基于物联网的高层建筑防火预警系统研究

摘要：消防隐患一直是高层建筑领域老生常谈的问题。随着高层住宅的普及，其防火问题关系到千家万户的利益，受到社会的普遍关注，因此对高层建筑的防火一直是领域内的研究热点，亦是一项亟需解决的问题。通过调查可知，高层建筑发生火灾难以解决的原因，主要是无法准确快速地查明失火的原因和获取准确的位置，火势蔓延速度快，危及范围广，扑灭的难度较大。随着物联网技术的出现，高层建筑的防火技术出现了新的契机。本文主要论述一种基于物联网技术的新型高层建筑防火预警系统，以满足高层建筑防火的现实需要，保护城市居民的生命财产安全。

关键词：建筑防火  高层建筑  物联网  预警系统

通常而言，服务于建筑消防的通信设备与电力系统相连。但是一旦发生火灾，首先中断的就是建筑物内部的电力供应系统和通信设施，使得消防通信设备失效，导致消防部门无法及时获取建筑物内部的情况，难以判断火情，给消防工作的开展带来了很大的困难。而物联网技术的运用，则可以很好地解决这一问题。虽然目前火灾预警系统已经成为高层建筑必须安装的设施之一，但是由于供电及其他技术因素影响，其功能往往得不到正常发挥，与物联网技术融合有助于完善火灾预警系统，为我国的消防事业做出贡献，保障每一位居民的生命安全和财产安全。目前火灾报警系统已经普及，但其中很多技术还不成熟，很多时候并没有发挥其应有的功能^[4]。而且，出于防灾减灾的目的，不能只满足于火灾发生时系统能够及时报警，更要在火灾发生之前就发出警报，及时向消防部门报备，将火灾扼杀在初始状态。火灾发生前的几分钟是系统检测预警的黄金时段，此时建筑内部环境往往会发生异常变化，如温度升高、烟雾急剧增加等，应当加强防火预警系统的监测功能，在监测到环境参数异常时自动报警。就火灾预警的含义而言，系统能够利用各种现代科技监测环境中的物理表征，能够在火灾发生之前就发出警报，提醒相关人员前去查看，从根本上避免火灾发生。

1 物联网技术

物联网是在互联网基础上发展起来的新兴技术，其吸纳了互联网技术的优点，又具有满足现代信息连通需要的核心科技，能够良好地服务于日新月异的现代经济。物联网的连通基础比互联网更加广泛，可以将任意物品联系起来，实现万物的互联互通，以便实现对任意物品的监管，物联网的系统结构如下。

作为具有巨大发展潜力的新兴技术，物联网建设被纳入国家的规划重点，给予了大量研发和建设方面的支持。物联网的实质是对现有互联网技术的补充和发展，能够更高效地实现软件和硬件的结合，促进经济社会的高质量发展。在总体结构上，物联网可以分为感知层、网络层和应用层，各个层级分工明确：感知层主要由传感节点组成，拥有连接不同网络的功能，在整个系统中发挥着基础性作用;网络层的目的主要是通信;应用层则包含了各类物联网应用。

2 基于物联网的高层建筑防火预警系统

2.1 系统架构

相比于传统的防火预警系统，本文提出的一种基于物联网所构建的新型高层建筑防火预警系统，通过对其系统性优化，能够弥补传统系统的各种不足。在传感层，新型防火预警系统加入了风速和风向传感器、温湿度传感器、氧气传感器等，以便对火灾现场实施全面、及时的监测，克服单一传感系统不能准确反映火灾现场情况的缺陷，有助于消防部门快速了解灾情，最大限度地降低火灾带来的损失。该火灾预警系统由两大子系统构成：无线传感器子系统与网络监测子系统，而两大子系统的联通是通过大量数据汇聚点实现的。无线传感器可以直接感知监测区域，经过数据汇集点的整合将建筑物内部的情况传输到远程监控中心，而整个过程需要联网实现。不仅如此，传感器还可以对收集到的信息进行自动化处理，对火灾现场的情况做评级处理，发现危急状况可优先通报。

