朱進(jìn)鵬，余照陽

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)化和城市化不斷推進(jìn)，高層建筑大量出現(xiàn)。隨之而來的是頻發(fā)的高層建筑火災(zāi)。高層建筑火災(zāi)因其難以防治且往往會造成重大損失，引發(fā)了社會的廣泛關(guān)注。由于消防系統(tǒng)建設(shè)沒有跟上建筑的發(fā)展速度等原因，2022年7 月12日，國家發(fā)改委發(fā)布《“十四五”新型城鎮(zhèn)化實(shí)施方案》提出了“限高令”，嚴(yán)格限制新建超高層建筑，不得新建500 米以上建筑，嚴(yán)格限制新建250 米以上建筑[1]。但已經(jīng)建設(shè)完畢并投入使用的高層建筑數(shù)量巨大，亟需先進(jìn)的多領(lǐng)域結(jié)合的消防保障措施。國內(nèi)外學(xué)者也對此進(jìn)行了積極的探索。Klaus Schwab 認(rèn)為新的安全事故與更加復(fù)雜的致災(zāi)機(jī)理使得傳統(tǒng)的安全技術(shù)、安全科學(xué)與安全系統(tǒng)工程面臨著“復(fù)雜性”和“新技術(shù)融合”兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；安全控制技術(shù)由災(zāi)害治理向風(fēng)險評估和監(jiān)測預(yù)警轉(zhuǎn)移，以信息化、智能化和綠色化為驅(qū)動的創(chuàng)新技術(shù)融合是當(dāng)前安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[3]。高層建筑火災(zāi)防治的智能化、信息化具有重要的意義。首先，高層建筑火災(zāi)起火原因復(fù)雜，建筑整體荷載巨大、隱患較多[4]；其次，由于高層建筑煙囪效應(yīng)突出，火災(zāi)一旦發(fā)生，火勢蔓延迅速，煙氣伴隨毒性，難以控制[5，6]；建筑中人員密集而疏散通道空間有限，導(dǎo)致高層建筑火災(zāi)救援疏散困難[7，8]。另一方面，火災(zāi)一旦發(fā)生，極易造成電力中斷，導(dǎo)致無法知悉建筑內(nèi)部的火勢情況，給高層建筑火災(zāi)撲救帶來困難[9，10]。目前配套的防滅火措施無法適應(yīng)和滿足高層和超高層建筑的消防要求，火災(zāi)一旦發(fā)生，極易造成巨大的財產(chǎn)損失和人員傷亡[11]。王諾亞[12]也提出應(yīng)積極引入大數(shù)據(jù)和計算機(jī)輔助決策等新方法來應(yīng)對高層建筑火災(zāi)發(fā)生時導(dǎo)致的火情火勢不明等問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

高層建筑火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警控制一體化系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，主要由感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中感知控制層相當(dāng)于建筑的皮膚和手臂，同皮膚一樣具有溫度感受能力，同手臂一樣能夠做出不同的動作；網(wǎng)絡(luò)層提供了系統(tǒng)各層中的通訊渠道；服務(wù)層是整個一體化系統(tǒng)的控制中心與計算中心，負(fù)責(zé)對獲取到的信息進(jìn)行分析和判斷，同時根據(jù)內(nèi)置的算法發(fā)出控制指令和接收來自于應(yīng)用層的指令；應(yīng)用層提供了API 交互接口，實(shí)現(xiàn)服務(wù)層信息查詢，同時也能夠人為發(fā)出控制指令。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)消控系統(tǒng)功能特點(diǎn)對比如表1 所示。

圖1 建筑火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警控制一體化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Figure1 The three elements of an IoT system and their relationships

表1 傳統(tǒng)消控系統(tǒng)與本文一體化系統(tǒng)功能特點(diǎn)對比Table1 Comparison of functional characteristics of traditional consumption control system and integrated system

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 環(huán)境信息采集

物端傳感器探頭采用K 型螺釘式熱電偶，具有性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用MAX6675，具有片內(nèi)冷端補(bǔ)償、高阻抗差動輸入和斷線監(jiān)測等功能。MAX6675 轉(zhuǎn)換器受電壓影響可能存在較大的噪聲，通過放置一顆陶瓷電容可以將噪音最小化。

