輸入建材類型與空間儲存相關材料，計算機進行數據分析，得出材料的可燃性系數，從而在火災發生時參與火勢蔓延預測。

3.警報觸動臨界點及火情分段警報啟動閾值設定。設定警報觸動的臨界點及火情分段警報閾值，經控制器分析后若數據超過臨界點發生警報，并將分析后的數據與閾值進行對比，輸出相應火警等級。

（二）數據處理

傳感器的數據通過無線通信網絡將數據傳到中央控制器，中央控制器將通過所得數據和已設定的環境因素系數計算出火情出現的位置、火勢預測信息、最佳疏散和逃生路徑并傳入顯示終端，同時中央控制器將打開自動滅火裝置。

1.傳感器數據處理。正常環境下，將網絡發來的數據與設定閾值進行對比：若正常則不做出緊急響應;若低于閾值，進行故障定位，提醒管理人員維修;若單一數據高于閾值，馬上提醒管理人員，進行檢查。

2.綜合數據分析。若多組數據高于閾值，做出緊急反應：對多組異常數據進行定位，輸出位置，并將此數據與火情分段警報閾值進行對比，輸出相應火警等級，啟動自動滅火裝置，若火情等級低，則對相應樓層或區域顯示終端發出信號警報，并在控制器端予以顯示，為警報管理員做出相應決策提供幫助;若等級過高，則發出嚴重警報，將警報發至整個空間，并同時進行火勢預測與最佳路徑計算。數據處理過程包括如下幾個階段：（1）火情現狀計算：控制器通過傳感器的失效位置與數量計算火情并迅速判斷輸出火災位置及火情等級、（2）火勢蔓延預測，根據已有的火情數據以及設定的環境因素數據計算火勢蔓延速度及區域、（3）最佳路徑計算，根據已有火情數據以及蔓延預測數據，計算最佳疏散及逃生路徑，并將此三組數據輸出。

四、中央處理器總輸出

中央處理器顯示器在正常狀態下檢測數據，當出現以下情況時做出相應操作：（1）單一傳感器數據低于閾值失效，顯示該傳感器位置。（2）單一傳感器數據高于閾值時，警報通知管理員及控制相關區域報警通知。（3）多組傳感器數據高于閾值時緊急報警，并顯示火情區域及等級，輸出火勢蔓延預測數據、輸出最佳疏散及逃生路線。以便報警人員能有效準確地完成報警操作，消防部門亦可迅速派出有效警力，使得受困群眾能高效疏散及撤離火場。

五、電源設計

除中央控制器外，所有設備均采用獨立電源設計，以增強此系統的可靠性和獨立性。在有外接電源的情況下，設備電源充電，并以外界電源為工作電源;當外接電源無法供電時，由設備自帶電源供電，確保各終端能正常高效工作。

六、總結

經實際測試，本系統能準確判斷火災現狀及預測火情并將數據提供至報警人員，保證了報警及出警高效性，同時第一時間將疏散和逃生的引導信息傳送至受困人員，顯著提高了疏散和逃生效率。

【2018年浙江省大學生科技創新活動計劃（新苗人才計劃）資助項目（2018R454009）】

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