相比于低层建筑，高层建筑由于住户较多、火势蔓延速度快，一旦发生火灾很难扑灭，往往会造成巨大的人财物损失，后果不堪设想。因此，针对高层建筑的防火策略是“预防为主，防消结合”。对于高层建筑而言，构建安全可靠的防火预警系统是放在首位的。针对该问题，我国已经颁布了相关的技術标准和实施策略：一旦建筑高度超过250m，建设方就需要针对该建筑的防火问题提出专门的设计方案，在不断的讨论后形成最终方案，并提交消防部门审核，通过审核后才可以继续建设。除了高层建筑，还有超高层建筑，一般属于商业、办公等的集合体，对于消防预警有着极为严苛的要求。为了使防火预警系统持续发挥作用，设计者应当兼顾系统的功能性和实用性，考虑到系统的使用者是物业人员，通常不具备较强的编程能力，应当简化系统的操作界面，方便物业人员使用，将高层建筑的防火系统与消防部门的系统相连，能够实现自动报警，提升防灾减灾的效率。但是应当辩证看待系统的自动报警功能，不可避免地会出现误报的情况，导致自动报警的消息在消防部门的优先级不高，自动报警不能完全取代人工巡视，应当将自动报警与人工巡视有机结合，更加全面地服务于建筑物的防灾减灾。同时，还应当在高层建筑内部或者附近建设专门的消防分控室，消防分控室需要有专人值班，可以24h监控建筑物内部的情况，一旦发现问题及时报告。

2.2 系统硬件

该系统的硬件主要分布于各节点中，不仅能够收集监测区域的各种信息，还能够对收集到的数据进行初步分析和评级，确定现场的温度、湿度、火焰光的强弱及烟雾的浓度，并以此为依据，选择不同的路由协议发送数据，不同的协议传送信息的速度不同。事实上，低速传感器的信息处理能力较弱，信息传输的终端是远程监控中心，而高速传感器的信息处理能力较强，可以对收集到的信息进行更加复杂的处理，并将信息直接发送到用户软件终端，直接与市民对接，帮助市民及时了解到火灾现场的状况，避免传播恐慌情绪。为了实现不同的功能，传感器节点具有不同分类，包括但不局限于用于数据采集、数据处理、数据传输等环节。数据采集节点主要检测区域内各种指标的变化情况，一旦发生异动就会记录在册;数据处理节点负责对收集到的数据进行简单地分类处理，为后续的工作奠定基础;数据传输节点则沟通了数据采集端和监测中心。总而言之，传感器开展工作的各个部分是相对独立的，可以保障其工作的持续性和稳定性，即使有部分节点损坏也不影响传感器的整体功能。值得注意的是，数据采集节点是一切工作的基础，因此其拥有更为独特的设计，采用相互接套和相互联系的方式实现主板拓展，既能提高工作的效率，也能方便之后的检修，增强系统的拓展性和安全性。

以电气火灾预防技术为例。不论在国内还是国外，该技术一直是消防领域的研究热点，也是经过实践检验的有效的消防科技。由于电气火灾预防技术的广泛应用，不少国家都制定了相应的标准和规范，并引导企业积极开发新兴消防硬件设施，以便更好地与消防预警系统适配。我国也不例外，学界长期以来将电气火灾预防技术中的电弧型和过热型预防技术作为研究重点。经过多年的研究已经有了不少的成果，但仍然存在不完善之处，最重要的是缺乏与系统适配的供电和电气产品，大量的产品存在偷工减料、质量不过关的问题，无法在实际应用中发挥作用。另外，从制度方面看，我国对于消防产品的质检标准不统一，不同的地区标准不同，容易导致部分产品以假乱真、以次充好，扰乱消防产品市场的秩序，更是将人民群众的生命财产安全置于巨大的风险中。

2.3软件设计

该系统的软件结构主要有3个部分：传感器节点、汇聚节点和远程监控平台，其涵盖了火灾预警的整个流程。不同的软件具有相对独立的工作方式，但联系密切，共同服务于防灾减灾的目标。通过三者的配合，可以将物联网深入运用到火灾预警过程中，整合各类火灾感应设备，对火灾现场进行综合评判，将信息联网快速传达给消防人员，帮助消防部门尽快做出人员和物资部署，提升火灾救援的效率;另外，还可以将火灾信息传达给现场附近的居民，提醒居民快速疏散，争取更多逃生时间，减少人员伤亡，最大限度地降低人力和物力的损失。值得注意的是，要想实现上述软件的正常运行，需要保障设备供电与联网正常。因此，一般而言，建筑内部的消防设施都有一套独立的供电设备，以确保通信正常。

