三維可視化技術(shù)在智慧消防領(lǐng)域的應(yīng)用研究

譚洪亮

重慶消防安全技術(shù)研究服務(wù)有限責(zé)任公司 重慶 401120

引言

2017年10月10日，原公安部消防局發(fā)布了《關(guān)于全面推進(jìn)“智慧消防”建設(shè)的指導(dǎo)意見》（公消〔2017〕297號）[1]，提出了智慧消防的重點建設(shè)任務(wù)和工作目標(biāo)[2]，文件的發(fā)布標(biāo)志著智慧消防建設(shè)正式步入正軌。2019年5月30日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于深化消防執(zhí)法改革的意見》（廳字〔2019〕34號），提出了消防執(zhí)法改革的5個方面12項主要任務(wù)[2]。在加強事中事后監(jiān)管方面，提出了完善“互聯(lián)網(wǎng)+監(jiān)管”，運用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實時化、智能化評估消防安全風(fēng)險，實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)管的要求。

2018年處于關(guān)心和思考的建設(shè)初期，2019年智慧消防從概念走向應(yīng)用落地，2020年落地向更縱深發(fā)展。2021年，在頂層建筑上關(guān)注的是平安中國、是應(yīng)急管理、是安全責(zé)任。現(xiàn)階段，多數(shù)省會級城市、90%左右地級城市均提出了智慧消防建設(shè)計劃，有數(shù)百個城市正在規(guī)劃和建設(shè)智慧消防，行業(yè)未來發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｍ瑫r，智慧消防建設(shè)工程系統(tǒng)龐大，涉及范圍廣闊，發(fā)展空間寬廣，因此智慧消防領(lǐng)域成為投資熱點。

1 智慧消防行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 供應(yīng)現(xiàn)狀

智慧消防已成為整個消防產(chǎn)業(yè)的主流與風(fēng)口，消防產(chǎn)業(yè)對于新技術(shù)的需求，也讓眾多科技企業(yè)紛紛加入智慧消防布局。智慧消防市場存在四類參與者：科技巨頭、安防企業(yè)、傳統(tǒng)消防企業(yè)、新興企業(yè)。

一是科技巨頭。依靠自身在大數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)平臺，布局智慧消防領(lǐng)域意在建設(shè)智慧城市，從而獲取數(shù)據(jù)優(yōu)勢和信息資源，搶占消費市場。如阿里、華為、騰訊等。二是安防企業(yè)。其規(guī)模大，加入智能領(lǐng)域時機早，商業(yè)模式成熟，具有深厚的技術(shù)沉淀為進(jìn)入市場打好基礎(chǔ)。如海康威視、浙江大華等。三是以消防產(chǎn)品為主的企業(yè)。依靠在消防產(chǎn)品生產(chǎn)與流通領(lǐng)域多年積累的經(jīng)驗，占領(lǐng)了國內(nèi)消防行業(yè)大部分市場。如青鳥消防、億江科技、力安科技等。四是新興企業(yè)。利用融資加大科研的投入，并跨界與其他通信科技巨頭合作，探索新的發(fā)展模式。如辰安天澤、中消云、意靜科技等。

從整體競爭力來看，以消防產(chǎn)品為主的企業(yè)占領(lǐng)了國內(nèi)消防行業(yè)相對較多的市場，客戶群體多，但往往自身體量不大，產(chǎn)品高新技術(shù)含量不高，仍相對落后。大型安防企業(yè)由于具有較強的技術(shù)優(yōu)勢，其產(chǎn)品研發(fā)工作強于其他市場參與者，占據(jù)了約30%的市場份額。互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和新興企業(yè)依托“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，跨行業(yè)進(jìn)入智慧消防平臺系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域，雖然互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和新興企業(yè)具有先進(jìn)的管理理念和強大的資金優(yōu)勢，但由于行業(yè)跨度過大，對于市場了解缺乏深度，因此難以開發(fā)出適應(yīng)市場需求的智慧消防平臺產(chǎn)品，占據(jù)約30%的市場份額。

1.2 市場現(xiàn)狀

隨著原公安部消防局指導(dǎo)意見的出臺，各地政府和各行業(yè)企事業(yè)單位開始預(yù)算立項，采購智慧消防系統(tǒng)的相關(guān)軟硬件。與此同時，智慧消防也開始在醫(yī)療、教育、文旅等行業(yè)開始宣傳與推廣，各類場景正不斷延伸。根據(jù)招標(biāo)網(wǎng)數(shù)據(jù)，2019年，全國智慧消防招標(biāo)項目數(shù)量為726個，綜合市場規(guī)模在34.5億元左右。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年智慧消防市場規(guī)模約40億元，較上年保持15%左右增速，符合市場預(yù)期，2025年智慧消防市場規(guī)模將達(dá)到約80億元。

