數字孿生技術在滅火救援中的應用探索

摘要：深入分析了數字孿生技術的定義及架構，結合當前滅火救援技術和方法的局限性，以四川省某城市大型綜合體作為具體案例，深入探索了數字孿生技術在滅火救援中的應用與效果。研究結果表明，數字孿生技術在滅火救援中具有巨大的應用潛力和開發價值，可以為滅火救援行動帶來更多寶貴的時間，實現更高效的火災預防及救援。

關鍵詞：數字孿生；滅火救援；大型綜合體

中圖分類號：D631.6 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0041-04

現代城市建筑群體規模不斷擴大，結構愈加復雜，火災事故的突發性和潛在危害性也隨之增加。在此背景下，如何借助數字孿生等新興技術手段提升滅火救援行動的科學性和高效性，成為當前亟須解決的重要課題。

1 數字孿生技術概述

1.1 數字孿生的定義

數字孿生（Digital Twin）是指通過數字化手段在虛擬空間中創建一個與物理實體高度一致的虛擬模型，通過數據連接，使兩者在全生命周期內保持動態同步，從而實現對物理實體的實時監控、模擬和優化[1]。

1.2 數字孿生技術架構

數字孿生技術通常由以下三個核心部分構成：第一，物理實體，這是數字孿生技術的基礎，指的是現實世界中的設備、系統或過程。物理實體通過傳感器和數據采集設備將自身的運行狀態、環境條件等信息實時傳輸到數字孿生系統中。第二，虛擬模型，這是物理實體在數字空間中的映射，通常采用多種建模技術，如幾何建模、物理建模和行為建模等[2]。第三，數據連接，這是物理實體和虛擬模型之間的橋梁，不僅包括物理實體向虛擬模型的狀態數據傳輸，還包括虛擬模型反饋到物理實體的控制指令和優化建議。

在滅火救援領域，數字孿生技術的應用可以實現火災現場實時監測、模擬火情發展、優化救援方案等重要應急救援功能，大幅提升滅火救援的科學性和有效性。

2 當前滅火救援技術和方法的局限性

2.1 火情監測的延遲與不準確性

在火災發生的時候，火情監測的及時性和準確性是滅火救援的關鍵。然而，現有的火情監測系統經常面臨延遲和不準確的情況[3]。以“11·15”上海某公寓大樓特大火災事故為例，施工人員違規進行電焊作業，電焊濺落的金屬熔融物掉落從而引發火災，加之建筑內部監測設備不完善，火情未能及時被發現，導致火勢迅速蔓延并最終釀成特大火災[4]。此外，傳統監測設備在面對復雜建筑結構時，容易受到墻體、樓層等因素的阻隔，也會嚴重影響火情數據的準確傳輸和判斷。

2.2 火情模擬與預警系統的局限性

火情模擬與預警系統的有效性是消防救援人員在滅火救援中的重要依據，目前國內的相關技術水平在此方面具有較大的提升空間。例如，多數火情模擬系統是通過預設火災場景和固定參數進行模擬，難以實時反映火災的動態發展。以吉林德惠“6·3”特別重大火災為例，火災發生時，由于預警系統未能充分考慮到生產車間的特殊結構和可燃物堆積情況，導致火情迅速蔓延，加之主廠房內沒有報警裝置，部分人員對火災知情晚，使一些人喪失了最佳逃生時機。該事件說明火情模擬和預警系統在應對復雜火災場景時，缺乏實時性和精準度[5]。

2.3 人員疏散指揮的困難性

火災發生后，迅速有效地疏散人員是減少火災傷亡的關鍵舉措，然而，在實際操作中，人員疏散往往面臨巨大挑戰。以無錫“11·20”某紡織公司火災為例，火災發生時，高溫及有毒有害煙氣迅速蔓延至疏散樓梯間，該公司未及時組織員工疏散撤離，加之室外疏散樓梯安全出口被鎖閉，消防救援人員在救援過程中難以掌握被困人員的確切位置，延誤了最佳救援時機[6]。

