浅谈消防物联网对建筑消防系统的提升

张 照 阳

(上海华建工程建设咨询有限公司, 上海 200070)

0 引 言

现有的民用建筑消防设施体系主要包括室内消火栓系统、自动灭火系统、建筑防排烟系统、建筑电气消防系统。消防系统构架是以消防联动控制系统为核心来对这些各自独立的子系统进行控制和运行状态的监管。

1 以消防联动控制系统为核心的建筑消防系统

1.1 系统架构模式

在现有的建筑消防系统中,消防联动控制系统是核心组成部分。建筑消防系统的工作模式为消防联动控制系统接收火灾报警控制器发出的火灾报警信号,并按照系统预先设置好的联动逻辑完成各项消防功能,接收并显示受控设备动作及反馈信号[1]。火灾探测警报系统、消防应急广播系统、消防应急照明和疏散指示系统、消防排烟系统、自动灭火系统等相关的消防子系统均接受消防联动控制系统的控制和运行状态监管。各消防子系统和消防设施通过回路总线配接联动模块后与消防联动控制器链接。以消防联动控制系统为核心的现有建筑消防设施系统架构示意图如图1所示。

1.2 现有建筑消防系统的不足

上述以消防联动控制系统为核心的建筑消防体系看似安全可靠,但随着现代建筑规模的发展暴露了一些不足。

1.2.1 庞大的消防系统规模增加了工程造价和运维难度

根据GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》中的规定,任一台消防联动控制器地址总数或火灾报警控制器(联动型) 所控制的各类模块总数不应超过1 600点,每个回路配接联动模块的数量不宜超过100点,且应留有不少于额定容量10%的余量[2]。许多大型建筑往往需要几十至上百个回路总线从各个方向汇集到消防控制室内的消防联动控制器上,消控室内设置几台至几十台的联动控制器,从而组成了规模庞大而复杂的消防联动控制系统。这种架构模式造成了系统布线工程庞大的工程量,既增加了工程的造价,也给后期系统的运营维护增加了难度。

1.2.2 种类繁多的系统和消防设施增加了系统运行故障的风险

根据消防联动控制系统设定的工作模式,当建筑物发生火灾时,系统首先根据探测器来确认火灾发生的位置,而后通过联动模块预先设置好的联动逻辑起动建筑物内的消防系统、消防设施。消防联动控制器控制的主要系统及设施包括:自动喷水灭火系统、气体灭火系统、防排烟系统、防火门系统、消防电梯系统、应急广播系统、应急照明和疏散指示系统等相关系统。而不同的消防系统、设施其联动触发信号、联动控制信号及联动反馈信号也不相同。在建筑规模较大、消防设施种类和数量较多的情况下,众多的消防联动信号与联动反馈信号对消防联动控制器的逻辑判断和控制执行能力提出了很高的要求和挑战,在一定程度上增加了系统的运行故障风险。

1.2.3 对消防设备的运行状态监管存在不足

按国家标准GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》的要求,消防联动控制器应能实时监测自动灭火系统、消火栓系统等建筑消防系统、消防设施的运行状态信息[2]。但是按照目前的消防联动控制系统的架构模式,消防联动控制器通过联动模块采集压力开关动作、消防风机起停等消防系统设备的动作状态信号,以及信号阀关闭、消防水池液位报警等消防系统设施的故障报警等开关量信号(0/1)[3],但不能实时采集消防水池的液位变化信息和消火栓出口的实时流量信息等消防系统的模拟量状态量,因此,当建筑发生火灾时,无法实现对消防设施的动态监测,对消防设备的运行状态监管存在不足。

2 消防设施物联网系统

2017年公安部消防局发布了《关于全面推进“指挥消防”建设的指导意见(公消[2017]297号)》,要求运用物联网、云计算、大数据、移动互联网等新兴信息技术,加快推进“指挥消防”建设,促进信息化与消防业务工作的深度融合、全覆盖的社会火灾防控体系,实现“传统消防”向“现代消防”的转变。2022年2月国务院安全生产委员会印发了《“十四五”国家消防工作规划》,文中要求推行新型监管模式,实施“互联网+”监管,坚持智慧引领,充分运用物联网和现代信息技术,全时段、可视化监测单位消防安全状况,实时化、智能化评估消防安全风险,提高预测、预警能力,分级分类实施差异化消防安全线上监管。上海市率先在全国范围内出台了工程建设规范:DG/TJ 08-2251—2018《消防设施物联网系统技术标准》[4]。

