何奇超 王佳旭 陳贊鋒 溫紫霞

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

一、項(xiàng)目背景與市場分析

（一）項(xiàng)目背景

消防防火工作是保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重中之重。雖然我國的消防工作取得了一些成果，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。火災(zāi)過程分為四個(gè)階段：初起、發(fā)展、猛烈燃燒和熄滅。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，往往只能檢測發(fā)展或者燃燒階段的火災(zāi)。

火災(zāi)初期煙氣量大，可燃物燃燒面積迅速擴(kuò)大，溫度迅速升高。一般情況下，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)在15 分鐘內(nèi)達(dá)到劇烈燃燒階段后才會(huì)啟動(dòng)。但在這樣的高溫下，對(duì)于那些缺乏逃生知識(shí)的人來說，生存的機(jī)會(huì)非常渺茫。因此，解決火災(zāi)問題迫在眉睫。

（二）市場需求分析

1.歷史背景分析

在我國，消防警報(bào)系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)始于20 世紀(jì)70 年代，并迅速發(fā)展，盡管速度緩慢。隨著國內(nèi)基建項(xiàng)目的興起，煙氣報(bào)警器作為安全報(bào)警領(lǐng)域的重要產(chǎn)品，能夠通過傳感器識(shí)別周圍環(huán)境，判斷是否有火災(zāi)、有毒氣體泄漏等危險(xiǎn)，并發(fā)出報(bào)警，具有較大的市場需求。然而，傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器存在響應(yīng)延遲大、識(shí)別不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，在很大程度上不能保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.市場規(guī)模預(yù)測

中國是世界上最大的制造業(yè)國家。2019年，中國工業(yè)增加值317109億元，約占同期國內(nèi)生產(chǎn)總值的32%；制造業(yè)增加值約269175 億元，約占同期國內(nèi)生產(chǎn)總值的27.2%。制造業(yè)仍然是中國的最大行業(yè)。

預(yù)計(jì)未來我國經(jīng)濟(jì)仍將保持穩(wěn)定增長勢頭，其規(guī)模預(yù)測如圖1-1 所示。

圖1 -1 2018-2025 年中國消防行業(yè)市場規(guī)模預(yù)測圖

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，82.61%的制造業(yè)工廠，倉庫設(shè)有完備消防設(shè)施，帶動(dòng)了消防行業(yè)的發(fā)展。因此煙霧、氣體報(bào)警器產(chǎn)品在市場上的需求量會(huì)有很大的增長。鑒于傳統(tǒng)產(chǎn)品的缺點(diǎn)，研發(fā)一種新型報(bào)警器不僅可以填補(bǔ)行業(yè)空缺，而且擁有很大的競爭優(yōu)勢，極具廣闊的市場前景。

3.行業(yè)競爭分析

超早期消防預(yù)警系統(tǒng)與現(xiàn)有的消防系統(tǒng)不同，本團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目可以通過利用大數(shù)據(jù)算法預(yù)測火災(zāi)的發(fā)生，能夠快速檢測環(huán)境并且判斷是否將發(fā)生火災(zāi)，具有很好的預(yù)防作用。

本團(tuán)隊(duì)研究項(xiàng)目的選取十分新穎，就目前來說，國外與國內(nèi)對(duì)于火災(zāi)預(yù)警的研究還非常缺乏。

二、項(xiàng)目概述

（一）項(xiàng)目發(fā)明思路

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等一系列科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，消防科學(xué)、消防技術(shù)和消防軟科學(xué)作為消防科技研究的主要方向，進(jìn)入了快速發(fā)展階段。因此，將人工智能算法應(yīng)用于消防領(lǐng)域是必然趨勢。為此，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了超早期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，借助大數(shù)據(jù)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和火災(zāi)預(yù)警。該系統(tǒng)能夠采用傳感器實(shí)時(shí)采集分析、移動(dòng)終端技術(shù)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的采集和快速報(bào)警；同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的算法對(duì)不同類型的火災(zāi)物質(zhì)進(jìn)行預(yù)測和實(shí)時(shí)報(bào)警，并根據(jù)火災(zāi)原因采取有針對(duì)性的滅火措施。

圖2-1 發(fā)明思路圖

（二）項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施做了規(guī)劃和設(shè)計(jì)。保證整個(gè)項(xiàng)目可以順利的進(jìn)行，保證可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

前期階段，本團(tuán)隊(duì)從論文和以往的經(jīng)驗(yàn)為突破點(diǎn)進(jìn)行研究。團(tuán)隊(duì)分析了大量的材料和實(shí)施調(diào)研以及試驗(yàn)，研究物體在各種燃燒得狀態(tài)下，空氣中物質(zhì)信息和與沒有火災(zāi)隱患的時(shí)候信息含量的區(qū)別。分析各種火災(zāi)存在的因素，通過各種狀態(tài)的研究調(diào)整試驗(yàn)方案，保證項(xiàng)目的可行性。

中期，團(tuán)隊(duì)根據(jù)前期階段取得的初步結(jié)論和方案建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型，制定了產(chǎn)品的開發(fā)計(jì)劃以及技術(shù)研究方案。并且開始著手設(shè)備的開發(fā)，快速推進(jìn)項(xiàng)目的進(jìn)程。圖2-2 是產(chǎn)品的開發(fā)整體思路。該產(chǎn)品的設(shè)備核心部件是由信息監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)處理單元、聲光預(yù)警單元、無線傳輸單元和管理終端單元組成。

