基于CPS的消防设施智能监控与辅助值守系统设计

张云明　董力

【摘 要】针对建筑消防系统运行状况不佳、消防安全管理不到位的问题，以信息物理系统（CPS）技术为基础，研究开发消防设施运行状态和辅助值守系统，确定系统设计思路和目标，设计系统软硬件架构，分析系统技术要点。该系统利用信息物理技术和移动通讯网络，一方面实现单位自主的消防设备运行状态的远程监控，另一方面实现消防管理值守辅助，提升了系统的可靠性，提高社会消防安全水平。

【关键词】消防设施;信息物理系统;智能监控;辅助值守

中图分类号： X924.4，TU892 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）32-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.033

Design of Intelligent Monitoring and Auxiliary Duty System for Fire Fighting Facilities Based on CPS

ZHANG Yun-ming DONG Li

（China People's Police University，Langfang Hebei 065000，China）

【Abstract】In view of the problems of poor operation of building fire protection system and inadequate fire safety management，based on the Cyber-Physical System（CPS） technology，the paper studies and develops the operation status and auxiliary duty system of fire protection facilities，determines the system design ideas and objectives，designs the system hardware and software architecture，and analyzes the technical points of the system.The system uses the information physics technology and mobile communication network，on the one hand，it realizes the remote monitoring of the operation state of the unit's independent fire-fighting equipment，on the other hand，it realizes the fire-fighting management on duty assistance，improves the reliability of the system，and improves the social fire-fighting safety level.

【Key words】Fire fighting facilities;Cyber-physical system;Intelligent monitoring;Auxiliary duty

0 前言

随着经济和社会的飞速进步，人们的安全意识不断增强，对安全的需求也逐步提高。目前，建筑内消防设施的安装和使用已经深入到社会生产、生活的各个领域，这种高普及率的自动消防设施在提高社会安全水平方面发挥着重要作用，但是现有的消防设施在使用上也存在诸多问题。从公开的调查报道来看，很多消防设施在火灾发生时并没有起到应用的作用，从事故分析结果来看既有设备运行状态问题，也有人员管理上的问题，最终导致火灾蔓延扩大，造成严重的人员伤亡和财产损失[1，2]。例如北京石景山喜隆多商场发生的火灾，由于消防中控室值班人员仅对火警进行了告警消音处理，使得火灾蔓延扩大，造成两名消防员牺牲和重大财产损失。从前期调研结果来看，我国现有消防设施存在设备运行状况不佳、值守人员专业技能和敬业精神不够，甚至无人值守的现实问题，从而导致很多安装有消防设施的场所火灾情况下消防设施不能发挥作用。另外，對于一些有消防安全需求的分散场所，例如移动通讯基站、油气管网输油站和集气站等，由于系统可靠性要求的提升，正在大量安装自动消防设施，对于这些无人值守的场所，消防远程监控与集中管理成为必然趋势。

1 系统设计思路与目标

消防设施监控与辅助值守系统以建设消防监控与服务平台为目的，通过消防设施状态监控、消防系统运行流程监控、从业人员在岗管控、消防操作辅助提醒与远程值守，实现消防系统智能化监督管理。消防系统信息采集、传输、存储与可视化是智慧消防管控的硬件基础，从物理层面解决了信息的获取与呈现问题;消防数据分析、业务逻辑建模与智能应用是消防系统智慧监控与值守系统的内在核心。基于硬件联网的消防物联网技术在目前的大多数智慧消防系统中已经实现[3]，而基于数据分析和智能处理的智慧消防应用仍然需要在智慧消防交叉学科领域深入研究。信息物理融合系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一个综合信息、实物和控制的多维智能系统，能够实现复杂系统的实时感知、动态控制和信息服务，具有安全、可靠、实施、高效的特点[4， 5]。与传统物联网系统相比，基于CPS的智慧消防系统除了实现消防网络化外，通过消防业务逻辑与大数据、人工智能的交叉融合，可以实现消防系统智能处理，满足火灾监控与智能值守复杂工作需求[6，7]。

消防设施监控与辅助值守系统按照软硬件设计与系统集成整体方案研制硬件装置并编制软件系统。首先系统需要开发消防设施信息采集和数据处理的硬件装置，研制由数据采集与传输装置、大数据处理中心构成硬件系统，实现消防设施运行状态和火警信息自动采集、实时传输和汇总处理功能。其次是编制信息管理与数据分析软件系统，建立大数据智能分析模型，开发针对电脑浏览器和移动APP两种应用模式的多功能软件模块。最后通过系统集成形成消防智能监控与辅助值守管理系统，集成系统能够将硬件采集到的数据实时传送至数据中心并存入数据库，系统能够实现数据智能计算和统计分析，并能以图表和地图形式展现结果，用户通过电脑浏览器或移动APP访问服务器，查询实时信息和数据分析结果，系统同时具备关键信息告警与推送功能。

