基于數(shù)字孿生技術(shù)的養(yǎng)老機(jī)構(gòu)智慧消防云平臺設(shè)計研究

賈國峰

（太原市消防救援支隊古交大隊，山西 太原 030299）

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)作為老年人群集中場所，由于老年人自身條件的限制，已成為火災(zāi)中的弱勢群體。因此，規(guī)范養(yǎng)老機(jī)構(gòu)安全管理、完善養(yǎng)老機(jī)構(gòu)設(shè)施以及加強(qiáng)對老年人和工作人員的消防安全教育非常必要。應(yīng)急管理工作的業(yè)務(wù)核心在于“防”和“救”，即災(zāi)害事故事發(fā)前中期的預(yù)先防范和災(zāi)害事故發(fā)生中后期的緊急救援?！丁笆奈濉睌?shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出，推動城市數(shù)據(jù)整合共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，完善城市信息模型平臺和運(yùn)行管理服務(wù)平臺，為城市管理和公眾服務(wù)提供決策依據(jù)?！丁笆奈濉眹蚁拦ぷ饕?guī)劃》 中提到積極融入“智慧城市”、“智慧應(yīng)急”，深化“智慧消防”建設(shè)，補(bǔ)齊基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全、標(biāo)準(zhǔn)等短板，全面升級消防信息網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)，建設(shè)智能運(yùn)維保障平臺。

近日，中華人民共和國民政部、國家消防救援局聯(lián)合印發(fā)《養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防安全管理規(guī)定》，建立了系統(tǒng)全面的消防安全標(biāo)準(zhǔn)和管理體系，系統(tǒng)科學(xué)總結(jié)了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)管理的好經(jīng)驗好做法，并指出有條件的地區(qū)要積極拓展科技手段和智能硬件在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防安全管理上的應(yīng)用，扎實推動養(yǎng)老機(jī)構(gòu)公共安全治理模式向事前預(yù)防轉(zhuǎn)型。

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生智慧消防云平臺是近年來興起的一種新型消防安全管理平臺，尚未得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、傳感、地理信息等新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和融合，進(jìn)一步促進(jìn)了消防行業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新?；诖?，本文結(jié)合養(yǎng)老機(jī)構(gòu)實際特點以及防火管理現(xiàn)狀，從養(yǎng)老院消防設(shè)計要求、智能化管理系統(tǒng)設(shè)計方面著手提高養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的消防安全標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，有效提升養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防安全管理效能[2]。

1 養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生智慧消防云平臺的設(shè)計要求

1） 數(shù)據(jù)安全性。平臺應(yīng)采取加密技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。同時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以防止數(shù)據(jù)丟失。

2） 實時監(jiān)控和報警。平臺應(yīng)具備實時監(jiān)測功能，能夠?qū)︷B(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)各個區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險和狀況進(jìn)行實時監(jiān)測。平臺需要能夠監(jiān)測煙霧、溫度、火焰等指標(biāo)，并及時反饋給相關(guān)人員。同時，根據(jù)監(jiān)測到的火災(zāi)風(fēng)險情況，自動發(fā)出火災(zāi)報警，并向相關(guān)人員發(fā)送警報信息，包括養(yǎng)老院內(nèi)的員工、居民以及相關(guān)消防部門。報警信息可以通過電話、短信、APP 等形式進(jìn)行發(fā)送，保證相關(guān)人員能夠及時得知火災(zāi)情況。

3） 數(shù)據(jù)分析與預(yù)測功能。平臺需要具備數(shù)據(jù)分析和算法模型，能夠?qū)ΡO(jiān)測到的火災(zāi)風(fēng)險數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測。通過對歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的分析，平臺可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的火災(zāi)隱患，并預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的可能性和影響范圍。

4） 系統(tǒng)聯(lián)動功能。平臺應(yīng)與養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)的其他智能設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，如門禁系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，平臺可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，實現(xiàn)火災(zāi)自動報警、聯(lián)動控制等功能。

