適用于古建筑消防檢測(cè)監(jiān)測(cè)與滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李寧 楊俊東 丁洪偉 馬宏偉

【摘要】? ? 在我國(guó)古建筑資源豐富且火災(zāi)頻發(fā)的背景下，傳統(tǒng)消防設(shè)備在古建筑使用受限。基于此，筆者對(duì)現(xiàn)代古建筑的保護(hù)進(jìn)行了調(diào)查，針對(duì)古建筑的不可再生性，結(jié)合如今發(fā)展迅速的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、機(jī)器人以及無(wú)人機(jī)從監(jiān)測(cè)、預(yù)警和滅火三個(gè)方面構(gòu)建了針對(duì)古建筑的防火滅火系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、實(shí)用、安全性高和造價(jià)低的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】? ? 防火? ? 監(jiān)測(cè)? ? 預(yù)警? ? 滅火? ? 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)? ? 機(jī)器人? ? 無(wú)人機(jī)

引言：

近幾年來(lái)，古建筑火災(zāi)頻發(fā)，據(jù)我國(guó)應(yīng)急管理部消防救援局2019年發(fā)布的信息稱(chēng)，近十年來(lái)，全國(guó)共接報(bào)文物古建筑火災(zāi)392起，直接財(cái)產(chǎn)損失2808.9萬(wàn)元，損失的文化價(jià)值更是無(wú)法估量。2021年2月，云南省滄源市翁丁村老寨發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，火災(zāi)燒毀房屋104間，我國(guó)最后一個(gè)原始村落被毀，令世人痛心。歷史名城、歷史街區(qū)以及古建筑等市寶貴的不可再生的文化遺產(chǎn)，蘊(yùn)含著豐富的歷史信息，是研究古代歷史、藝術(shù)、科學(xué)以至社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)的重要?dú)v史資料，其已經(jīng)超越了物質(zhì)財(cái)富的象征，一旦遭受毀壞，結(jié)果會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的巨大損失[1]。保護(hù)好傳統(tǒng)街區(qū)，保護(hù)好古建筑，保護(hù)好文物，就是保存了城市的歷史和文脈。

一、古建筑防火現(xiàn)狀及痛點(diǎn)

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步各式各樣的火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。目前常見(jiàn)的火災(zāi)探測(cè)器按照檢測(cè)的內(nèi)容分為如圖1幾種種類(lèi)[2]。

但火災(zāi)探測(cè)器在古建筑上的應(yīng)用面臨著如下幾個(gè)問(wèn)題：

首先，傳統(tǒng)消防設(shè)備的安裝需要布置線(xiàn)路與管道，對(duì)古建筑的結(jié)構(gòu)造成一定的破壞;其次，火災(zāi)初起的五分鐘是撲救與疏散的黃金五分鐘[3]，而傳統(tǒng)煙感、溫感必須達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)才能夠被觸發(fā)，時(shí)常錯(cuò)失掉寶貴的五分鐘;最后，傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器無(wú)法將周?chē)h(huán)境的信息進(jìn)行量化上傳，有效的數(shù)字化、并構(gòu)建建火災(zāi)探測(cè)的傳感網(wǎng)。

二、總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

古建筑的不可再生性決定了古建筑的消防策略——“以防為主，防治結(jié)合”。結(jié)合目前信息通信發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)熱門(mén)方向，針對(duì)于古建筑消防滅火的陸天一體化火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖實(shí)現(xiàn)如圖2。

系統(tǒng)主要有監(jiān)測(cè)、預(yù)警和滅火三部分組成。結(jié)合古建筑的結(jié)構(gòu)布局，選擇性地在易燃點(diǎn)附近布置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為節(jié)約成本，在一些空曠、潮濕等起火概率較低或者不方便工作人員巡查的地域采用機(jī)器人來(lái)進(jìn)行移動(dòng)巡檢。定點(diǎn)檢測(cè)和移動(dòng)巡檢兩部分構(gòu)成了監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)將周?chē)h(huán)境信息上傳到云平臺(tái)。與平臺(tái)在處理分析保存數(shù)據(jù)過(guò)程中，一旦數(shù)據(jù)信息異常，迅速做出預(yù)警。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供的位置，迅速放飛無(wú)人機(jī)攜帶滅火材料對(duì)初期火情進(jìn)行控制，達(dá)到滅火的目的;若火勢(shì)發(fā)展迅猛無(wú)法控制，會(huì)及時(shí)向求援中心求助，并提供詳細(xì)的火場(chǎng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)救援提供幫助。整個(gè)過(guò)程的信息均會(huì)實(shí)時(shí)報(bào)告給古建筑負(fù)責(zé)單位。

