基于大数据的智慧消防系统架构探讨

吴先洪，车 辉，杨 波，邢慧芬，樊玉琦

（1.深圳市智为科创技术有限公司，广东 深圳 518000；2.织里镇公共事业服务中心，浙江 湖州 313000；3. 中国移动通信集团山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000；4.巢湖学院 信息工程学院，安徽 合肥 238000；5.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

近年来，全国多个地方连续发生重特大火灾事故，火灾防护形势十分严峻，消防工作面临着极大考验，因此提升消防工作效率，研究基于大数据的智能消防系统成为重中之重。2017年10月，公安部消防局下发了《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》，旨在全面提升我国消防运行效率，提高应急响应速度，保障人民生命与财产安全。智慧消防[1-2]是利用物联网[3]、人工智能、大数据[4]和云计算[5]等技术，实现城市消防的智能化，用以提高信息的传递效率、保障消防设施完好、改善执法及管理效果、增强救援能力、降低火灾发生概率及其造成的损失。

传统式智慧消防系统由于受到当时技术环境、财政预算等条件的制约，缺少顶层架构设计，使得各子系统数据层相互独立，且独立向外提供服务、认证、接口和安全服务，导致数据分散、数据孤岛现象严重。传统智慧消防顶层架构如图1所示。

图1 传统式智慧消防系统架构

传统智慧消防系统架构能够满足智慧消防的建设需求，具有开发部署灵活、扩展性强等优点。但是由于缺乏顶层架构设计，因此各子系统相互独立、缺乏统一认证管理，导致资源浪费、系统安全风险较高等。随着消防技术的不断成熟和产业的发展，较大的消防系统集成商出现，传统智慧消防系统逐步被整体式智慧消防系统和分层式智慧消防系统取代。

1 整体式智慧消防系统架构

在整体式智慧消防系统架构中，各子系统的感知层和网络层彼此独立，负责采集终端的消防数据，并接受上层控制。数据层则汇聚底层各子系统的数据，各子系统的共有大数据管理平台负责消防数据的存储、处理、统计分析、安全认证和数据接口，为应用层提供服务。应用层通过APP、Web和数据墙等方式向用户提供服务。整体式智慧消防系统架构如图2所示。

图2 整体式智慧消防系统架构

整体式智慧消防系统从顶层设计时就考虑了数据的融合与统一，并由应用层统一向外界提供服务，避免出现数据孤岛现象，降低了应用层的开发成本。大数据管理平台统一对外提供安全认证和数据接口，提高了系统的安全性，降低了管理的复杂度。

消防各子系统由于承担的功能不同，因此对数据的处理速度、时延要求存在明显差异。但整体式智慧消防系统由大数据管理平台统一进行数据处理和底层终端响应，因此对平台的性能和底层数据存储、计算等硬件的要求较高，导致平台软件开发复杂度和底层硬件的成本较高，反而不利于应用和推广。

2 分层式智慧消防系统架构

在分层式智慧消防系统中，各子系统增加了一个数据平台层，用于各子系统的数据处理，从而提高各子系统的响应速度，同时降低大数据管理平台开发的复杂度和对底层硬件的要求。在分层式智慧消防系统架构中，系统分为基础层、数据层和应用层。其中在基础层中各子系统负责数据的采集、传输以及部分数据的处理，如对底层终端的控制信息和对时间敏感性较高的数据进行处理。数据汇聚到大数据管理平台，由大数据管理平台提供数据的统计分析、查询功能，并统一向外提供认证、数据接口等，从而提高系统的响应时间和安全性。分层式智慧消防系统架构如图3所示。

图3 分层式智慧消防系统架构

分层式智慧消防系统架构各子系统增加了一个数据处理层，负责对底层时间敏感性数据的处理，如火灾告警信息的判断处理，从而提高数据的处理速度，缩短系统的响应时间；同时各子系统根据需求部署相应的存储和处理硬件，降低系统的建设成本；系统向外提供的认证和数据接口等功能统一由大数据管理平台完成，因此系统具有较高的安全性；系统还具有较好的灵活性和扩展性，具备较高的应用价值。

