基于物联网技术的船舶智能消防系统

杨启尧

(浙江水利水电学院电气工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

随着近年来经济的发展，国际化程度提高，船舶的数量不断增长，同时船舶发生火灾事故的数量也越来越多.1970－1999年30年中，船舶火灾事故310起，139人死亡，195人受伤，造成经济损失34418.59万元，而在2000－2004年，船舶火灾造成47人死亡，71人受伤的情况，经济损失也达1957.96万元.火灾的原因有多种，比如船舶的老旧，消防设备的配备不足，许多消防设备已经老化没有及时更新，消防员的素质不够高、训练和演习不够，船员以及乘客的消防意识薄弱、获取火灾信息的技术落后，指挥调度不够有序高效，没有按照国际的规则严格执行各项规定等［1－3］.

船舶发生火灾以后，指挥及消防人员获知火灾第一手的信息滞后，火灾现场与驾驶舱以及指挥救援中心的通讯不够及时，特别是对于我国许多船舶老旧程度高，没有利用现代化的通讯和网络技术，发现火灾不够及时，海上救援无法迅速支援，造成火灾进一步扩散，导致更严重的损失.因此有必要采用现代的物联网技术构建智能化的消防系统，降低火灾发生的概率，减少损失到最低程度.目前关于船舶的智能消防，周榕［2］、徐向文［2］、魏伟仁［4］开展了关于船舶消防的方案、预防火灾的预案的研究、或者简单提出了基于现场总线技术的的智能船舶消防，曹冬华、常壮、任鸿翔等人研究利用虚拟现实技术设计船舶模拟训练系统，刘高山等人主要开展了船舶上消防设备的研究［5－6］，张艳丽，王炳辉、张海涛等人主要从管理的角度研究船舶消防系统失效与消防能力评估体系.尚未看到提出一种船舶智能消防系统的结构［6－7］.国外也是主要开展了关于火源定位、消防措施、安全措施、救援策略等与智能船舶消防相关的研究［6－9］.本文研究的是利用物联网技术将船舶智能消防系统与海上消防救援中心、港口智能信息中心、智慧城市、海上消防模拟训练系统等其他系统联系在一起，理清各个子系统之间数据流的关系.

1 消防物联网的结构

物联网技术是近年来新兴的技术，该技术是2008年IBM公司首先提出“智慧地球”的概念，物联网(Internet of things)就是用来构建“智慧地球”、“智慧城市”的关键技术.为给船舶的智能消防提供一个清晰的架构，构建智能船舶消防物联网，将船舶的消防、海上救援中心、港口智能信息中心、GPS系统联系在一起(见图1)，分为感知层，网络层，应用层三个层次，感知层主要是对船舶发生火灾的各种信息进行检测，如温湿度传感器、烟雾传感器、海上方位传感器等，而网络层主要是利用物联网中各种现代通信和网络技术平台将船舶内部进行联网和资源共享，并送到上一层应用层实现与海上救援中心、港口智能信息中心、智能航行系统、船舶人员定位系统、GPS定位系统等实际应用的进行通信和联系［13－14］.

图2为在信息化的时代中，船舶智能消防系统本身的能力还是比较有限，基于物联网技术将船舶消防系统与港口智能信息中心、海上消防救援中心之间进行联系，实现资源共享，并及时发现火情，尽早提供在船舶自身以外的救援.虚拟现实消防训练系统在目前已经广泛开展应用，可以在平时对船员和消防人员进行系统性的训练，在火灾发生时也可以提供一些经验指导和规则的提示，帮助船上所有乘客.海上消防模拟规划演示系统主要是为海上救援中心或者附近港口提供救援最短的路径规划，也为船上乘客提供逃生的路径规划.船舶与港口以及海上救援中心可以通过4G或者其他的移动网络进行通信.

图1 船舶智能消防物联网结构图

图2 基于物联网的船舶智能消防系统结构

2 船舶智能消防系统的构成

从图2中可以看出，船舶智能消防系统由七块构成，包含了火灾探测系统、自动灭火系统、视频监控系统、GPS定位系统、船舶人员定位跟踪系统、智能航行系统、逃生指示系统等构成.

