船舶火災監控預警與逃生決策平臺研究

摘" " 要：針對船舶火災場景下的智慧應急技術與管理，本研究提出一種船舶火災監控預警與逃生決策平臺的設計方案，其思路主要為火災的提前預警與逃生路線的決策。研究形成了船舶火災監控預警與逃生決策綜合平臺的設計框架，提出了平臺各部分的功能以及相關設備選型的要求。本研究對于提高船舶火災預測能力、增強火災應急響應能力、保障船員生命安全和提升船舶消防安全管理水平具有重要意義。

關鍵詞：船舶；火災；監控預警；逃生決策

中圖分類號：U698.4" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Research on Ship Fire Monitoring and Early Warning and

Escape Decision-making Platform

MA Ke

（ Chinese People Liberation Army Navy equipment department，" Beijing 100071， China ）

Abstract： Aiming at the intelligent emergency response technology and management in ship fire scenarios， this study proposes a design scheme of ship fire monitoring， warning and escape decision-making platform， whose idea is mainly for the early warning of fire and the decision-making of escape routes. The study forms the design framework of the comprehensive platform for ship fire monitoring， warning and escape decision-making， and points out the functions of each part of the platform as well as the requirements for the selection of related equipment. This study is of great significance for improving the ship fire prediction capability， enhancing the fire emergency response capability， safeguarding the crew's life safety and improving the ship fire safety management level.

Key words： ship; fire;" monitoring and warning;" escape decision-making

1" " "引言

船舶火災發生后若處理不當，可能形成重大惡性事故，會造成人員安全和經濟損失。桑宏波和范瑄瑄[1]歸納總結了船舶火災探測系統功能特點和設計過程中需要注意的事項和規范要求，重點研究了火警探頭的選型、回路布置等為后續其它項目船舶火災探測系統的設計提供了參考。蔣吉運[2]分析了現代船舶火災的基本特征與船舶火災的主要成因，提出建立船舶火災偵察系統、科學運用船舶消防設施、設計船舶火災處置預案、優化救援人員防護工作、提升船員防火控火能力等船舶火災防控優化措施。夏軍寶等[3]提出適用于船舶艙室的火災及人員疏散的模擬研究方法，實現火災和疏散的耦合模擬。謝書浩[4]基于大渦模型采用數值模擬的方式獲得了船舶火災的煙霧蔓延、能見度和溫度數據并討論了對人體的傷害，通過對比場景不同時間段的煙霧效果，驗證了論文的準確性。易冠霖[5]基于語義分割建立一種有效的船舶機艙火災識別方法，減少了火災事故的發生，提高船舶安全性具有重要意義。盡管相關研究人員已經開展了船舶火災的相關研究[6，7]，但是火災場景下的智慧應急與管理的設計方案少有人研究。因此，本研究基于船舶火災的嚴重危害性和目前的防治痛點，提供一種船舶火災監控預警與逃生決策平臺設計方案，主要滿足船舶正常航行時，確保早期及時準確地探測并預警火災，以最大限度地保護工作人員和船舶設施安全。在火災發生時，能夠迅速、有效、安全地引導工作人員滅火和撤離，最大程度地減少傷亡和損失。設計方案整合多種功能和技術，形成一個全面、高效、可靠的船舶火災監控預警與滅火指導逃生決策支持系統。

2" " 解決思路與關鍵技術

2.1" "解決思路

針對船舶火災場景下的智慧應急技術與管理，設計方案的思路主要為提前預警和逃生路線決策。首先，通過物聯網技術對易發火災地點進行各參數實時檢測，爭取在發生火災前或火災發生初期進行火災預警，及時開展滅火工作。另外，發生火災之后，由傳感器采集的環境參數作為輸入值，采用機器學習算法給出滅火指導和逃生路線的輸出，輸出信號反饋到音箱和指示燈等基礎設施指引工作人員滅火、自救和逃生。

