基于数字孪生技术的养老机构智慧消防云平台设计研究

贾国峰

（太原市消防救援支队古交大队，山西 太原 030299）

养老机构作为老年人群集中场所，由于老年人自身条件的限制，已成为火灾中的弱势群体。因此，规范养老机构安全管理、完善养老机构设施以及加强对老年人和工作人员的消防安全教育非常必要。应急管理工作的业务核心在于“防”和“救”，即灾害事故事发前中期的预先防范和灾害事故发生中后期的紧急救援。《“十四五”数字经济发展规划》提出，推动城市数据整合共享和业务协同，完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，为城市管理和公众服务提供决策依据。《“十四五”国家消防工作规划》 中提到积极融入“智慧城市”、“智慧应急”，深化“智慧消防”建设，补齐基础设施、网络、数据、安全、标准等短板，全面升级消防信息网络机构，建设智能运维保障平台。

近日，中华人民共和国民政部、国家消防救援局联合印发《养老机构消防安全管理规定》，建立了系统全面的消防安全标准和管理体系，系统科学总结了养老机构管理的好经验好做法，并指出有条件的地区要积极拓展科技手段和智能硬件在养老机构消防安全管理上的应用，扎实推动养老机构公共安全治理模式向事前预防转型。

养老机构数字孪生智慧消防云平台是近年来兴起的一种新型消防安全管理平台，尚未得到广泛应用[1]。随着物联网、大数据、云计算、移动互联网、传感、地理信息等新兴技术产业的发展和融合，进一步促进了消防行业应用的创新。基于此，本文结合养老机构实际特点以及防火管理现状，从养老院消防设计要求、智能化管理系统设计方面着手提高养老机构的消防安全标准化管理水平，有效提升养老机构消防安全管理效能[2]。

1 养老机构数字孪生智慧消防云平台的设计要求

1） 数据安全性。平台应采取加密技术，确保数据的机密性和完整性。同时，对数据进行备份，以防止数据丢失。

2） 实时监控和报警。平台应具备实时监测功能，能够对养老机构内各个区域的火灾风险和状况进行实时监测。平台需要能够监测烟雾、温度、火焰等指标，并及时反馈给相关人员。同时，根据监测到的火灾风险情况，自动发出火灾报警，并向相关人员发送警报信息，包括养老院内的员工、居民以及相关消防部门。报警信息可以通过电话、短信、APP 等形式进行发送，保证相关人员能够及时得知火灾情况。

3） 数据分析与预测功能。平台需要具备数据分析和算法模型，能够对监测到的火灾风险数据进行分析和预测。通过对历史数据和实时数据的分析，平台可以提前发现潜在的火灾隐患，并预测火灾发生的可能性和影响范围。

4） 系统联动功能。平台应与养老机构内的其他智能设备和系统进行联动，如门禁系统、火灾报警系统等。当火灾发生时，平台可以与其他系统进行联动，实现火灾自动报警、联动控制等功能。

5） 用户友好性。云平台应具备直观、易用的用户界面，方便相关人员进行操作和查看相关信息。界面设计应简洁明了，功能布局合理，使用户能够快速上手和使用。

6） 扩展性与兼容性。平台应具备较强的扩展性和兼容性，能够适应未来养老机构消防系统的升级和扩展需求。平台应能够支持各类传感器和设备的接入，可以与不同品牌和型号的设备进行集成和通信。

2 养老机构数字孪生智慧消防云平台系统设计

2.1 设计思路

数字孪生是对实际事物的数字化复制和模拟，主要利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，通过模拟、仿真和数据分析等手段来提供决策支持，为实现消防安全“全流程可控”和“全周期管理”提供有效途径和手段[3]。

养老机构数字孪生智慧消防云平台的搭建，能够实现实时监测和分析消防设备的状态、对火灾事故进行模拟和预测、提供交互式的火灾逃生演练、火灾溯源和事故调查等功能[4]。基于数字孪生技术的优势，本文以养老机构为落脚点，根据养老机构人员“三色”标识分类管理和“三级”应急响应机制，将传统消防系统与数字孪生、物联网、大数据、边缘计算、AI 等高新技术相结合，将传感器、分散的智能烟感探测设备、可燃气体探测设备、电气火灾监控设备、消防通道、智慧消防用水等设备连接形成网络，7×24 h 监控，实时展示终端设备运行状态、地理位置、视频监控等信息数据；结合AI技术能够在火灾发生时，分析养老机构内承载人员数量、火灾蔓延速度、逃生通道容量，实现建筑及消防设施布局可视化，发挥位置和感知信息支撑实战指挥的作用，自动生成作战方案、处置要点、风险预警及灾情研判结论，为受困人员规划最佳逃生路线；从隐患监测，到预警报警，再到联动处置，将所有消防设施和巡查路线记录在对应的系统中，为管理者火灾溯源和事故调查提供参考，实现消防工作数字化升级。对风险突出、情况复杂的隐患单位，通过主动邀请消防部门专业人员指导、聘请专业消防技术服务机构参与等方式，科学合理地制定整改工作方案。

2.2 系统框架

平台主要由五个模块组成（见图1），具体分为传感器网络、数据分析与处理、预警和应急响应、灭火救援辅助决策、VR 智能培训等模块。业务架构分为5 层，包括基础资源层、服务支撑层、业务应用层、边缘层、展示层。每一层由若干功能模块组成，层与层之间通过分布式部署、融合、优化组合，达到低耦合、高扩展的要求，采用“线上+线下”“专业+经验”“人防+技防”相结合的方式，实现火灾隐患管控立体化、全覆盖，构建养老机构火灾防控体系，实现“传统消防”向“现代消防”的转变。