2 系统软硬件架构设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件体系架构按照消防系统信息流输转流程，分为前端信息采集、中间网络传输、后端信息处理和终端用户呈现四大模块。在前端采集模块，传感器采集获取消防报警主机设备状态信息和控制室人员状态信息。在网络传输模块，通过移动公网和互联网，中间信息传输层将消防系统的运行信息经过联网模块、交换机等网络设备发送到数据服务中心。后端信息处理模块，动态信息数据与消防业务逻辑模型结合，实现报警、监控、辅助值守等业务智能处理。终端用户模块，不同类型用户根据权限访问、查询、接收告警信息和推送信息，并实施远程监管。系统硬件构成如图1所示。

图1 系统硬件构成

系统采集、传输、存储、处理和呈现的数据来源主要为各单位或监控点的火灾报警控制系统和消防控制室人员实时动态信息。火灾防控硬件信息又包括固定设施状态信息、探测器及手报报警信息、固定设施联动信息、固定设施故障排除信息等五类数据。这些硬件状态信息主要由建筑内的火灾报警控制器和外接传感器采集，并汇总于用户采集传输装置。消防控制室人员信息主要来源于查岗应答器和视频监控器采集，经过系统初步处理后，再汇总于用户采集传输装置。最后各单位用户采集传输装置，通过移动公网传输至消防大数据中心。

2.2 系统软件与功能设计

系统软件体系架构从下至上按照感知层、通信层、计算层、控制层、服务层进行设计和构建，实现信息采集与无线传输、数据存储、数据处理、功能应用，最后至用户终端浏览器或手机APP应用。系统软件主要功能模块如表1所示。

表1 系统软件功能

3 系统技术特点

3.1 消防设施网络化

本系统基于CPS的核心技术，结合数字通信技术和模块化软件平台，探索基于现有消防设施的信号提取与识别共性关键技术，突破自动消防设施联网的技术壁垒，解决不同产品通信协议之间的数据融合共享问题，开发兼容主流品牌和型号的模块化数据采集与网络传输装置。系统在原有自动消防设施的基础上，通过加装的小型模块化数据采集与网络传输装置，以最低的成本实现消防设施状态信息自动采集与无线传输，完成消防设施的网络化。

3.2 消防设施真实信息获取与共享

本系统在消防自动化控制的基础上，综合利用了物联网和大数据分析技术，实现消防设施状态数据和人员在岗应答数据自动采集与实时上传，数据来源真实可靠，从而保证数据分析结果的客观真实性，避免了人为因素干扰。以真实数据为基础，通过网络化的数据传输和集中数据管理，可以实现社会单位、消防管理部门、物业管理部门多方共享的消防大数据服务，增强了信息互通，形成信息收集、处理、发布一体化平台，实现全时空消防设施监控与辅助值守远程管理。

3.3 消防大数据应用与辅助值守

本系统根据平台获取的实时信息和历史数据，一方面，建立自己的消防大数据平台和智能监控与辅助值守业务逻辑模型，利用消防设施全生命周期历史数据和动态信息，预测设备隐患及发展趋势，通过随机人员应答机制监控人员在岗情况，利用火灾事故处理模型实现火灾告警与辅助值守。另一方面，通过大数据与火灾风险预测模型的结合，系统可以判断和预测监控点火灾风险，为政府部门和消防机构监测区域火灾隐患提供科学依据，增强消防部门和社会单位的主动防范能力。

4 结束语

针对消防系统监督管理和人员值守存在的问题，以信息物理融合技术体系为基础，研制消防系统信息采集与传输硬件装置，开发信息管理与数据分析软件，集成构建消防设施监控与辅助值守系统，實现消防设施状态远程监控、消防系统辅助值守。系统的开发与建设为社会单位、物业管理机构和政府消防部门提供了一套高效率、智能化的监督管理平台。

【参考文献】

[1]蒋慧灵，杨卫国，王允，et al.城市火灾监控系统运行管理现状分析及对策[J].消防技术与产品信息，2009（12）：25-29.

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[3]刘筱璐，王文青.美国智慧消防发展现状概述[J].科技通报，2017（5）：240-243.

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[5]许少伦，严正，张良，等.信息物理融合系统的特性、架构及研究挑战[J].计算机应用，2013，33（s2）：1-5.

[6]Rajkumar R，Lee I，Sha L，et al.Cyber-physical systems：the next computing revolution[C].Design Automation Conference. IEEE，2010：731-736.

[7]田宏，杨锐，罗莎莉·威尔斯.用于消防安全的信息物理系统（CPS）测试平台的研发[J].消防技术与产品信息，2016（10）： 96-97.