基于CPS的智慧消防應用探討

雷馮近 李百毅 鄭 敏 張 彪 李宗潤

(1.西南交通大學，四川 成都 610000；2.四川省建筑科學研究院有限公司，四川 成都 610000； 3.四川省中壘華建消防科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

伴隨城市建設的日新月異，消防安全風險不斷上升，傳統的消防工作模式已經無法適應新形勢、新挑戰，無法滿足火災防控、滅火救援和消防管理的現實需要。2017年，公安部消防局下發《關于全面推進“智慧消防”建設的指導意見》[1]，從城市物聯網消防遠程監控系統、實戰指揮平臺、高層住宅智能消防預警系統、數字化預案編制和管理應用平臺、社會消防安全管理系統等方面指導智慧消防的建設，將物聯網、大數據、云計算等信息技術與消防工作進行深度融合，推動傳統火災防控和應急救援工作模式向科技化、信息化、智能化轉型升級，提升消防人員的應急救援能力，提高消防遠程監控與集中管理的水平。

1 智慧消防存在的問題及需求

智慧消防是智慧城市的重要組成部分，是一種將現代信息技術與消防工作進行深度融合的消防動態決策系統。智慧消防運用物聯網、大數據等技術進行數據實時、動態、互動的收集、傳遞和處理，在數字平臺上進行數據分析并及時預警，同時將調度指令反饋給相關部門，并且能進行自我不斷優化，實現火災防控精準化、救援指揮智能化、管理工作高效化[2,3]。智慧消防具有廣泛性、共享性和智能性的特點，消防信息感知網絡覆蓋社會生活的多個領域，需要個人、多部門的配合和支持，共同分享和使用消防信息，通過大數據、云計算、地理信息、遠程監控等技術對信息進行整合分析，實現一張圖指揮、調度、分析、決策的滅火救援模式，最大限度地減少火災發生率以及降低火災帶來的生命財產損失[1,4]。

1.1 消防的現存問題

目前，我國消防火災防控基礎薄弱，消防信息化建設滯后，存在消防設備監督難、火災預警不及時、火災現場情況不明、消防資源不清、指揮調度盲目等問題。在火災發生時，無法及時主動報警，只能靠人為電話報警，延誤救火時機；在進行現場救火時，現場火災發生位置、受困人數、消防水源狀況、建筑物構造不清楚，救援處于被動，并且由于現場情況不明只能依靠經驗通過語音溝通指揮救援，救援效率低且容易造成消防人員傷亡；在日常火災防控中，由于人工監督檢查難度大，無法及時掌握火災噴淋設施、消防滅火設施、火災預警設施的損壞情況。

1.2 智慧消防的需求

針對消防所存在的問題，智慧消防的需求主要集中于以下幾方面：一是實現火災防控自動化，建立實時的火災監控網絡，通過圖像識別技術、感溫感煙探測器等對現場情況進行識別分析，判斷火災風險并自動報警；二是實現應急救援智能化，將遠程監控、物聯網、信息物理系統、無人設備等技術運用于消防救援中，做到能感知火災還能感控火情，實現火災現場可視化，使用無人機、消防機器人等設備執行危險救援任務，提高科學救援水平；三是實現消防業務管理精細化，完整記錄救援過程，與相關部門做到數據銜接、共享，做到信息公開，提高規范化水平[4]。

2 信息物理系統(CPS)

CPS是基于3C(Computing，Communication，Control)技術有機融合和深度協作的綜合技術體系，利用計算技術、通信技術和智能控制技術實現物理空間和信息空間的數據交互，其隱藏著巨大的潛力。

2.1 CPS概述

信息物理系統(CPS)是支撐信息化和工業化深度融合，在工業和信息技術范圍內跨學科、跨領域、跨平臺的綜合技術體系。CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。其本質是構建一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化[5](如圖1所示)。

2.2 CPS的三個層次

CPS具有單元級、系統級、系統之系統級(SystemofSystems，SoS級)三個層次，單元級CPS通過組合和集成構成系統級CPS，系統級CPS通過云計算、大數據等平臺構成SoS級CPS。單元級CPS是由自動控制硬件、工業軟件和通信模塊構成的CPS最小單元，具有不可分割性，其自身具備數據自動流動的“感知—分析—決策—執行”基本閉環，能夠實現設備的自我資源優化配置。系統級CPS是多個單元級CPS以及非CPS單元設備的集成，引入統一網絡(如CPS總線)對多個單元級CPS進行指揮管理，確保彼此的交互協作，實現單個系統范圍內的資源優化配置。SoS級CPS是多個系統級CPS的集成，構建起CPS智能服務平臺，確保系統級CPS間的協同優化，實現更大范圍的資源優化配置[5](如圖2所示)。