5） 用戶友好性。云平臺應(yīng)具備直觀、易用的用戶界面，方便相關(guān)人員進(jìn)行操作和查看相關(guān)信息。界面設(shè)計應(yīng)簡潔明了，功能布局合理，使用戶能夠快速上手和使用。

6） 擴(kuò)展性與兼容性。平臺應(yīng)具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性和兼容性，能夠適應(yīng)未來養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展需求。平臺應(yīng)能夠支持各類傳感器和設(shè)備的接入，可以與不同品牌和型號的設(shè)備進(jìn)行集成和通信。

2 養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生智慧消防云平臺系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

數(shù)字孿生是對實際事物的數(shù)字化復(fù)制和模擬，主要利用物理模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的全生命周期的運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，通過模擬、仿真和數(shù)據(jù)分析等手段來提供決策支持，為實現(xiàn)消防安全“全流程可控”和“全周期管理”提供有效途徑和手段[3]。

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生智慧消防云平臺的搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和分析消防設(shè)備的狀態(tài)、對火災(zāi)事故進(jìn)行模擬和預(yù)測、提供交互式的火災(zāi)逃生演練、火災(zāi)溯源和事故調(diào)查等功能[4]?；跀?shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢，本文以養(yǎng)老機(jī)構(gòu)為落腳點，根據(jù)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)人員“三色”標(biāo)識分類管理和“三級”應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，將傳統(tǒng)消防系統(tǒng)與數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、AI 等高新技術(shù)相結(jié)合，將傳感器、分散的智能煙感探測設(shè)備、可燃?xì)怏w探測設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、消防通道、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，7×24 h 監(jiān)控，實時展示終端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、地理位置、視頻監(jiān)控等信息數(shù)據(jù)；結(jié)合AI技術(shù)能夠在火災(zāi)發(fā)生時，分析養(yǎng)老機(jī)構(gòu)內(nèi)承載人員數(shù)量、火災(zāi)蔓延速度、逃生通道容量，實現(xiàn)建筑及消防設(shè)施布局可視化，發(fā)揮位置和感知信息支撐實戰(zhàn)指揮的作用，自動生成作戰(zhàn)方案、處置要點、風(fēng)險預(yù)警及災(zāi)情研判結(jié)論，為受困人員規(guī)劃最佳逃生路線；從隱患監(jiān)測，到預(yù)警報警，再到聯(lián)動處置，將所有消防設(shè)施和巡查路線記錄在對應(yīng)的系統(tǒng)中，為管理者火災(zāi)溯源和事故調(diào)查提供參考，實現(xiàn)消防工作數(shù)字化升級。對風(fēng)險突出、情況復(fù)雜的隱患單位，通過主動邀請消防部門專業(yè)人員指導(dǎo)、聘請專業(yè)消防技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)參與等方式，科學(xué)合理地制定整改工作方案。

2.2 系統(tǒng)框架

平臺主要由五個模塊組成（見圖1），具體分為傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析與處理、預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)、滅火救援輔助決策、VR 智能培訓(xùn)等模塊。業(yè)務(wù)架構(gòu)分為5 層，包括基礎(chǔ)資源層、服務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、邊緣層、展示層。每一層由若干功能模塊組成，層與層之間通過分布式部署、融合、優(yōu)化組合，達(dá)到低耦合、高擴(kuò)展的要求，采用“線上+線下”“專業(yè)+經(jīng)驗”“人防+技防”相結(jié)合的方式，實現(xiàn)火災(zāi)隱患管控立體化、全覆蓋，構(gòu)建養(yǎng)老機(jī)構(gòu)火災(zāi)防控體系，實現(xiàn)“傳統(tǒng)消防”向“現(xiàn)代消防”的轉(zhuǎn)變。

