三维可视化消防安全系统架构及其关键技术研究

陈 阳，刘 建，吕 帅

（1.重庆市地理信息和遥感应用中心，重庆 401147）

近年来，城市综合体、TOD社区等大体量复杂建筑纷纷涌现，作为城市建设的地标级产物，其结构多样、功能复杂、材料新颖，须配备的消防设施设备点位多、总量大，给消防设计和设备管理带来了新的挑战。在这些建筑物消防安全管理中，存在建筑内部结构复杂、进入重点防火部位路径多样、建筑物内可燃物位置分布不明确等现状，使得消防救援无法快速有序开展，严重时甚至可能造成人员伤亡[1]。

传统的建筑防火设计主要基于二维平面，设施设备也多以图纸的形式展现；而利用传统的静态存储管理模式无法处理目前信息化时代的海量数据，在系统管理的效率、系统设备的协调性、紧急救援的准确性以及逃生路线的优化等方面都难以适应新型建筑发展的需要。利用三维可视化技术建立消防安全预警防控系统，可将建筑、结构、设备等多专业信息与日常消防救援管理相结合，有效提高消防管理的效率和水平，适应现代建筑行业信息化发展的趋势，加速整个行业的成长[2]。

本文建设了基于三维可视化技术的消防安全预警防控系统，并对消防安全关键技术进行了研究，以期达到消防安全透明化监督检查、火灾隐患动态掌控和辅助灭火救援的目的。

1 系统构建

1.1 系统架构

根据消防安全的应用需求，基于三维可视化技术的消防安全预警防控系统采用COM和SaaS架构，以通用性、稳定性为主导，进行分层设计和开发。整个系统架构从逻辑上分为基础设施层、数据层、平台支撑层、服务支撑层和应用层，如图1所示。

图1 基于三维可视化技术的消防安全预警防控系统架构

1）基础设施层提供系统的网络、服务器、存储、安全、输入/输出等设施，以及保障上述设施正常运行的基础软件环境。该层是系统的软硬件设施基础，保证了数据的安全存储、高效管理和快速传输，为三维消防预警系统提供了安全、高效和稳定的运行 环境。

2）数据层是三维消防预警系统的核心。在统一的数据标准与技术规范的规定下，该层由实景三维数据库、基础地理数据库和实时消防监控数据库组成；同时还包括空间数据之间的逻辑访问和维护接口，用于接入新的消防物联网数据。数据访问接口具有通用性，可根据不同权限配置访问不同数据，实现不同用户的数据访问与共享需求。

3）平台支撑层包括整个系统所依赖的GIS平台、互联网服务平台和消防监控平台，构成了三维消防预警系统运行的技术支撑环境。

4）服务支撑层提供系统平台的综合服务支撑。该层主要包括二/三维地图服务、资源目录服务、功能应用服务以及消防数据接口服务等数据服务和功能服务。

5）应用层是直接与用户交互的系统功能层，根据用户差异化需求，构建和开发不同的应用，为各类用户需求提供服务。该层建立在服务支撑层的基础上，负责满足用户需求的数据库管理，提供数据应用服务，主要包括浏览展示、信息查询、地形分析、缓冲区分析、火情标记等[3]。

1.2 系统功能

基于三维可视化技术的消防安全预警防控系统可实现消防设施监测、火灾预警报警、防火巡查、消防控制室人员在岗管理等多种功能。

1）建筑消防设施实时监控。通过安装在建筑消防设施上的传感器，实时采集火灾自动报警系统、消防给水系统、防排烟系统、防火分离系统、消防电源系统等消防设施的工作状态，并将其状态发送至消防监控中心[4]。

2）消防设施故障隐患自动预警。当安装在建筑消防设施上的传感器采集到异常状态时，系统通过物联网监控终端的运算逻辑，自动判断消防设施的故障隐患，并将故障隐患转换为预警报文发送至消防监控中心。

3）火灾实时报警。实时采集火灾自动报警系统的数据，当系统发出报警且得到确认时，用户信息传输装置则将火灾信息实时发送至消防监控中心[5]。

4）每日防火巡查。消防巡查人员每日对建筑消防设施进行扫码巡查，若发现消防设施故障隐患或存在火灾风险的不规范行为，则进行拍照并上传至消防监控中心，由消防管理人员及时敦促相关部门对故障隐患进行维护，对不规范行为进行纠正。

5）消防值班人员脱岗监管。通过消防值班室的视频监控和呼叫功能，可实时监督消防值班人员是否脱岗，当视频未发现值班人员时，可通过系统进行远程呼叫。

6）疏散通道和消防车道阻塞自动预警。通过视频监控和图形识别，判断主要的消防疏散通道、消防车道和灭火作业面是否存在被阻塞隐患，若发生阻塞，物联网监控终端则将阻塞预警信息发送至消防监控中心。

7）基于三维可视化的火灾监测。以三维实景地图为基础，结合火焰和烟雾识别技术，通过高空摄像头云台的全方位旋转对区域火灾进行远程监控，特别是对于无建筑消防设施的城市棚户区的远程监控。

2 系统关键技术

2.1 高分辨率在线无缝三维浏览技术

为了满足海量地理三维数据储存与管理、在线地图服务、三维建筑物可视化、各类消防传感器数据接入等需求，系统选用Supermap9D IServer作为地理信息可视化平台进行服务。

