三维可视化技术在智慧消防领域的应用研究

谭洪亮

重庆消防安全技术研究服务有限责任公司 重庆 401120

引言

2017年10月10日，原公安部消防局发布了《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》（公消〔2017〕297号）[1]，提出了智慧消防的重点建设任务和工作目标[2]，文件的发布标志着智慧消防建设正式步入正轨。2019年5月30日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于深化消防执法改革的意见》（厅字〔2019〕34号），提出了消防执法改革的5个方面12项主要任务[2]。在加强事中事后监管方面，提出了完善“互联网+监管”，运用物联网和大数据技术，实时化、智能化评估消防安全风险，实现精准监管的要求。

2018年处于关心和思考的建设初期，2019年智慧消防从概念走向应用落地，2020年落地向更纵深发展。2021年，在顶层建筑上关注的是平安中国、是应急管理、是安全责任。现阶段，多数省会级城市、90%左右地级城市均提出了智慧消防建设计划，有数百个城市正在规划和建设智慧消防，行业未来发展潜力巨大。同时，智慧消防建设工程系统庞大，涉及范围广阔，发展空间宽广，因此智慧消防领域成为投资热点。

1 智慧消防行业发展现状

1.1 供应现状

智慧消防已成为整个消防产业的主流与风口，消防产业对于新技术的需求，也让众多科技企业纷纷加入智慧消防布局。智慧消防市场存在四类参与者：科技巨头、安防企业、传统消防企业、新兴企业。

一是科技巨头。依靠自身在大数据上的优势开发物联网平台，布局智慧消防领域意在建设智慧城市，从而获取数据优势和信息资源，抢占消费市场。如阿里、华为、腾讯等。二是安防企业。其规模大，加入智能领域时机早，商业模式成熟，具有深厚的技术沉淀为进入市场打好基础。如海康威视、浙江大华等。三是以消防产品为主的企业。依靠在消防产品生产与流通领域多年积累的经验，占领了国内消防行业大部分市场。如青鸟消防、亿江科技、力安科技等。四是新兴企业。利用融资加大科研的投入，并跨界与其他通信科技巨头合作，探索新的发展模式。如辰安天泽、中消云、意静科技等。

从整体竞争力来看，以消防产品为主的企业占领了国内消防行业相对较多的市场，客户群体多，但往往自身体量不大，产品高新技术含量不高，仍相对落后。大型安防企业由于具有较强的技术优势，其产品研发工作强于其他市场参与者，占据了约30%的市场份额。互联网企业和新兴企业依托“互联网+”战略，跨行业进入智慧消防平台系统开发领域，虽然互联网企业和新兴企业具有先进的管理理念和强大的资金优势，但由于行业跨度过大，对于市场了解缺乏深度，因此难以开发出适应市场需求的智慧消防平台产品，占据约30%的市场份额。

1.2 市场现状

随着原公安部消防局指导意见的出台，各地政府和各行业企事业单位开始预算立项，采购智慧消防系统的相关软硬件。与此同时，智慧消防也开始在医疗、教育、文旅等行业开始宣传与推广，各类场景正不断延伸。根据招标网数据，2019年，全国智慧消防招标项目数量为726个，综合市场规模在34.5亿元左右。根据前瞻产业研究院数据统计，2020年智慧消防市场规模约40亿元，较上年保持15%左右增速，符合市场预期，2025年智慧消防市场规模将达到约80亿元。

我国智慧消防市场还处于初级阶段，行业中尚未出现市场占有率较高、能够引领行业发展的大型企业，企业规模普遍较小，市场格局较为分散，具有研发创新能力的企业未来发展空间巨大。

2 三维可视化技术在智慧消防领域的应用分析

2.1 三维可视化技术

当今社会，随着生产力和生产需求的不断提高，构造也变得越来越复杂，客户越来越不满足于传统的二维平面图数据，三维可视化（3D Visualization）技术随着电脑硬件也软件的发展，特别是5G的发展，变得越来越为人所知。

三维可视化技术是一门集计算机数据处理、图像显示的综合性前缘技术[3]。通过把描述物理现象的数据转化为图形、图像，并运用颜色、透视、动画和观察视点的实时改变等视觉表现形式，使人们能够观察到不可见的对象，洞察事物的内部结构[4]，这无疑将极大地提高人们的工作效率。

三维可视化图像不仅仅直观性强、可靠性强，还具备兼容性强的特点。三维可视化技术既能进行解释，也能实现成果表达，通过利用大量数据，为分析、理解和展示数据提供有用工具，从而帮助描述并解释系统的复杂现象。目前，智慧城市、智慧园区、智慧工厂、智能楼宇3D可视化、智慧展厅3D可视化等等都是三维可视化技术在不同领域中的应用，而随着三维可视化技术的市场接受度的提升，必将应用到更多的领域当中。

2.2 基于三维可视化技术的智慧消防系统

近年来，城市综合体、TOD社区等大体量复杂建筑层出不穷，多作为城市的标志性建筑，其无论是在结构上、功能上，还是材料均极具新颖性，导致所配备的消防设施设备点位多、总量大。而利用传统的静态存储管理模式，往往无法处理当前信息化时代的海量数据，因此，在消防设计优化、消防管理效率、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。

