智能物联网下的消防监督管理系统建设

苏尔煜,詹德佑

(浙江方圆检测集团股份有限公司,浙江 杭州 310018)

近年来,随着社会经济及城市建设的迅猛发展,消防工作面临巨大挑战。虽然我国消防事业已经取得较快的发展,但是消防力量、管理水平与经济社会发展进程不匹配的问题还很突出。伴随着物联网、人工智能、大数据等技术手段的发展,智慧消防应运而生。经过几年的发展,我国的消防建设逐渐由传统消防向智慧消防转型,显著提升了消防工作的管理效率与消除隐患的能力,有力保障了人民生命、财产安全,提高了火灾救援和预警能力。[1]然而,《中华人民共和国消防法》尚未对智慧消防有明确的定义,在消防验收中也未有强制要求。目前的智慧消防多为政府牵头建设,消防物联网平台通常由社会化第三方运营单位参与运营以及设备维修保养和平台日常维护,由消防部门对运营单位进行统一的监督管理。建设完善统一的消防监督管理系统有利于提升消防工作的管理水平和服务能力,实现消防部门“对党忠诚,纪律严明,赴汤蹈火,竭诚为民”的崇高宗旨,解决智慧消防建设中遇到的管控难点。

1 智慧消防建设现状

1.1 政策导向

2017年公安部原消防局发布的《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》强调:应依照《消防信息化“十三五”总体规划》规定,综合性应用物联网、云计算技术、互联网大数据、移动互联等新兴信息科技,积极推进“智慧消防”建设,全方位推动信息化管理与消防业务工作的紧密结合,完成“传统式消防”向“现代消防”转变。[2]随即地方政府和相关行业开始预算立项,着手智慧消防相关平台及前端感知软硬件设施的建设。

1.2 物联网技术在智慧消防中的应用

物联网技术在消防中的应用主要通过条码、传感器、射频识别等传感设备实时采集消防设施的各类数据,同时通过无线传输技术与互联网形成网络,物联网在消防中的应用主要用于实现消防系统与网络的连接,方便数据的采集,识别,管理和控制。

其中基于NB-IoT(窄带物联网)构建的网络,因其带宽消耗少(大约180 kHz),部署成本低,同时还具有以下优势[3]:

1) 覆盖广,在同样的频段下,窄带功率谱密度提升,比现有的网络增益20Db;

2) 连接多,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接;

3) 功耗低,采用简化协议,发射/接收时间短。效率高,芯片功耗低。

NB-IoT技术非常适合建筑内大量消防设施设备的数据采集与传输,能满足消防物联网对通信系统安全、可靠和稳定的需求。运用NB-IoT技术能够对各类建筑的烟雾报警、自动灭火系统、消防水系统等进行实时监控。

但是NB-IoT在实际消防应用中也存在着数据传输少,信号不稳定等问题。因此在智慧消防中也存在利用433 MHz、LoRa,4G/5G技术来弥补NB-IoT在实际应用的不足[4]。

1.3 物联网前端感知软硬件设施建设现状

智慧消防前端感知设施主要利用433 MHz、LoRa、NB-IoT、4G/5G等无线通讯技术,将传统火灾报警主机、智能感烟/感温火灾报警系统、消防水源水压水位监测系统、智能消火栓系统、智慧用电电气安全监测系统等消防报警系统接入管理平台,由运营单位进行日常设备的报警处理及设备的维修保养。[5]以杭州市某区为例,截止到2020年底,该区已安装部署智能感烟/感温报警系统16 000套,火灾报警远程联网系统300套,消防水源水压水位监测系统100余处,基本覆盖全区出租房、高层建筑和重点消防单位,全区消防社会运营公司发展到22家,统一为区级监督管理系统提供数据支持与服务。经过几年发展,智慧消防物联网应用已经从探索阶段,逐渐向多场景、多行业发展。智慧物联网平台建设又增加对老人公寓、九小场所、文博古建等场景的应用,并向能源、电力、银行等专业应用行业全面延伸。当消防运营单位通过物联网平台确认为真实火警后,区级监管平台便可实时掌握火警地点并调度就近消防力量展开灭火救援。2018年该区的智慧消防一期建设完成后,当地发生火灾384起,同比2017年减少了143起,下降幅度达27.1%。

