基于大數(shù)據(jù)的智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)探討

吳先洪，車 輝，楊 波，邢慧芬，樊玉琦

（1.深圳市智為科創(chuàng)技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.織里鎮(zhèn)公共事業(yè)服務(wù)中心，浙江 湖州 313000；3. 中國移動通信集團山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000；4.巢湖學院 信息工程學院，安徽 合肥 238000；5.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

近年來，全國多個地方連續(xù)發(fā)生重特大火災(zāi)事故，火災(zāi)防護形勢十分嚴峻，消防工作面臨著極大考驗，因此提升消防工作效率，研究基于大數(shù)據(jù)的智能消防系統(tǒng)成為重中之重。2017年10月，公安部消防局下發(fā)了《關(guān)于全面推進“智慧消防”建設(shè)的指導意見》，旨在全面提升我國消防運行效率，提高應(yīng)急響應(yīng)速度，保障人民生命與財產(chǎn)安全。智慧消防[1-2]是利用物聯(lián)網(wǎng)[3]、人工智能、大數(shù)據(jù)[4]和云計算[5]等技術(shù)，實現(xiàn)城市消防的智能化，用以提高信息的傳遞效率、保障消防設(shè)施完好、改善執(zhí)法及管理效果、增強救援能力、降低火災(zāi)發(fā)生概率及其造成的損失。

傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)由于受到當時技術(shù)環(huán)境、財政預(yù)算等條件的制約，缺少頂層架構(gòu)設(shè)計，使得各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)層相互獨立，且獨立向外提供服務(wù)、認證、接口和安全服務(wù)，導致數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重。傳統(tǒng)智慧消防頂層架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿足智慧消防的建設(shè)需求，具有開發(fā)部署靈活、擴展性強等優(yōu)點。但是由于缺乏頂層架構(gòu)設(shè)計，因此各子系統(tǒng)相互獨立、缺乏統(tǒng)一認證管理，導致資源浪費、系統(tǒng)安全風險較高等。隨著消防技術(shù)的不斷成熟和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，較大的消防系統(tǒng)集成商出現(xiàn)，傳統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)逐步被整體式智慧消防系統(tǒng)和分層式智慧消防系統(tǒng)取代。

1 整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

在整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)中，各子系統(tǒng)的感知層和網(wǎng)絡(luò)層彼此獨立，負責采集終端的消防數(shù)據(jù)，并接受上層控制。數(shù)據(jù)層則匯聚底層各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，各子系統(tǒng)的共有大數(shù)據(jù)管理平臺負責消防數(shù)據(jù)的存儲、處理、統(tǒng)計分析、安全認證和數(shù)據(jù)接口，為應(yīng)用層提供服務(wù)。應(yīng)用層通過APP、Web和數(shù)據(jù)墻等方式向用戶提供服務(wù)。整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

整體式智慧消防系統(tǒng)從頂層設(shè)計時就考慮了數(shù)據(jù)的融合與統(tǒng)一，并由應(yīng)用層統(tǒng)一向外界提供服務(wù)，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，降低了應(yīng)用層的開發(fā)成本。大數(shù)據(jù)管理平臺統(tǒng)一對外提供安全認證和數(shù)據(jù)接口，提高了系統(tǒng)的安全性，降低了管理的復(fù)雜度。

消防各子系統(tǒng)由于承擔的功能不同，因此對數(shù)據(jù)的處理速度、時延要求存在明顯差異。但整體式智慧消防系統(tǒng)由大數(shù)據(jù)管理平臺統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理和底層終端響應(yīng)，因此對平臺的性能和底層數(shù)據(jù)存儲、計算等硬件的要求較高，導致平臺軟件開發(fā)復(fù)雜度和底層硬件的成本較高，反而不利于應(yīng)用和推廣。

2 分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

在分層式智慧消防系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)增加了一個數(shù)據(jù)平臺層，用于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，從而提高各子系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時降低大數(shù)據(jù)管理平臺開發(fā)的復(fù)雜度和對底層硬件的要求。在分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)中，系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。其中在基礎(chǔ)層中各子系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及部分數(shù)據(jù)的處理，如對底層終端的控制信息和對時間敏感性較高的數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)匯聚到大數(shù)據(jù)管理平臺，由大數(shù)據(jù)管理平臺提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、查詢功能，并統(tǒng)一向外提供認證、數(shù)據(jù)接口等，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間和安全性。分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)各子系統(tǒng)增加了一個數(shù)據(jù)處理層，負責對底層時間敏感性數(shù)據(jù)的處理，如火災(zāi)告警信息的判斷處理，從而提高數(shù)據(jù)的處理速度，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間；同時各子系統(tǒng)根據(jù)需求部署相應(yīng)的存儲和處理硬件，降低系統(tǒng)的建設(shè)成本；系統(tǒng)向外提供的認證和數(shù)據(jù)接口等功能統(tǒng)一由大數(shù)據(jù)管理平臺完成，因此系統(tǒng)具有較高的安全性；系統(tǒng)還具有較好的靈活性和擴展性，具備較高的應(yīng)用價值。

3 三種消防系統(tǒng)架構(gòu)對比分析

3.1 系統(tǒng)安全性分析

傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)各子系統(tǒng)由不同的集成商建設(shè)，數(shù)據(jù)存儲在不同的服務(wù)器上，相互獨立，缺乏統(tǒng)一的認證管理和對外服務(wù)接口，從而給數(shù)據(jù)造成了很大的安全隱患。

整體式和分層式智慧消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在大數(shù)據(jù)管理平臺中，并由大數(shù)據(jù)管理平臺統(tǒng)一對外提供安全認證和數(shù)據(jù)接口，因此系統(tǒng)具有較高的安全性。