團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備研究進(jìn)展進(jìn)行初步總結(jié)，以及對(duì)于技術(shù)方案進(jìn)行修正，研究進(jìn)程和克服困難瓶頸，使得技術(shù)方案更加完善。

后期階段，實(shí)現(xiàn)其在現(xiàn)實(shí)中的適用性，也繼續(xù)對(duì)產(chǎn)品的算法進(jìn)行優(yōu)化，不斷提高的預(yù)測的準(zhǔn)確度，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)算法較強(qiáng)的魯棒性和泛化性。

三、項(xiàng)目技術(shù)介紹

（一）產(chǎn)品整體概念

（二）消防預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展

最早的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的起源可以追溯到20 世紀(jì)初，恒溫火災(zāi)探測器的誕生；20 世紀(jì)20 年代中期，差溫火災(zāi)探測器出現(xiàn);20 世紀(jì)40 年代初期，瑞士發(fā)明了離子感煙探測器，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警;隨著各類傳感器元件的發(fā)展，光電感煙探測器也隨之誕生。

圖2-2 開發(fā)整體思路圖

目前，我國火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主要有區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、控制中心火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和集中火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)三種形式。在超早期火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用還幾乎處于空白。國外已研制出適用于潔凈空間的高靈敏度感煙火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)，如激光式高靈敏度感煙火災(zāi)探測器、吸氣式高靈敏度感煙火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)、氣體火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)等，與普通火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)相比，其探測靈敏度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這些系統(tǒng)采用了激光粒子計(jì)數(shù)、激光散射等原理監(jiān)視被保護(hù)空間，系統(tǒng)可在火災(zāi)發(fā)生前幾小時(shí)識(shí)別潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)超早期火災(zāi)報(bào)警。

（三）超早期消防預(yù)警系統(tǒng)和傳統(tǒng)消防預(yù)警系統(tǒng)對(duì)比

下面是對(duì)超早期消防預(yù)警系統(tǒng)和傳統(tǒng)消防預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析和比較，了解傳統(tǒng)消防預(yù)警系統(tǒng)需要改進(jìn)的方向和超早期消防預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

表3-1 超早期消防預(yù)警系統(tǒng)和傳統(tǒng)消防預(yù)警系統(tǒng)對(duì)比

產(chǎn)品的優(yōu)勢除了上面的比較外，在市場層面迎合了當(dāng)今客戶對(duì)生命財(cái)產(chǎn)保護(hù)的迫切需求。通過平臺(tái)可以反饋燃燒物質(zhì)的材質(zhì)，給出相應(yīng)的滅火方法和建議。利用消防安監(jiān)大數(shù)據(jù)和5G 技術(shù)輔助為基礎(chǔ)，不斷提升精確度，更快更精確地響應(yīng)警報(bào)。采用NB-IoT/LoRa+4G 無線傳輸技術(shù)，超低功耗運(yùn)行。

（四）產(chǎn)品工作過程描述

超早期消防預(yù)警系統(tǒng)的產(chǎn)品主要以名為“極早期的消防安全火災(zāi)預(yù)警檢測裝置”的設(shè)備為主，該設(shè)備的核心部件是由信息監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)處理單元、聲光預(yù)警單元、無線傳輸單元和管理終端單元組成。

設(shè)備的信息監(jiān)測單元是由管道抽風(fēng)系統(tǒng)、光感探測器和紫外線探燈組成，管道排風(fēng)系統(tǒng)由排風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)管組成。設(shè)備啟動(dòng)后，利用排風(fēng)機(jī)的來吸入外部空氣，再由風(fēng)管引導(dǎo)進(jìn)入煙氣監(jiān)測室，紫外線燈持續(xù)向煙霧監(jiān)測室發(fā)射紫外線。當(dāng)紫外光照射煙霧粒子時(shí)，光電探測器接收到的紫外線信號(hào)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，然后將波動(dòng)信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)處理單元。

數(shù)據(jù)處理單元是由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和GoKit4.0 處理器兩部分組成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功能是把光感探測器產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而GoKit4.0處理器負(fù)責(zé)把數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)綗o線傳輸單元，若數(shù)據(jù)經(jīng)后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析且判斷達(dá)到火災(zāi)預(yù)警情況，GoKit4.0 處理器則會(huì)激活聲光預(yù)警單元。

聲光預(yù)警單元是由警報(bào)發(fā)聲器和警報(bào)發(fā)光器兩部分組成，若GoKit4.0處理器激活聲光預(yù)警單元，警報(bào)發(fā)聲器則發(fā)出足以起警示的警報(bào)聲響，警報(bào)發(fā)光裝置將發(fā)出紅色和藍(lán)色相間的警示燈。

由通信模塊和信號(hào)發(fā)送器組成無線通訊單元，通訊模組把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁波信號(hào)，通過信號(hào)發(fā)射器把電磁波信號(hào)傳輸?shù)焦芾斫K端單元。

管理終端由后臺(tái)服務(wù)器和信息管理控制中心組成。后臺(tái)服務(wù)器通過接收“極早期的消防安全火災(zāi)預(yù)警檢測裝置”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫的形式把數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化和存儲(chǔ)，信息管理控制中心可以通過以訪問數(shù)據(jù)庫的形式訪問“極早期的消防安全火災(zāi)預(yù)警檢測裝置”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，供大數(shù)據(jù)分析處理以判斷是否達(dá)到火災(zāi)預(yù)警情況。