数字孪生技术在灭火救援中的应用探索

摘要：深入分析了数字孪生技术的定义及架构，结合当前灭火救援技术和方法的局限性，以四川省某城市大型综合体作为具体案例，深入探索了数字孪生技术在灭火救援中的应用与效果。研究结果表明，数字孪生技术在灭火救援中具有巨大的应用潜力和开发价值，可以为灭火救援行动带来更多宝贵的时间，实现更高效的火灾预防及救援。

关键词：数字孪生；灭火救援；大型综合体

中图分类号：D631.6 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2024）08-0041-04

现代城市建筑群体规模不断扩大，结构愈加复杂，火灾事故的突发性和潜在危害性也随之增加。在此背景下，如何借助数字孪生等新兴技术手段提升灭火救援行动的科学性和高效性，成为当前亟须解决的重要课题。

1 数字孪生技术概述

1.1 数字孪生的定义

数字孪生（Digital Twin）是指通过数字化手段在虚拟空间中创建一个与物理实体高度一致的虚拟模型，通过数据连接，使两者在全生命周期内保持动态同步，从而实现对物理实体的实时监控、模拟和优化[1]。

1.2 数字孪生技术架构

数字孪生技术通常由以下三个核心部分构成：第一，物理实体，这是数字孪生技术的基础，指的是现实世界中的设备、系统或过程。物理实体通过传感器和数据采集设备将自身的运行状态、环境条件等信息实时传输到数字孪生系统中。第二，虚拟模型，这是物理实体在数字空间中的映射，通常采用多种建模技术，如几何建模、物理建模和行为建模等[2]。第三，数据连接，这是物理实体和虚拟模型之间的桥梁，不仅包括物理实体向虚拟模型的状态数据传输，还包括虚拟模型反馈到物理实体的控制指令和优化建议。

在灭火救援领域，数字孪生技术的应用可以实现火灾现场实时监测、模拟火情发展、优化救援方案等重要应急救援功能，大幅提升灭火救援的科学性和有效性。

2 当前灭火救援技术和方法的局限性

2.1 火情监测的延迟与不准确性

在火灾发生的时候，火情监测的及时性和准确性是灭火救援的关键。然而，现有的火情监测系统经常面临延迟和不准确的情况[3]。以“11·15”上海某公寓大楼特大火灾事故为例，施工人员违规进行电焊作业，电焊溅落的金属熔融物掉落从而引发火灾，加之建筑内部监测设备不完善，火情未能及时被发现，导致火势迅速蔓延并最终酿成特大火灾[4]。此外，传统监测设备在面对复杂建筑结构时，容易受到墙体、楼层等因素的阻隔，也会严重影响火情数据的准确传输和判断。

2.2 火情模拟与预警系统的局限性

火情模拟与预警系统的有效性是消防救援人员在灭火救援中的重要依据，目前国内的相关技术水平在此方面具有较大的提升空间。例如，多数火情模拟系统是通过预设火灾场景和固定参数进行模拟，难以实时反映火灾的动态发展。以吉林德惠“6·3”特别重大火灾为例，火灾发生时，由于预警系统未能充分考虑到生产车间的特殊结构和可燃物堆积情况，导致火情迅速蔓延，加之主厂房内没有报警装置，部分人员对火灾知情晚，使一些人丧失了最佳逃生时机。该事件说明火情模拟和预警系统在应对复杂火灾场景时，缺乏实时性和精准度[5]。

2.3 人员疏散指挥的困难性

火灾发生后，迅速有效地疏散人员是减少火灾伤亡的关键举措，然而，在实际操作中，人员疏散往往面临巨大挑战。以无锡“11·20”某纺织公司火灾为例，火灾发生时，高温及有毒有害烟气迅速蔓延至疏散楼梯间，该公司未及时组织员工疏散撤离，加之室外疏散楼梯安全出口被锁闭，消防救援人员在救援过程中难以掌握被困人员的确切位置，延误了最佳救援时机[6]。