2.2" 關鍵技術

1）實時數據傳輸技術：傳感器采集到的環境數據需要先進的通信技術實時傳輸到服務器和監測中心。常用的包括無線傳感網絡和有線傳輸系統，其中無線傳感網絡包括藍牙、Wi-Fi、Zigbee等無線技術，傳輸距離較短時比較適用；有線傳輸系統主要利用電纜或光纖進行數據傳輸，適用更遠距離更穩定的信號和數據傳輸，對大型船舶更適用。

2）物聯網技術：利用物聯網連接各種傳感器和設備，實現傳感器、服務器和其它基礎設施設備之間的數據共享和協同工作[8]。

3）遠程監控系統：部署遠程監控系統，將傳感器采集到的易發火災地點的環境參數數據傳輸到監測中心和服務器。這有助于實現對船舶易發生火災地點環境的遠程實時監控。

4）云計算和大數據分析：將傳感器采集到的大量數據上傳到云端，利用大數據分析技術，實時分析和處理環境參數的變化趨勢，提供更精準的監測結果，更準確清楚及時地顯示在PC端、移動手機端和顯示大屏端。

5）GIS（地理信息系統）技術：結合GIS技術，將實時傳感器監測到的環境參數與地理信息進行關聯，實現對空間分布的全面監測，結合3D相關技術可可視化各位置的參數。

6）人工智能（AI）和機器學習：使用AI和機器學習算法，對歷史數據和實時數據進行訓練和驗證，得到預警模型和決策模型，用于船舶火災的預警和逃生決策。新采集到實時數據進行輸出結果的同時訓練修正模型。

7）低功耗傳感技術：針對大型船舶環境復雜、通信成本高的特點，采用低功耗傳感技術，延長傳感器的使用壽命，減少能耗的消耗。

3" " 系統設計與實現

3.1" 系統設計

對于船舶火災場景下的智慧應急技術與管理，設計如圖1所示的船舶火災監控預警與逃生決策綜合平臺。

如圖1所示，船舶火災監控預警與逃生決策綜合平臺主要包括基礎設施層、平臺核心大腦控制層和綜合實時展現與記錄層。平臺各層的主要設施和實現的功能如下。

1）基礎設施層：由基本的設施組成，其中包括傳感器、攝像頭、數據傳輸器、服務器、音箱、指示燈和顯示大屏，它們的主要作用包括船舶內的溫度和煙霧濃度等環境參數的實時監測，易發生火災地點的實時畫面捕捉，將收集到的數據（如溫度、煙霧濃度、視頻等）從傳感器和攝像頭傳輸到服務器，存儲和處理數據，進行火災預警分析，以及提供逃生路線規劃和決策支持，發出預警信號和燈光指示等。

2）平臺核心大腦控制：包括兩部分，分別為船舶火災監控預警和火災逃生決策。

（1）火災監控預警系統：主要分為輸入（接收）數據、服務器與算法和輸出預警等級3個模塊。輸入（接收）數據接收模塊主要負責接收各傳感器收集到的數據和對收集到的數據進行處理和分析，識別異常情況并將數據輸入服務器和算法；服務器和算法模塊的主要作用為數據處理，包括數據清洗、整合、初步分析、數據歸一化和提取關鍵信息，另外服務器還負責長期存儲歷史數據。輸出預警等級模塊主要有兩個作用：一是展示火災監控預警系統服務器與算法計算的預警結果[9]；二是將計算的預警結果輸入火災逃生決策系統的服務器和指示逃生音箱和指示燈。

（2）火災逃生決策系統：主要包括服務器與算法、輸出逃生路線和音箱和指示燈指導逃生3個模塊，服務器與算法模塊同時接收監控預警系統中傳感器的數據和輸出預警等級，同時根據實時監測數據和船舶內的位置信息，為工作人員計算最佳的逃生路徑；輸出逃生路線模塊主要接收服務器和算法計算出的最優逃生路線并傳遞給音箱和指示燈指導工作人員逃生；音箱和指示燈指導逃生模塊也可稱為響應模塊，當火災發生或出現其他緊急情況時，系統可以通過音箱發出警報聲，迅速引起工作人員的注意。同時，各種指示燈可以通過閃爍或改變顏色的方式，提醒工作人員采取相應的應對措施或指引逃生路線。

