一种消防灭火救援系统在现场有毒有害气体监测中的应用

1、一种消防灭火救援系统在现场有毒有害气体监测中的应用摘要：针对近年来石油化工厂区、危险化学品存放港口火灾事故多发，消防员在灭火救援 过程中多有人员伤亡的现状，提出一种专用于消防救援现场的有毒有害气体监测系统，阐 述了系统的构成、工作原理，建立了现场有毒有害气体监测区域危险性和消防员现场作业 危险性权值模型。应用机器学习方法对数据模型进行训练，在灭火救援现场为指挥员调度 指挥提供科学的辅助决策支撑，有利于保障现场参战消防员的生命安全。近年来，石油化工厂区、危险化学品存放港口火灾事故呈现出高发的态势，造成了重大的 财产损失和人员伤亡，也给社会稳定造成了极大的危害。石油化工厂区、危险化学品存放港口火灾

2、发生时，由于油气、危险化学品燃烧后会释放不 同种类的有毒有害气体，导致救援环境极为严酷，给灭火救援带来极大困难。如何在这种 环境下有效保障参战消防员的生命安全，一直以来都是必须面对的重大难题。目前，石油化工厂区、危险化学品存储仓库、危险化学品存放港口都需安装有毒有害气体 监测传感器，以有线或无线方式采集传感器数据，实时判断气体浓度是否临近或高于预设 浓度，起到提前预警、报警的作用。但现有有毒有害气体监测装置或系统仅关注灾害前的 预警和报警，灾害发生后装置或系统能否继续发挥监测作用难以保证，且采集到的有毒有 害气体浓度仅用于与预设浓度对比，对于浓度的变化与灾害趋势之间的关系缺少科学预测 手段，故

3、对于灾害发生后灭火救援的作用不大。经过调研分析，现有的现场有毒有害气体 监测装置或系统与消防救援队伍实战结合过程中，存在以下几方面问题。(1)消防救援队伍有自己专用的消防通信指挥系统，在灾害事故现场有移动通信指挥中心 (通信指挥车)，部署有消防救援队伍专用的软硬件系统，现有的有毒有害气体监测装置 或系统均为独立建设，不能与消防通信指挥系统连接，只是单纯提供有毒有害气体监测参 数进行预警报警，难以为现场救援指挥调度提供科学依据。(2)部分现有的有毒有害气体监测装置或系统虽具备无线远程传输功能，但无线传输网络 多采用公众移动通信网络，而网络的稳定性、可靠性在灾害事故现场无法得到保障。例如: 大多数

4、灾害事故现场公众移动通信网络可能因灾害事故的发生导致了瘫痪，无法进行数据 通信传输。(3)现有的有毒有害气体监测装置只能检测出既定范围内有毒有害气体的浓度，缺少科学 的趋势发展模型，消防救援队伍指战员在使用时只能根据现有的参数或者经验判定下一阶 段该如何指挥作战，对于作战指挥的实际作用不大。(4)部分现有的有毒有害气体监测装置不具备防爆特性，而大多数有毒有害气体都属于可 燃气体，电子设备如果不具备防爆特性，很容易成为引火源导致现场发生爆炸，引发二次 灾害。基于以上分析，笔者提出一种基于无线专网部署的有毒有害气体监测系统，利用现场部署 的临时软硬件设施实现灭火救援现场的有毒有害气体监测，并建立了

5、现场有毒有害气体监 测终端监测区域危险性和消防员现场作业区域危险性权值模型，应用机器学习方法对数据 模型进行训练，在灭火救援现场为指挥员调度指挥提供科学的辅助决策支撑，保障现场参 战消防员的生命安全。1有毒有害气体监测系统构成笔者设计的基于无线专网部署方式的有毒有害气体监测系统，利用有毒有害气体监测终端 在灾害事故现场实时采集的气体数据，通过现场LoRa专用通信网络将数据传输到现场消防移动通信指挥中心，移动通信指挥系统汇聚有毒有害气体数据、终端定位数据、现场环 境数据，生成现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型、消防员在现场作业区 域的危险性权值模型，现场指挥员根据模型权值变化实时调派