例如，针对空气中悬浮粉尘的消防隐患问题，可以通过软件设计来解决。众所周知，空气中存在大量浮尘时，消防隐患会大大提高，一旦出现火星或者温度升高就很容易导致火灾，且大火会快速充斥整个建筑物内部空间，短时间内造成大量的人力和物力损失。因此，长期以来消防部门一直将遍布悬浮粉尘的工厂车间、实验室、仓库等作为重点防范对象，要求配备专门的防火设备，且要求责任人定期排查消防隐患，防患于未然。一般而言，虽然这些场所配备了防火预警设备，但由于空气中的浮尘会降低室内的亮度等，处于这种场景中的防火设备性能会下降，容易发出错误警报，不能很好地达到消防目的。为了解决这个问题，可以加强防火预警系统中的相关软件，让系统能够识别经常性的浮尘环境，并自动更改参数以适应环境，能够更加灵活地监测建筑内部的情况。

3 系统平台拓展性分析

该防火预警系统平台的拓展性主要通过两个方面展现，一是设备层的可拓展，二是系统集成的可拓展。本系统的设备层在设计时不仅满足了目前高层设备防火监测的需要，还为系统未来的智能化预留了空间，有助于系统的升级。随着科技的发展，还可以增加智能烟感软件、视频监控软件等。在系统集成的拓展性上，该系统采用了SOA设计原则和相关技术标准，是一个标准化的预警平台，形成松耦合模式，实现业务逻辑、应用逻辑和数据逻辑的分离，能够满足消防预警的多样化需要，同时使得数据满足实用性和开放性原则，拓展系统平台的使用范围。该消防预警系统采用的是模块化的设计，各模块既相互联系又相对独立，能够独立地开展工作，集合成一个统一的整体。另外，该系统配备了可开放接口，方便其他系统的接入，能够和其他系统共享信息，实现资源的整合，既能提高消防预警的工作效率，也能避免消防部门机构冗杂。

高层和超高层建筑物内部的情况较为复杂，具有特殊性，开展防火预警工作更为困难，为了方便建筑物后续的维护和消防系统的升级，本文提及的防火预警系统更具延展性，专门为高层建筑而设计，更具有针对性，使用在高层和超高层建筑中能够更好地发挥性能，有效抑制火灾的产生和发展，帮助建筑内部的人员疏散，同时系统配备的各种硬件设置可以自动进入灭火模式采取应急措施，阻止火灾蔓延，为消防员争取更多的救援时间。但是，目前在超高层建筑的火灾防控工作中存在一系列困难，例如，使用单位较多，人员集中且流量大;存在大量的竖向通道，它们会形成巨大的“烟囱”效应，使得火灾迅速蔓延;疏散距离长，疏散极度困难;由于建筑高度高，消防水池和水箱的储水量难以满足高载荷火灾延续时间内的使用等。因此，超高层建筑火灾联动控制应根据自身消防特点设定，目前，我国在此方面的基础理论、实用技术研究等都存在一定的不足，这是未来的研究方向。

4 结语

综上所述，高层建筑在现代城市中越来越常见，我国相当一部分的居民住宅都是高层建筑。由此可见，高层建筑的防火与人民群众的利益紧密相连。但现有的防火预警系统还存在一些设计上的不合理之处，具有一定的安全隐患，无法满足现代高层建筑的防火需要。为了增強高层建筑消防预警系统的有效性，本文引入物联网技术，在汲取传统防火系统设计思路和总结经验的基础上提出了一种新型高层建筑防火预警系统。该系统不仅在系统架构方面做出了改进，还对该系统使用的软件和硬件进行了升级，以便更好地监测建筑物内部的情况，发现有火灾迹象时系统会及时将信息传达给监测中心，便于消防部门快速展开救援，降低人财物的损失，为人民群众的生命和财产安全提供保障，促进社会的稳定与繁荣。

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中图分类号：TU976.5DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2202-5640-1016作者简介：胡波（1970—），男，本科，高级工程师，研究方向为电子工程。