2.4 消防資源調度效率有待進一步提高

在重大火災事故中，消防資源的快速調度和合理分配對于遏制火勢至關重要。然而，當前部分消防資源調度系統的效率有待進一步提高[7]。以“8·12”天津港某特大火災爆炸事故為例，由于現場情況復雜，涉及危險化學品，救援工作極為困難，導致火災蔓延和爆炸事件。在面對復雜火災場景時，消防資源調度系統缺乏智能化和動態調整能力，需要加強應急救援力量建設和特殊器材裝備配備，提高生產安全事故應急處置能力[8]。

3 數字孿生技術在滅火救援中的應用

3.1 案例概況

在四川省某城市大型綜合體內，消防救援體系全面升級，引入了“智慧消防云平臺”，以實現對滅火救援工作的全方位智能化管理。該平臺深度融合了多源系統數據，實現了對消防接警處理、火災統計、消防監督管理等核心職能，并對接了外部“消防重點單位物聯網”和“智慧用電”系統的實時數據。平臺依托“政務云”，支持在電腦端和手機端實時查詢相關信息，為滅火救援行動提供了強大的技術支撐。

該平臺分為消防機構、指揮調度、火災預防、戰勤保障、隊伍管理、災情分析六大模塊。消防機構模塊提供了全市消防救援站的實時數據，包括人員、車輛等信息，方便調度指揮。指揮調度模塊涵蓋應急值班、水源管理、預案信息和聯勤聯動等子模塊，提升了指揮調度的效率和準確性。火災預防模塊通過對重點單位的精準定位和設施監控，加強了火災預防與監督。戰勤保障模塊則實現了對消防車輛和裝備的全生命周期管理和調度。隊伍管理模塊有效助力分析消防人員的訓練成效與體能狀態，提高了整體的作戰能力與效率。災情分析模塊通過深度挖掘歷史數據，并進行綜合分析和風險預測，極大地增強了火災應對的決策能力。

3.2 技術應用設計

在城市大型綜合體中，數字孿生技術的應用設計涵蓋了火災監測與預警、火情模擬與態勢感知、人員疏散與救援、消防資源調度與指揮等關鍵環節。通過這些技術模塊的集成和協同運作，實現了滅火救援全過程的智能化與高效化。

3.2.1 火災監測與預警

為了提升火災監測的準確性與及時性，綜合體內部署了密集的傳感器網絡。這些傳感器覆蓋了建筑的各個關鍵區域，包括易燃物堆放區、主要通道、機電設備間等，可實時采集環境數據，如溫度、煙霧濃度、氣體成分等，并將這些信息傳輸至“智慧消防云平臺”。其中，紅外熱成像傳感器尤為關鍵，可以實時捕捉環境中的熱量變化，尤其是在溫度監測難以直接感知的隱蔽區域，如天花板或墻體內部；而紫外線火焰檢測器以其高靈敏度著稱，能在火災初期，火焰還未大范圍蔓延時便迅速捕捉到火焰輻射。此外，氣體傳感器通過監測一氧化碳、二氧化碳及其他可燃氣體的濃度，能夠識別潛在的火災隱患，尤其是機電設備間的短路、過載等問題。

“智慧消防云平臺”依托大數據和人工智能技術，分析大量歷史火災案例的數據特征，即時構建并優化火災風險預測模型。系統在分析溫度、煙霧和氣體濃度等數據的同時，還能結合建筑布局、消防設備狀態以及外部氣象條件等因素，動態調整火災預測的精度。一旦捕捉到異常信號，如溫度急劇上升或煙霧濃度超標，平臺將立即啟動預警機制，精準定位火災源頭，還可以根據火情嚴重程度，分級發出預警信號，確保各級應急響應措施能夠迅速啟動。同時，預警系統可以根據歷史數據和場景特點，預測火災發生的可能性和嚴重性，進一步提升火災防控的主動性。