6、现场消防员实施灭火、增援、 撤离等指令，在保障消防员生命安全的前提下进行灭火救援作战。有毒有害气体监测系统可采用固定部署方式，用于厂区日常有毒有害气体泄漏监测，与已 有的系统相比，笔者设计的系统采用无线专网方式部署，在部署中省却了有线网络架设过 程，不需要对厂区建筑结构进行改变，部署较为方便。且当厂区发生有毒有害气体泄漏事 故时，可快速在适当位置架设监测装置，实现灾害点位有毒有害气体浓度的实时监测，预 测事故的发展趋势。因此，基于无线专网部署方式的有毒有害气体监测系统适用性较广。1.1 系统原理有毒有害气体监测系统由位于消防移动通信指挥中心(指挥车)的多个LoRa现场基站、现场监测数据接收单元

7、、数据分析决策单元、现场消防通信指挥系统、消防 350M集群通 信系统和多个有毒有害气体监测终端(不多于256)构成。系统的原理图如图 1所示。(1)LoRa现场基站。部署在消防移动通信指挥中心(指挥车)，天线部署在指挥车车顶，用于建立现场LoRa无线局域网，将433 MHz无线LoRa信号覆盖到整个灭火救援现场，实 现有毒有害气体监测终端在空中接入到LoRa无线局域网。(2)现场监测数据接收单元。与 LoRa现场基站连接，接收现场多个有毒有害气体监测终 端发送的监测数据，包含有毒有害气体种类、气体浓度、终端所在位置的定位数据，将接 收到的数据传送到数据分析决策单元。(3)数据分析决策单元。与

8、现场监测数据接收单元连接建立单向连接，接收来自现场监测 数据接收单元上传的数据，与现场消防通信指挥系统建立双向连接，从现场消防通信指挥 系统调取消防地理信息系统数据、现场环境数据、消防员作战位置数据和有毒有害气体预 警参数数据，将现场消防通信指挥系统数据与有毒有害气体实时监测数据融合，生成现场 有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型、消防员在现场作业区域的危险性权值模 型，并将权值模型实时上传至现场消防通信指挥系统。(4)现场消防通信指挥系统。部署在现场移动通信指挥中心(指挥车)内部，与数据分析 决策单元建立双向连接，为数据分析决策单元提供消防地理信息系统数据、现场环境数据(温度、湿度、风

9、力、风向、气压)、消防员作战位置数据和有毒有害气体预警参数数据， 接收现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型、消防员在现场作业区域的危险 性权值模型数据，为现场指挥员科学决策提供支撑。与消防350 M集群通信系统连接，将指挥员的进攻、增援、撤离指令以语音方式下达到每一名作战消防员。(5)消防350 M集群通信系统，部署在现场移动通信指挥中心(指挥车)内部，与现场消 防通信指挥系统建立单向连接，将指挥员的进攻、撤离指令以语音方式下达到每一名作战 消防员，实现现场语音调度指挥。1.2 有毒有害气体监测终端原理图终端原理图如图2所示。有毒有害气体监测终端由控制器模块、无线传输模块、状态指示

10、模块、多种有毒有害气体监测模块、定位模块、整流降压模块、锂电池供电模块和防爆外 壳构成。(1 )控制器模块采用32位的ARM散控制器STM32F103ZET蚱为主控电路板，配接 1路ADC 模块接口与有毒有害气体监测模块连接，实时接收有毒有害气体传感模块上报的各类有毒 有害气体浓度数据；配接 1路RMII以太网接口与无线传输模块连接，将终端采集的数据 通过无线传输模块空中接入现场 LoRa无线局域网，通过空中接口连接传输到现场消防移 动通信指挥中心；配接1路URAT妾口与定位模块连接，接收终端的定位数据；配接 1路 URAT妾口与状态指示模块连接，将终端的运行状态通过LED指示灯进行指示；配接

11、1路RS232接口，用于配置有毒有害气体监测终端内部参数。(2)有毒有害气体监测模块与吸气泵连接，由 KA01-NH(3)定位模块由S1216模块和双模天线构成，支持 GPS+匕斗导航系统双定位，通过 URAT 接口与STM32F103ZET蟒制器连接，实时上传终端所在的经纬度及高程定位数据。(4)状态指示模块由 4路LED指示灯构成，通过 URAT接口与STM32F103ZET咏制器连接,1路LED指示灯显示终端网络连接状态，1路LED指示灯显示电源工作状态，1路LED指示灯显示有毒有害气体监测模块工作状体，1路LED指示灯显示定位模块工作状态。(5)无线传输模块由 Sx1278 LoRa模