2.4 消防资源调度效率有待进一步提高

在重大火灾事故中，消防资源的快速调度和合理分配对于遏制火势至关重要。然而，当前部分消防资源调度系统的效率有待进一步提高[7]。以“8·12”天津港某特大火灾爆炸事故为例，由于现场情况复杂，涉及危险化学品，救援工作极为困难，导致火灾蔓延和爆炸事件。在面对复杂火灾场景时，消防资源调度系统缺乏智能化和动态调整能力，需要加强应急救援力量建设和特殊器材装备配备，提高生产安全事故应急处置能力[8]。

3 数字孪生技术在灭火救援中的应用

3.1 案例概况

在四川省某城市大型综合体内，消防救援体系全面升级，引入了“智慧消防云平台”，以实现对灭火救援工作的全方位智能化管理。该平台深度融合了多源系统数据，实现了对消防接警处理、火灾统计、消防监督管理等核心职能，并对接了外部“消防重点单位物联网”和“智慧用电”系统的实时数据。平台依托“政务云”，支持在电脑端和手机端实时查询相关信息，为灭火救援行动提供了强大的技术支撑。

该平台分为消防机构、指挥调度、火灾预防、战勤保障、队伍管理、灾情分析六大模块。消防机构模块提供了全市消防救援站的实时数据，包括人员、车辆等信息，方便调度指挥。指挥调度模块涵盖应急值班、水源管理、预案信息和联勤联动等子模块，提升了指挥调度的效率和准确性。火灾预防模块通过对重点单位的精准定位和设施监控，加强了火灾预防与监督。战勤保障模块则实现了对消防车辆和装备的全生命周期管理和调度。队伍管理模块有效助力分析消防人员的训练成效与体能状态，提高了整体的作战能力与效率。灾情分析模块通过深度挖掘历史数据，并进行综合分析和风险预测，极大地增强了火灾应对的决策能力。

3.2 技术应用设计

在城市大型综合体中，数字孪生技术的应用设计涵盖了火灾监测与预警、火情模拟与态势感知、人员疏散与救援、消防资源调度与指挥等关键环节。通过这些技术模块的集成和协同运作，实现了灭火救援全过程的智能化与高效化。

3.2.1 火灾监测与预警

为了提升火灾监测的准确性与及时性，综合体内部署了密集的传感器网络。这些传感器覆盖了建筑的各个关键区域，包括易燃物堆放区、主要通道、机电设备间等，可实时采集环境数据，如温度、烟雾浓度、气体成分等，并将这些信息传输至“智慧消防云平台”。其中，红外热成像传感器尤为关键，可以实时捕捉环境中的热量变化，尤其是在温度监测难以直接感知的隐蔽区域，如天花板或墙体内部；而紫外线火焰检测器以其高灵敏度著称，能在火灾初期，火焰还未大范围蔓延时便迅速捕捉到火焰辐射。此外，气体传感器通过监测一氧化碳、二氧化碳及其他可燃气体的浓度，能够识别潜在的火灾隐患，尤其是机电设备间的短路、过载等问题。

“智慧消防云平台”依托大数据和人工智能技术，分析大量历史火灾案例的数据特征，即时构建并优化火灾风险预测模型。系统在分析温度、烟雾和气体浓度等数据的同时，还能结合建筑布局、消防设备状态以及外部气象条件等因素，动态调整火灾预测的精度。一旦捕捉到异常信号，如温度急剧上升或烟雾浓度超标，平台将立即启动预警机制，精准定位火灾源头，还可以根据火情严重程度，分级发出预警信号，确保各级应急响应措施能够迅速启动。同时，预警系统可以根据历史数据和场景特点，预测火灾发生的可能性和严重性，进一步提升火灾防控的主动性。

3.2.2 火情模拟与态势感知

在火灾发生时，数字孪生技术可以结合多源数据融合技术，整合来自温度传感器、烟雾探测器、气体监测仪等不同类型传感器的实时数据。同时，建筑内的监控摄像头也可以为系统提供关键的视觉维度，通过图像识别技术，对火灾发展情况进行实时分析处理，并将这些信息映射到虚拟模型中，构建出火灾场景的动态全息模拟。虚拟模型精确展现了建筑的结构布局和消防设施位置等关键信息。借助实时数据，系统可以模拟火势的蔓延路径、燃烧速率和烟雾扩散情况，在模拟火势扩散路径时，系统会综合考虑建筑内部的气流流向、通风系统影响、各类材料的燃烧特性以及建筑结构的阻火作用。燃烧速度和烟雾扩散的模拟则依赖于先进的计算流体动力学（CFD）模型，该模型精确捕捉火灾环境中的热力、烟气流动情况，为指挥员提供科学的预测依据。