2.2.1 辅助消防设计。对既有建筑改扩建消防设计变更时，利用基于三维可视化技术的智慧消防系统辅助消防设计，可以实现不同角度和方向来观察各种消防设计方案，比较不同方案对建筑消防安全的影响，以直观的方式评估各种消防设计方案的优缺点，有效提高消防设计效率。

2.2.2 提高企业消防管理效率。基于三维可视化技术的智慧消防系统通过对火灾自动报警系统、消防给水系统、防排烟系统、防火分隔系统、消防电源系统等消防设施的远程实时监测[5]，并采用三维可视化实景呈现的方式，对其相对位置和绝对位置关系进行充分表述，以达到消防安全透明化检查、火灾隐患动态掌控的目的，可在提高日常消防安全管理效率的同时，也使得消防监管透明化，进而促使社会单位自觉履行消防安全职责。

相较于传统的二维平面地图，在三维场景中，消火栓、防排烟风机、消防水泵等消防设施运行故障状态实时更新展示；安全出口、疏散走道等疏散设施占用对疏散逃生路线影响模拟后果更直观；灭火疏散应急预案推演模拟效果获取更全面，从而有效提高对消防设施设备和消防安全人员的管理效率和水平。

2.2.3 助力消防维保数字化转型。通过直观体现出建筑物消防安全的可视化三维模型，在海量的运行数据库与消防安全管理人员之间构建一个可以实时交互的界面，可有效减少之前消防系统需要花费大量人力资源的定期巡检以及经过排查才能发现的火灾隐患实现消防维保数字化转型。据测算，基于三维可视化技术的智慧消防系统可以减少消防维保公司在维保工作中80%以上的人力投入。

2.2.4 提高紧急救援的准确性。基于三维可视化技术的智慧消防系统可将建筑的结构、设施设备、管理等信息与灭火救援相结合。当火灾事故发生后，通过还原火灾建筑内及周边的复杂环境，快速精确展示消防设施的监测信息，非常直观的展示灭火救援现场和着火部位情况，全面了解火灾现场及周边的地表地形、建筑、道路、水源、消防装备力量等情况，这种“上帝视角”为灭火救援现场指挥、消防资源调度和部署提供科学的决策依据。

2.3 基于三维可视化技术的智慧消防系统关键技术研究

2.3.1 三维场景快速构建。目前三维场景构建方法普遍存在效率低、数据量大等问题，为实现快速构建可靠的三维图，实现半自动化或自动化建模，可采取一种简单且快速的方法，即以Auto CADVBA、VRML建模语言及数据库技术为主要手段，进行三维模型构建、纹理映射、场景集成。此外，针对火灾现场地理信息数据不全，可采用基于无人机倾斜摄影技术，实现火灾现场三维场景快速构建。

2.3.2 虚拟环境容器服务。为解决智慧消防平台大量在线访问不流畅等难题，保障智慧消防系统三维可视化界面在线浏览流畅，可采用一种使服务部署变得简单化和智能化的Docker容器技术，Docker不仅启动运行速度快，还资源占用小，通过对智慧消防系统超大体量的二维和三维数据集进行分布式空间分析和数据处理，显著提升空间分析性能。

2.3.3 实时协同标绘。传统的标绘系统不具有高度实时性的移动协同标绘功能，不能满足灭火救援时协同部署的需求，而基于J2ME的移动实时协同标绘系统，可根据消防力量部署、火灾情况、现场地形等诸多要素，在三维场景中实时标绘行进方向等标志，通过火灾现场数据信息的实时变化情况，实时标绘信息的交流及协同感知[6]，即实现灭火救援现场指挥与应急指挥中心的协同标绘，实现灭火救援时消防力量的协同部署。

2.3.4 应急处置算法。在三维场景中实时接入应急救援数据，通过对四维时空的应急救援数据的可视化分析，并基于动态事故演化模型和应急处置算法进行研判，实现灭火救援现场的高效辅助决策与快速响应。采用常规的仿真模拟方法对事故情景建模可以有效实现事故动态演化模拟，而针对应急处置过程中主要参量变化的模拟，可通过集成定性因果推理和从AI领域发展起来的QSIM算法得以实现[7]。

4 结束语

安全是人类最基础需求之一，随着信息化技术的发展，越来越多的人想改变以往对自身所处场所、空间的消防安全状态一知半解的现状，逐渐提高了建设紧急状态下安全保障机制的重视度。智慧消防的出现很大程度上解决了之前消防安全管理效率低的问题，消除了消防安全管理过程中易出现的盲盒状态，打通了信息壁垒，实现了数据互联互通。而三维可视化技术的出现与运用，又给智慧消防整个行业带来了天翻地覆变革。

在智慧消防领域，借助于三维可视化技术的具象化、图形化、可视化，可实现智慧消防系统的直观性高、可靠性强和兼容性广等功能，进而提升消防安全管理和灭火救援的高效性。通过三维场景快速构建、虚拟环境容器服务、实时协同标绘和应急处置算法等关键技术的应用，实现智慧消防系统的消防安全预警防控、灭火救援数字化预案、消防资源调配等具体功能，为智慧消防的建设与发展提供解决方案，是现阶段及未来研究的重点。

目前，虽只有少数企业开始探索三维可视化技术在智慧消防领域的应用，但三维可视化技术为智慧消防带来的井喷将会是不远未来必然发生的盛事。