适用于古建筑消防检测监测与灭火系统的设计与实现

李宁 杨俊东 丁洪伟 马宏伟

【摘要】    在我国古建筑资源丰富且火灾频发的背景下，传统消防设备在古建筑使用受限。基于此，笔者对现代古建筑的保护进行了调查，针对古建筑的不可再生性，结合如今发展迅速的物联网技术，采用物联网节点、机器人以及无人机从监测、预警和灭火三个方面构建了针对古建筑的防火灭火系统，具有响应速度快、实用、安全性高和造价低的特点。

【关键词】    防火    监测    预警    灭火    物联网节点    机器人    无人机

引言：

近几年来，古建筑火灾频发，据我国应急管理部消防救援局2019年发布的信息称，近十年来，全国共接报文物古建筑火灾392起，直接财产损失2808.9万元，损失的文化价值更是无法估量。2021年2月，云南省沧源市翁丁村老寨发生严重火灾，火灾烧毁房屋104间，我国最后一个原始村落被毁，令世人痛心。历史名城、历史街区以及古建筑等市宝贵的不可再生的文化遗产，蕴含着丰富的历史信息，是研究古代历史、艺术、科学以至社会、政治、经济的重要历史资料，其已经超越了物质财富的象征，一旦遭受毁坏，结果会造成不可逆转的巨大损失[1]。保护好传统街区，保护好古建筑，保护好文物，就是保存了城市的历史和文脉。

一、古建筑防火现状及痛点

随着现代电子信息技术的发展进步各式各样的火灾探测器应运而生。目前常见的火灾探测器按照检测的内容分为如图1几种种类[2]。

但火灾探测器在古建筑上的应用面临着如下几个问题：

首先，传统消防设备的安裝需要布置线路与管道，对古建筑的结构造成一定的破坏;其次，火灾初起的五分钟是扑救与疏散的黄金五分钟[3]，而传统烟感、温感必须达到一定的数量级才能够被触发，时常错失掉宝贵的五分钟;最后，传统火灾探测器无法将周围环境的信息进行量化上传，有效的数字化、并构建建火灾探测的传感网。

二、总体系统设计与实现

古建筑的不可再生性决定了古建筑的消防策略——“以防为主，防治结合”。结合目前信息通信发展的物联网热门方向，针对于古建筑消防灭火的陆天一体化火灾监测预警灭火系统设计图实现如图2。

系统主要有监测、预警和灭火三部分组成。结合古建筑的结构布局，选择性地在易燃点附近布置固定监测点，为节约成本，在一些空旷、潮湿等起火概率较低或者不方便工作人员巡查的地域采用机器人来进行移动巡检。定点检测和移动巡检两部分构成了监测模块，实时将周围环境信息上传到云平台。与平台在处理分析保存数据过程中，一旦数据信息异常，迅速做出预警。根据监测点提供的位置，迅速放飞无人机携带灭火材料对初期火情进行控制，达到灭火的目的;若火势发展迅猛无法控制，会及时向求援中心求助，并提供详细的火场数据，为后续救援提供帮助。整个过程的信息均会实时报告给古建筑负责单位。

2.1监测方面

定点监测上，采用窄带物联网无线连接的节点集成了烟雾、温度等环境传感器，将环境的数字化信息上传到云平台，在不对古建筑结构造成破坏的同时对其进行的监测。

物联网节点继承了烟雾浓度检测、火焰检测温度监测功能，组建基于NB-IoT的多传感器数据融合无线传感网，如图3所示。通过放置多传感器节点实时监测古建筑火情并向云平台上传监测数据信息。无火情时，节点NB-IoT处于睡眠态，传感器在规律时间间隔内不断监测环境参数，以节省传感器能量损耗，增加检测节点的使用寿命;发生火情时，NB-IoT被唤醒，实时传输传感器监测数据并通过节点网络传输位置信息至监控中心，方便快速掌握火情和定位火灾位置，确保古建筑火灾及时得到处理。[4-5]

移动巡检上采用具有火焰识别以及路径规划的自研机器人在古建筑中进行监测，如图4所示。

目前，机器人在巡检过程中，将实时图像上传到终端及进行火焰检测[6]。传统的火焰检测算法以识别火焰的静态特征和动态特征为主，在复杂地环境中容易出现误报问题。基于深度学习地目标检测在检测精度和时间复杂度上均有很大优势，目标检测能够从图像中精准地识别初预定义类别地物体示例[7]，深度学习则提高了目标检测的准确度和效率，两者的结合能够很好的降低火灾协同参与灭火过程。经过训练后地模型已经达到96%的正确率。

2.2预警方面

在预警方面，云平台对物联网节点以及机器人上传的数字化信息实时的分析与保存，一旦数据异常则迅速预警，做到探火于瞬息。

2.3灭火方面

在灭火方面，一旦预警则放飞无人机携带灭火材料对初期火焰进行扑灭，达到灭火作用，实现灭火于前兆防火于未燃。

三、结束语

本文采用物联网节点，自动巡检机器人与无人机解决传统消防在古建筑场景下的针对性差，及时性差以及数字化程度低的问题，构建陆天一体化的以防火为主灭火于前兆的古建筑群防火灭火系统。具有响应速度快、实用、安全性高和造价低的特点，有非常好的应用前景。

参  考  文  献

[1]刘勇，董晓萌，袁荔.古建筑防火现状及对策——以西安为例[J].城市发展研究，2014，21（10）：25-27.

[2]王建军.文物古建筑科学防火思维与对策[J].消防科学与技术，2014，33（11）：1334-1336.

[3]高新华，严文芳.民用建筑火灾发生初期扑救与疏散“5min黄金时间”理论探讨[J].消防界（电子版），2019，5（10）：29-30.

[4]孙彦景，冯甜欣，李松，陈岩，芦楠楠，云霄，刑天琳.基于NB-IoT的低速率监测物联网应用实验系统[J].实验技术与管理，2020，37（03）：95-98.

[5]张振国.窄带物联网在“智慧消防”模式构建中的应用研究[J].消防科学与技术，2020，39（12）：1739-1742.

[6]张乃禄，胡俊，马陇伟，容涛，李永进，张毅.基于视频图像的油田联合站火灾预警系统[J].西安石油大学学报（自然科学版），2013，28（04）：78-81+10.

[7]王文朋. 基于深度学习的火焰图像识别研究[D].河南师范大学，2018.