1.4 应用效果

目前大多数消防监管系统已能将下级社会消防运营服务单位的物联网数据接入,但是在实施过程中由于缺少相关的标准以及数据审核制度,导致物联网平台数据类型接入不完整,数据质量不高,消防部门难以通过监管系统对所属辖区的单位进行排名考核,当出现消防报警隐患时,难以有效进行隐患的闭环管控。

2 消防监管系统建设的缺陷

物联感知前端+智能物联网平台+消防监管系统的三级智慧消防体系已经在各个省市地区初见,但是在调研中发现,由于物联感知设备以及智能物联网平台建设缺少统一的标准规范,消防监管平台只能侧重数据展示而难实现实际应用,导致消防数据质量不高,统计分析结果不准确,消防监督管理平台功能无法全面覆盖消防业务等问题[6]。

2.1 数据治理能力弱

由于当前智慧消防建设国家层面缺少统一的设备接入规范、联网标准及建设标准,导致物联网平台数据对接时,获取的数据格式不统一,信息不完整;平台升级导致数据连接中断,物联网数据质量差,数据来源单一,火灾隐患分析不准确;消防内部系统数据及公安、气象等横向部门数据调用时,难以与物联网相关数据进行有效整合与关联,未建立单位、建筑物、火灾、警情主题库等业务模型,不利于推进火灾防控与救援工作开展。

2.2 智能化管控手段不足

目前智慧消防前端感知设备主要集中在火灾报警主机、智能感烟/感温火灾报警系统、用电监测系统、消防水源水压水位监测系统等消防产品的智能化程度,其主要目的是对火警火情的感知。对已建微型消防站中的值守人员,重点单位、高层建筑中消控室的值班人员,缺少线上管理手段和有效的日常监管手段,消防监管系统不管“人”只管“物”的现象比较突出。

2.3 业务互通性差

智能物联网作为前端物联感知设备的汇聚平台,主要为消防监管系统提供感知设备数据,但作为市区级消防监管系统,除消防物联设备外,消防内部的纵向数据,如119接处警数据、消防监督管理系统数据等,以及其他相关部门的横向数据,如市区的地址库信息、出租屋、人口流动信息等都可为消防监管系统提供数据的支撑与服务。消防监管系统在大多数情况主要担任物联平台汇聚的角色,缺少与横向纵向平台进行业务互通融合,无法充分利用相关平台数据为消防监管提供多维度的分析与研判。

3 消防监管系统建设

针对目前在消防监管系统中遇到的一些问题与缺陷,通过建设消防物联网管理平台、消防数据中台、消防监督管理平台,来提高消防监管系统在消防实际应用中的作用。提升消防数据质量及监督管理能力和业务数据互通能力。

3.1 总体架构设计

消防监管系统总体架构,如图1,可分为基础设施层、接入层、数据层、应用层与交互层。横向组成部分包括安全保障体系、标准规范体系两个纵向支撑体系。其中应用层即消防监管平台,基础设施层、接入层、数据层为应用层提供基础支撑。

图1 系统总体架构图Figure 1 System architecture diagram

基础设施层包括后端机房、网络、云平台、安全等基础设施建设;服务器集群、存储系统、备份系统及系统软件(操作系统、数据库、中间件、虚拟化软件)建设;数据采集(报警数据、物联网数据、视频数据、……)。前端包括火灾报警主机、智能感烟/感温火灾报警系统、消防水系统水压水位监测系统、用电监测等。

接入层包括消防数据接入平台,其中包括火灾及隐患感知管理、前端感知设备管理、运营服务及维护管理和自然灾害监测等数据。同时消防部门可根据具体业务需求,接入安全重点部位监测视频、单兵无人机移动作战数据以及其他相关数据。

数据层由消防数据汇聚服务构成,其中包括数据源分析和数据提取、标准化、管理、探查、清洗、转换、融合等功能。基础库、原始库、主题库、资源库、业务库五大应用数据库。同时包含HDFS、YARN、MapReduce、Hive、Sprak、Kafka、ZooKeeper、规则引擎、容器服务等大数据能力。

应用层即为消防监管平台,含四大应用模块:综合态势、灭火救援、火灾防控、督查督办,基本满足消防部门的业务需求。综合态势模块可利用大数据分析技术对消防设备的日常运行状况进行系统分析,对于同一建筑物出现大面积设备异常进行实时监控预警。同时,可利用119接处警信息对火灾类型、起因、警情发生时段进行分析,为消防部门日常监督检查提供决策建议;火灾防控模块侧重对重点单位、运营公司、微型消防站、危险源的管理。灭火救援模块包含事件登记、通信调度、协同标绘、任务管理、事件回溯、事件评估;督查督办模块包含在岗检查、防火检查、防火巡查、隐患治理、培训管理、演练管理、新闻公告。消防部门可结合当地情况对模块进行修改。