3.2.2 火情模擬與態勢感知

在火災發生時，數字孿生技術可以結合多源數據融合技術，整合來自溫度傳感器、煙霧探測器、氣體監測儀等不同類型傳感器的實時數據。同時，建筑內的監控攝像頭也可以為系統提供關鍵的視覺維度，通過圖像識別技術，對火災發展情況進行實時分析處理，并將這些信息映射到虛擬模型中，構建出火災場景的動態全息模擬。虛擬模型精確展現了建筑的結構布局和消防設施位置等關鍵信息。借助實時數據，系統可以模擬火勢的蔓延路徑、燃燒速率和煙霧擴散情況，在模擬火勢擴散路徑時，系統會綜合考慮建筑內部的氣流流向、通風系統影響、各類材料的燃燒特性以及建筑結構的阻火作用。燃燒速度和煙霧擴散的模擬則依賴于先進的計算流體動力學（CFD）模型，該模型精確捕捉火災環境中的熱力、煙氣流動情況，為指揮員提供科學的預測依據。

此外，系統還具備自動評估火災蔓延趨勢的功能，結合火災的實時與歷史數據，預測火勢蔓延的區域，及時向指揮員發出預警。系統還能動態調整模擬結果，根據建筑內溫度變化、煙霧擴散速度等實時數據，不斷更新火情演變情況。這一系列的模擬和態勢感知功能，指揮員可以掌握當前火災狀況，預測火災未來的發展趨勢，從而作出更為精準的資源調配和救援決策。火情模擬結果會以直觀可視化形式展現在指揮中心的大屏幕上，指揮員可以通過這一界面，迅速了解火災的當前態勢，并精準預判未來趨勢，從而作出更精準的決策。

3.2.3 人員疏散與救援

在火災發生時，為了進一步提高人員疏散的效率，數字孿生平臺結合了多種定位技術，如超寬帶（UWB）定位、無線射頻識別（RFID）和藍牙信標等。這些技術的組合可以在復雜的建筑環境中提供厘米級的高精度定位，不僅能夠精準追蹤每個人員的實時位置，還能判斷其運動速度和方向，幫助系統動態評估疏散進程。此外，平臺在規劃疏散路徑時，還會運用智能路徑規劃算法，綜合考慮建筑的布局、消防通道的寬度、可通行區域的分布、火勢蔓延情況以及當前通道的人員密度等因素，實時為不同區域的人員指引最優疏散路徑。例如，當某個通道因火勢封鎖或人員密集而3a073a46736d4e081c4a481426c93505無法通行時，系統會立刻進行調整，并規劃新的安全疏散路徑，確保人員能夠避開危險區域。在模擬疏散演練方面，平臺可以通過虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術進行沉浸式演練，使救援人員能夠在虛擬環境中體驗火災情景，預先識別疏散過程中的風險點。通過這些演練，消防隊員能夠更好地掌握建筑內部的復雜結構、疏散路線的可行性以及可能出現的人員密集點，進而優化疏散方案。當火災實際發生時，“智慧消防云平臺”不僅會提供疏散路徑，還會結合現場火勢和煙霧擴散情況，動態調整疏散策略。例如，通過對火勢傳播速度進行計算，預判某條通道是否在一定時間內仍然安全，從而及時調整人員撤離路線。疏散過程中的人員移動數據和火災動態信息會同步傳輸到指揮中心，指揮員可以通過大屏幕實時查看疏散進展，并做出相應的調整。另外，平臺還具備智能預警功能，一旦某些區域的人員疏散速度減緩或出現滯留，系統會立刻發出警報，提醒指揮員采取措施。同時，平臺也可以根據各區域人員的密集度優先疏散高危密集區域，確保救援行動的有效性。

3.2.4 消防資源調度與指揮

為了實現消防資源的高效調度，平臺會對所有消防資源的狀態進行實時監控，包括消防車輛、裝備、人員等要素，并將資源的實時位置、使用情況、剩余可用性等信息匯總至平臺的指揮模塊，為指揮員提供全面、即時的決策依據。

