摘要：本文主要介紹了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防監(jiān)督工作中的應(yīng)用，包括其背景、相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用特點、典型產(chǎn)品設(shè)計和云平臺服務(wù)等。該技術(shù)具有大范圍、大數(shù)量、低功耗、通信可靠性和感知設(shè)備可靠性等特點，可實現(xiàn)煙感報警和水壓監(jiān)測等功能。云平臺服務(wù)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高消防監(jiān)督檢查工作的時效性。本文還介紹了消防云平臺的工作架構(gòu)和主要特點，包括大數(shù)據(jù)挖掘及分析、AI感知、評估及輔助決策算法、智能化消防風(fēng)險及隱患等級評估系統(tǒng)和火災(zāi)現(xiàn)場輔助決策系統(tǒng)等，最后強調(diào)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用前景和重要性。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)；消防監(jiān)督；煙感報警；水壓監(jiān)測

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)改革和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，小微場所數(shù)量眾多，火災(zāi)隱患突出，給城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定帶來了極大的安全隱患，也給消防監(jiān)督工作帶來巨大挑戰(zhàn)。2022年，國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會在《“十四五”國家消防工作規(guī)劃》中提出深化“智慧消防”建設(shè)，旨在構(gòu)建更為智能化的消防系統(tǒng)。消防物聯(lián)網(wǎng)代表了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防安全領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用和具體實現(xiàn)[1]。該技術(shù)利用物聯(lián)網(wǎng)的信息傳感與通信手段，將消防監(jiān)督管理及滅火救援過程中涉及的關(guān)鍵信息元素進(jìn)行有效鏈接，打造一個高靈敏度的消防基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這樣可以實現(xiàn)消防信息的實時采集、動態(tài)傳輸、互動處理和融合分析，從而全面提升社會化消防安全監(jiān)管的效率和水平，顯著增強滅火救援效能。

一、相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

無線火災(zāi)報警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)是火災(zāi)探測與報警研究領(lǐng)域的一個焦點，主要涉及433MHz射頻、Zigbee和GSM等技術(shù)。433MHz射頻通信波長較長，展現(xiàn)出卓越的信號繞射能力和較低的障礙物干擾敏感度，相較于Zigbee和Wi-Fi的2.4GHz以及GSM的900MHz至2.0GHz頻段，具有顯著優(yōu)勢[2]。Zigbee技術(shù)在需要大規(guī)模節(jié)點無線傳輸且對即時性要求不高的環(huán)境中應(yīng)用廣泛，在小規(guī)模建筑的火災(zāi)探測應(yīng)用中優(yōu)勢并不明顯。采用通用Mesh協(xié)議架構(gòu)導(dǎo)致協(xié)議復(fù)雜和維護(hù)困難。GSM技術(shù)適用于移動電話網(wǎng)絡(luò)，特別適用于遠(yuǎn)程通信，在探測器分布較散或系統(tǒng)內(nèi)點數(shù)較少且需遠(yuǎn)程傳輸?shù)膱龊嫌葹檫m用，其缺點在于SIM卡運營成本較高，每個探測器都需支付數(shù)據(jù)流量費用，在建筑內(nèi)部無法接收手機(jī)信號的區(qū)域難以進(jìn)行通信。

消防報警器的聯(lián)網(wǎng)方式目前主要包括有線網(wǎng)絡(luò)、2G/3G移動網(wǎng)絡(luò)接入、LORA、Wi-Fi等專有協(xié)議接入等方式。隨著物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，這些方式均面臨網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足、高功耗以及長期供電問題的挑戰(zhàn)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)之一，支持長待機(jī)時間和高效連接高網(wǎng)絡(luò)要求的設(shè)備，為低功耗設(shè)備在大范圍網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的蜂窩數(shù)據(jù)連接提供支持，被認(rèn)為是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的一種。

二、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)應(yīng)用特點

小微場所具有小型化、數(shù)量多、人員流動性強、業(yè)主安全意識薄弱等特點。建立物聯(lián)網(wǎng)化的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的需求越來越迫切，難度也在不斷增加[3]。

（一）大范圍

消防系統(tǒng)設(shè)備在城市內(nèi)各種不同場所的建筑和建筑的不同位置都有分布，包括地下室、管道等，安裝環(huán)境極為惡劣，給系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)化帶來了極大難度。采用Ethernet等有線通信方式，線纜鋪設(shè)困難，架設(shè)的經(jīng)濟(jì)及時間成本高達(dá)消防設(shè)備本身價值的2倍；采用傳統(tǒng)2G/3G無線通信方式，存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的情況，尤其在地下室等環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)信號強度只能達(dá)到-100dBm— -110dBm，無法保證可靠通信。NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)可解決此問題[4]。NB-IoT通信比傳統(tǒng)2G/3G/4G無線通信技術(shù)的信號接收靈敏度高20dB，覆蓋面積擴(kuò)大近100倍，可以滿足消防系統(tǒng)各種場所的通信要求。

（二）大數(shù)量

小微場所由于數(shù)量眾多且一般都較為密集，單位面積內(nèi)的所需消防設(shè)備眾多，傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)一個扇區(qū)的通信容量只能達(dá)到5000個，無法滿足數(shù)量龐大的消防設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)需求。