1）承载海量地理数据，高性能运行。为保障用户在线三维可视化的流畅浏览，系统采用Docker容器化技术实现GIS服务更细粒度的弹性伸缩与灵活部署。系统分层加载已分块的三维建筑数据，实现了云GIS服务的高效率部署、高性能运行和低资源占用。针对超大体量的二维和三维地理数据集进行分布式空间分析和数据处理，能显著提升传统空间分析性能，且其性能随着计算节点的增加接近线性增长。

2）支持多用户并发访问、运行效率高，基于云服务器的分布式流数据处理。IServer采用基于Spark的分布式架构，将Oracle数据转化为更高效的空间数据库进行运维管理，部署和维护也更加灵活。Spark Streaming在处理前，需对数据流进行分片，按照时间间隔形成小的批处理任务。当大量用户同时对系统的不同功能页面进行浏览时，IServer采用开放式并发控制，以满足不同用户的浏览查询需求。

3）高性能动态渲染技术支持无缝切换二/三维视图。采用先进的图像压缩和动态渲染技术，以及高性能分布式动态渲染技术，无需预先裁切瓦片，即可完成海量数据的快速发布与实时渲染，实现二/三维浏览的流畅无缝连接。

4）支持多种消防物联网传感器智能集群的高扩展性。系统涉及多种硬件的消防传感器（视频、水压、烟雾、液面高度）和多种类型的地理数据（三维模型、影像、DEM），因此需要具备高扩展性以便集成跨硬件平台、跨操作系统平台的异构传感器和数据集群，还需支持消防设备新类型传感器的接入扩展。系统提供了平台级的服务器扩展机制——领域空间信息服务扩展，即基于内核容器级的扩展机制，将行业功能与GIS服务平台融为一体。

2.2 SaaS模式的智慧消防系统技术

基于物联网的消防设施状态信息实时交互可实现智能整合、动态感知、自动推送。通过构建基于SaaS模式的物联网智慧消防系统，可实现建筑消防部件与事件的数字化、网络化和空间可视化管理[6]。在建筑消防设施上采用统一的二维编码，并在云端数据库建立“一数一源”的对应关联；在云端采用KPI关键指标和CAP预警（报警）机制，实时采集建筑消防设施工作状态，监测异常报警信息，并进行主动推送，具有实时感知、高度并发、自主协同和预警报警等特征。云平台还提供了大规模数据处理、数据共享和应用服务，将上述消防设施特征状态和异常状态数据融入云计算平台中，并与消防业务相关应用系统相结合，从而形成物联网智慧消防系统，创新地将物联网技术与云计算有机融合在一起。

2.3 双维度的三级报警技术

系统中采用双维度的三级短信报警机制（图2）：一级为报警短信发送给消防值班人员，二级为报警短信发送给消防责任人和消防维保人员，三级为报警短信发送给消防监管人员。

图2 双维度的三级分级报警机制

1）压力维度（水压曲线1）。当建筑消防灭火系统管网压力低于一级报警压力时，发送一级短信报警；低于二级报警压力时，发送二级短信报警；低于三级报警压力时，发送三级短信报警，以实现压力维度的三级报警。

2）时间维度（水压曲线2）。当建筑消防灭火系统管网压力低于一级报警压力时，发送一级短信报警；在维持该低压力值超过24 h后发送二级短信报警；在维持该低压力值超过48 h后发送三级短信报警，从而建立时间维度的三级报警机制。

2.4 倾斜摄影与多种数据相结合的精细化三维重建技术

利用ContextCapture软件对五镜头摄影测量系统采集的倾斜数据进行空三解算、实景三维重建，得到的实景三维模型在低矮建筑物侧面、道路两侧等数据采集不完整的区域会产生纹理拉花、结构扭曲、破面缺面等问题。对于系统中的实景三维模型，采用手持数码相机拍摄的近景影像、车载移动测量系统采集的全景影像、三维激光扫描仪采集的点云数据等多种数据源融合的方法对数据采集不完整区域进行精细化三维建模，可有效解决由单一倾斜摄影无法采集到部分区域数据而造成的纹理拉花等问题[7]。试点区域实景三维模型如图3所示。

图3 试点区域实景三维模型

3 结 语

基于三维可视化技术的消防安全预警防控系统通过物联网监控、三维可视化实景呈现的方式，为智慧消防提供了客观、真实的数据；并通过对火灾自动报警系统、消防给水系统、防排烟系统、防火分离系统、消防电源系统等消防设施的远程实时监测，防止了消防设施出现长期处于故障或瘫痪状态、消防系统不能及时联动、消防设施陈旧老化等 情况，及时发现消防设施故障，并告知相关负责人尽快排除故障隐患，从而有效避免了火灾发生后设施不能联动控制的状态，将火灾造成的损失降到最低。

建筑物一旦发生火灾，通过建筑物内消防物联网的监控数据，结合三维可视化的呈现方式，可为人员逃生和灭火救援提供最佳的逃生路线指引。系统内的火灾现场监控、视频及其实景三维数据可为消防部门快速制定灭火方案提供有力支撑。同时，利用三维实景和高空摄像能为无建筑消防设施的城市棚户区、老旧城区提供火灾预警和防控，为减少和控制城市火灾提供实时准确的服务。