根據(jù)K 型熱電偶材料的熱電效應(yīng)，可根據(jù)式（1）逆推出熱電偶遠(yuǎn)端結(jié)的溫度。

式中：VOUT——熱電偶的輸出電壓，μV；

TR——熱電偶遠(yuǎn)端連接處的溫度；

TAMB——周圍環(huán)境溫度。

數(shù)據(jù)接收處理采用樂鑫公司自主研發(fā)的ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片，其低功耗、無線標(biāo)準(zhǔn)豐富、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，能夠滿足本系統(tǒng)需求。ESP 芯片能夠向服務(wù)端發(fā)送感知數(shù)據(jù)，同時接收來自服務(wù)端的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。物端程序開發(fā)采用圖2 所示封裝好的嵌入式ESP8266MOD 開發(fā)板，便于直接燒錄程序，同時將芯片GPIO 引腳引出便于接線。

圖2 嵌入式ESP8266MOD 開發(fā)版Figure2 Embedded development version of ESP8266MOD

1.1.2 外部負(fù)載控制

ESP 芯片的能耗較低，輸出的電平信號電壓最大為3.3V。為增強(qiáng)其動作執(zhí)行能力，同時保護(hù)ESP芯片，通過添置光電耦合繼電器模塊SRD-03VDC-LS-C 控制大負(fù)載和滿足不同情況的負(fù)載需求用來控制噴淋系統(tǒng)。

1.1.3 電力及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急措施

當(dāng)高層建筑火災(zāi)發(fā)展到一定程度后，往往會造成電力系統(tǒng)癱瘓，隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)通信的中斷。針對此情況，物端設(shè)備需具備在電力及網(wǎng)絡(luò)受損時正常運(yùn)行的能力。得益于ESP 芯片的超低功耗，只需要3.3V 電壓即可驅(qū)動，且能夠同時等效輸出3.3V 電壓以驅(qū)動MAX6675 模塊，因此在實(shí)際安裝時，為其配備一塊鋰電池或接入應(yīng)急電源即可。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷時，在火災(zāi)建筑外部安設(shè)一個路由器并配置其SSID 和密碼與ESP 芯片內(nèi)置的SSID 和密碼相同，通過適當(dāng)?shù)男盘栐鰪?qiáng)裝置或安裝若干個路由器，即可使Wi-Fi 信號覆蓋整棟樓，芯片會自動連接Wi-Fi 并與服務(wù)端連通，向服務(wù)端上傳數(shù)據(jù)并監(jiān)聽服務(wù)端下發(fā)的指令。

1.1.4 報警與預(yù)警實(shí)現(xiàn)

報警與預(yù)警分為就地與遠(yuǎn)程兩種方式。就地報警與預(yù)警采用與ESP 芯片連接的蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，且報警與預(yù)警采用不同的提示音，信息同時通過ESP 上傳到服務(wù)端，發(fā)送到客戶端或通過短信、電話發(fā)送給對應(yīng)業(yè)主。以每個房間安設(shè)一個物端設(shè)備為例，物端設(shè)備帶有唯一ID，ID 與房間號唯一對應(yīng)，以每層樓10 個房間的一棟高層建筑為例，房間號有奇偶之分，邊緣位置與中間位置預(yù)響應(yīng)的物端策略因位置不一樣需進(jìn)行區(qū)分。同時為了便于算法處理，還需將常規(guī)房間號扁平化處理，如式（2）所示：

式中：F 指代樓層，R 指代F 樓層第R 個房間。

當(dāng)一個物端設(shè)備發(fā)出報警信號后，其他周圍設(shè)備根據(jù)與報警信號的相對位置進(jìn)行預(yù)警。具體預(yù)警響應(yīng)策略如表2 所示，在系統(tǒng)內(nèi)部通過預(yù)響應(yīng)向量進(jìn)行控制，一級和二級預(yù)響應(yīng)向量分別以α 和β開頭，帶有min 下標(biāo)的為圖3 左端的小編號房間采用，帶有max 下標(biāo)的為右端大編號房間采用。具體規(guī)則中，與報警物端同一樓層相鄰的物端具有最高優(yōu)先級，這是由于樓層過道是火災(zāi)蔓延的主要通道，火災(zāi)在過道蔓延時速度較快。其次，預(yù)警物端為相鄰樓層垂直方向的物端：垂直向上物端預(yù)警是因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的熱效應(yīng)會加熱空氣，使空氣氣壓降低從而導(dǎo)致火焰上升，因此報警物端垂直向上方向?yàn)榈诙?yōu)先考慮；垂直向下物端預(yù)警是因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生時可能會導(dǎo)致處于燃燒狀態(tài)的可燃物滴落或掉落，導(dǎo)致垂直向下方向的房間著火。

