三維可視化消防安全系統架構及其關鍵技術研究

陳 陽，劉 建，呂 帥

（1.重慶市地理信息和遙感應用中心，重慶 401147）

近年來，城市綜合體、TOD社區等大體量復雜建筑紛紛涌現，作為城市建設的地標級產物，其結構多樣、功能復雜、材料新穎，須配備的消防設施設備點位多、總量大，給消防設計和設備管理帶來了新的挑戰。在這些建筑物消防安全管理中，存在建筑內部結構復雜、進入重點防火部位路徑多樣、建筑物內可燃物位置分布不明確等現狀，使得消防救援無法快速有序開展，嚴重時甚至可能造成人員傷亡[1]。

傳統的建筑防火設計主要基于二維平面，設施設備也多以圖紙的形式展現；而利用傳統的靜態存儲管理模式無法處理目前信息化時代的海量數據，在系統管理的效率、系統設備的協調性、緊急救援的準確性以及逃生路線的優化等方面都難以適應新型建筑發展的需要。利用三維可視化技術建立消防安全預警防控系統，可將建筑、結構、設備等多專業信息與日常消防救援管理相結合，有效提高消防管理的效率和水平，適應現代建筑行業信息化發展的趨勢，加速整個行業的成長[2]。

本文建設了基于三維可視化技術的消防安全預警防控系統，并對消防安全關鍵技術進行了研究，以期達到消防安全透明化監督檢查、火災隱患動態掌控和輔助滅火救援的目的。

1 系統構建

1.1 系統架構

根據消防安全的應用需求，基于三維可視化技術的消防安全預警防控系統采用COM和SaaS架構，以通用性、穩定性為主導，進行分層設計和開發。整個系統架構從邏輯上分為基礎設施層、數據層、平臺支撐層、服務支撐層和應用層，如圖1所示。

圖1 基于三維可視化技術的消防安全預警防控系統架構

1）基礎設施層提供系統的網絡、服務器、存儲、安全、輸入/輸出等設施，以及保障上述設施正常運行的基礎軟件環境。該層是系統的軟硬件設施基礎，保證了數據的安全存儲、高效管理和快速傳輸，為三維消防預警系統提供了安全、高效和穩定的運行 環境。

2）數據層是三維消防預警系統的核心。在統一的數據標準與技術規范的規定下，該層由實景三維數據庫、基礎地理數據庫和實時消防監控數據庫組成；同時還包括空間數據之間的邏輯訪問和維護接口，用于接入新的消防物聯網數據。數據訪問接口具有通用性，可根據不同權限配置訪問不同數據，實現不同用戶的數據訪問與共享需求。

3）平臺支撐層包括整個系統所依賴的GIS平臺、互聯網服務平臺和消防監控平臺，構成了三維消防預警系統運行的技術支撐環境。

4）服務支撐層提供系統平臺的綜合服務支撐。該層主要包括二/三維地圖服務、資源目錄服務、功能應用服務以及消防數據接口服務等數據服務和功能服務。

5）應用層是直接與用戶交互的系統功能層，根據用戶差異化需求，構建和開發不同的應用，為各類用戶需求提供服務。該層建立在服務支撐層的基礎上，負責滿足用戶需求的數據庫管理，提供數據應用服務，主要包括瀏覽展示、信息查詢、地形分析、緩沖區分析、火情標記等[3]。

1.2 系統功能

基于三維可視化技術的消防安全預警防控系統可實現消防設施監測、火災預警報警、防火巡查、消防控制室人員在崗管理等多種功能。

1）建筑消防設施實時監控。通過安裝在建筑消防設施上的傳感器，實時采集火災自動報警系統、消防給水系統、防排煙系統、防火分離系統、消防電源系統等消防設施的工作狀態，并將其狀態發送至消防監控中心[4]。

2）消防設施故障隱患自動預警。當安裝在建筑消防設施上的傳感器采集到異常狀態時，系統通過物聯網監控終端的運算邏輯，自動判斷消防設施的故障隱患，并將故障隱患轉換為預警報文發送至消防監控中心。

3）火災實時報警。實時采集火災自動報警系統的數據，當系統發出報警且得到確認時，用戶信息傳輸裝置則將火災信息實時發送至消防監控中心[5]。

4）每日防火巡查。消防巡查人員每日對建筑消防設施進行掃碼巡查，若發現消防設施故障隱患或存在火災風險的不規范行為，則進行拍照并上傳至消防監控中心，由消防管理人員及時敦促相關部門對故障隱患進行維護，對不規范行為進行糾正。

5）消防值班人員脫崗監管。通過消防值班室的視頻監控和呼叫功能，可實時監督消防值班人員是否脫崗，當視頻未發現值班人員時，可通過系統進行遠程呼叫。

6）疏散通道和消防車道阻塞自動預警。通過視頻監控和圖形識別，判斷主要的消防疏散通道、消防車道和滅火作業面是否存在被阻塞隱患，若發生阻塞，物聯網監控終端則將阻塞預警信息發送至消防監控中心。

7）基于三維可視化的火災監測。以三維實景地圖為基礎，結合火焰和煙霧識別技術，通過高空攝像頭云臺的全方位旋轉對區域火災進行遠程監控，特別是對于無建筑消防設施的城市棚戶區的遠程監控。

2 系統關鍵技術

2.1 高分辨率在線無縫三維瀏覽技術

為了滿足海量地理三維數據儲存與管理、在線地圖服務、三維建筑物可視化、各類消防傳感器數據接入等需求，系統選用Supermap9D IServer作為地理信息可視化平臺進行服務。