此外，系统还具备自动评估火灾蔓延趋势的功能，结合火灾的实时与历史数据，预测火势蔓延的区域，及时向指挥员发出预警。系统还能动态调整模拟结果，根据建筑内温度变化、烟雾扩散速度等实时数据，不断更新火情演变情况。这一系列的模拟和态势感知功能，指挥员可以掌握当前火灾状况，预测火灾未来的发展趋势，从而作出更为精准的资源调配和救援决策。火情模拟结果会以直观可视化形式展现在指挥中心的大屏幕上，指挥员可以通过这一界面，迅速了解火灾的当前态势，并精准预判未来趋势，从而作出更精准的决策。

3.2.3 人员疏散与救援

在火灾发生时，为了进一步提高人员疏散的效率，数字孪生平台结合了多种定位技术，如超宽带（UWB）定位、无线射频识别（RFID）和蓝牙信标等。这些技术的组合可以在复杂的建筑环境中提供厘米级的高精度定位，不仅能够精准追踪每个人员的实时位置，还能判断其运动速度和方向，帮助系统动态评估疏散进程。此外，平台在规划疏散路径时，还会运用智能路径规划算法，综合考虑建筑的布局、消防通道的宽度、可通行区域的分布、火势蔓延情况以及当前通道的人员密度等因素，实时为不同区域的人员指引最优疏散路径。例如，当某个通道因火势封锁或人员密集而3a073a46736d4e081c4a481426c93505无法通行时，系统会立刻进行调整，并规划新的安全疏散路径，确保人员能够避开危险区域。在模拟疏散演练方面，平台可以通过虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术进行沉浸式演练，使救援人员能够在虚拟环境中体验火灾情景，预先识别疏散过程中的风险点。通过这些演练，消防队员能够更好地掌握建筑内部的复杂结构、疏散路线的可行性以及可能出现的人员密集点，进而优化疏散方案。当火灾实际发生时，“智慧消防云平台”不仅会提供疏散路径，还会结合现场火势和烟雾扩散情况，动态调整疏散策略。例如，通过对火势传播速度进行计算，预判某条通道是否在一定时间内仍然安全，从而及时调整人员撤离路线。疏散过程中的人员移动数据和火灾动态信息会同步传输到指挥中心，指挥员可以通过大屏幕实时查看疏散进展，并做出相应的调整。另外，平台还具备智能预警功能，一旦某些区域的人员疏散速度减缓或出现滞留，系统会立刻发出警报，提醒指挥员采取措施。同时，平台也可以根据各区域人员的密集度优先疏散高危密集区域，确保救援行动的有效性。

3.2.4 消防资源调度与指挥

为了实现消防资源的高效调度，平台会对所有消防资源的状态进行实时监控，包括消防车辆、装备、人员等要素，并将资源的实时位置、使用情况、剩余可用性等信息汇总至平台的指挥模块，为指挥员提供全面、即时的决策依据。

在资源调度方面，平台运用了优化算法，根据火灾的类型、规模、具体位置以及当前消防资源的分布情况，自动计算出最优的资源调度方案。指挥员可以依托平台提供的建议，快速调动资源并进行任务分配。此外，平台还集成了综合指挥系统，确保各相关部门、单位之间能够迅速建立有效的联动与协作，形成一体化的应急指挥网络，各级指挥员可以在平台上实时共享信息，统一进行调度指挥，确保灭火救援行动的协调性与高效性。

3.3 效果评估

3.3.1 提升火灾响应速度

依托数字孪生技术，该城市综合体内的火灾监测与预警系统能够实时采集和分析传感器数据，从而实现了对火灾的早期预警功能。相比传统的火灾报警系统，该平台的反应速度更快，能够在火灾发生的初期及时发出预警信号，有效遏制火势蔓延。在实际应用中，预警时间较传统系统缩短了30%以上，有效提高了火灾应急响应的速度。

