基于CPS的智慧消防应用探讨

雷冯近 李百毅 郑 敏 张 彪 李宗润

(1.西南交通大学，四川 成都 610000；2.四川省建筑科学研究院有限公司，四川 成都 610000； 3.四川省中垒华建消防科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

伴随城市建设的日新月异，消防安全风险不断上升，传统的消防工作模式已经无法适应新形势、新挑战，无法满足火灾防控、灭火救援和消防管理的现实需要。2017年，公安部消防局下发《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》[1]，从城市物联网消防远程监控系统、实战指挥平台、高层住宅智能消防预警系统、数字化预案编制和管理应用平台、社会消防安全管理系统等方面指导智慧消防的建设，将物联网、大数据、云计算等信息技术与消防工作进行深度融合，推动传统火灾防控和应急救援工作模式向科技化、信息化、智能化转型升级，提升消防人员的应急救援能力，提高消防远程监控与集中管理的水平。

1 智慧消防存在的问题及需求

智慧消防是智慧城市的重要组成部分，是一种将现代信息技术与消防工作进行深度融合的消防动态决策系统。智慧消防运用物联网、大数据等技术进行数据实时、动态、互动的收集、传递和处理，在数字平台上进行数据分析并及时预警，同时将调度指令反馈给相关部门，并且能进行自我不断优化，实现火灾防控精准化、救援指挥智能化、管理工作高效化[2,3]。智慧消防具有广泛性、共享性和智能性的特点，消防信息感知网络覆盖社会生活的多个领域，需要个人、多部门的配合和支持，共同分享和使用消防信息，通过大数据、云计算、地理信息、远程监控等技术对信息进行整合分析，实现一张图指挥、调度、分析、决策的灭火救援模式，最大限度地减少火灾发生率以及降低火灾带来的生命财产损失[1,4]。

1.1 消防的现存问题

目前，我国消防火灾防控基础薄弱，消防信息化建设滞后，存在消防设备监督难、火灾预警不及时、火灾现场情况不明、消防资源不清、指挥调度盲目等问题。在火灾发生时，无法及时主动报警，只能靠人为电话报警，延误救火时机；在进行现场救火时，现场火灾发生位置、受困人数、消防水源状况、建筑物构造不清楚，救援处于被动，并且由于现场情况不明只能依靠经验通过语音沟通指挥救援，救援效率低且容易造成消防人员伤亡；在日常火灾防控中，由于人工监督检查难度大，无法及时掌握火灾喷淋设施、消防灭火设施、火灾预警设施的损坏情况。

1.2 智慧消防的需求

针对消防所存在的问题，智慧消防的需求主要集中于以下几方面：一是实现火灾防控自动化，建立实时的火灾监控网络，通过图像识别技术、感温感烟探测器等对现场情况进行识别分析，判断火灾风险并自动报警；二是实现应急救援智能化，将远程监控、物联网、信息物理系统、无人设备等技术运用于消防救援中，做到能感知火灾还能感控火情，实现火灾现场可视化，使用无人机、消防机器人等设备执行危险救援任务，提高科学救援水平；三是实现消防业务管理精细化，完整记录救援过程，与相关部门做到数据衔接、共享，做到信息公开，提高规范化水平[4]。

2 信息物理系统(CPS)

CPS是基于3C(Computing，Communication，Control)技术有机融合和深度协作的综合技术体系，利用计算技术、通信技术和智能控制技术实现物理空间和信息空间的数据交互，其隐藏着巨大的潜力。

2.1 CPS概述

信息物理系统(CPS)是支撑信息化和工业化深度融合，在工业和信息技术范围内跨学科、跨领域、跨平台的综合技术体系。CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。其本质是构建一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化[5](如图1所示)。

2.2 CPS的三个层次

CPS具有单元级、系统级、系统之系统级(SystemofSystems，SoS级)三个层次，单元级CPS通过组合和集成构成系统级CPS，系统级CPS通过云计算、大数据等平台构成SoS级CPS。单元级CPS是由自动控制硬件、工业软件和通信模块构成的CPS最小单元，具有不可分割性，其自身具备数据自动流动的“感知—分析—决策—执行”基本闭环，能够实现设备的自我资源优化配置。系统级CPS是多个单元级CPS以及非CPS单元设备的集成，引入统一网络(如CPS总线)对多个单元级CPS进行指挥管理，确保彼此的交互协作，实现单个系统范围内的资源优化配置。SoS级CPS是多个系统级CPS的集成，构建起CPS智能服务平台，确保系统级CPS间的协同优化，实现更大范围的资源优化配置[5](如图2所示)。