12、块和收发天线构成，通过 RMII接口与STM32F103ZET6 控制器连接，实现空中接入现场 LoRa无线网络，将控制器信息传输到现场移动通信指挥 中心。(6)锂电池供电模块由 24 V、5 Ah锂电池、开关、充电口和 XL4005整流降压电路构成， 为吸气泵提供DC 24 V电源支持，整流降压后为终端控制器及内部其他模块提供DC 3 V电源支持。(7)吸气泵与软管连接，将外部气体采样送入有毒有害气体监测模块，可通过控制软管长 度采集较远距离气体样本，软管长度不超过20 m。消防灭火救援现场有毒有害气体监测终端外壳采用防爆外壳进行包装，保证终端具备防爆 特性，满足在石油化工厂区、危险化学品存

13、放港口等类消防灭火救援现场的使用安全要求。2系统数据传输处理方法(1)消防移动通信指挥中心(指挥车)进驻灭火救援现场，在安全区域停靠，开启 LoRa 现场基站；依据灭火救援现场的区域大小，由通信保障战士携带多个有毒有害气体监测终 端(n<256)进入现场，将终端部署在现场需要监测的部位，开启电源观察终端指示灯使终 端处于正常工作状态；位于消防移动通信指挥中心内部的现场监测数据接收单元实时接收 终端上报数据。(2)根据终端上报数据，决定从现场消防通信指挥系统获取支撑数据，与终端上报的数据 进行融合，生成有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防员在现场作业区域 的危险性权值模型。输入

14、消防地理信息数据、现场环境数据(温度、湿度、风力、风向、 气压等)、消防员作战位置数据、有毒有害气体预警参数数据；同时，实时更新有毒有害 气体监测终端监测区域危险性权值和消防员在现场作业区域的危险性权值，上传现场消防 通信指挥中心。(3)指挥员根据消防员在现场作业区域的最高、最低危险性权值上下限，形成作战、撤离 等指令，下达到消防350 M集群通信系统；消防350 M集群通信系统以语音通信方式指挥 现场所有参战消防员。3基于机器学习方法的危险性权值模型3.1 模型输入(1)灭火救援现场环境，包含温度、湿度、气压、风向、风力 (2)灭火救援现场有毒有害气体监测终端采集数据，所在地理位置、有毒有害

15、气体种类及 浓度。(3)灭火救援现场参战消防员数据，地理位置。(4)消防救援队伍目前在用的“危险化学品灾害事故处置预案系统”，能够在现场提供不 同种类有毒有害气体的爆炸参数、低限警报浓度、高限警报浓度、气体即时致死浓度、气 体致死浓度、气体重度刺激浓度。3.2 模型输出(1)A代表现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值。相关影响因素包含：E代表环境参数(温度、湿度、气压、风向、风力等)，G代表有毒有害气体参数(气体种类、爆炸参数、低限警报浓度、高限警报浓度、气体即时致死浓度、气体致死浓度、气体重度刺 激浓度、气体实时浓度等)。现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值推导公式见式(1)。式

16、中：i为现场不同位置的有毒有害气体监测终端；t为时间；j为不同种类有毒有害气体。(2)B代表消防员在现场作业区域的危险性权值。消防员在现场作业区域的危险性权值推导 公式见式(2)。式中：D为消防员距离某一有毒有害气体监测终端的距离；k为现场某一消防员。3.3 模型训练上述的有毒有害气体监测区域危险性权值和消防员在现场作业区域的危险性权值模型假设属于线性模拟模型，在实际环境中不可能存在这样的线性模型。模型有2个必要条件：一是现场监测区域不存在有毒有害气体，则有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和消 防员在现场作业区域的危险性权值是最低的；二是现场监测区域存在某一种或多种有毒有 害气体且其浓度已

17、达到即时致死浓度，那么有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和 消防员在现场作业区域的危险性权值是最高的。基于以上分析，建立n个环境参数样本E利用以上2个损失函数可以得出预测值与实际值之间的偏离程度，损失值越小表示预测值越接近真实值。如果预测是完全精准，则以上损失值应为0o数据样本n的精细度越精细,得出的损失值将越真实，同时在实际应用中也可以利用实际测量数据作为参数引入以上2个权值模型并计算出2个损失值，利用实际已知参数进行纠偏，并保存所有训练数据。在 具体实施过程中，将实际运行参数导入到权值模型中，到训练数据中进行精准匹配，得到 现场所有战斗消防员的危险性权值，通过设定最高、最低危险性权值上下