（三）低功耗

由于小微場所的環(huán)境差異大，大部分消防設(shè)施無法采用市電電源供電方式，必須采用電池等供電方法，因此可針對性地開展低功耗通信技術(shù)研究。設(shè)備低功耗工作機(jī)制，采用常態(tài)休眠配合短時喚醒的方式。設(shè)備在保持傳感設(shè)備實時檢測的情況下維持極低的靜態(tài)功耗。采用NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，通信組件在保持網(wǎng)絡(luò)鏈接的狀態(tài)下工作電流小于5μA。設(shè)備自動場景判斷，通過溫度等輔助傳感設(shè)備，減少無謂信息通信功耗。設(shè)備通信功率自適應(yīng)，設(shè)備通過對通信網(wǎng)絡(luò)的信號強度、信噪比、接收靈敏度多個維度進(jìn)行綜合對比，并將設(shè)備通信功率與通信信號質(zhì)量相匹配，使通信功耗下降，在網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較好的情況下，功耗明顯下降。利用平臺大數(shù)據(jù)群體特征自動調(diào)整，適當(dāng)調(diào)整設(shè)備的通信頻次。

（四）通信可靠性

通過通信離散性研究、信息斷線續(xù)傳研究、加密算法研究解決網(wǎng)絡(luò)通信信息丟失、及時性、可靠性問題。通過基于大數(shù)據(jù)的離散性算法，統(tǒng)計物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信息通信密度、時長等，對設(shè)備上報進(jìn)行調(diào)整，使平臺、通信站點的通信負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。通過對斷點信息緩存、恢復(fù)、重傳及通信網(wǎng)絡(luò)檢測等實現(xiàn)信息斷線續(xù)傳。通過網(wǎng)絡(luò)信息加密AES算法提高通信信息安全性。利用設(shè)備IMEI、唯一ID等身份識別算法避免網(wǎng)絡(luò)沖擊，從而提高網(wǎng)絡(luò)可靠度。

（五）感知設(shè)備可靠性

傳統(tǒng)的感煙探測器、壓力傳感器都存在一定的誤報率，在大量使用傳感設(shè)備的情況下，如何降低設(shè)備誤報率是關(guān)注的重點問題之一[5]。第一，通過大數(shù)據(jù)分析調(diào)整設(shè)備參數(shù)。利用單個區(qū)域內(nèi)同一設(shè)備整體數(shù)據(jù)特征、歷史數(shù)據(jù)特征，對消防感知設(shè)備的靈敏度等進(jìn)行調(diào)整，從而降低單一設(shè)備誤報與靈敏度的矛盾。同時，利用單個區(qū)域內(nèi)多種不同設(shè)備，對被探測物體的不同特征進(jìn)行綜合判斷，從而降低單一設(shè)備的誤報率，如通過水壓、液位等不同探測器對噴淋管道的水文狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷。第二，感知設(shè)備根據(jù)環(huán)境影響因素自動調(diào)整探測參數(shù)。煙霧探測器自動根據(jù)長期積塵數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)煙霧報警濃度，壓力探測器根據(jù)實際壓力波動的長期情況調(diào)整報警參數(shù)等。

三、云平臺服務(wù)及應(yīng)用

（一）消防云服務(wù)平臺

消防物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺對火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集；實現(xiàn)建筑消防設(shè)施運行狀態(tài)、火災(zāi)報警遠(yuǎn)程實時監(jiān)測、消防設(shè)施故障隱患實時預(yù)警，最終達(dá)到為用戶提供實時、集中、透明化監(jiān)管的消防安全管理。同時，監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)處理、應(yīng)急響應(yīng)策略支持的算法和模型，解決消防設(shè)備數(shù)據(jù)、圖像視頻數(shù)據(jù)等海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲問題；大數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)技術(shù)可以幫助各級消防安全管理者實施查詢、決策與管理[6]。小微場所由于數(shù)量眾多，涉及的消防安全責(zé)任人、消防安全管理人的消防專業(yè)能力也有很大差異，通過消防云服務(wù)平臺提供給相關(guān)責(zé)任人、管理人不同的分級管理，范圍從出租屋到城區(qū)，展示方式從手機(jī)APP到綜合管理平臺，內(nèi)容從直接的火情提示到火災(zāi)風(fēng)險輔助決策，從業(yè)余到專業(yè)，提供給不同人員合適的消防安全信息，輔助各級人員履行自身的消防安全責(zé)任。

（二）消防云平臺工作架構(gòu)

基于消防物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。系統(tǒng)架構(gòu)可以分為三層：終端設(shè)備層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用層。每一層之間通過定制的接口協(xié)議對接，層內(nèi)部可獨立開發(fā)。終端層主要包括圖形顯示裝置、用戶信息傳輸設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)適配器等終端信息采集設(shè)備。終端層將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP/IP的方式傳給數(shù)據(jù)支撐層。數(shù)據(jù)支撐層分為連接集群、連接管理、數(shù)據(jù)管理和基礎(chǔ)服務(wù)，主要通過終端層將設(shè)備的數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)用層主要針對小微場所消防業(yè)務(wù)的具體應(yīng)用來實施，針對不同的業(yè)務(wù)、不同的用戶以不同的數(shù)據(jù)和不同的展示方式來呈現(xiàn)。