3 基于CPS的智慧消防應用體系

我國消防目前存在消防設備監督難、火災預警不及時、火災現場情況不明、消防資源不清、指揮調度盲目等問題，基于物聯網的智慧消防仍存在“物”聯范圍較小、各系統融合度低、遠程控制功能不完善等不足。相較于物聯網，CPS在智慧消防建設上具有更大的優勢，因此為了完善智慧消防，將基于CPS的單元級、系統級、SoS級三層次，逐級建立智慧消防的應用體系。

3.1 單元級

單元級CPS智慧消防應用體系由物理裝置和信息殼構成，物理裝置包括物理實體、傳感器、執行器、信息交互設備等，如溫感傳感器、火災探測報警器、消防噴淋設備等；信息殼具備感知、計算、通信和控制等功能，是連接物理裝置和信息世界的橋梁。物理裝置通過傳感器監測建筑內部的溫度變化、煙霧濃度等數據，通過信息殼將這些物理實體的數據“數字化”，經由消防實戰指揮平臺的分析反饋，通過信息殼或者執行器對物理實體進行控制，比如控制消防噴淋頭進行定點滅火并實時上報火情。

3.2 系統級

系統級CPS協同控制和聯動多個單元級CPS,實現局部消防資源的自組織、自配置、自決策、自優化。系統級CPS智慧消防應用體系基于RFID(射頻識別)無線傳感、大數據等技術，包括火災防控、報警聯動、設施巡檢、消防監督等多個方面，遠程監控消防設施的維護情況、消防水資源狀態、易燃物分布、火場實時情況等，做到對火災的早預防、早發現、早處理。

3.3 SoS級

SoS級可以通過大數據平臺實現跨平臺、跨系統的聯通以及信息共享共用，實現全局范圍內的信息全面感知、深度分析、科學決策和精準執行。SoS級CPS智慧消防應用體系依托邊界接入平臺、公安PGIS、消防信息網及指揮調度網，借助城市應急信息系統獲取災情動態、數據以實現災情信息實時化，借助GIS和BIM獲取災害場所的地理信息、建筑信息、周邊資源及消防設施信息以實現作戰對象精準化，通過遠程監控系統采集消防資源、設備、人員等信息以實現力量信息精準化，應用BIM、移動指揮終端以實現作戰指揮可視化，建立指揮、調度、分析、決策“一張圖”的實戰指揮平臺，并且通過大數據平臺與政府應急聯動部門、社會企業、居民住宅管理部門等進行信息共享，充分調動全局資源[6]。此外還可以建立數字化預案編制和管理應用平臺，基于實戰指揮平臺以及其他系統采集的數據，進行數字化預案編制、火情復盤、火災模擬演練[1]。

4 基于CPS的智慧消防應用場景

CPS是基于計算、通信和控制的綜合體系，可以將其應用于智慧消費者的火情防控預警、火災應急救援、消防設施維護等場景。

4.1 火情防控預警

利用圖像識別、射頻感知、電氣監控等技術監控建筑內部情況，通過溫度、煙霧傳感器等設備將火災產生的煙霧、高溫、氣體等信息轉化為數字化信息，借助大數據平臺對數據進行分析、傳遞，預判火災風險并自動報警，避免耽誤救援時機，并將火災信息發布于移動APP上告知周圍群眾。

4.2 火災應急救援

在進行火災救援時，往往存在現場情況不明、消防設備不清的情況，使救援處于被動。可通過視頻監控系統反饋火災現場情況，并根據傳感器監測到火災情況自動切換到相應監控點，將數據反饋回實戰指揮平臺，通過光、聲音等指示現場救火人員。依托BIM建立建筑三維立體模型，將建筑結構、樓梯走廊布置、消防設備分布實現可視化，聯動救援人員身上佩戴的GPS系統以及遠程監控系統，規劃最佳救援路線，并根據實時情況進行優化。

4.3 消防設施維護

消防設施人工檢查難度大，無法實時掌握設施狀況。通過采集火災噴淋設施、消防水箱、消防供水管道等設備的實時運行數據，融合多源信息，對裝備性能、安全、狀態等進行特性分析，預測可能出現的異常情況，并提前采取適宜的措施對異常狀態進行預測性維護。當設備發生故障時，專家可進行遠程征兆性診斷，在虛擬設備中進行預演推測維修方案，及時快速解決故障。

5 結語

CPS作為支撐信息化和工業化深度融合的綜合技術體系，具有廣闊的應用前景。智慧消防是消防安全建設的必然趨勢，借助CPS完成消防領域信息化和工業化的深度融合，從單元級、系統級、SoS級構建智慧消防應用體系，將CPS運用于火情防控預警、火災應急救援、消防設施維護等場景，推動消防資源配置方式以及指揮調度方式的優化，提高消防救援的能力、效率以及安全性，促進消防工作模式由“傳統”轉變為“現代”，實現真正意義上的智慧消防。