基于物聯網的智能化消防系統研究

李良創，羅梓聰，阮彥俊，吳澤宇，鄭雯戈，王文迪

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州，510000）

1 智能化消防系統研究

1.1 設計方案

在落實現代科技與消防管理工作的深度融合的基礎上，為提高變電站、換流站的消防公共服務能力，充分利用物聯網、 云計算、大數據、人工智能等先進技術，構建集成消防設施狀態識別、全時段線上監測報警、日常監管、智能分析、安全評估于一體的消防監管和服務體系，整合站內各消防子系統，接入各子系統數據和控制功能，實現數據融合存儲與及集中控制；通過調用人工智能平臺成熟算法，發現設備運行隱患，也為后續算法開發、運行提供環境，有效提升設備運行數據的應用水平與應用效果；完成全站三維建模，結合物聯網平臺應用三維建模完成站內設備與運行狀態的直觀展示，結合智能裝備與人工智能，輔助完成消防安全管控。從而實現變電站、換流站消防信息化條件下火災防控、數智消防管理工作轉型升級，全面提升消防監管水平和火災防控能力[2]。

1.2 系統架構設計

系統采用四層架構設計，主要有感知層、服務層、應用層和展示層構成。如圖2所示。

圖2 系統架構圖

1.3 智能化消防系統應用設計

感知層主要包括視頻監控、火災自動報警、煙感探測、裂解質監測分析、電纜溫度監測、蓄水池水位監測等子系統。裂解質檢測分析系統針對燃燒前產物（裂解質）進行探測。實現火災極早期高靈敏度、高可靠性的感知。能于火災第一階段（熱分解期）報警，爭取最長的反應時間，將生命及財物損失降到最低點。

智能化消防系統服務層主要提供算法模型服務和數據管理服務。可以提供消防設備狀態識別模型、消防提前預警模型、消防報警模型、消防安全評估模型；可提供數據治理、數據監督、數據結構化處理以及數據分類等功能。

在消防物聯網主機部署信息采集裝置，利用物聯網動態感知技術，獲取各設備的運行參數。并自動實時傳輸到消防管理系統。消防管理系統對收集的信息進行處理分析，得出各設備設施的運行狀況，當被監測消防設施發生故障或狀態不正常時，消防管理系統發出故障告警指令，同時聯動視頻監控系統。方便管理人員遠程確認故障狀況并及時處理，節約故障恢復時間。構建火災提前預警模型，消防物聯網主機實時接收來消防系統收集的被監測環境消防指標數據。當被監測區域環境指標超出正常范圍時候。向監控中心提前發起預警,以彈窗的形式進行告警。告警的同時可聯動告警位置關聯的安防視頻。方便管理人員遠程查看現場情況、進一步采取相應措施。火災提前預警機制可幫助管理人員有效消除火災發生的各種隱患，很大程度減少火災帶來的損失。構建火災報警模型，當被監測區域發生火災時，消防系統將信息發動到報警裝置。報警裝置發起火災警報，聯動自動滅火裝置，同時將報警信息發送給物聯網主機，物聯網主機根據報警的具體情況將告警信息發動到消防監控中心，同時聯動發生火災的安防視頻。方便管理人員遠程掌握火災情況，為消防時間遠程指揮、實施遠程滅火提供的智慧化方案。構建消防安全評估模型消，通過收集設備運行狀態、監測環境消防指標等數據，多層次、多維度綜合評價消防安全水平，評價的維度包括：設備運行狀況、巡檢完成情況、隱患整改情況等多個方面。

系統利用數據治理工具，對設備臺帳數據、在線監測數據、缺陷/故障數據等多 類數據，按要求進行規整化處理，提高數據的可靠性，清洗無效數據，將價值回饋于業務。在數據結構層面分析識別數據值域及分布、數據類型和數據格式；在數據內容層面，自動分析并直觀展現數據實體及屬性；在數據關系層面，剖析得出各字段的數據值、數據格式、值域、長度、分散度、空值率等重要數據特征。數據的結構化處理過程，可以達到結構不改變，數據規范性、完整性極大提高的目的。針對抽取過來的非結構化數據，先按照數據的行為將數據分為靜態數據和動態數據；再通過多表關聯，將數據單獨成表，動態更新數據條目。針對不同的業務需求場景，對數據進行分類整理，根據算法關聯度推送需求數據；在機器學習的過程中，優化機器學習對數據資源的利用效率，將數據按照業務類別進行劃分后再分類為訓練數據集、測試數據集和驗證數據集，完成算法的學習、測試和驗證[3]。

智能化消防系統應用層主要有設備狀態識別、消防提前預警、消防安全評估等功能。設備狀態識別主要包括：對消防主機儀器顯示、感溫光纜設備、裂解質設備、電氣火災設備、蓄水池、水泵、滅火器設備的狀態識別。消防提前預警包括裂解質分析火災預警、電纜溫度監測預警、視頻聯動及AI分析預警、煙火分析監測預警、消防通道監測預警、蓄水池水位水流量監測預警、滅火器監測預警和消防報警功能。消防安全評估主要有消防設備安全評估和環境安全評估。視頻聯動及AI分析預警是對視頻AI分析應用系統通過接入重點場所、疏散出口、消防通道、配電房內的安防監控視頻，對人員、物品、火焰及煙霧進行實時分析，如監測到異常事件（人員離崗、物品占用、火焰及煙霧）后，將自動把報警信息發送至智能化消防系統，系統能及時準確地給出報警。