圖3 樓層房間編號示意圖Figure3 Schematic diagram of end numbering

表2 預(yù)響應(yīng)規(guī)則及預(yù)響應(yīng)向量Table2 Alarm and early warning response patterns

預(yù)響應(yīng)分為一級預(yù)響應(yīng)與二級預(yù)響應(yīng)。在房間溫度達(dá)到70℃時啟動一級預(yù)響應(yīng)，同時二級預(yù)響應(yīng)物端處于預(yù)警狀態(tài)；當(dāng)火勢繼續(xù)發(fā)展，著火房間發(fā)生轟燃時，二級預(yù)響應(yīng)啟動，通過控制措施阻斷煙霧和火焰的蔓延。另外，在老舊建筑外墻保溫材料為易燃材料或其所處位置常伴隨有大風(fēng)等因素能加速或擴(kuò)大火災(zāi)傳播時，需要考慮更大的預(yù)警范圍。同時，報警和預(yù)警動作應(yīng)隨著火災(zāi)演化而動態(tài)變化，如當(dāng)二級預(yù)響應(yīng)物端達(dá)到一定數(shù)目時，應(yīng)啟用全方位報警從而及時提醒人員疏散。

物端完整結(jié)構(gòu)如圖4 所示，獨(dú)立電源與應(yīng)急Wi-Fi 有效解決了火災(zāi)發(fā)生時可能導(dǎo)致的電力中斷與信息致盲問題，是實(shí)現(xiàn)火災(zāi)救援精準(zhǔn)可控的重要保證。

圖4 物端元器件連接示意圖Figure4 Schematic diagram of the object-side component connection

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 服務(wù)端設(shè)計開發(fā)

服務(wù)端部署在一臺阿里云ECS（Elastic Compute Service）服務(wù)器上，同時提供有隔離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與唯一的對外映射IP，任意客戶端通過該IP 即可實(shí)現(xiàn)訪問。同時，對服務(wù)器傳送的報文使用隧道封裝技術(shù)進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的多層網(wǎng)絡(luò)隔離和訪問控制。

數(shù)據(jù)儲存使用MariaDB 數(shù)據(jù)庫。針對高層建筑動輒成百上千的物端數(shù)據(jù)的同時讀取和寫入，MariaDB 數(shù)據(jù)庫攜帶的高性能存儲引擎為高并發(fā)請求提供了支持。服務(wù)端的開發(fā)語言選用PHP，一是開發(fā)API 接口，接收物端上傳的數(shù)據(jù)并將其存儲到數(shù)據(jù)庫，接收來自客戶端的控制指令，完成客戶端的增刪改查，同時提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。二是開發(fā)智能運(yùn)行自動監(jiān)測預(yù)警以及自動處理算法，一旦監(jiān)測到異常情況，將自動對火情進(jìn)行分析判斷，并發(fā)送控制信號給物端，同時對分析處理情況進(jìn)行記錄。

1.2.2 客戶端開發(fā)

客戶端采用HTML+CSS+Javascript 開發(fā)，使用Vue.js 框架，與服務(wù)端的通信借助于Axios?？蛻舳藢?shí)現(xiàn)的功能如下：（1）實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，查看物端單元上傳的數(shù)據(jù)和各個傳感器的狀態(tài)，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障和開展維護(hù)檢修工作；（2）緊急人工控制，在火災(zāi)發(fā)生初期或者緊急情況發(fā)生時，可以通過客戶端手動控制外部噴淋系統(tǒng)等，達(dá)到精確控制和提前預(yù)防；（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過分析物端存儲的信息，確定具體的火災(zāi)原因和位置；（4）系統(tǒng)自檢，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷、漏洞和物端故障，并進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文主要驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，采用計算機(jī)仿真驗(yàn)證，使用Python 編寫仿真程序。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