2.1 火灾探测与灭火系统

2.1.1 火灾探测系统与视频监控系统

从最近的参考文献看来，90%以上的船舶火灾是由于在初期没有及时发现火灾并进行抑制，造成火灾蔓延，损失严重.利用物联网技术在船舶的各个主要部位的重要物件安装照RFID感应器，温湿度传感器、烟雾传感器，红外传感器、火焰传感器在感应到火灾时将信号传输到消防指挥中心并自动发出报警信号，同时消防中心通过摄像头采集各个部位的实时信号(见图3).感知层获得的火灾信息通过网络层中的联动装置将火灾信息、船舶设备信息、视频信息传送到船舶消防决策指挥中心，感知层与网络层之间的通信方式可以采用网络或者CAN总线等方式.这样获得的各种火灾信息以及视频信息不但在船舶的消防监控指挥中心可以获得，也通过3G/4G等网络直接传递到海上消防救援中心和最近的港口智能信息中心，方便提供及时的救援［16－17］.

图3 自动/人工灭火系统

2.1.2 自动/人工灭火系统

灭火系统主要分成两类，即自动和人工两种(见图4)，利用物联网技术感知层中的各种温湿度传感器及红外传感器感知到较小的火焰时，可以采用火源定位的技术，自动对船舶上刚开始的微小火源进行自动喷淋，达到灭火的效果，同时也通过报警系统提醒消防员和船上的消防监控中心立即开展有计划性的消防灭火行动.

图4 自动/人工灭火系统

目前比较先进的船舶灭火系统有三种，一种是细水雾灭火系统，这种针对一般的火灾，可分为高压和低压的两种细水雾，可以根据感知层的火灾探测器自动喷出水雾，或者远程手动控制也可以，高压细水雾一般用于局部，而低压用于全局包括全淹没的场合.第二种是高倍泡沫灭火系统是适用与油轮，扑灭油等火源.扑灭效果较好，但成本高.第三种是气溶胶灭火系统，利用液体或或固体微粒悬浮于气体分散介质中形成的一种溶胶，通过吸热降温和气相化学抑制作用、固相化学抑制作用达到灭火的效果［18－19］.

2.2 消防指挥与航行系统

2.2.1 船舶消防决策与指挥系统

船舶消防决策与指挥系统是整个系统的核心(见图5)，当船舶发生火灾时，物联网感知层所感应的各种火灾信号传递到船舶消防监控中心，该系统同时将火灾信息传递到海事局、消防部队、港口部队，由海事局也将该信号传递到出事海域附近的渔船，方便及时开展救援，各种力量综合在一起.通过有经验的消防指挥官，派定火灾的侦察员，然后根据不同船只具体的情况制定灭火方案和进攻路线，在实施过程中要根据实际情况合理地调整救援方案.注意两个原则:就是注意救人第一，保证消防员自身的安全，同时要有效利用船上配备的消防装备，如高倍泡沫灭火装置，高压细水雾等装备.

图5 船舶消防决策与指挥系统

2.2.2 智能航行系统

智能航行系统主要是船舶平时能够根据GPS系统选择合适的航线，当遇到前方船舶时能够提供智能避免碰撞的提示.在智能消防系统中，主要是当火灾发生时，除了系统自动向海上救援中心(海事局)等发出求援信号，而且可以自动规划出一条合适的路线，帮助船舶能够向最近的港口或者容易获救的方向航行.

2.3 GPS系统与逃生指示系统

GPS系统是全球定位系统，对于船舶在海上航行是极重要的，通过物联网技术也将GPS系统与整个船舶智能消防系统联系在一起.平时的时候可以作为导航使用，帮助船员按照航线正确行驶，并提供航行轨迹修正等功能.当火灾发生时，物联网感知的信号自动送达GPS定位系统，可以为驾驶员提供一条最安全的逃生规划路径，这可以从海上消防规划模拟演示系统获得.同时也将船舶的位置通过物联网报告给海事局，以便进行救援.也可以通过卫星观察初步船舶火灾的严重程度.当火灾特别严重时，如果技术发展许可，可以开启自动导航的功能，使船舶在无人驾驶时也能沿着规划的安全路径航行.同时也将安全规划的路径通过3G/4G网络传输给船员和乘客的智能手机，方便在救生艇和救生船上逃生.