煙火分析監測預警充分利用配電房、會議室、實驗室、庫房等重點區域現有監控系統的實時圖像，采用視頻分析算法，實時探測監控區域的火焰和煙霧，使現有安防監控系統具有火災預警功能，當監控區域內發生煙霧及火焰時，平臺及時發出預警信息至管理人員，提醒管理人員及時處理。消防通道監測預警利用視頻監控系統的實時圖像，建立監控區域數據模型，對消防通道進行實時監測，當消防通道被車輛、自行車違規占用或堵塞時，系統會自動發出提醒，保障消防通道實時處于暢通狀態，為人員快速疏散和消防車快速通行提供快速通道。

蓄水池水位水流量監測預警對接站點內蓄水池水位監測系統通訊接口，實時采集蓄水池水位監測系統探測到水位變化的數據，當蓄水池水位低于設定閥值時，通過對接的通訊接口自動把預警信息實時發送到智能化消防系統。在蓄水池入水口加裝補水流量監測器，實時監測水流量的情況，當外部水管突然沒有水流流入蓄水池或水流量低于設定閥值時，預警信息通過網絡方式上傳物聯網主機，主機會第一時間發出蓄水池水流量異常預警。

滅火器監測預警滅火器底部加裝智能計量模板，再加結合網絡將滅火器的重量變化實時傳輸到物聯網主機。建立滅火器檢修數據，對滅火器過期失效進行預警。

消防報警結合視頻聯動系統，采用視頻分析算法，實時探測監控區域（站用變、蓄電池柜、通訊機房、電纜夾層、閥廳、蓄水池等）的火焰和煙霧，當監控區域內發生煙霧及火焰時，平臺第一時間發出消防火災告警信息通知站點管理人員，提醒管理人員馬上進行處理。如圖3所示。

圖3 智能分析系統架構

消防物聯網主機實時收集來自消防設備的運行狀態指標并發送給系統，系統通過對設備的運行狀態進行綜合分析，對整個消防系統的安全水平進行綜合評估。 消防物聯網主機實時收集消防系統對監測環境的監測指標并發送給系統，系統通過對環境指標進行分析、實現對環境安全水平進行綜合評估。

系統數據多渠道收集、統一后臺管理、多應用推送；并針對多渠道收集的數據，運用大數據分析技術，分析檢測單位的安全指數、高危信號、重大問題等；系統采用統一后臺管理，所有數據數據在業務層的應用是同一后臺管理[4]。

中心能夠展示消防系統接入的主機和探測器等終端上報的消防業務報警數據和系統運行狀態數據；用于進行日常運維管理、數據查詢、統計報表，包括：用戶管理、設備管理；日常巡檢、隱患整改；警情處理、警情統計分析；數據可視化、高危信號、重大隱患查詢；消防遠程監控數據實時查看；分析報告：日報、周報、月報；報警信息推送，及時將各系統的報警信息發送給相關人員，便于第一時間確認、處理火災自動報警、液位低、欠壓等報警事件，提高報警處理效率[5]。

1.4 三維數據管理

系統采用WebGL+HTML技術，進行三維GIS引擎開發，主要包含參考坐標系構建、視點投影控制、數據加載、數據調度、數據裁剪、場景渲染、交互響應等幾部分組成。用戶通過客戶端輸入設備（鼠標、鍵盤等）進行場景參數輸入，云端收到場景參數，通過部署在服務器上的三維渲染引擎，進行三維場景在云端進行高效渲染，再通過視頻流的形式傳輸到用戶端，從而得到高質量的三維渲染場景。系統平臺利用視覺、激光等多傳感器采集的多源同步數據，采用SLAM實時建圖技術，實現電網場景360全景和點云實景的無縫融合；采用人工智能深度學習算法，對全景和點云數據進行電網設備識別，完成對電網場景物理世界的高精度克隆，快速構建電網場站數字孿生模型。如圖4所示。

圖4 電網場站數字孿生模型

系統以設備部件模型庫為支撐，采用深度學習人工智能算法，進行點云數據的電網設備識別，分類及實例化建模，實現基于高密度點云和全景影像的變電主設備高保真數字孿生模型構建。如圖5所示。

圖5 基于模型庫進行點云設備

系統網絡服務針對三維GIS高頻次、大容量的數據傳輸的特性，采用HTTP協議和RPC自定義協議進行結合，直接面向需要傳輸的數據實體，減少網絡描述信息的傳輸及問答，提高網絡傳輸的效率，提升系統交互響應時間。利用物聯網動態感知技術在各個變電站的消防控制室內部署用戶信息傳輸裝置，將變電站的各個消防主機下的設施設備數據進行聯網，進行實時監測，并將監測的信息進行處理分析，得出各設備設施的運行狀況（正常運行、故障、停用、異常等）。當被監測消防設施發生故障或狀態不正常時，消防物聯網主機發出故障告警指令，同時聯動視頻監控系統，方便管理人員遠程確認故障狀況并及時處理，節約故障恢復時間。

2 結論

智能化消防系統可實現對消防設施設備及站點消防管理工作遠程監控，進一步完善了消防設施的檢查手段，保障消防設施的正常運行，有效提高工作效率，為企業科學運行提供科學決策、提供依據與數據支撐；對變電站、換流站的消防安全進行統籌指揮和管理，能夠有效的保障運行需求；工作站及監控中心均可實現消防系統實時監控，使智能電網消防管理從事后處理向事前預警演變，從定期巡檢向狀態巡檢演變，為各站內的安全穩定運行保駕護航。