交互层包括PC、Pad、移动端和大屏驾驶舱,可为不同类型用户使用场景提供相符合的交互模式。如在日常巡查巡检中消防部门可利用移动端进行消防隐患的记录跟踪。在灭火救援中利用大屏驾驶舱对火警周围的情况进行全面的掌握。

系统对接层包含系统数据接入、数据共享和系统能力接入。数据接入来源可包括城市综合平台数据、消防内部系统数据、119接处警系统和其他业务系统的数据。

数据共享层包括对外的数据共享,含城市综合平台,消防内部系统以及其他业务系统的对接。

3.2 数据处理存储系统设计

数据管理全景视图如图2,为了有效地组织各个业务系统的数据资源,统一数据标准,提高数据质量,降低数据使用难度,在进行消防监管系统需实现以下目标。

1) 构建统一的消防数据标准,约束各方面的行为,为数据清洗,数据质量校验等提供明确的依据,进而支撑数据标准化建设。

2) 实现全域数据汇聚:整合数据资源,实现消防数据资源的全量化归集,在汇聚过程中做好数据对账,确保数据的传输安全。

3) 完成标准化消防数据治理:以数据标准为基础,实现标准化数据组织建设,完成全量数据的清洗、关联和整合,构建融合的消防主题数据。通过数据编目完成数据资产化建设,提供统一的数据目录。

4) 提供开放式消防数据共享:在开放过程中做好数据授权、鉴权等工作,确保数据安全共享。

5) 支撑多样化消防数据应用:基于治理好的数据,以数据挖掘手段,构建各种专题分析模型,支撑多样化的数据应用。

图2 数据管理全景视图Figure 2 View of data management

3.2.1 数据标准

监管系统的数据来自不同的内外部系统,每个系统通常未按统一标准建设,将数据汇聚到数据资源池后,同类主题会收到不同形式的数据形式。因此建设消防监督管理系统需要同步制定符合当地情况的并符合国家相关规定和消防行业的标准。标准范围应覆盖基础标准、业务标准以及标准管理三部分。基础标准是为规范数据的采集、存储和应用,避免因不同平台采用不同的基础标准而产生数据不可用不统一的问题。如物联网感知设备的定位问题,消防部门在接收到相关报警信息时要求能关联到具体街道,多数平台采用国家统计局提供的城乡划分代码,部分平台采用独特的划分代码导致数据上传后无法在监管平台正确展示。

业务标准主要是从业务上口径上统一,包括统计指标的统一。物联感知设备状态监测应要求各个下级物联网平台统一上传周期,避免因上传周期不同而导致统计结果产生误差。

标准管理主要是对数据的可持续性维护,建立下级物联网平台数据审核机制,对于频繁长时间不上传或上传不符合标准的数据进行晾晒,对其负责的运营单位进行警告或处罚。

3.2.2 数据汇聚

消防系统众多,各个应用系统相对独立,各个应用系统间的数据不能实时互联互通,要形成消防信息资源数据仓库,首要的工作是对各个系统的数据进行接入汇聚,实现数据资源的归集。汇聚方式可通过数据仓库技术工具,将需要的结构化和非结构化数据汇聚,还需要求不同来源的数据支持多种数据汇聚方法,也需支持数据汇聚接入校验、数据汇聚服务配置和数据汇聚监控管理等功能。通过数据的清洗、筛选、归一、关联,以及消防主题库和业务模型的建设等,提升消防数据质量。

3.2.3 数据共享

数据共享服务是指各类数据资源对外提供的数据访问和管理能力,为上级消防平台、城市综合管理平台等提供消防相关数据,保证数据的唯一性、统一性。同时在提供数据共享的同时做好数据授权、鉴权等工作,确保数据安全。

3.2.4 数据应用

基于治理好的数据,以数据挖掘的手段,构建各种专题分析模型,支撑多样化的数据应用。

利用物联网数据,检测感知设备,获取预警、报警数据,建立高层建筑消防报警远程联网监控和消防生命通道智能管控,以及建立高空热成像感温火灾探测系统、远程联网监控系统、水位水压监测系统、智慧用电监测系统等场景应用。