2.1 消防设施物联网系统的架构形式

消防设施物联网系统是指通过信息感知设备,按消防远程监控系统约定的协议,连接物、人、系统和信息资源,将数据动态上传至信息运行中心;把消防设施与互联网相连接进行信息交换,实现将物理实体和虚拟世界的信息进行交换处理并做出反应的智能服务系统。消防设施物联网系统主要由感知信号的收集部分、数据传输网络以及安全协议、网络系统的运行平台和数据处理中心等构成,其系统的总体设计架构包括了感知层、信息传输层、应用层和管理层[4]。消防设施物联网系统的构架形式如图2所示。

图2 消防设施物联网系统的构架形式

感知层:负责系统感知和收集系统所需要的信息,其数据采集源来自众多的电子传感器、视频终端、物联监控、物联巡查等,通过报警主机信息采集终端获取火灾探测器、可燃气体探测器、空气采样探测器、火焰探测器等终端的报警巡查信息,并对数据进行分析整理后,将采集到的消防系统、消防设施信息传递到传输层。

传输层:利用有线或无线网络对消防系统接收的来自感知层的信息进行管理和传递,将云平台服务器与消防系统、消防设施连接起来,同时能够支持双向的实时通信。

应用层:采用支撑服务技术,利用信息运营中心对大数据进行分析使用,主要由监控中心计算机系统和智能移动终端等组成;可将数据应用平台分为消防物联网应用平台和消防大数据应用平台,实现对消防系统、消防设施智能化、实时、动态的监管。

管理层:包括消防数据交换应用中心和管理指挥中心,能对消防设施物联网系统的数据采集、数据分析、数据传输涉密等进行监管。

2.2 消防物联网对建筑消防系统的提升

2.2.1 对建筑消防设备监测能力的提升

现有的建筑消防系统对消防设备的监测存在不足,可能引发一些重大安全事故。如发生在杭州的6.22小区纵火案中,事发小区的消防系统、设施均按照《建筑设计防火规范》[5]、《火灾自动报警系统设计规范》[2]等国家消防相关的规范标准设计、施工。在发生火灾时,小区消控室显示应急广播、消防电源、消防电梯、防排烟设施等消防设备状态正常,小区消控室也在第一时间接到了发生火灾住户的火灾报警信息。可是当物业人员赶到现场打开消火栓灭火时却发现消火栓无水可用,小区消防泵未能起动;又由于通道被杂物阻挡等原因,在火灾发生近30 min后消防人员才进入消防水泵房将消火栓泵手动起动,但因水箱内存水量不足,不能提供足够的灭火水量,且消火栓出水口压力不足,不能有效灭火,这些消防设施在火灾时没能正常运行,延误了灭火行动,最终导致“小火酿成了大灾”。这起火灾事故暴露出现有的消防系统对消火栓系统监管不力,对于消火栓水压、流量等信息不能实现实时、动态监控等问题。消防物联网从感知层、传输层、应用层对消防水系统进行提升。

(1) 感知层设计。

感知层主要由各种传感器组成。设置在消火栓系统的传感器主要包括:阀门开度传感器(负责监控消火栓的状态,判断消火栓是否有漏水情况发生)、压力传感器(在最不利点消火栓及消防管网设置以监测供水压力)、液位传感器(在消防水箱、水池设置监测消防用水储存量及水质信息)[6]。设置在消防水管网中的传感器分布示意图如图3所示。

图3 设置在消防水管网中的传感器分布示意图

(2) 传输层设计。

物联网的数据传输有有线、无线两种方式。考虑到建筑物中消防水系统体积庞大,末端传感器距离服务器远,而无线网络相比于有线网络省去了线路铺设工序,降低了建造成本,所以消火栓系统的数据传输采用无线方式,对比各种无线网络特点后确定采用ZigBee结合LoRa技术形成分层无线传感器网络的通信方式。不同形式的无线网络特点对比如图4所示。