程序采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，?chuàng)建了Room類。Room 類表征了一個基本的房間單元，其中包含室內(nèi)溫度、位置、噴淋頭開關(guān)狀態(tài)和噴淋頭開關(guān)溫度 閾值，分別通過變量temperature，location，sprinkle 和threshold 表示。而后創(chuàng)建了Building類，Building 類表征了一棟完整的建筑，包含環(huán)境溫度、樓層數(shù)、每層房間數(shù)，預(yù)留了一級、二級預(yù)先響應(yīng)控制屬性，通過調(diào)用generate_rooms（）方法實(shí)例化了若干個Room類，并將實(shí)例存儲在Building.rooms中，從而構(gòu)建起整棟數(shù)字建筑。Building類程序結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 仿真程序中Building 類結(jié)構(gòu)Figure5 Buildding class structure in the emulator

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)，Building 類還內(nèi)置了ad judge_location（）get_control_vex（）convert_room_id（）pre_control（）和ignite（）等函數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)著火位置判斷、獲取控制向量、扁平化房間ID、預(yù)先控制、模擬隨機(jī)起火等功能。

2.2 升溫公式

室內(nèi)火災(zāi)升溫公式主要有以下3 個。式（3）和式（4）是《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范GB 51249-2017》 給出的常規(guī)建筑室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的升溫曲線；式（5）是馬忠誠[13]于1998 年根據(jù)國內(nèi)外的火災(zāi)數(shù)據(jù)得到的基于數(shù)據(jù)的后驗(yàn)性升溫公式。

式中：t —火災(zāi)持續(xù)時間，min；

Tg— t 時刻熱煙氣平均溫度，℃；

Tgm—熱煙氣層能達(dá)到的最大溫度，℃；

tm—達(dá)到最大溫度的平均時間，min；

T0—火災(zāi)發(fā)生前室內(nèi)溫度，℃。

對比三個升溫公式的升溫曲線，如圖6 所示。

圖6 三種升溫曲線對比Figure6 Comparison of three heating curves

式（3）升溫過于迅速，升溫速率過快，無法體現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的及時性；式（4）前期升溫同樣迅速，后期升溫緩慢?？紤]到室內(nèi)火災(zāi)的形成通常是從小火源緩慢形成的，在轟燃前升溫較為緩慢，因此式（5）更加符合實(shí)際情況。計算機(jī)仿真時，應(yīng)帶入對應(yīng)升溫公式的變化率，并加入隨機(jī)項(xiàng)，將式（5）對t 求導(dǎo)后得：

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將T＇g整合進(jìn)Building 類中，同時通過添加隨機(jī)項(xiàng)模擬實(shí)際升溫過程中的隨機(jī)影響。通過Random 隨機(jī)選擇樓號和房間號點(diǎn)燃對應(yīng)的房間開展仿真實(shí)驗(yàn)，記錄預(yù)響應(yīng)發(fā)生時對應(yīng)的時刻、響應(yīng)時刻的房間溫度以及對應(yīng)的預(yù)響應(yīng)向量等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of 20 simulation experiments

續(xù)表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of 20 simulation experiments

由于本次實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證預(yù)響應(yīng)系統(tǒng)的可靠性，仿真實(shí)驗(yàn)并未加入噴淋裝置降溫仿真，因此在所有實(shí)驗(yàn)中一級預(yù)響應(yīng)和二級預(yù)響均應(yīng)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定一級預(yù)響應(yīng)溫度70℃，二級預(yù)響應(yīng)溫度為600℃，響應(yīng)結(jié)果與理論對比如表4 所示。可以看出，一級預(yù)響應(yīng)平均時間延遲15.1s，平均響應(yīng)溫度誤差26℃；二級預(yù)響應(yīng)平均時間延遲67s，平均響應(yīng)溫度誤差18℃。

表4 系統(tǒng)平均響應(yīng)指標(biāo)Table4 System Average Response Metrics

3 結(jié)語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的高層建筑火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警控制一體化系統(tǒng)，在主要電力設(shè)備因火災(zāi)發(fā)生中斷時，通過獨(dú)立電源或者消防電源以及應(yīng)急Wi-Fi 依舊能正常運(yùn)行。但目前該系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)階段，下一步希望在完善之后推廣應(yīng)用，為火情研判和救援活動開展提供準(zhǔn)確而有力的保障，有效提升高層建筑火災(zāi)的防治能力。