在資源調度方面，平臺運用了優化算法，根據火災的類型、規模、具體位置以及當前消防資源的分布情況，自動計算出最優的資源調度方案。指揮員可以依托平臺提供的建議，快速調動資源并進行任務分配。此外，平臺還集成了綜合指揮系統，確保各相關部門、單位之間能夠迅速建立有效的聯動與協作，形成一體化的應急指揮網絡，各級指揮員可以在平臺上實時共享信息，統一進行調度指揮，確保滅火救援行動的協調性與高效性。

3.3 效果評估

3.3.1 提升火災響應速度

依托數字孿生技術，該城市綜合體內的火災監測與預警系統能夠實時采集和分析傳感器數據，從而實現了對火災的早期預警功能。相比傳統的火災報警系統，該平臺的反應速度更快，能夠在火災發生的初期及時發出預警信號，有效遏制火勢蔓延。在實際應用中，預警時間較傳統系統縮短了30%以上，有效提高了火災應急響應的速度。

3.3.2 精準制定滅火救援決策

借助火情模擬與態勢感知功能，指揮員能夠在火災發生時迅速掌握火勢發展動態，并科學預測火災的演變趨勢。通過多次模擬演練和實戰驗證，火情態勢感知系統可大大降低決策錯誤率，提升了滅火救援行動的準確性與效率。

3.3.3 提高人員疏散的安全性

數字孿生技術在火災應急響應中的人員疏散與救援模塊發揮了關鍵作用。該技術通過實時追蹤建筑內人員的位置信息，并動態規劃最優疏散路徑，顯著提升了火災發生時人員撤離的速度和安全性。經過系統模擬和實戰演練的驗證，采用數字孿生技術，不僅縮短了人員疏散時間，還提高了疏散成功率，有效降低了火災現場的人員傷亡風險。

3.3.4 提高消防資源調度效率

通過平臺對消防資源的實時監控和調度優化算法，指揮員能夠更加科學合理地分配和調動消防資源。在多次火災應對實踐中，縮短了消防資源到場的時間。綜合指揮系統的集成應用，使得不同部門、單位之間的協作更加順暢，有效避免了傳統指揮模式下的資源浪費和調度不及時的問題。

3.3.5 強化火災預防與監督的有效性

火災預防模塊通過對消防重點單位的全面監控與深入分析，提高了消防監督工作的精確度和有效性。該平臺能夠迅速識別并準確定位消防設施的潛在隱患和故障，及時進行維護與整改。自平臺投入使用以來，火災隱患的發現率提升了42%，整改率也實現了增長，有效遏制了火災事故的發生。

3.3.6 全面提升消防救援能力

“智慧消防云平臺”的引入，全面提升了城市大型綜合體的消防救援能力。該平臺不僅顯著提高了火災響應速度和決策的精準性，還增強了人員疏散的安全保障和消防資源的調度效率。通過對火災的全面預防和實時應對，該平臺實現了對火災事件的科學管理和高效處置，有效降低了火災造成的損失，全面提升了城市綜合體的消防安全水平。

4 結束語

總之，數字孿生技術有效彌補了當前滅火救援技術和方法中存在的局限性。數字孿生技術通過構建火災場景模型，實現了對火情的實時監測與預測，大幅降低了火情監測的延遲與不準確性，為消防人員提供了及時、準確的信息支持。基于數字孿生的火情模擬與預警系統，能夠更加真實地反映火災發展的動態過程，為制定科學合理的滅火救援方案提供了依據，提升了火情應對的效率和準確性。四川某城市大型綜合體的應用案例結果表明，數字孿生技術可以顯著優化滅火救援的全過程管理，提升消防救援能力，為城市消防安全管理提供了強有力的技術支撐。

參考文獻

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[8]新華網.天津港“8·12”特別重大火災爆炸事故調查報告公布[EB/OL].https：//www.chinanews.com/sh/2016/02-05/7750592.shtml