（三）消防云平臺的主要特點

1.系統(tǒng)平臺大數(shù)據(jù)挖掘及分析

消防大數(shù)據(jù)分析平臺會根據(jù)連接源源不斷上傳設(shè)備采集信息、客戶上報的隱患信息、設(shè)備安裝信息、設(shè)備生產(chǎn)信息等，使用Spark進(jìn)行信息分類整理，并進(jìn)行智能學(xué)習(xí)訓(xùn)練，實現(xiàn)預(yù)測火警、預(yù)測故障、建立巡檢計劃、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及報表等功能。通過歷史災(zāi)情的時空分布數(shù)據(jù)和季節(jié)、天氣和建筑人口分布情況等相關(guān)因素的多維度回歸分析，挖掘規(guī)律，預(yù)測趨勢。同時，為了適用不斷增長的數(shù)據(jù)，分別使用RabbitMq和Kafka等第三方消息隊列進(jìn)行處理，保證即不丟失數(shù)據(jù)，也可彈性擴(kuò)容服務(wù)器[7]。

2.AI感知、評估及輔助決策算法

AI感知、評估及輔助決策算法是對火災(zāi)預(yù)防、消防監(jiān)控、滅火救援等工作全方位的優(yōu)化，是消防安全企業(yè)提高業(yè)務(wù)水平的重要內(nèi)容。目前的智慧消防方案在設(shè)備運行巡檢、火源及障礙物檢測、消防信息及時傳達(dá)、自動下發(fā)指令方面具備相當(dāng)強的能力。然而，在火災(zāi)更早階段的預(yù)防、滅火救援的指揮方面仍存在不足。項目擬針對海量異質(zhì)消防大數(shù)據(jù)，利用人工智能算法進(jìn)行消防感知、評估及輔助決策，促進(jìn)消防領(lǐng)域的人工智能化發(fā)展。具體內(nèi)容包括以消防大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，面向消防從預(yù)防到救援的全過程，構(gòu)建消防知識圖譜，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，高效提升消防感知、態(tài)勢評估、需求識別、案例搜索、相似性量化、救援方案推薦等一系列環(huán)節(jié)的智能化水平。在人員數(shù)量、滅火設(shè)備設(shè)施種類及數(shù)量、消防員到達(dá)時間、失火點物理環(huán)境等多種限制下，盡可能早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)因素，早生成滅火救援方案，早開展滅火救援行動，節(jié)約資源，提高消防救援效率。

3.智能化消防風(fēng)險及隱患等級評估系統(tǒng)

消防風(fēng)險及隱患等級評估系統(tǒng)的核心是評估模型，通過論證和結(jié)合本項目對應(yīng)的評估目標(biāo)群體，擬采用Gustav評估模型，計算火災(zāi)風(fēng)險，實現(xiàn)智能化消防火災(zāi)風(fēng)險評估。進(jìn)行建筑及其周邊環(huán)境的火災(zāi)風(fēng)險源的識別、分析與預(yù)測，評估潛在火災(zāi)事故可能的嚴(yán)重性，并界定各風(fēng)險要素的火災(zāi)危險級別；依據(jù)不同風(fēng)險要素的危險級別，提出具體而專業(yè)的消防安全策略與措施，為建筑物業(yè)主、使用者及消防管理部門在制定消防安全決策時提供專業(yè)參考，盡量消除和減少各類火災(zāi)風(fēng)險[8]。

4.火災(zāi)現(xiàn)場輔助決策系統(tǒng)

火災(zāi)現(xiàn)場輔助決策系統(tǒng)是通過人工智能推薦算法從后臺篩選最優(yōu)應(yīng)急預(yù)案，并結(jié)合逃生路線、樓層結(jié)構(gòu)圖等相關(guān)資料生成作戰(zhàn)示意圖，實現(xiàn)消防作戰(zhàn)指揮一張圖。接入聯(lián)網(wǎng)單位有火警發(fā)生時，在地圖上以火警點為中心，展示附近的醫(yī)療站、水源點、消防救援站及各類消防資源的最新狀態(tài)；針對選擇相應(yīng)的消防救援站推薦出最佳路線，可查看火災(zāi)現(xiàn)場的實時視頻及動態(tài)情況；呈現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案、疏散逃生路線及滅火作戰(zhàn)示意圖。

結(jié)語

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有功耗低、覆蓋廣的特點，較傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)展現(xiàn)出強大優(yōu)勢，是推動消防領(lǐng)域發(fā)展的重要依托。合理利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠提升消防監(jiān)督檢查工作的時效性，還能為我國消防事業(yè)的發(fā)展與建設(shè)注入持續(xù)的發(fā)展動力。未來，應(yīng)不斷優(yōu)化窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使其更好地融入消防領(lǐng)域，不斷推動消防事業(yè)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)

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