利用消防内部系统数据,获取火灾、警情、消防任务数据,建立火灾防控、协同救援、督查督办等监管平台应用。

利用消防数据与医院、公安、市政、交通、电力、供水供气等横向部门的融合数据,建立监管平台分析决策应用,通过建立数据模型,实现消防安全风险的预警预测。城区安全态势监测的目的是根据不同的风险等级及其影响的权重,优化城市消防规划和消防力量配备,指导日常消防安全检查,提高消防指挥和协同抗灾的科学性、及时性和有效性,降低火灾发生的概率及其损失,促进城市社会经济协调发展。

3.3 消防监督管理平台应用系统设计

消防监管平台的数据底盘是消防数据汇聚管理平台,为综合态势、灭火救援、火灾防控、督查督办等业务应用,提供高质量的海量数据,直接驱动业务发展,对消防的治理提供更为精准的防火服务。通过数据汇聚服务,打破各消防业务系统间的信息壁垒,使消防信息资源更有效地实现供需对接,通过建设多类消防应用业务模型,从预警、预防、预判三个维度实现立体化的火灾精准防控。

所有的消防物联感知数据,即时接入到社会消防运营公司物联网平台;物联网平台的数据、消防内部数据以及其他资源数据汇聚到消防数据汇聚管理平台,进行清洗与打标签,建立模型形成消防感知数据中间层,为综合消防防火、灭火等业务应用,提供高质量的数据资源,驱动业务发展,为消防的治理提供更为精准的服务。

消防监督管理平台架构如图3所示,平台架构包含“一库三网”及一套标准大数据库;三网即火灾防控网、灭火救援网、责任落实网。消防大数据监管平台为消防救援(支/大)队指挥中心及小型消防站,提供火灾防控、指挥调度、资源分布、执法监管、远程监管、日常巡查、人员值守、现场救援、器材管理功能。消防大数据监管平台为运营中心与社会单位提供日常运营、在岗监控、巡查维护、培训教育、应急演练、隐患排查功能。

图3 消防监督管理平台架构图Figure 3 Fire supervision and management system architecture

3.4 消防监管系统的创新与优势

该消防监管系统架构在满足目前消防部门的监督管理需求的同时也具备通用性、开放性、扩展性。

在目前的智慧消防建设过程中消防监管系统和消防感知设备多由一二家厂商参与建设,设备与系统采用私有标准进行对接。当遇到新业务新产品时,由于标准、协议不同导致的对接成本高,对接难度大。与不同业务部门数据数据共享时,由于数据来源多,时效不统一导致数据质量不高难以利用。针对这些问题该消防监管系统采用体系化数据接入,对接时采用统一标准,对不符合标准的数据进行清洗、治理以确保数据的完成性时效性。在与其他系统进行数据共享时,消防监管系统可作为该地区的消防数据的统一出口,确保数据的唯一性,避免数据的重复对接,减少开发成本。

针对目前智慧消防物联网平台由三方运营单位负责运营管理,平台多、管理难度大的问题。通过消防监管系统作为统一的汇聚平台,消防部门可掌握辖区内消防物联网以及对应运营单位的情况,消防部门可根据消防监管系统提供的信息,有针对性的进行巡查巡检。

该系统在物联感知前端+智能物联网平台+消防监管系统的三级智慧消防体系的基础上,将物联网监测数据、消防体系数据、政务部门数据以及视频监控数据,进行数据汇聚、数据治理和数据融合,建立消防数据资产体系,充分发挥数据在消防灭火救援,火灾防控中的作用。

4 结 语

智慧消防发展多年且与传统消防相比有许多优势,但由于行业布局时间相对较短,各地对智慧消防建设的理解不同,进程不一。总体来看智慧消防目前仍然处于数据采集监控的阶段,消防物联网平台规模普遍较小,部分软件公司对消防业务掌握不够深入。针对目前智慧消防遇到的难点难题,搭建一套以消防监督管理平台为核心的智慧消防体系,通过大数据分析、人工智能等新技术手段,实现具有对消防事件可靠预防、全方位监控、快速响应、准确预测、适时预警、高效处置的功能。为消防救援队伍面向消防事件的预测预警和决策调度提供科学支持,对消防事件的处置提供强大决策支持。在减少经济损失、避免人员伤亡等方面发挥重要作用。