基于物联网的智能化消防系统研究

李良创，罗梓聪，阮彦俊，吴泽宇，郑雯戈，王文迪

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东广州，510000）

1 智能化消防系统研究

1.1 设计方案

在落实现代科技与消防管理工作的深度融合的基础上，为提高变电站、换流站的消防公共服务能力，充分利用物联网、 云计算、大数据、人工智能等先进技术，构建集成消防设施状态识别、全时段线上监测报警、日常监管、智能分析、安全评估于一体的消防监管和服务体系，整合站内各消防子系统，接入各子系统数据和控制功能，实现数据融合存储与及集中控制；通过调用人工智能平台成熟算法，发现设备运行隐患，也为后续算法开发、运行提供环境，有效提升设备运行数据的应用水平与应用效果；完成全站三维建模，结合物联网平台应用三维建模完成站内设备与运行状态的直观展示，结合智能装备与人工智能，辅助完成消防安全管控。从而实现变电站、换流站消防信息化条件下火灾防控、数智消防管理工作转型升级，全面提升消防监管水平和火灾防控能力[2]。

1.2 系统架构设计

系统采用四层架构设计，主要有感知层、服务层、应用层和展示层构成。如图2所示。

图2 系统架构图

1.3 智能化消防系统应用设计

感知层主要包括视频监控、火灾自动报警、烟感探测、裂解质监测分析、电缆温度监测、蓄水池水位监测等子系统。裂解质检测分析系统针对燃烧前产物（裂解质）进行探测。实现火灾极早期高灵敏度、高可靠性的感知。能于火灾第一阶段（热分解期）报警，争取最长的反应时间，将生命及财物损失降到最低点。

智能化消防系统服务层主要提供算法模型服务和数据管理服务。可以提供消防设备状态识别模型、消防提前预警模型、消防报警模型、消防安全评估模型；可提供数据治理、数据监督、数据结构化处理以及数据分类等功能。

在消防物联网主机部署信息采集装置，利用物联网动态感知技术，获取各设备的运行参数。并自动实时传输到消防管理系统。消防管理系统对收集的信息进行处理分析，得出各设备设施的运行状况，当被监测消防设施发生故障或状态不正常时，消防管理系统发出故障告警指令，同时联动视频监控系统。方便管理人员远程确认故障状况并及时处理，节约故障恢复时间。构建火灾提前预警模型，消防物联网主机实时接收来消防系统收集的被监测环境消防指标数据。当被监测区域环境指标超出正常范围时候。向监控中心提前发起预警,以弹窗的形式进行告警。告警的同时可联动告警位置关联的安防视频。方便管理人员远程查看现场情况、进一步采取相应措施。火灾提前预警机制可帮助管理人员有效消除火灾发生的各种隐患，很大程度减少火灾带来的损失。构建火灾报警模型，当被监测区域发生火灾时，消防系统将信息发动到报警装置。报警装置发起火灾警报，联动自动灭火装置，同时将报警信息发送给物联网主机，物联网主机根据报警的具体情况将告警信息发动到消防监控中心，同时联动发生火灾的安防视频。方便管理人员远程掌握火灾情况，为消防时间远程指挥、实施远程灭火提供的智慧化方案。构建消防安全评估模型消，通过收集设备运行状态、监测环境消防指标等数据，多层次、多维度综合评价消防安全水平，评价的维度包括：设备运行状况、巡检完成情况、隐患整改情况等多个方面。

系统利用数据治理工具，对设备台帐数据、在线监测数据、缺陷/故障数据等多 类数据，按要求进行规整化处理，提高数据的可靠性，清洗无效数据，将价值回馈于业务。在数据结构层面分析识别数据值域及分布、数据类型和数据格式；在数据内容层面，自动分析并直观展现数据实体及属性；在数据关系层面，剖析得出各字段的数据值、数据格式、值域、长度、分散度、空值率等重要数据特征。数据的结构化处理过程，可以达到结构不改变，数据规范性、完整性极大提高的目的。针对抽取过来的非结构化数据，先按照数据的行为将数据分为静态数据和动态数据；再通过多表关联，将数据单独成表，动态更新数据条目。针对不同的业务需求场景，对数据进行分类整理，根据算法关联度推送需求数据；在机器学习的过程中，优化机器学习对数据资源的利用效率，将数据按照业务类别进行划分后再分类为训练数据集、测试数据集和验证数据集，完成算法的学习、测试和验证[3]。

智能化消防系统应用层主要有设备状态识别、消防提前预警、消防安全评估等功能。设备状态识别主要包括：对消防主机仪器显示、感温光缆设备、裂解质设备、电气火灾设备、蓄水池、水泵、灭火器设备的状态识别。消防提前预警包括裂解质分析火灾预警、电缆温度监测预警、视频联动及AI分析预警、烟火分析监测预警、消防通道监测预警、蓄水池水位水流量监测预警、灭火器监测预警和消防报警功能。消防安全评估主要有消防设备安全评估和环境安全评估。视频联动及AI分析预警是对视频AI分析应用系统通过接入重点场所、疏散出口、消防通道、配电房内的安防监控视频，对人员、物品、火焰及烟雾进行实时分析，如监测到异常事件（人员离岗、物品占用、火焰及烟雾）后，将自动把报警信息发送至智能化消防系统，系统能及时准确地给出报警。