我國智慧消防市場還處于初級階段，行業(yè)中尚未出現(xiàn)市場占有率較高、能夠引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的大型企業(yè)，企業(yè)規(guī)模普遍較小，市場格局較為分散，具有研發(fā)創(chuàng)新能力的企業(yè)未來發(fā)展空間巨大。

2 三維可視化技術(shù)在智慧消防領(lǐng)域的應(yīng)用分析

2.1 三維可視化技術(shù)

當(dāng)今社會，隨著生產(chǎn)力和生產(chǎn)需求的不斷提高，構(gòu)造也變得越來越復(fù)雜，客戶越來越不滿足于傳統(tǒng)的二維平面圖數(shù)據(jù)，三維可視化（3D Visualization）技術(shù)隨著電腦硬件也軟件的發(fā)展，特別是5G的發(fā)展，變得越來越為人所知。

三維可視化技術(shù)是一門集計算機數(shù)據(jù)處理、圖像顯示的綜合性前緣技術(shù)[3]。通過把描述物理現(xiàn)象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、圖像，并運用顏色、透視、動畫和觀察視點的實時改變等視覺表現(xiàn)形式，使人們能夠觀察到不可見的對象，洞察事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4]，這無疑將極大地提高人們的工作效率。

三維可視化圖像不僅僅直觀性強、可靠性強，還具備兼容性強的特點。三維可視化技術(shù)既能進(jìn)行解釋，也能實現(xiàn)成果表達(dá)，通過利用大量數(shù)據(jù)，為分析、理解和展示數(shù)據(jù)提供有用工具，從而幫助描述并解釋系統(tǒng)的復(fù)雜現(xiàn)象。目前，智慧城市、智慧園區(qū)、智慧工廠、智能樓宇3D可視化、智慧展廳3D可視化等等都是三維可視化技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，而隨著三維可視化技術(shù)的市場接受度的提升，必將應(yīng)用到更多的領(lǐng)域當(dāng)中。

2.2 基于三維可視化技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)

近年來，城市綜合體、TOD社區(qū)等大體量復(fù)雜建筑層出不窮，多作為城市的標(biāo)志性建筑，其無論是在結(jié)構(gòu)上、功能上，還是材料均極具新穎性，導(dǎo)致所配備的消防設(shè)施設(shè)備點位多、總量大。而利用傳統(tǒng)的靜態(tài)存儲管理模式，往往無法處理當(dāng)前信息化時代的海量數(shù)據(jù)，因此，在消防設(shè)計優(yōu)化、消防管理效率、緊急救援的準(zhǔn)確性以及逃生路線的優(yōu)化等方面都難以適應(yīng)新型建筑發(fā)展的需要。

2.2.1 輔助消防設(shè)計。對既有建筑改擴(kuò)建消防設(shè)計變更時，利用基于三維可視化技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)輔助消防設(shè)計，可以實現(xiàn)不同角度和方向來觀察各種消防設(shè)計方案，比較不同方案對建筑消防安全的影響，以直觀的方式評估各種消防設(shè)計方案的優(yōu)缺點，有效提高消防設(shè)計效率。

2.2.2 提高企業(yè)消防管理效率。基于三維可視化技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)通過對火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、防火分隔系統(tǒng)、消防電源系統(tǒng)等消防設(shè)施的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測[5]，并采用三維可視化實景呈現(xiàn)的方式，對其相對位置和絕對位置關(guān)系進(jìn)行充分表述，以達(dá)到消防安全透明化檢查、火災(zāi)隱患動態(tài)掌控的目的，可在提高日常消防安全管理效率的同時，也使得消防監(jiān)管透明化，進(jìn)而促使社會單位自覺履行消防安全職責(zé)。

相較于傳統(tǒng)的二維平面地圖，在三維場景中，消火栓、防排煙風(fēng)機、消防水泵等消防設(shè)施運行故障狀態(tài)實時更新展示；安全出口、疏散走道等疏散設(shè)施占用對疏散逃生路線影響模擬后果更直觀；滅火疏散應(yīng)急預(yù)案推演模擬效果獲取更全面，從而有效提高對消防設(shè)施設(shè)備和消防安全人員的管理效率和水平。

2.2.3 助力消防維保數(shù)字化轉(zhuǎn)型。通過直觀體現(xiàn)出建筑物消防安全的可視化三維模型，在海量的運行數(shù)據(jù)庫與消防安全管理人員之間構(gòu)建一個可以實時交互的界面，可有效減少之前消防系統(tǒng)需要花費大量人力資源的定期巡檢以及經(jīng)過排查才能發(fā)現(xiàn)的火災(zāi)隱患實現(xiàn)消防維保數(shù)字化轉(zhuǎn)型。據(jù)測算，基于三維可視化技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)可以減少消防維保公司在維保工作中80%以上的人力投入。

