張錚 郭志宏 吳文濤

摘要：“火情評(píng)測(cè)預(yù)警及疏導(dǎo)系統(tǒng)”是由火災(zāi)探測(cè)器、消防火災(zāi)報(bào)警主機(jī)、消防應(yīng)急標(biāo)志燈具、智能疏散系統(tǒng)控制主機(jī)等設(shè)備組成的一套智能消防疏散系統(tǒng)。通過傳感器的數(shù)據(jù)采集功能、ZigBee信息無線通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力對(duì)管理空間的各個(gè)位置的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到及時(shí)高效的火情判斷、火勢(shì)預(yù)測(cè)、火災(zāi)預(yù)警、自動(dòng)滅火等功能，顯示著火位置，并為緊急疏散逃生提供最佳逃生路線等智能指導(dǎo)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)化管理傳感器能使火災(zāi)發(fā)生部分傳感器失效時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠正常工作，保證了系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：火情評(píng)測(cè);預(yù)警;疏導(dǎo);系統(tǒng)

火災(zāi)早已成為我國(guó)常發(fā)性和破壞性以及影響力最強(qiáng)的災(zāi)害之一。從國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)來看，對(duì)于火災(zāi)火勢(shì)評(píng)測(cè)系統(tǒng)與人員緊急疏散系統(tǒng)相結(jié)合的研究少，主要側(cè)重于人員疏散。鑒于此，設(shè)計(jì)出具有人機(jī)交互界面，可對(duì)應(yīng)急標(biāo)志燈具實(shí)時(shí)巡檢、并與報(bào)警主機(jī)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、在有火災(zāi)發(fā)生時(shí)根據(jù)起火位置智能選擇最佳逃生路線進(jìn)行疏散指示的綜合系統(tǒng)顯得尤為重要。

一、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由探測(cè)器中的各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳入中央控制器，中央控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析處理，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，中央控制器對(duì)火勢(shì)大小、火勢(shì)蔓延預(yù)測(cè)、可燃?xì)怏w分析數(shù)據(jù)綜合計(jì)算，并在顯示終端輸出著火位置、火情等級(jí)、最佳疏散逃生路線等。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

（一）實(shí)時(shí)監(jiān)控信息的采集與傳遞

1.可燃?xì)怏w與煙霧實(shí)時(shí)檢測(cè)。基于優(yōu)異性能的MQ-2可燃?xì)怏w煙霧傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)控制無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)給中央控制器。當(dāng)環(huán)境狀況正常時(shí)，中央控制器不進(jìn)行警告;當(dāng)環(huán)境可燃?xì)怏w或者煙霧超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合環(huán)境溫度數(shù)據(jù)決定是否發(fā)出火災(zāi)預(yù)警或警報(bào)。

2.溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)。本系統(tǒng)基于能受高溫的鉑熱電阻溫度傳感器對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行檢測(cè)，與煙霧傳感器協(xié)同用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)給中央控制器，并由其判斷是否發(fā)出預(yù)警或者警報(bào)。

（二）信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)

該網(wǎng)絡(luò)基于遵從ZigBee2007規(guī)范協(xié)議棧的Z-Stack的終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)化管理傳感器使得當(dāng)火災(zāi)發(fā)生部分傳感器失效時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠正常工作，保證了此系統(tǒng)的可靠性。在當(dāng)前環(huán)境正常但傳感器失效時(shí)，中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行預(yù)告，以便技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)。

二、顯示終端智能化

顯示終端包括電子屏和報(bào)警器，安放于整個(gè)防護(hù)對(duì)象的各個(gè)安全且醒目位置，正常狀態(tài)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)收到中央控制器信號(hào)時(shí)喚醒控制此系統(tǒng)中的單片機(jī)，控制系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)活動(dòng)，用于警示受困群眾及提供最佳疏散逃生路徑。

（一）報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)采用BC-6工業(yè)聲光電子蜂鳴器，該報(bào)警器功率大、可靠性高，當(dāng)收到報(bào)警信號(hào)后發(fā)聲警示。

（二）電子屏

電子屏采用LED顯示屏，LED顯示屏具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)。收到相應(yīng)單片機(jī)的信號(hào)后顯示最佳疏散路徑高效指導(dǎo)受困人員疏散逃生。

三、中央控制器數(shù)據(jù)分析

中央控制計(jì)算機(jī)位于監(jiān)控室，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并做出回應(yīng)并執(zhí)行相關(guān)策略。

（一）中央控制器相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)定

中央控制器數(shù)據(jù)設(shè)定包括傳感器閾值設(shè)定、環(huán)境因素系數(shù)設(shè)定。中央控制器通過傳感器傳回的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值對(duì)比做出相應(yīng)計(jì)算并回應(yīng)，若發(fā)生火災(zāi)，控制器通過環(huán)境因素系數(shù)與現(xiàn)時(shí)狀況數(shù)據(jù)綜合分析得出著火位置、火情等級(jí)、火勢(shì)預(yù)測(cè)、最佳疏散和逃生路線等其他重要信息并迅速有效地將其反饋到顯示終端。