2.1監(jiān)測(cè)方面

定點(diǎn)監(jiān)測(cè)上，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)連接的節(jié)點(diǎn)集成了煙霧、溫度等環(huán)境傳感器，將環(huán)境的數(shù)字化信息上傳到云平臺(tái)，在不對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)造成破壞的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行的監(jiān)測(cè)。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)繼承了煙霧濃度檢測(cè)、火焰檢測(cè)溫度監(jiān)測(cè)功能，組建基于NB-IoT的多傳感器數(shù)據(jù)融合無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)，如圖3所示。通過(guò)放置多傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)古建筑火情并向云平臺(tái)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。無(wú)火情時(shí)，節(jié)點(diǎn)NB-IoT處于睡眠態(tài)，傳感器在規(guī)律時(shí)間間隔內(nèi)不斷監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，以節(jié)省傳感器能量損耗，增加檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的使用壽命;發(fā)生火情時(shí)，NB-IoT被喚醒，實(shí)時(shí)傳輸傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并通過(guò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸位置信息至監(jiān)控中心，方便快速掌握火情和定位火災(zāi)位置，確保古建筑火災(zāi)及時(shí)得到處理。[4-5]

移動(dòng)巡檢上采用具有火焰識(shí)別以及路徑規(guī)劃的自研機(jī)器人在古建筑中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

目前，機(jī)器人在巡檢過(guò)程中，將實(shí)時(shí)圖像上傳到終端及進(jìn)行火焰檢測(cè)[6]。傳統(tǒng)的火焰檢測(cè)算法以識(shí)別火焰的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征為主，在復(fù)雜地環(huán)境中容易出現(xiàn)誤報(bào)問(wèn)題。基于深度學(xué)習(xí)地目標(biāo)檢測(cè)在檢測(cè)精度和時(shí)間復(fù)雜度上均有很大優(yōu)勢(shì)，目標(biāo)檢測(cè)能夠從圖像中精準(zhǔn)地識(shí)別初預(yù)定義類(lèi)別地物體示例[7]，深度學(xué)習(xí)則提高了目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確度和效率，兩者的結(jié)合能夠很好的降低火災(zāi)協(xié)同參與滅火過(guò)程。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后地模型已經(jīng)達(dá)到96%的正確率。

2.2預(yù)警方面

在預(yù)警方面，云平臺(tái)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以及機(jī)器人上傳的數(shù)字化信息實(shí)時(shí)的分析與保存，一旦數(shù)據(jù)異常則迅速預(yù)警，做到探火于瞬息。

2.3滅火方面

在滅火方面，一旦預(yù)警則放飛無(wú)人機(jī)攜帶滅火材料對(duì)初期火焰進(jìn)行撲滅，達(dá)到滅火作用，實(shí)現(xiàn)滅火于前兆防火于未燃。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文采用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)巡檢機(jī)器人與無(wú)人機(jī)解決傳統(tǒng)消防在古建筑場(chǎng)景下的針對(duì)性差，及時(shí)性差以及數(shù)字化程度低的問(wèn)題，構(gòu)建陸天一體化的以防火為主滅火于前兆的古建筑群防火滅火系統(tǒng)。具有響應(yīng)速度快、實(shí)用、安全性高和造價(jià)低的特點(diǎn)，有非常好的應(yīng)用前景。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]劉勇，董曉萌，袁荔.古建筑防火現(xiàn)狀及對(duì)策——以西安為例[J].城市發(fā)展研究，2014，21（10）：25-27.

[2]王建軍.文物古建筑科學(xué)防火思維與對(duì)策[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2014，33（11）：1334-1336.

[3]高新華，嚴(yán)文芳.民用建筑火災(zāi)發(fā)生初期撲救與疏散“5min黃金時(shí)間”理論探討[J].消防界（電子版），2019，5（10）：29-30.

[4]孫彥景，馮甜欣，李松，陳巖，蘆楠楠，云霄，刑天琳.基于NB-IoT的低速率監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（03）：95-98.

[5]張振國(guó).窄帶物聯(lián)網(wǎng)在“智慧消防”模式構(gòu)建中的應(yīng)用研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（12）：1739-1742.

[6]張乃祿，胡俊，馬隴偉，容濤，李永進(jìn)，張毅.基于視頻圖像的油田聯(lián)合站火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，28（04）：78-81+10.

[7]王文朋. 基于深度學(xué)習(xí)的火焰圖像識(shí)別研究[D].河南師范大學(xué)，2018.