2.2.4 提高緊急救援的準(zhǔn)確性。基于三維可視化技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)可將建筑的結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備、管理等信息與滅火救援相結(jié)合。當(dāng)火災(zāi)事故發(fā)生后，通過還原火災(zāi)建筑內(nèi)及周邊的復(fù)雜環(huán)境，快速精確展示消防設(shè)施的監(jiān)測信息，非常直觀的展示滅火救援現(xiàn)場和著火部位情況，全面了解火災(zāi)現(xiàn)場及周邊的地表地形、建筑、道路、水源、消防裝備力量等情況，這種“上帝視角”為滅火救援現(xiàn)場指揮、消防資源調(diào)度和部署提供科學(xué)的決策依據(jù)。

2.3 基于三維可視化技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.3.1 三維場景快速構(gòu)建。目前三維場景構(gòu)建方法普遍存在效率低、數(shù)據(jù)量大等問題，為實現(xiàn)快速構(gòu)建可靠的三維圖，實現(xiàn)半自動化或自動化建模，可采取一種簡單且快速的方法，即以Auto CADVBA、VRML建模語言及數(shù)據(jù)庫技術(shù)為主要手段，進(jìn)行三維模型構(gòu)建、紋理映射、場景集成。此外，針對火災(zāi)現(xiàn)場地理信息數(shù)據(jù)不全，可采用基于無人機傾斜攝影技術(shù)，實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場三維場景快速構(gòu)建。

2.3.2 虛擬環(huán)境容器服務(wù)。為解決智慧消防平臺大量在線訪問不流暢等難題，保障智慧消防系統(tǒng)三維可視化界面在線瀏覽流暢，可采用一種使服務(wù)部署變得簡單化和智能化的Docker容器技術(shù)，Docker不僅啟動運行速度快，還資源占用小，通過對智慧消防系統(tǒng)超大體量的二維和三維數(shù)據(jù)集進(jìn)行分布式空間分析和數(shù)據(jù)處理，顯著提升空間分析性能。

2.3.3 實時協(xié)同標(biāo)繪。傳統(tǒng)的標(biāo)繪系統(tǒng)不具有高度實時性的移動協(xié)同標(biāo)繪功能，不能滿足滅火救援時協(xié)同部署的需求，而基于J2ME的移動實時協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)，可根據(jù)消防力量部署、火災(zāi)情況、現(xiàn)場地形等諸多要素，在三維場景中實時標(biāo)繪行進(jìn)方向等標(biāo)志，通過火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的實時變化情況，實時標(biāo)繪信息的交流及協(xié)同感知[6]，即實現(xiàn)滅火救援現(xiàn)場指揮與應(yīng)急指揮中心的協(xié)同標(biāo)繪，實現(xiàn)滅火救援時消防力量的協(xié)同部署。

2.3.4 應(yīng)急處置算法。在三維場景中實時接入應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)，通過對四維時空的應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)的可視化分析，并基于動態(tài)事故演化模型和應(yīng)急處置算法進(jìn)行研判，實現(xiàn)滅火救援現(xiàn)場的高效輔助決策與快速響應(yīng)。采用常規(guī)的仿真模擬方法對事故情景建模可以有效實現(xiàn)事故動態(tài)演化模擬，而針對應(yīng)急處置過程中主要參量變化的模擬，可通過集成定性因果推理和從AI領(lǐng)域發(fā)展起來的QSIM算法得以實現(xiàn)[7]。

4 結(jié)束語

安全是人類最基礎(chǔ)需求之一，隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人想改變以往對自身所處場所、空間的消防安全狀態(tài)一知半解的現(xiàn)狀，逐漸提高了建設(shè)緊急狀態(tài)下安全保障機制的重視度。智慧消防的出現(xiàn)很大程度上解決了之前消防安全管理效率低的問題，消除了消防安全管理過程中易出現(xiàn)的盲盒狀態(tài)，打通了信息壁壘，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。而三維可視化技術(shù)的出現(xiàn)與運用，又給智慧消防整個行業(yè)帶來了天翻地覆變革。

在智慧消防領(lǐng)域，借助于三維可視化技術(shù)的具象化、圖形化、可視化，可實現(xiàn)智慧消防系統(tǒng)的直觀性高、可靠性強和兼容性廣等功能，進(jìn)而提升消防安全管理和滅火救援的高效性。通過三維場景快速構(gòu)建、虛擬環(huán)境容器服務(wù)、實時協(xié)同標(biāo)繪和應(yīng)急處置算法等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)智慧消防系統(tǒng)的消防安全預(yù)警防控、滅火救援?dāng)?shù)字化預(yù)案、消防資源調(diào)配等具體功能，為智慧消防的建設(shè)與發(fā)展提供解決方案，是現(xiàn)階段及未來研究的重點。

目前，雖只有少數(shù)企業(yè)開始探索三維可視化技術(shù)在智慧消防領(lǐng)域的應(yīng)用，但三維可視化技術(shù)為智慧消防帶來的井噴將會是不遠(yuǎn)未來必然發(fā)生的盛事。