图1 养老机构消防安全预警云平台功能模块

2.3 “三色”区域管理

“三色”区域管理是养老机构消防安全预警云平台的一种重要策略，通过消防安全“三级”网格化管理，对不同管理区域用“三色”标识区分，实行“三级”应急响应。所谓“三色”，就是根据火灾发生概率、危险程度、疏散难度，将养老机构划分为三个不同的区域，分别为红色区域、黄色区域和绿色区域。其中，红色区域为重度失能长者住养区域、厨房、消防水泵房等区域；黄色区域为中度失能长者住养区域、活动场所等区域；绿色区域为办公室、卧室、休息室等其他区域。此外，结合楼层分布等因素，由分管副院长担任大网格长，部门负责人等担任中网格长，由护理人员、管理人员等担任小网格工作人员，并以小网格为基础制定消防安全管理工作清单，明确责任分工，确保消防安全责任落实。

2.4 养老机构数字智慧孪生消防云平台的实现方法

1） 确定系统需求和目标。明确养老机构消防管理系统的需求和目标，包括消防设备监测、火灾预警与应急响应等方面的需求。数字孪生技术可以通过建立建筑物的数字模型，对消防系统进行模拟和优化设计。通过对建筑物的布局、消防设施的摆放位置和通道设计等进行模拟和分析，可以提前发现潜在的安全隐患，并优化建筑物设计方案，确保建筑物在火灾等紧急情况下的安全性和疏散效率。此外，该系统还具备联动控制功能，可以与其他建筑设备、安全设施进行集成，实现快速、协同的应急响应。

2） 数据采集与传输。选择适当的传感器和设备，将消防设施、消防监督管理、灭火救援等各位要素有机连接，进行消防设备的状态采集和数据传输。数字孪生技术可以与传感器、监控设备等结合，实时监测建筑物内部的温度、烟雾、气体浓度等指标，并与数字模型进行比对和分析。一旦发现异常情况，系统可以迅速发出预警并采取相应措施，提高事故响应的效率和准确性。

3） 数据处理与模型建立。对采集到的数据进行处理和分析，提取关键特征，并建立数字孪生模型。可以使用机器学习算法和数据挖掘技术来处理数据，构建消防设备的数字孪生模型。例如：联网设备会产生大量的不同类型的数据，例如有些是设备运行信息，有些是设备故障提示，有些则是反映现场火灾状态的报警信息。该系统把汇集的所有消防设施信号按照火灾报警、设施故障程度、消防控制室脱岗等情况进行分类、分级建模，并按照不同等级向联网单位、监控中心和消防部门的不同角色人员进行推送，快速高效地通过“智慧消防”系统多点联动，就近调度警情发生点及周边微型消防站等自防自救力量迅速到场对初起火灾进行处置。另外消防人员可以在虚拟环境中进行实战模拟和培训，运用3D 模型、VR 虚拟技术，带给用户极强的体验感，不仅能很好地增加记忆回路，也能达到良好的培训效果，消防人员可以提前熟悉操作流程，增强应对突发情况的能力。

4） 模型验证与优化。将建立的数字孪生模型与实际情况进行验证，比对模型预测结果与实际观测结果，可以通过实时监测和反馈调整来提高模型的准确性和可靠性，进行模型的优化和调整。数字孪生技术可以收集和分析大量的消防数据，如火灾发生的概率、火势的蔓延速度等。通过对数据的分析和挖掘，可以提取出有用的信息和规律，为消防工作提供决策支持和预测能力。例如，可以利用数据分析来优化巡逻路线、改进消防设备的配置等，合理调配和优化利用，提前预测火灾蔓延的趋势，为灭火行动提供决策依据。

5） 应用效果验证与评估。通过实际场景的应用验证数字孪生技术在消防管理系统中的效果。可以对系统的运行情况进行评估，将数字孪生技术用于演练和评估应急预案，提高消防工作的质量和效率。系统具有成熟、先进、兼容性强、可拓展性好的技术构建，灭火救援辅助决策中救援方案形象直观、通俗易懂，后援保障系统可及时准确快速查看周边可利用资源，对养老机构平时消防演练、火灾时消防救援队伍应急指挥、消防控制室值班人员和微型消防站队员应急处置都能起到很好的辅助指导作用；打破消防信息数据孤岛，数据可进行云端存储，解决消防数据多源异构的问题；系统具备数据统计功能，可自动生成单位隐患数量趋势图、隐患类型分析图、隐患区域分析图等，并借助柱形图、折线图等多种三维图表进行宏观展示，为管理者决策提供坚实可靠的依据。

3 养老机构数字智慧孪生消防云平台面临的问题

数字孪生技术在智慧消防系统中发挥着重要作用，为消防安全提供了精准管控和应急支持，为消防安全提供了重要的技术支持和决策依据。同时，在多模态数据整合、人工智能和机器学习的应用、与物联网的融合、跨部门合作和信息共享方面还面临着较大挑战，比如，将不同类型的数据整合到数字孪生模型中，如视频监控、传感器数据、消防系统数据等，实现多源数据的协同分析和决策；利用人工智能和机器学习算法，对大规模的消防数据进行智能分析和预测，实现更精准的安全预警和风险评估；数字孪生技术将与物联网技术相结合，实现设备的互联互通，提高消防系统的自动化程度和响应速度。数字孪生技术需要不同部门和机构之间的协作和信息共享，以实现整体消防安全的提升。

4 结束语

利用智慧消防数字孪生技术，可以提升养老机构火灾应急响应效率。预警、指挥和救援等功能的应用，可以实时掌握救援情况，快速有效地指挥调度一切救援力量。养老机构数字孪生智慧消防云平台的应用，让风险监测预警和应急指挥调度更加直观、更加精准、更加高效，为风险研判、指挥决策、资源调配、协同联动提供了有力保障。