3 三种消防系统架构对比分析

3.1 系统安全性分析

传统式智慧消防系统各子系统由不同的集成商建设，数据存储在不同的服务器上，相互独立，缺乏统一的认证管理和对外服务接口，从而给数据造成了很大的安全隐患。

整体式和分层式智慧消防系统数据存储在大数据管理平台中，并由大数据管理平台统一对外提供安全认证和数据接口，因此系统具有较高的安全性。

3.2 系统可扩展性分析

在传统式智慧消防系统中，各子系统相互独立，因此具有较高的可扩展性；分层式智慧消防系统继承了传统式智慧消防系统的优点，新建的子系统保持独立，将部分数据处理分析功能交给上层的数据管理平台，因此也具有较高的可扩展性。

整体式智慧消防系统由大数据管理平台统一对终端设备进行管理和数据处理分析，新建子系统不但会增加平台的数据处理和管理复杂度，而且如果新增子系统的时间敏感性更高，则平台和底层存储将难以适应新的应用需求，因此系统可扩展性较差。

3.3 系统服务器性能分析

在传统式智慧消防系统中，各子系统相互独立，拥有独立的数据存储和处理功能，因此可以根据各子系统的实际需求配置服务器，从而降低底层硬件部署的复杂度和成本。而分层式智慧消防系统继承了传统式智慧消防系统的优点，只是把部分数据的统计分析功能交给上层处理，因此服务器的部署成本和复杂度也较低。

整体式智慧消防系统统一对数据进行处理和底层设备管理，由于平台连接设备数量巨大、设备并发性较高，这就对系统的性能和处理速度具有较高的要求。而系统是根据各子系统中性能最高的要求进行设计，因此系统底层硬件部署的复杂度和成本都较高。

3.4 系统复杂度分析

传统式智慧消防系统各子系统相互独立，新增加的数据层和应用层只是模块的叠加，而且各子系统独立设计，关联度较低，因此系统并不复杂。

整体式智慧消防系统由统一的平台进行管理，需要处理的数据量巨大，因此对平台软件的性能与底层硬件的性能、系统开发、硬件部署等方面要求较高，导致系统复杂度较高。

分层式智慧消防系统结合了传统式和整体式智慧消防系统的优点，把对底层设备的控制和部分数据处理交给各子系统，从而缩短系统的响应时间；把数据管理、统计分析等功能交给大数据管理平台，从而降低软件开发的复杂度，提高系统性能。

4 分层式智慧消防系统设计实现

某地区是浙江省智慧城市示范试点之一，在做智慧消防顶层规划时，采用了分层系统架构设计方式，先后建成了智能预警系统[6]、消防栓水压监测系统[7]、智慧用电系统[8]、智慧安监系统[9]和消防流动人口管理系统等子系统[10]，并由大数据管理平台进行数据的统一管理、安全认证和系统对外对接，实现了消防区域的用电、消防栓水压、烟感数据、门禁数据、摄像头数据、企业数据、出租房数据的采集、存储及数据的互联互通和消防联动。某地区智慧消防系统架构如图4所示。

图4 分层式智慧消防系统架构

系统构建过程中引入云化和分布式核心技术，结合Redis、MySQL等开源软件，突破传统架构的容量和性能瓶颈。通过应用服务化、负载均衡、异步处理解耦、高速缓存和底层的分布式数据存储实现系统扩展。在接口方面，基于系统内部架构实现前后端系统分离，前端系统通过RPC方式调用后端系统提供的服务，即后端系统以API发布的方式为前端系统提供服务能力；系统与其他外围子系统交互基于定义的数据交互接口规范实现，各外围子系统可以通过实现数据对接的接口规范来达到与系统数据交互的目的。

建成后的智慧消防大数据管理平台实现了统一设备管理、统一接入管理、统一标注管理、统一数据管理和企业安全管理等功能。通过该系统不但能够将摄像头、烟感传感器、水压设备、电表设备和门禁设备标注在地图上，也能够实时接收、显示、处理所管辖设备的基础信息及设备运行状态。同时，系统具备数据统计分析、查询和展示功能，如安监巡防场所巡查数据统计、安居巡防街道变化对比和安监巡查记录。图5为某地区智慧消防系统数据墙。

图5 智慧消防系统数据墙

5 结 语

传统消防系统由于受到当时技术环境、财政预算等条件的制约，缺少顶层架构设计，使得各系统相互独立，严重阻碍了智慧消防的建设和发展。文章根据消防系统数据层的不同，提出了整体式智慧消防系统架构和分层式智慧消防系统架构，并对2种系统架构的优劣性进行了讨论。智慧消防通过统一大数据平台把各子系统进行融合，从而实现消防数据共享和系统协调统一，有效提高消防部门的管理效率。该系统具有一定的实践和推广价值。

注：本文通讯作者为车辉。