1）承載海量地理數據，高性能運行。為保障用戶在線三維可視化的流暢瀏覽，系統采用Docker容器化技術實現GIS服務更細粒度的彈性伸縮與靈活部署。系統分層加載已分塊的三維建筑數據，實現了云GIS服務的高效率部署、高性能運行和低資源占用。針對超大體量的二維和三維地理數據集進行分布式空間分析和數據處理，能顯著提升傳統空間分析性能，且其性能隨著計算節點的增加接近線性增長。

2）支持多用戶并發訪問、運行效率高，基于云服務器的分布式流數據處理。IServer采用基于Spark的分布式架構，將Oracle數據轉化為更高效的空間數據庫進行運維管理，部署和維護也更加靈活。Spark Streaming在處理前，需對數據流進行分片，按照時間間隔形成小的批處理任務。當大量用戶同時對系統的不同功能頁面進行瀏覽時，IServer采用開放式并發控制，以滿足不同用戶的瀏覽查詢需求。

3）高性能動態渲染技術支持無縫切換二/三維視圖。采用先進的圖像壓縮和動態渲染技術，以及高性能分布式動態渲染技術，無需預先裁切瓦片，即可完成海量數據的快速發布與實時渲染，實現二/三維瀏覽的流暢無縫連接。

4）支持多種消防物聯網傳感器智能集群的高擴展性。系統涉及多種硬件的消防傳感器（視頻、水壓、煙霧、液面高度）和多種類型的地理數據（三維模型、影像、DEM），因此需要具備高擴展性以便集成跨硬件平臺、跨操作系統平臺的異構傳感器和數據集群，還需支持消防設備新類型傳感器的接入擴展。系統提供了平臺級的服務器擴展機制——領域空間信息服務擴展，即基于內核容器級的擴展機制，將行業功能與GIS服務平臺融為一體。

2.2 SaaS模式的智慧消防系統技術

基于物聯網的消防設施狀態信息實時交互可實現智能整合、動態感知、自動推送。通過構建基于SaaS模式的物聯網智慧消防系統，可實現建筑消防部件與事件的數字化、網絡化和空間可視化管理[6]。在建筑消防設施上采用統一的二維編碼，并在云端數據庫建立“一數一源”的對應關聯；在云端采用KPI關鍵指標和CAP預警（報警）機制，實時采集建筑消防設施工作狀態，監測異常報警信息，并進行主動推送，具有實時感知、高度并發、自主協同和預警報警等特征。云平臺還提供了大規模數據處理、數據共享和應用服務，將上述消防設施特征狀態和異常狀態數據融入云計算平臺中，并與消防業務相關應用系統相結合，從而形成物聯網智慧消防系統，創新地將物聯網技術與云計算有機融合在一起。

2.3 雙維度的三級報警技術

系統中采用雙維度的三級短信報警機制（圖2）：一級為報警短信發送給消防值班人員，二級為報警短信發送給消防責任人和消防維保人員，三級為報警短信發送給消防監管人員。

圖2 雙維度的三級分級報警機制

1）壓力維度（水壓曲線1）。當建筑消防滅火系統管網壓力低于一級報警壓力時，發送一級短信報警；低于二級報警壓力時，發送二級短信報警；低于三級報警壓力時，發送三級短信報警，以實現壓力維度的三級報警。

2）時間維度（水壓曲線2）。當建筑消防滅火系統管網壓力低于一級報警壓力時，發送一級短信報警；在維持該低壓力值超過24 h后發送二級短信報警；在維持該低壓力值超過48 h后發送三級短信報警，從而建立時間維度的三級報警機制。

2.4 傾斜攝影與多種數據相結合的精細化三維重建技術

利用ContextCapture軟件對五鏡頭攝影測量系統采集的傾斜數據進行空三解算、實景三維重建，得到的實景三維模型在低矮建筑物側面、道路兩側等數據采集不完整的區域會產生紋理拉花、結構扭曲、破面缺面等問題。對于系統中的實景三維模型，采用手持數碼相機拍攝的近景影像、車載移動測量系統采集的全景影像、三維激光掃描儀采集的點云數據等多種數據源融合的方法對數據采集不完整區域進行精細化三維建模，可有效解決由單一傾斜攝影無法采集到部分區域數據而造成的紋理拉花等問題[7]。試點區域實景三維模型如圖3所示。

圖3 試點區域實景三維模型

3 結 語

基于三維可視化技術的消防安全預警防控系統通過物聯網監控、三維可視化實景呈現的方式，為智慧消防提供了客觀、真實的數據；并通過對火災自動報警系統、消防給水系統、防排煙系統、防火分離系統、消防電源系統等消防設施的遠程實時監測，防止了消防設施出現長期處于故障或癱瘓狀態、消防系統不能及時聯動、消防設施陳舊老化等 情況，及時發現消防設施故障，并告知相關負責人盡快排除故障隱患，從而有效避免了火災發生后設施不能聯動控制的狀態，將火災造成的損失降到最低。

建筑物一旦發生火災，通過建筑物內消防物聯網的監控數據，結合三維可視化的呈現方式，可為人員逃生和滅火救援提供最佳的逃生路線指引。系統內的火災現場監控、視頻及其實景三維數據可為消防部門快速制定滅火方案提供有力支撐。同時，利用三維實景和高空攝像能為無建筑消防設施的城市棚戶區、老舊城區提供火災預警和防控，為減少和控制城市火災提供實時準確的服務。