1.傳感器閾值設(shè)定。中央控制器設(shè)定正常環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)閾值，當(dāng)傳感器傳回的數(shù)據(jù)超過相對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)，開始進(jìn)行異常分析。

2.環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)定。環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)定包括對(duì)建材、空間用途等環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。火勢(shì)蔓延預(yù)測(cè)與空間中相關(guān)的材料可燃性有較大聯(lián)系，用戶輸入建材類型與空間儲(chǔ)存相關(guān)材料，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出材料的可燃性系數(shù)，從而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)參與火勢(shì)蔓延預(yù)測(cè)。

3.警報(bào)觸動(dòng)臨界點(diǎn)及火情分段警報(bào)啟動(dòng)閾值設(shè)定。設(shè)定警報(bào)觸動(dòng)的臨界點(diǎn)及火情分段警報(bào)閾值，經(jīng)控制器分析后若數(shù)據(jù)超過臨界點(diǎn)發(fā)生警報(bào)，并將分析后的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行對(duì)比，輸出相應(yīng)火警等級(jí)。

（二）數(shù)據(jù)處理

傳感器的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到中央控制器，中央控制器將通過所得數(shù)據(jù)和已設(shè)定的環(huán)境因素系數(shù)計(jì)算出火情出現(xiàn)的位置、火勢(shì)預(yù)測(cè)信息、最佳疏散和逃生路徑并傳入顯示終端，同時(shí)中央控制器將打開自動(dòng)滅火裝置。

1.傳感器數(shù)據(jù)處理。正常環(huán)境下，將網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比：若正常則不做出緊急響應(yīng);若低于閾值，進(jìn)行故障定位，提醒管理人員維修;若單一數(shù)據(jù)高于閾值，馬上提醒管理人員，進(jìn)行檢查。

2.綜合數(shù)據(jù)分析。若多組數(shù)據(jù)高于閾值，做出緊急反應(yīng)：對(duì)多組異常數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，輸出位置，并將此數(shù)據(jù)與火情分段警報(bào)閾值進(jìn)行對(duì)比，輸出相應(yīng)火警等級(jí)，啟動(dòng)自動(dòng)滅火裝置，若火情等級(jí)低，則對(duì)相應(yīng)樓層或區(qū)域顯示終端發(fā)出信號(hào)警報(bào)，并在控制器端予以顯示，為警報(bào)管理員做出相應(yīng)決策提供幫助;若等級(jí)過高，則發(fā)出嚴(yán)重警報(bào)，將警報(bào)發(fā)至整個(gè)空間，并同時(shí)進(jìn)行火勢(shì)預(yù)測(cè)與最佳路徑計(jì)算。數(shù)據(jù)處理過程包括如下幾個(gè)階段：（1）火情現(xiàn)狀計(jì)算：控制器通過傳感器的失效位置與數(shù)量計(jì)算火情并迅速判斷輸出火災(zāi)位置及火情等級(jí)、（2）火勢(shì)蔓延預(yù)測(cè)，根據(jù)已有的火情數(shù)據(jù)以及設(shè)定的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算火勢(shì)蔓延速度及區(qū)域、（3）最佳路徑計(jì)算，根據(jù)已有火情數(shù)據(jù)以及蔓延預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算最佳疏散及逃生路徑，并將此三組數(shù)據(jù)輸出。

四、中央處理器總輸出

中央處理器顯示器在正常狀態(tài)下檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)做出相應(yīng)操作：（1）單一傳感器數(shù)據(jù)低于閾值失效，顯示該傳感器位置。（2）單一傳感器數(shù)據(jù)高于閾值時(shí)，警報(bào)通知管理員及控制相關(guān)區(qū)域報(bào)警通知。（3）多組傳感器數(shù)據(jù)高于閾值時(shí)緊急報(bào)警，并顯示火情區(qū)域及等級(jí)，輸出火勢(shì)蔓延預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、輸出最佳疏散及逃生路線。以便報(bào)警人員能有效準(zhǔn)確地完成報(bào)警操作，消防部門亦可迅速派出有效警力，使得受困群眾能高效疏散及撤離火場(chǎng)。

五、電源設(shè)計(jì)

除中央控制器外，所有設(shè)備均采用獨(dú)立電源設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)此系統(tǒng)的可靠性和獨(dú)立性。在有外接電源的情況下，設(shè)備電源充電，并以外界電源為工作電源;當(dāng)外接電源無法供電時(shí)，由設(shè)備自帶電源供電，確保各終端能正常高效工作。

六、總結(jié)

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確判斷火災(zāi)現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)火情并將數(shù)據(jù)提供至報(bào)警人員，保證了報(bào)警及出警高效性，同時(shí)第一時(shí)間將疏散和逃生的引導(dǎo)信息傳送至受困人員，顯著提高了疏散和逃生效率。

【2018年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2018R454009）】

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