圖1 養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防安全預(yù)警云平臺功能模塊

2.3 “三色”區(qū)域管理

“三色”區(qū)域管理是養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防安全預(yù)警云平臺的一種重要策略，通過消防安全“三級”網(wǎng)格化管理，對不同管理區(qū)域用“三色”標(biāo)識區(qū)分，實行“三級”應(yīng)急響應(yīng)。所謂“三色”，就是根據(jù)火災(zāi)發(fā)生概率、危險程度、疏散難度，將養(yǎng)老機(jī)構(gòu)劃分為三個不同的區(qū)域，分別為紅色區(qū)域、黃色區(qū)域和綠色區(qū)域。其中，紅色區(qū)域為重度失能長者住養(yǎng)區(qū)域、廚房、消防水泵房等區(qū)域；黃色區(qū)域為中度失能長者住養(yǎng)區(qū)域、活動場所等區(qū)域；綠色區(qū)域為辦公室、臥室、休息室等其他區(qū)域。此外，結(jié)合樓層分布等因素，由分管副院長擔(dān)任大網(wǎng)格長，部門負(fù)責(zé)人等擔(dān)任中網(wǎng)格長，由護(hù)理人員、管理人員等擔(dān)任小網(wǎng)格工作人員，并以小網(wǎng)格為基礎(chǔ)制定消防安全管理工作清單，明確責(zé)任分工，確保消防安全責(zé)任落實。

2.4 養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字智慧孿生消防云平臺的實現(xiàn)方法

1） 確定系統(tǒng)需求和目標(biāo)。明確養(yǎng)老機(jī)構(gòu)消防管理系統(tǒng)的需求和目標(biāo)，包括消防設(shè)備監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)等方面的需求。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過建立建筑物的數(shù)字模型，對消防系統(tǒng)進(jìn)行模擬和優(yōu)化設(shè)計。通過對建筑物的布局、消防設(shè)施的擺放位置和通道設(shè)計等進(jìn)行模擬和分析，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并優(yōu)化建筑物設(shè)計方案，確保建筑物在火災(zāi)等緊急情況下的安全性和疏散效率。此外，該系統(tǒng)還具備聯(lián)動控制功能，可以與其他建筑設(shè)備、安全設(shè)施進(jìn)行集成，實現(xiàn)快速、協(xié)同的應(yīng)急響應(yīng)。

2） 數(shù)據(jù)采集與傳輸。選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱驮O(shè)備，將消防設(shè)施、消防監(jiān)督管理、滅火救援等各位要素有機(jī)連接，進(jìn)行消防設(shè)備的狀態(tài)采集和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字孿生技術(shù)可以與傳感器、監(jiān)控設(shè)備等結(jié)合，實時監(jiān)測建筑物內(nèi)部的溫度、煙霧、氣體濃度等指標(biāo)，并與數(shù)字模型進(jìn)行比對和分析。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)可以迅速發(fā)出預(yù)警并采取相應(yīng)措施，提高事故響應(yīng)的效率和準(zhǔn)確性。

3） 數(shù)據(jù)處理與模型建立。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取關(guān)鍵特征，并建立數(shù)字孿生模型?？梢允褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建消防設(shè)備的數(shù)字孿生模型。例如：聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會產(chǎn)生大量的不同類型的數(shù)據(jù)，例如有些是設(shè)備運(yùn)行信息，有些是設(shè)備故障提示，有些則是反映現(xiàn)場火災(zāi)狀態(tài)的報警信息。該系統(tǒng)把匯集的所有消防設(shè)施信號按照火災(zāi)報警、設(shè)施故障程度、消防控制室脫崗等情況進(jìn)行分類、分級建模，并按照不同等級向聯(lián)網(wǎng)單位、監(jiān)控中心和消防部門的不同角色人員進(jìn)行推送，快速高效地通過“智慧消防”系統(tǒng)多點聯(lián)動，就近調(diào)度警情發(fā)生點及周邊微型消防站等自防自救力量迅速到場對初起火災(zāi)進(jìn)行處置。另外消防人員可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實戰(zhàn)模擬和培訓(xùn)，運(yùn)用3D 模型、VR 虛擬技術(shù)，帶給用戶極強(qiáng)的體驗感，不僅能很好地增加記憶回路，也能達(dá)到良好的培訓(xùn)效果，消防人員可以提前熟悉操作流程，增強(qiáng)應(yīng)對突發(fā)情況的能力。