3）綜合實時展現與記錄層：用來全面、實時的展示各傳感器和算法計算出的數據信息，幫助相關工作人員和領導快速了解現場情況并做出準確的決策，對整個監測過程進行記錄和追溯，通過記錄數據的變化和事件的發生。展示方式分為PC端、移動手機端和顯示大屏端。

3.2" "設備選型

本節根據船舶火災監控預警與逃生決策綜合平臺設計列舉相關設備選型，由于每種設備的參數和生產廠家不同，因此本節只是給出設計方案中所需設備的參數指標作為具體設備選型的參考。

1）傳感器。主要包括溫度傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、氧氣傳感器和人員定位器。需要滿足的條件為高精度和可靠性：能夠實時、準確地監測船舶內的各種參數，確保數據的準確性和可靠性；快速響應：具備較快的響應速度，能夠及時發出預警信號或觸發其他應急措施；耐久性和穩定性：能夠在復雜的環境下長時間穩定運行，不易損壞或失靈；本質安全：符合《國際海上人命安全公約》（SOLAS）、《FSS規則》及相應入級船級社規范要求，具有防爆和本質安全特性，能夠確保人員和設備的安全；易于維護和安裝：方便進行日常維護和清潔，同時具備簡單的安裝和調試方式。

2）攝像頭。需滿足高清畫質：能夠提供清晰、穩定的視頻圖像，以便監控人員能夠準確判斷異常情況；防爆、防水、防塵：能夠適應相應船型下的惡劣環境，保證在各種條件下都能穩定運行；夜視功能：能夠在低光照或黑暗環境下拍攝視頻圖像，以便全天候進行監測；大范圍監控：具備旋轉和俯仰功能，能夠全方位地監測船舶內的環境，特別適用于需要大范圍監控的場所；穩定性與可靠性：能夠在長時間運行中保持穩定和可靠的性能，不易出現故障或失靈。

3）數據傳輸器。主要包括數據傳輸模塊，有線和無線傳輸設備。需要滿足高速穩定的數據傳輸：能夠實時、準確地傳輸大量數據，保證監控中心能夠獲取到完整、準確的信息；可靠性：能夠在惡劣的環境下穩定運行，不易出現故障或失靈；安全性：能夠保證數據的安全性，防止數據被篡改或泄露；適應性：能夠適應船舶的復雜環境和各種條件，包括高溫、高濕、振動等；可維護性：方便進行日常維護和清潔，同時具備簡單的安裝和調試方式。

4）服務器。主要用于存儲和處理大量數據，提供實時監測和預警功能，需滿足高性能計算能力：能夠快速處理大量數據，進行實時監測和預警分析。需滿足大容量存儲：具備大容量存儲空間，能夠存儲歷史數據、實時數據、視頻圖像等；穩定性與可靠性：能夠在長時間運行中保持穩定和可靠的性能，不易出現故障或失靈；安全性：能夠保證數據的安全性，防止數據被篡改或泄露；可擴展性：具備可擴展性，能夠隨著業務需求的變化進行升級和擴展。

5）音箱。具有足夠清晰度和音量：能夠清晰地傳遞預警信息和指揮命令，確保工作人員能夠聽清楚。同時，音箱的音量需要足夠大，能夠覆蓋機器處所內的噪音，保證信息的有效傳遞；可靠性：能夠在惡劣的環境下穩定運行，不易出現故障或失靈；易于維護和安裝：方便進行日常維護和清潔，同時具備簡單的安裝和調試方式；多功能性和適應性：能夠根據不同的預警信息和指揮命令，播放不同的聲音和語音提示，以便工作人員能夠快速識別和響應。同時，音箱需要適應不同的環境和條件，能夠在高溫、高濕、振動等惡劣環境下正常工作；緊急備用電源：在船舶斷電等緊急情況下，音響系統能夠使用緊急備用電源繼續工作，確保預警信息和指揮命令的及時傳遞；良好的音質：音箱的音質需要清晰、悅耳，沒有刺耳的噪音或雜音，以便工作人員能夠舒適地聽清楚信息；可定制性：可以根據各種不同船舶的實際需求定制不同的語音提示和報警聲，以便更好地適應船舶的特點和要求。