3 基于CPS的智慧消防应用体系

我国消防目前存在消防设备监督难、火灾预警不及时、火灾现场情况不明、消防资源不清、指挥调度盲目等问题，基于物联网的智慧消防仍存在“物”联范围较小、各系统融合度低、远程控制功能不完善等不足。相较于物联网，CPS在智慧消防建设上具有更大的优势，因此为了完善智慧消防，将基于CPS的单元级、系统级、SoS级三层次，逐级建立智慧消防的应用体系。

3.1 单元级

单元级CPS智慧消防应用体系由物理装置和信息壳构成，物理装置包括物理实体、传感器、执行器、信息交互设备等，如温感传感器、火灾探测报警器、消防喷淋设备等；信息壳具备感知、计算、通信和控制等功能，是连接物理装置和信息世界的桥梁。物理装置通过传感器监测建筑内部的温度变化、烟雾浓度等数据，通过信息壳将这些物理实体的数据“数字化”，经由消防实战指挥平台的分析反馈，通过信息壳或者执行器对物理实体进行控制，比如控制消防喷淋头进行定点灭火并实时上报火情。

3.2 系统级

系统级CPS协同控制和联动多个单元级CPS,实现局部消防资源的自组织、自配置、自决策、自优化。系统级CPS智慧消防应用体系基于RFID(射频识别)无线传感、大数据等技术，包括火灾防控、报警联动、设施巡检、消防监督等多个方面，远程监控消防设施的维护情况、消防水资源状态、易燃物分布、火场实时情况等，做到对火灾的早预防、早发现、早处理。

3.3 SoS级

SoS级可以通过大数据平台实现跨平台、跨系统的联通以及信息共享共用，实现全局范围内的信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执行。SoS级CPS智慧消防应用体系依托边界接入平台、公安PGIS、消防信息网及指挥调度网，借助城市应急信息系统获取灾情动态、数据以实现灾情信息实时化，借助GIS和BIM获取灾害场所的地理信息、建筑信息、周边资源及消防设施信息以实现作战对象精准化，通过远程监控系统采集消防资源、设备、人员等信息以实现力量信息精准化，应用BIM、移动指挥终端以实现作战指挥可视化，建立指挥、调度、分析、决策“一张图”的实战指挥平台，并且通过大数据平台与政府应急联动部门、社会企业、居民住宅管理部门等进行信息共享，充分调动全局资源[6]。此外还可以建立数字化预案编制和管理应用平台，基于实战指挥平台以及其他系统采集的数据，进行数字化预案编制、火情复盘、火灾模拟演练[1]。

4 基于CPS的智慧消防应用场景

CPS是基于计算、通信和控制的综合体系，可以将其应用于智慧消费者的火情防控预警、火灾应急救援、消防设施维护等场景。

4.1 火情防控预警

利用图像识别、射频感知、电气监控等技术监控建筑内部情况，通过温度、烟雾传感器等设备将火灾产生的烟雾、高温、气体等信息转化为数字化信息，借助大数据平台对数据进行分析、传递，预判火灾风险并自动报警，避免耽误救援时机，并将火灾信息发布于移动APP上告知周围群众。

4.2 火灾应急救援

在进行火灾救援时，往往存在现场情况不明、消防设备不清的情况，使救援处于被动。可通过视频监控系统反馈火灾现场情况，并根据传感器监测到火灾情况自动切换到相应监控点，将数据反馈回实战指挥平台，通过光、声音等指示现场救火人员。依托BIM建立建筑三维立体模型，将建筑结构、楼梯走廊布置、消防设备分布实现可视化，联动救援人员身上佩戴的GPS系统以及远程监控系统，规划最佳救援路线，并根据实时情况进行优化。

4.3 消防设施维护

消防设施人工检查难度大，无法实时掌握设施状况。通过采集火灾喷淋设施、消防水箱、消防供水管道等设备的实时运行数据，融合多源信息，对装备性能、安全、状态等进行特性分析，预测可能出现的异常情况，并提前采取适宜的措施对异常状态进行预测性维护。当设备发生故障时，专家可进行远程征兆性诊断，在虚拟设备中进行预演推测维修方案，及时快速解决故障。

5 结语

CPS作为支撑信息化和工业化深度融合的综合技术体系，具有广阔的应用前景。智慧消防是消防安全建设的必然趋势，借助CPS完成消防领域信息化和工业化的深度融合，从单元级、系统级、SoS级构建智慧消防应用体系，将CPS运用于火情防控预警、火灾应急救援、消防设施维护等场景，推动消防资源配置方式以及指挥调度方式的优化，提高消防救援的能力、效率以及安全性，促进消防工作模式由“传统”转变为“现代”，实现真正意义上的智慧消防。