4） 模型驗證與優(yōu)化。將建立的數(shù)字孿生模型與實際情況進(jìn)行驗證，比對模型預(yù)測結(jié)果與實際觀測結(jié)果，可以通過實時監(jiān)測和反饋調(diào)整來提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行模型的優(yōu)化和調(diào)整。數(shù)字孿生技術(shù)可以收集和分析大量的消防數(shù)據(jù)，如火災(zāi)發(fā)生的概率、火勢的蔓延速度等。通過對數(shù)據(jù)的分析和挖掘，可以提取出有用的信息和規(guī)律，為消防工作提供決策支持和預(yù)測能力。例如，可以利用數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化巡邏路線、改進(jìn)消防設(shè)備的配置等，合理調(diào)配和優(yōu)化利用，提前預(yù)測火災(zāi)蔓延的趨勢，為滅火行動提供決策依據(jù)。

5） 應(yīng)用效果驗證與評估。通過實際場景的應(yīng)用驗證數(shù)字孿生技術(shù)在消防管理系統(tǒng)中的效果?？梢詫ο到y(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行評估，將數(shù)字孿生技術(shù)用于演練和評估應(yīng)急預(yù)案，提高消防工作的質(zhì)量和效率。系統(tǒng)具有成熟、先進(jìn)、兼容性強(qiáng)、可拓展性好的技術(shù)構(gòu)建，滅火救援輔助決策中救援方案形象直觀、通俗易懂，后援保障系統(tǒng)可及時準(zhǔn)確快速查看周邊可利用資源，對養(yǎng)老機(jī)構(gòu)平時消防演練、火災(zāi)時消防救援隊伍應(yīng)急指揮、消防控制室值班人員和微型消防站隊員應(yīng)急處置都能起到很好的輔助指導(dǎo)作用；打破消防信息數(shù)據(jù)孤島，數(shù)據(jù)可進(jìn)行云端存儲，解決消防數(shù)據(jù)多源異構(gòu)的問題；系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，可自動生成單位隱患數(shù)量趨勢圖、隱患類型分析圖、隱患區(qū)域分析圖等，并借助柱形圖、折線圖等多種三維圖表進(jìn)行宏觀展示，為管理者決策提供堅實可靠的依據(jù)。

3 養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字智慧孿生消防云平臺面臨的問題

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧消防系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，為消防安全提供了精準(zhǔn)管控和應(yīng)急支持，為消防安全提供了重要的技術(shù)支持和決策依據(jù)。同時，在多模態(tài)數(shù)據(jù)整合、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用、與物聯(lián)網(wǎng)的融合、跨部門合作和信息共享方面還面臨著較大挑戰(zhàn)，比如，將不同類型的數(shù)據(jù)整合到數(shù)字孿生模型中，如視頻監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)、消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的協(xié)同分析和決策；利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對大規(guī)模的消防數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和預(yù)測，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的安全預(yù)警和風(fēng)險評估；數(shù)字孿生技術(shù)將與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通，提高消防系統(tǒng)的自動化程度和響應(yīng)速度。數(shù)字孿生技術(shù)需要不同部門和機(jī)構(gòu)之間的協(xié)作和信息共享，以實現(xiàn)整體消防安全的提升。

4 結(jié)束語

利用智慧消防數(shù)字孿生技術(shù)，可以提升養(yǎng)老機(jī)構(gòu)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)效率。預(yù)警、指揮和救援等功能的應(yīng)用，可以實時掌握救援情況，快速有效地指揮調(diào)度一切救援力量。養(yǎng)老機(jī)構(gòu)數(shù)字孿生智慧消防云平臺的應(yīng)用，讓風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急指揮調(diào)度更加直觀、更加精準(zhǔn)、更加高效，為風(fēng)險研判、指揮決策、資源調(diào)配、協(xié)同聯(lián)動提供了有力保障。