喬偉棟

摘要：近年來，建筑物火災(zāi)事故內(nèi)攻時(shí)機(jī)的合理把控成為各級(jí)消防指揮人員亟須完善的必修課題，一旦內(nèi)攻時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)，極有可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)參戰(zhàn)人員傷亡事故的出現(xiàn)。通過對(duì)消防救援人員實(shí)戰(zhàn)處置過程中的個(gè)人生理系統(tǒng)及安全防護(hù)裝備實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)對(duì)搜集到的相關(guān)信息實(shí)施分析研判，在此基礎(chǔ)上借助物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)對(duì)發(fā)生消防員傷亡事故的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┲攸c(diǎn)定位，為消防救援人員實(shí)施內(nèi)攻作業(yè)過程中個(gè)人安全措施的有效落實(shí)提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；生理數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：D631.6? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）01-0019-03

近年來，在各類災(zāi)害事故的實(shí)戰(zhàn)處置過程中，建筑坍塌、中毒、爆炸及觸電事故成為最終導(dǎo)致消防員傷亡事故發(fā)生的主要原因[1]。因此，合理應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對(duì)消防員現(xiàn)場(chǎng)處置過程中呼吸、體溫、心率、血壓等生理數(shù)據(jù)開展動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并及時(shí)開展對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有毒氣體濃度以及參戰(zhàn)消防員個(gè)人佩戴的空氣呼吸器壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在較大波動(dòng)可以及時(shí)借助定位系統(tǒng)第一時(shí)間開展救援工作，是有效防止消防員在實(shí)戰(zhàn)處置過程中發(fā)生各類傷亡事故的重要措施。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過現(xiàn)代化信息技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)人和物之間的同步交流，目前，成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要由圖像識(shí)別、射頻識(shí)別（RFID）等信息采集技術(shù)，有線或無線模式的信息傳輸技術(shù)，大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，信息儲(chǔ)存和顯示技術(shù)以及大數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)等五個(gè)模塊組成。隨著城市智慧消防建設(shè)工作的逐步開展，將消防物聯(lián)網(wǎng)合理應(yīng)用在滅火救援實(shí)戰(zhàn)處置過程中，通過有效提升消防員個(gè)人防護(hù)裝備的智能化水平，通過對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境、被困人員數(shù)量、燃燒物質(zhì)理化性質(zhì)以及當(dāng)日氣象條件等有效信息實(shí)施同步傳輸與同態(tài)預(yù)判，在切實(shí)提升指揮決策合理性的同時(shí)，有效提升了參戰(zhàn)消防人員實(shí)戰(zhàn)處置過程中的個(gè)人安全系數(shù)。

1 消防員監(jiān)測(cè)參數(shù)類型

1.1? 消防員基本生理數(shù)據(jù)

1.1.1? 體溫

人體正常體溫通常處于36.2～37.2℃之間。由于消防員在實(shí)施內(nèi)攻處置過程中體力消耗相對(duì)較大且排汗量在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)高溫作用下也必然隨之增多，導(dǎo)致處置過程中消防員的個(gè)人體溫必然會(huì)不同程度地有所增加。同時(shí)隨著火場(chǎng)實(shí)際溫度的變化，有必要對(duì)環(huán)境溫度開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止消防員實(shí)戰(zhàn)過程中長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境最終由于體溫過高導(dǎo)致休克現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.1.2? 血壓

人體正常血壓通常處于90～120/60～80mmHg之間，由于消防員在實(shí)際處置過程中精神普遍處于高度緊張的狀態(tài)，加之長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)導(dǎo)致體力消耗過大，通常血壓會(huì)出現(xiàn)不同程度的升高，當(dāng)消防員個(gè)人收縮壓超過210mmHg或者舒張壓超過100mmHg時(shí)，應(yīng)及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)以防止各類安全事故的發(fā)生[2]。高低血壓參考數(shù)值如表1所示。

1.1.3? 心率

人的正常心率（HR）次數(shù)為60～100次/min。在滅火救援實(shí)戰(zhàn)處置過程中，當(dāng)消防員個(gè)人脈搏速率超過196次/min時(shí)，軀體部分已經(jīng)開始進(jìn)入無氧代謝運(yùn)動(dòng)階段[3]，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)最終會(huì)導(dǎo)致消防員出現(xiàn)不同程度的眩暈。

MRR主要反映交感神經(jīng)活動(dòng)的強(qiáng)度，MRR（Mean of RR），RR主要指間期時(shí)間的平均值，單位為ms。

式中RRi為第i個(gè)RR間期時(shí)間，N為在此時(shí)間段內(nèi)消防員的實(shí)際心跳總數(shù)。隨著消防員疲勞程度的加深該數(shù)值變化通常較為明顯，可用來直接反映消防員自身體能情況的實(shí)際變化。