烟火分析监测预警充分利用配电房、会议室、实验室、库房等重点区域现有监控系统的实时图像，采用视频分析算法，实时探测监控区域的火焰和烟雾，使现有安防监控系统具有火灾预警功能，当监控区域内发生烟雾及火焰时，平台及时发出预警信息至管理人员，提醒管理人员及时处理。消防通道监测预警利用视频监控系统的实时图像，建立监控区域数据模型，对消防通道进行实时监测，当消防通道被车辆、自行车违规占用或堵塞时，系统会自动发出提醒，保障消防通道实时处于畅通状态，为人员快速疏散和消防车快速通行提供快速通道。

蓄水池水位水流量监测预警对接站点内蓄水池水位监测系统通讯接口，实时采集蓄水池水位监测系统探测到水位变化的数据，当蓄水池水位低于设定阀值时，通过对接的通讯接口自动把预警信息实时发送到智能化消防系统。在蓄水池入水口加装补水流量监测器，实时监测水流量的情况，当外部水管突然没有水流流入蓄水池或水流量低于设定阀值时，预警信息通过网络方式上传物联网主机，主机会第一时间发出蓄水池水流量异常预警。

灭火器监测预警灭火器底部加装智能计量模板，再加结合网络将灭火器的重量变化实时传输到物联网主机。建立灭火器检修数据，对灭火器过期失效进行预警。

消防报警结合视频联动系统，采用视频分析算法，实时探测监控区域（站用变、蓄电池柜、通讯机房、电缆夹层、阀厅、蓄水池等）的火焰和烟雾，当监控区域内发生烟雾及火焰时，平台第一时间发出消防火灾告警信息通知站点管理人员，提醒管理人员马上进行处理。如图3所示。

图3 智能分析系统架构

消防物联网主机实时收集来自消防设备的运行状态指标并发送给系统，系统通过对设备的运行状态进行综合分析，对整个消防系统的安全水平进行综合评估。 消防物联网主机实时收集消防系统对监测环境的监测指标并发送给系统，系统通过对环境指标进行分析、实现对环境安全水平进行综合评估。

系统数据多渠道收集、统一后台管理、多应用推送；并针对多渠道收集的数据，运用大数据分析技术，分析检测单位的安全指数、高危信号、重大问题等；系统采用统一后台管理，所有数据数据在业务层的应用是同一后台管理[4]。

中心能够展示消防系统接入的主机和探测器等终端上报的消防业务报警数据和系统运行状态数据；用于进行日常运维管理、数据查询、统计报表，包括：用户管理、设备管理；日常巡检、隐患整改；警情处理、警情统计分析；数据可视化、高危信号、重大隐患查询；消防远程监控数据实时查看；分析报告：日报、周报、月报；报警信息推送，及时将各系统的报警信息发送给相关人员，便于第一时间确认、处理火灾自动报警、液位低、欠压等报警事件，提高报警处理效率[5]。

1.4 三维数据管理

系统采用WebGL+HTML技术，进行三维GIS引擎开发，主要包含参考坐标系构建、视点投影控制、数据加载、数据调度、数据裁剪、场景渲染、交互响应等几部分组成。用户通过客户端输入设备（鼠标、键盘等）进行场景参数输入，云端收到场景参数，通过部署在服务器上的三维渲染引擎，进行三维场景在云端进行高效渲染，再通过视频流的形式传输到用户端，从而得到高质量的三维渲染场景。系统平台利用视觉、激光等多传感器采集的多源同步数据，采用SLAM实时建图技术，实现电网场景360全景和点云实景的无缝融合；采用人工智能深度学习算法，对全景和点云数据进行电网设备识别，完成对电网场景物理世界的高精度克隆，快速构建电网场站数字孪生模型。如图4所示。

图4 电网场站数字孪生模型

系统以设备部件模型库为支撑，采用深度学习人工智能算法，进行点云数据的电网设备识别，分类及实例化建模，实现基于高密度点云和全景影像的变电主设备高保真数字孪生模型构建。如图5所示。

图5 基于模型库进行点云设备

系统网络服务针对三维GIS高频次、大容量的数据传输的特性，采用HTTP协议和RPC自定义协议进行结合，直接面向需要传输的数据实体，减少网络描述信息的传输及问答，提高网络传输的效率，提升系统交互响应时间。利用物联网动态感知技术在各个变电站的消防控制室内部署用户信息传输装置，将变电站的各个消防主机下的设施设备数据进行联网，进行实时监测，并将监测的信息进行处理分析，得出各设备设施的运行状况（正常运行、故障、停用、异常等）。当被监测消防设施发生故障或状态不正常时，消防物联网主机发出故障告警指令，同时联动视频监控系统，方便管理人员远程确认故障状况并及时处理，节约故障恢复时间。

2 结论

智能化消防系统可实现对消防设施设备及站点消防管理工作远程监控，进一步完善了消防设施的检查手段，保障消防设施的正常运行，有效提高工作效率，为企业科学运行提供科学决策、提供依据与数据支撑；对变电站、换流站的消防安全进行统筹指挥和管理，能够有效的保障运行需求；工作站及监控中心均可实现消防系统实时监控，使智能电网消防管理从事后处理向事前预警演变，从定期巡检向状态巡检演变，为各站内的安全稳定运行保驾护航。