6）PC端。穩定性和可靠性：PC輸出端作為監控中心的主要控制和顯示設備，需要具備高穩定性和可靠性，確保長時間運行不易出現故障；高效數據處理能力：PC輸出端需要具備強大的數據處理能力，能夠快速處理和分析來自服務器的大量數據，并進行實時顯示和反饋；多任務處理能力：PC輸出端需要具備多任務處理能力，能夠同時運行多個應用程序和處理多個任務，提高工作效率。

7）移動手機端。實時監測與數據展示：能夠實現大型船舶內的各種參數和監測數據，如溫度、煙霧濃度、人員位置等，方便相關人員隨時了解船舶狀況；預警與報警：能夠根據實時數據觸發預警和報警功能，及時通知相關人員采取應對措施。預警和報警信息需要清晰、準確，以便相關人員能夠快速響應；視頻監控：能夠實時查看船舶內的視頻圖像，視頻圖像需要清晰、流暢，不卡頓；決策支持：能夠根據實時數據和歷史數據，提供科學依據和建議，幫助相關人員做出快速、準確的決策；地圖定位：能夠實時顯示人員和設備的位置信息，方便進行人員管理和調度。地圖定位需要準確、快速，以便相關人員能夠及時掌握人員和設備的動態；易用性和用戶體驗：手機端應用需要具備良好的用戶體驗，操作簡單、直觀、易懂，方便用戶快速上手。同時，界面設計需要清晰、美觀，提供良好的視覺效果；安全性：手機端應用需要具備高度的安全性，能夠保護用戶數據的安全，防止數據被篡改或泄露。同時，需要確保應用的穩定性和可靠性，避免因應用崩潰或錯誤導致的不必要的損失；跨平臺兼容性：手機端應用需要具備良好的跨平臺兼容性，支持不同品牌和操作系統的手機，方便用戶隨時隨地進行監測和預警；移動網絡通信：手機端應用需要適應不同的移動網絡環境，能夠快速加載和刷新數據，保證數據的實時性和準確性。同時，需要優化流量消耗，避免不必要的費用支出；通知和消息推送：手機端應用需要具備通知和消息推送功能，及時向用戶傳遞預警信息和重要通知，以便用戶能夠及時響應避免因延誤導致不必要的損失。

8）顯示屏端。對于大型客船除PC端顯示器之外，還需在船載指揮中配置顯示屏端。高清晰度：能夠清晰地展示的各種參數、監測數據和視頻圖像，保證信息的準確性和可讀性；高亮度：能夠適應不同的光線環境，保證在光線較強或較弱的環境下都能清晰地展示信息；穩定性和可靠性：顯示屏需要具備高穩定性和可靠性，確保長時間運行不易出現故障或失靈；定制化顯示：根據各類不同船舶的實際需求，顯示屏可以定制不同的顯示內容，如傳感器位置、監測數據、預警信息和決策支持等，以便更好地適應各種傳播的特點和要求；快速響應：對于實時監測數據和預警信息，顯示屏需要具備快速響應能力，及時更新顯示內容，保證信息的實時性和準確性；節能環保：顯示屏需要具備節能環保功能，如自動調節亮度、智能休眠等，降低能耗和減少對環境的影響；安全性：顯示屏需要具備高度的安全性，防止因意外事故導致的人員傷亡和設備損壞。

4" " 結語

準確合理地對船舶火災進行識別和評估，快速有效地實現人員疏散具有重要的經濟效益和社會效益。本研究提出整合多種功能和技術，形成一個全面、高效、可靠的船舶火災監控預警與逃生決策平臺。根據解決思路和所涉及的關鍵技術，給出船舶火災監控預警與逃生決策綜合平臺設計框架，基于框架圖分別敘述了綜合平臺的各系統組成、子模塊之間的關系和各系統的作用。基于船舶的特點和系統設計敘述了擬采用設備的具體要求。這對于提高船舶火災預測能力、增強火災應急響應能力、保障船員生命安全和提升船舶消防安全管理水平具有重要意義。

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