图4 不同形式的无线网络特点对比

(3) 应用层设计。

通过在建筑模型图上显示消火栓的位置、功能、实时动态参数等信息,可以实时监测消火栓系统的运行情况。当收到异常反馈时可立即按地图显示位置派人员到现场查看。建筑消防水系统运行监测示意图如图5所示。

图5 建筑消防水系统运行监测示意图

2.2.2 对消防系统管理的提升

建筑消防系统建成投入使用后,物业管理单位对消防系统的管理水平,消防设备、设施以及消防器材的维护情况,也是影响建筑消防安全的重要因素。现实情况是,很多物业管理单位在执行消防巡查制度时仅留于纸面,随意填写消防器材检查记录,消火栓、灭火器等消防器材甚至存在超过质保期不能使用的状况。引入消防设施物联网系统管理后,要求物业巡查人员须按照预先设定的路线对消防设施进行检查,并在指定巡视点设置RFID、NFC标签,巡察人员手持移动终端对巡察结果进行记录并拍照上传,反馈问题。如在巡查过程发现消火栓、灭火器、应急照明和疏散指示灯具等出现问题,巡查人员可以通过手持终端实时上报问题,通知维保人员及时检修。

消防设施物联网系统的引入还可以加强对维保检测单位的监督管理,如可要求维保人员每次工作时都须拍照上传设备的检查情况、检测记录,后续对其上传的数据进行分析以监督其履职情况。

上海市发布的《消防设施物联网系统技术标准》规定,社会单位的消防物联网管理平台中应包含以下记录:完整的报警信息、故障事件处理记录;建筑物消防设施完好率的历史记录及实时分析;物业处理及时率、巡检达标率、维修及时率等统计信息;日常维护的及时性及标准性分析、维保联动记录、维保报告;月度建筑物消防安全报告及年度建筑消防设施安全风险的评估报告。消防部门通过对社会单位物联网管理平台的监督、检查可以及时掌握建筑消防系统的运行状况信息等,确保消防系统随时处于一个良好的待命状态。

2.2.3 与建筑智能化系统协同

消防设施物联网系统还可以与建筑智能化系统协同工作,提升建筑消防系统的预警和火灾应对能力。如在一些规模较大且内部结构复杂的大型建筑内,仅依靠安保或物业人工巡查并不能发现所有的消防安全隐患。将建筑智能化系统中的视频监控系统接入消防设施物联网系统后,工作人员可通过安防摄像头监控疏散楼梯间、安全出口和消防通道,当发现阻塞消防通道或违规占用消防通道等情况时及时通知相关人员整改,确保消防安全疏散通道畅通。发生火情时,摄像头还可以直观地监视着火点位置和火势情况,配合应急照明和疏散指示系统、消防应急广播系统协同规划逃生路线,同时控制门禁系统将逃生通道上的门禁全部释放打开,确保人员能够迅速逃生。

3 展望与思考

目前仅有上海市发布了地方标准DG/TJ 08-2251—2018《消防设施物联网系统技术标准》,并要求:设置自动消防系统之一(自动喷水灭火系统、机械防烟或机械排烟系统、火灾自动报警系统) 的建筑物或构筑物,应设置消防设施物联网系统。在国家层面还未出台相关规范,相信随着建筑消防的发展,未来一定会发布全国统一的规范指导消防物联网系统的建设实施。

建筑的规模大小、内部的消防设备设施类别也存在着很大差异,需要根据建筑的特点,合理设置消防物设施物联网系统。例如 《上海市消防救援总队关于本市消防设施物联网系统联网工作的通知(沪消规[2021]2号)》文件中规定,优先接入本市消防物联网系统的建筑,包括大型商业综合体建(建筑面积5万m2以上的城市商业综合体)、超高层建筑(建筑高度超过100 m的公共建筑),而对于一些建筑体量较小、消防设施种类较少的建筑并未做出设置消防设施物联网系统的规定。所以并非所有的建筑都要“盲目”地设置消防设施物联网系统,而是应该根据自身建筑的特点,并结合相关规范要求综合考量后做出研判,避免过度建设。

4 结 语

消防设施物联网系统的引入给传统的建筑消防系统带来了多方面的提升,相信未来会有越来越多的建筑将会应用到消防物联网技术,每个建筑的消防系统都将通过物联网实现连接互通,最终形成数据融合共享的城市消防物联网。