1.1.4? 呼吸

人的正常呼吸頻率通常為12～20次/min。當(dāng)消防員長(zhǎng)時(shí)間疲勞作業(yè)時(shí)，一旦呼吸頻率長(zhǎng)時(shí)間高于50次/min基本可以預(yù)示該消防員即將達(dá)到人體疲勞的臨界狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)合理開展人員輪換，避免體能透支情況的出現(xiàn)。

1.1.5? 瞳孔面積

通常情況下，人的瞳孔面積大小在交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)兩種神經(jīng)系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)作用下會(huì)發(fā)生較為顯著的變化。當(dāng)消防員軀體處于較為緊張的活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該消防員軀體內(nèi)部的交感神經(jīng)能夠加速瞳孔面積的放大速度[4]。瞳孔面積的大小能夠直接體現(xiàn)出消防員自身的緊張程度，當(dāng)實(shí)戰(zhàn)處置過程中參戰(zhàn)消防員心理壓力較大時(shí)，其瞳孔直徑也必將隨之顯著增大。因此，可以將瞳孔面積的大小作為直接測(cè)量消防員實(shí)戰(zhàn)處置現(xiàn)場(chǎng)心理承受能力的評(píng)估指標(biāo)。

1.2? 個(gè)人防護(hù)裝備的相關(guān)數(shù)據(jù)

1.2.1? 空氣呼吸器氣瓶壓力

消防員實(shí)戰(zhàn)過程中佩戴的空氣呼吸器（SCBA）氣瓶壓力通常不應(yīng)小于30MPa，按照現(xiàn)行供氣管理的1/3法則，消防員緊急撤出處置現(xiàn)場(chǎng)時(shí)氣瓶?jī)?nèi)部實(shí)際壓力應(yīng)至少維持在10MPa以上。實(shí)戰(zhàn)處置過程中，消防員也可以選擇殘氣報(bào)警器響起時(shí)實(shí)施快速撤出，此時(shí)殘氣報(bào)警器報(bào)警壓力普遍位于5.5±0.5MPa范圍內(nèi)，接到報(bào)警后的消防員應(yīng)及時(shí)調(diào)整呼吸頻次，防止窒息事故的發(fā)生。

1.2.2? 氣體檢測(cè)

火災(zāi)處置現(xiàn)場(chǎng)中需要預(yù)先對(duì)環(huán)境中有毒有害氣體及爆炸性氣體的濃度開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)氧氣、硫化氫、一氧化碳等可燃?xì)怏w的濃度開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)氣體濃度超過爆炸臨界值時(shí)，需要通過聲、光、振動(dòng)和光條報(bào)警等多種預(yù)警形式及時(shí)提醒消防員快速撤離。

1.2.3? 熱成像傳輸設(shè)備

熱成像設(shè)備能穿透高溫?zé)煔猓焖僬业狡鸹鸩课换虮焕罕姷膶?shí)際位置。熱成像設(shè)備顯示端除了可以在設(shè)備所屬面罩配件內(nèi)部顯示之外，還能同步實(shí)現(xiàn)攻堅(jiān)組成員共享顯示端視野，使全體參與火場(chǎng)處置的指戰(zhàn)員能夠及時(shí)掌握起火部位、燃燒程度以及火勢(shì)蔓延趨勢(shì)等相關(guān)情況?？諝夂粑鳠岢上衩嬲秩鐖D1所示。

1.2.4? 樓層精準(zhǔn)定位

事實(shí)上，當(dāng)建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于起火樓層的實(shí)際屏蔽性能不同，樓層內(nèi)部搜救設(shè)備接收顯示信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)也必然隨之發(fā)生一定程度的變化，因此，應(yīng)用在實(shí)戰(zhàn)處置現(xiàn)場(chǎng)可以通過數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)開展內(nèi)攻作業(yè)的消防員的作戰(zhàn)區(qū)域?qū)嵤┯行Ь珳?zhǔn)定位，必要時(shí)可以快速開展人員救助或輪換作業(yè)。