3 消防训练与海上规划模拟系统

3.1 虚拟现实消防训练系统

该系统主要是用于训练消防员以及船员，为船上发生火灾做好准备.曹冬华、任鸿翔、常壮等人对此开展了研究.主要是利用虚拟现实技术、数值模拟技术、可视化技术设计一个虚拟现实的船舶火灾训练系统，可以模拟火灾发生、火灾探测、灭火救援、指挥、逃生等各个环节，同时有系统地进行训练，具体组成(见图 6)［5－6，15］.

从图6中可以看出，虚拟现实技术可以模拟火灾的产生、蔓延的过程，利用现代的图像处理技术，如VRML语言、OpenGL、CAD等技术设计三维动画，同时利用场模型、区域模型和网模型等可以模拟火灾的整个过程，可以建立虚拟的消防艇、虚拟灭火器和虚拟的喷淋系统.教练员可以设计不同场景火灾的发生，让消防员进行训练，这样的仿真可以自动录像回放，每次可以总结救援过程中出现的问题并进行改进.利用物联网技术将该系统生成知识经验库一方面可以作为消防指挥的借鉴，另一方面可以给船员和乘客在船上时可以现场模拟训练，做到有备无患.

3.2 海上消防规划模拟演示系统

胡志苹、林国顺等人开展了海上消防规划模拟训练系统的研究，海上消防救援规划主要是针对火灾发生时如何快速地确定搜救和逃生的路线规划，建立一个规范的海上消防救援体系.该系统以一个城市为中心，确定围绕一个港口城市附件海域的救援体系，能够动态地规划消防的布局，并且可以利用计算机仿真技术对各种路线进行仿真，也可以提供演示系统，可以统计出如何快速到达着火船舶海域，统计出大概的时间，确定一条最优的路线，如何提醒周边的渔船等前往救援，各种方案的优缺点是什么等等.这个系统也是通过物联网技术联入智能船舶消防系统，作为船员平时训练以及海事局如何快速进行救援的训练［20］.

4 港口与海上消防救援中心

4.1 海上消防救援中心

海上消防救援中心主要由五大部分组成(见图7)，分为海事局、陆地消防部队、港口军队、港口智能信息中心、附近船舶等构成，通过物联网技术与智能船舶消防系统连接，海事局是中心，负责总体的联络和衔接，当通过物联网获得所在船舶的救援信号时，立刻给出船舶的逃生规划路径，同时指挥就近的船舶前往救援，同时根据船舶火灾的严重程度可以通过港口智能信息中心调动驻扎港口的军队、以及陆地的消防部队前往救援，确保将船舶发生火灾的损失降到最低程度，形成一个有系统性的救援体系.港口智能信息中心应当具有通知船舶救援的功能，以及如何让救援的船只能够快速从港口出发，并帮助港口的军队和军舰以最快速度赶往出事海域.如果船只是在港口附近着火的危险级别，指挥港口船只做出有效的自我保护［20］.

图6 虚拟现实船舶模拟消防系统

图7 海上消防救援中心

5 结论

通过构建船舶消防物联网，将目前各种先进的消防技术集成应用到船舶火灾的预防与救援当中，详细说明船舶火灾的探测与灭火系统，消防指挥与航行系统，消防训练与海上规划模拟系统、港口与海上消防救援中心之间数据流的关系，将船舶消防与海上救援、港口陆地的消防中心形成一个利用现代通信网络技术紧密联系的有机体，并且经消防的模拟训练以及虚拟现实技术应用结合在该系统中，以实现一个集预防、训练、救援为一体的船舶智能消防系统.

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