3.3.2 精准制定灭火救援决策

借助火情模拟与态势感知功能，指挥员能够在火灾发生时迅速掌握火势发展动态，并科学预测火灾的演变趋势。通过多次模拟演练和实战验证，火情态势感知系统可大大降低决策错误率，提升了灭火救援行动的准确性与效率。

3.3.3 提高人员疏散的安全性

数字孪生技术在火灾应急响应中的人员疏散与救援模块发挥了关键作用。该技术通过实时追踪建筑内人员的位置信息，并动态规划最优疏散路径，显著提升了火灾发生时人员撤离的速度和安全性。经过系统模拟和实战演练的验证，采用数字孪生技术，不仅缩短了人员疏散时间，还提高了疏散成功率，有效降低了火灾现场的人员伤亡风险。

3.3.4 提高消防资源调度效率

通过平台对消防资源的实时监控和调度优化算法，指挥员能够更加科学合理地分配和调动消防资源。在多次火灾应对实践中，缩短了消防资源到场的时间。综合指挥系统的集成应用，使得不同部门、单位之间的协作更加顺畅，有效避免了传统指挥模式下的资源浪费和调度不及时的问题。

3.3.5 强化火灾预防与监督的有效性

火灾预防模块通过对消防重点单位的全面监控与深入分析，提高了消防监督工作的精确度和有效性。该平台能够迅速识别并准确定位消防设施的潜在隐患和故障，及时进行维护与整改。自平台投入使用以来，火灾隐患的发现率提升了42%，整改率也实现了增长，有效遏制了火灾事故的发生。

3.3.6 全面提升消防救援能力

“智慧消防云平台”的引入，全面提升了城市大型综合体的消防救援能力。该平台不仅显著提高了火灾响应速度和决策的精准性，还增强了人员疏散的安全保障和消防资源的调度效率。通过对火灾的全面预防和实时应对，该平台实现了对火灾事件的科学管理和高效处置，有效降低了火灾造成的损失，全面提升了城市综合体的消防安全水平。

4 结束语

总之，数字孪生技术有效弥补了当前灭火救援技术和方法中存在的局限性。数字孪生技术通过构建火灾场景模型，实现了对火情的实时监测与预测，大幅降低了火情监测的延迟与不准确性，为消防人员提供了及时、准确的信息支持。基于数字孪生的火情模拟与预警系统，能够更加真实地反映火灾发展的动态过程，为制定科学合理的灭火救援方案提供了依据，提升了火情应对的效率和准确性。四川某城市大型综合体的应用案例结果表明，数字孪生技术可以显著优化灭火救援的全过程管理，提升消防救援能力，为城市消防安全管理提供了强有力的技术支撑。

参考文献

[1]杨晓峰，丁祥郭.数字孪生在灭火救援中的应用探索[J].电信快报，2024（6）：21-24.

[2]黄丽蒂，赵朝瑞，孙志敏.老年公寓建筑数字孪生模型联合仿真疏散模拟方法[J].河南科学，2023，41（3）：414-422.

[3]王亮，张涵清，李鹏飞，等.基于数字孪生的某文体中心消防疏散算法设计[J].现代建筑电气，2023，14（1）：1-5.

[4]上海静安区人民政府.“11·15”特别重大火灾事故处理决定公布[EB/OL].https：//www.jingan.gov.cn/rmtzx/003001/20110614/b205ff94-b54a-40d1-ac97-8e842a76538e.html

[5]人民网.吉林德惠特大事故调查报告发布 消防部门曾违法出具验收合格书[EB/OL].http：//politics.people.com.cn/n/2013/0712/c70731-22169884.html

[6]无锡市应急管理局.无锡惠山区无锡天天润纺织科技有限公司“11·20”较大火灾事故调查报告[EB/OL].http：//yjglj.wuxi.gov.cn/doc/2024/05/17/4311665.shtml

[7]张丽岩，刘婧，马健.数字孪生驱动的多层建筑火灾智能应急系统研究[J].电子测试，2022，36（17）：5-7+58.

[8]新华网.天津港“8·12”特别重大火灾爆炸事故调查报告公布[EB/OL].https：//www.chinanews.com/sh/2016/02-05/7750592.shtml