2 消防員個(gè)人防護(hù)裝備的數(shù)據(jù)采集

通常情況下，控制系統(tǒng)與消防員個(gè)人安全防護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸配件可以通過低頻段無線雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)實(shí)戰(zhàn)處置現(xiàn)場(chǎng)的有效信息開展及時(shí)傳遞，此時(shí)轄區(qū)指揮中心可以通過物聯(lián)網(wǎng)高頻段數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)保障現(xiàn)場(chǎng)信息的有效共享。在此基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)傳輸部件可以通過藍(lán)牙模塊的鏈接系統(tǒng)，將空氣呼吸器氣瓶壓力、消防員實(shí)際作業(yè)區(qū)域、現(xiàn)場(chǎng)有毒氣體濃度、熱成像圖像、參戰(zhàn)人員心率、體溫、血壓、呼吸、瞳孔面積等相關(guān)數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)指揮平臺(tái)予以同步顯示。此外，內(nèi)攻登記器系統(tǒng)可以通過物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備對(duì)內(nèi)攻消防員佩戴的裝備性能開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，把所有參戰(zhàn)消防員的空氣呼吸器氣瓶壓力統(tǒng)一集中顯示，并對(duì)實(shí)施內(nèi)攻作業(yè)的消防員個(gè)人信息、內(nèi)攻時(shí)間、空氣呼吸器氣瓶壓力、處置任務(wù)等相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)先記錄，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)立即預(yù)警并提醒現(xiàn)場(chǎng)處置人員完成緊急撤離，最大限度防止人員傷亡事故的發(fā)生。內(nèi)攻登記部件如圖2所示。

3 消防員個(gè)人安全情況的動(dòng)態(tài)分析

在現(xiàn)場(chǎng)處置工作開展過程中，系統(tǒng)所包含的面罩眼動(dòng)儀通過對(duì)消防員眼睛實(shí)施定時(shí)測(cè)試，以瞳孔面積變化率20%作為表征消防員緊張程度的臨界值，測(cè)試過程中可以將消防員的高度緊張狀態(tài)設(shè)定為1，將消防員的平靜狀態(tài)設(shè)定為0，借助同步采集的測(cè)試數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及時(shí)量化消防員的個(gè)人安全系數(shù)（SEN），第一時(shí)間建立消防員“生理數(shù)據(jù)—裝備狀態(tài)—安全特征”（State—Equipment—Nervous）模型（如圖3所示），通過利用該模型的輸入層、輸出層以及隱含層三個(gè)神經(jīng)元對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參戰(zhàn)消防員的安全狀態(tài)實(shí)施安全評(píng)估，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際輸出結(jié)果與期望輸出超過期望誤差時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)施反向修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)境的動(dòng)態(tài)評(píng)估。

消防員SEN模型借助自適應(yīng)能力和非線性映射極強(qiáng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把預(yù)先輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)轉(zhuǎn)變成非線性優(yōu)化問題，并將輸出誤差通過隱含層傳回輸入層，逐層反傳最終有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輸出誤差的最小化，從而有效實(shí)現(xiàn)對(duì)消防員心理緊張程度及體能消耗程度的真實(shí)反映。該模型的構(gòu)筑需要通過采集消防員的動(dòng)態(tài)生理數(shù)據(jù)和裝備實(shí)際性能參數(shù)，最終對(duì)參戰(zhàn)消防員的個(gè)人安全情況實(shí)施有效表征。消防員SEN模型的原始數(shù)據(jù)如表2所示。

4 結(jié)語

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)消防員實(shí)戰(zhàn)處置過程中的自身情況及防護(hù)裝備性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，通過心率、血壓、體溫、呼吸頻率、有毒氣體濃度、空氣呼吸器氣瓶壓力等六個(gè)因素對(duì)消防員實(shí)戰(zhàn)處置過程中的體能及安全狀態(tài)實(shí)施動(dòng)態(tài)評(píng)估，通過數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)消防員的心率MRR、血壓、呼吸以及體溫等生理數(shù)據(jù)能夠直接反映消防員的實(shí)際安全狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上可以合理結(jié)合MATLAB工具箱的函數(shù)及時(shí)建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SEN模型，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸入維度為6，輸出維度為1時(shí)，可以通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)處置過程中的安全隱患問題，為滅火救援現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施內(nèi)攻作業(yè)的消防員提供及時(shí)的預(yù)警，最大限度減少各類作戰(zhàn)訓(xùn)練安全事故的出現(xiàn)。

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Research on physiological monitoring system

of firefighters based on Internet of Things

Qiao Weidong

（Xicheng District Fire and Rescue Brigade， Beijing 100032）

Abstract：In recent years， the reasonable control of the internal attack timing of building fire accidents has become a compulsory subject for fire commanders at all levels to be improved urgently. Once the timing of the internal attack is improperly chosen， it is very likely to lead to casualties among the on-site combatants. Through the implementation of dynamic detection of personal physiological systems and safety protective equipment during the actual combat disposal of fire rescue personnel， the relevant information collected is analyzed and judged in a timely manner through BP neural networks. On this basis， with the help of the Internet of Things positioning system， key positioning is implemented in high-risk areas where firefighter casualties occur， which provides references for the effective implementation of personal safety measures for fire and rescue personnel in the process of implementing internal attack operations.

Keywords：Internet of Things; physiological data; detection system