3.2 系統(tǒng)可擴展性分析

在傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)相互獨立，因此具有較高的可擴展性；分層式智慧消防系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)的優(yōu)點，新建的子系統(tǒng)保持獨立，將部分數(shù)據(jù)處理分析功能交給上層的數(shù)據(jù)管理平臺，因此也具有較高的可擴展性。

整體式智慧消防系統(tǒng)由大數(shù)據(jù)管理平臺統(tǒng)一對終端設(shè)備進行管理和數(shù)據(jù)處理分析，新建子系統(tǒng)不但會增加平臺的數(shù)據(jù)處理和管理復(fù)雜度，而且如果新增子系統(tǒng)的時間敏感性更高，則平臺和底層存儲將難以適應(yīng)新的應(yīng)用需求，因此系統(tǒng)可擴展性較差。

3.3 系統(tǒng)服務(wù)器性能分析

在傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)相互獨立，擁有獨立的數(shù)據(jù)存儲和處理功能，因此可以根據(jù)各子系統(tǒng)的實際需求配置服務(wù)器，從而降低底層硬件部署的復(fù)雜度和成本。而分層式智慧消防系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)的優(yōu)點，只是把部分數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能交給上層處理，因此服務(wù)器的部署成本和復(fù)雜度也較低。

整體式智慧消防系統(tǒng)統(tǒng)一對數(shù)據(jù)進行處理和底層設(shè)備管理，由于平臺連接設(shè)備數(shù)量巨大、設(shè)備并發(fā)性較高，這就對系統(tǒng)的性能和處理速度具有較高的要求。而系統(tǒng)是根據(jù)各子系統(tǒng)中性能最高的要求進行設(shè)計，因此系統(tǒng)底層硬件部署的復(fù)雜度和成本都較高。

3.4 系統(tǒng)復(fù)雜度分析

傳統(tǒng)式智慧消防系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互獨立，新增加的數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層只是模塊的疊加，而且各子系統(tǒng)獨立設(shè)計，關(guān)聯(lián)度較低，因此系統(tǒng)并不復(fù)雜。

整體式智慧消防系統(tǒng)由統(tǒng)一的平臺進行管理，需要處理的數(shù)據(jù)量巨大，因此對平臺軟件的性能與底層硬件的性能、系統(tǒng)開發(fā)、硬件部署等方面要求較高，導致系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

分層式智慧消防系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)式和整體式智慧消防系統(tǒng)的優(yōu)點，把對底層設(shè)備的控制和部分數(shù)據(jù)處理交給各子系統(tǒng)，從而縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間；把數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析等功能交給大數(shù)據(jù)管理平臺，從而降低軟件開發(fā)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)性能。

4 分層式智慧消防系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

某地區(qū)是浙江省智慧城市示范試點之一，在做智慧消防頂層規(guī)劃時，采用了分層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方式，先后建成了智能預(yù)警系統(tǒng)[6]、消防栓水壓監(jiān)測系統(tǒng)[7]、智慧用電系統(tǒng)[8]、智慧安監(jiān)系統(tǒng)[9]和消防流動人口管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)[10]，并由大數(shù)據(jù)管理平臺進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、安全認證和系統(tǒng)對外對接，實現(xiàn)了消防區(qū)域的用電、消防栓水壓、煙感數(shù)據(jù)、門禁數(shù)據(jù)、攝像頭數(shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)、出租房數(shù)據(jù)的采集、存儲及數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和消防聯(lián)動。某地區(qū)智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)建過程中引入云化和分布式核心技術(shù)，結(jié)合Redis、MySQL等開源軟件，突破傳統(tǒng)架構(gòu)的容量和性能瓶頸。通過應(yīng)用服務(wù)化、負載均衡、異步處理解耦、高速緩存和底層的分布式數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。在接口方面，基于系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)實現(xiàn)前后端系統(tǒng)分離，前端系統(tǒng)通過RPC方式調(diào)用后端系統(tǒng)提供的服務(wù)，即后端系統(tǒng)以API發(fā)布的方式為前端系統(tǒng)提供服務(wù)能力；系統(tǒng)與其他外圍子系統(tǒng)交互基于定義的數(shù)據(jù)交互接口規(guī)范實現(xiàn)，各外圍子系統(tǒng)可以通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接的接口規(guī)范來達到與系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的目的。

建成后的智慧消防大數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)了統(tǒng)一設(shè)備管理、統(tǒng)一接入管理、統(tǒng)一標注管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和企業(yè)安全管理等功能。通過該系統(tǒng)不但能夠?qū)z像頭、煙感傳感器、水壓設(shè)備、電表設(shè)備和門禁設(shè)備標注在地圖上，也能夠?qū)崟r接收、顯示、處理所管轄設(shè)備的基礎(chǔ)信息及設(shè)備運行狀態(tài)。同時，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、查詢和展示功能，如安監(jiān)巡防場所巡查數(shù)據(jù)統(tǒng)計、安居巡防街道變化對比和安監(jiān)巡查記錄。圖5為某地區(qū)智慧消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)墻。

圖5 智慧消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)墻

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)消防系統(tǒng)由于受到當時技術(shù)環(huán)境、財政預(yù)算等條件的制約，缺少頂層架構(gòu)設(shè)計，使得各系統(tǒng)相互獨立，嚴重阻礙了智慧消防的建設(shè)和發(fā)展。文章根據(jù)消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的不同，提出了整體式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)和分層式智慧消防系統(tǒng)架構(gòu)，并對2種系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)劣性進行了討論。智慧消防通過統(tǒng)一大數(shù)據(jù)平臺把各子系統(tǒng)進行融合，從而實現(xiàn)消防數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，有效提高消防部門的管理效率。該系統(tǒng)具有一定的實踐和推廣價值。

注：本文通訊作者為車輝。