消防物联网技术在火灾预警防控中的应用综述

FullJournalNameAbbreviationsTitleofJournal TitleofJournal*.20**Vol.*No.*PP.*-*www.**.org©2011AmericanV-KingScientificPublishing消防物联网技术在火灾预警防控中的应用综述摘要：本文以物联网技术在消防领域的应用及主流低功耗广域网通信技术的综合分析作为切入点，讨论了基于消防物联网技术的前端消防物联网感知设备和火灾预警防控软件平台的具体应用，并就未来人工智能加物联网技术在消防火灾预警防控领域的融合发展提出了展望，以期为消防行业相关人士有关消防物联网项目建设提供学习参考。关键词：消防物联网；NB-IoT；预警防控；采集终端； 引言火灾预警防控是消防安全的重要组成部分，旨在及时发现火灾隐患并采取措施以防止火灾事件的发生或减轻其影响，因此，火灾预警防控直接关系到广大人民群众的生命和财产安全。近年来，随着物联网技术的快速发展，消防物联网技术的应用也在火灾预警防控中得到广泛普及，加快了传统消防行业向智慧消防的转型。消防物联网技术概述消防物联网是指利用物联网技术，将消防系统中的各种设施设备和消防管理要素连接起来，实现消防信息的实时采集、传输和处理，以提升消防安全和灭火救援效率的系统。常见的消防物联网系统技术架构由物联设备感知层、传输层和应用层组成，如图1所示。其中，感知层的数据主要来源于传感器、视频采集终端、电子标签、第三方接口等；传输层主要为无线网络、有线网络及两者相结合的方式，需要采用身份认证、传输加密、数据检验等方式保证数据传输的安全；应用层分为提供服务的应用支撑平台和面向社会单位的应用管理平台[1]。图1消防设施物联网系统架构消防物联网技术的发展城市消防远程监控系统的早期应用我国建设部于2007年颁布了国家标准《城市消防远程监控系统技术规范》，从此，拉开了我国消防信息化建设的序幕，也为后续消防物联网技术的应用奠定了基础。城市消防远程监控系统主要通过现代通讯网络实现建筑物内独立的火灾自动报警主机联网。主要方案是给消防控制室原有火灾自动报警控制器加装用户信息传输装置，实现对建筑物火灾报警情况的实时监测[2]。受限于当时的网络通讯技术及高昂的运行维护成本，以及缺乏配套的政策推动和引导，城市消防远程监控系统并未在国内大面积推广使用，多数应用于大型场馆建筑。低功耗通信技术的发展低功耗通讯技术主要指无线通信网络“低功耗广域网（LPWAN）”。低功耗广域网的起源最早可以追溯到2009年左右，最初由法国公司Cycleo展示一种长距离无线电（LongRangeRadio）扩频调制技术，即LoRa。随后基于低成本、低功耗、远距离和大量连接的应用需求，LPWAN发展为多个技术阵营，包含LoRa、NB-IoT、Sigfox、eMTC等[3]。LoRa2012年，美国Semtech公司通过收购Cycleo获得了LoRa技术，并于2013年发布了第一代LoRa芯片产品，LoRa技术就此进入了商业化市场。LoRa无线通信技术具备远距离通信能力，通常可覆盖数公里至数十公里的通信范围。同时，LoRa通信模块的低功耗设计使其适用于长寿命电池供电设备，这些特性都使得LoRa无线通信技术在消防物联网领域具有广阔的前景和应用价值。但由于LoRa无线通信使用的是免授权ISM频段，这使得依赖LoRa通信的终端设备不适合在大规模、高密度的城市空间部署[4]。NB-IoTNB-IoT（NarrowBandInternetofThings）由英国电信公司沃达云（Vodafone）于2004年首次提出，沃达云的主要研发方向为低功耗、低成本和广覆盖等特性通信技术，以满足物联网设备对网络的连接需求。2009年，NB-IoT通信技术被国际电信联盟（ITU）列为全球物联网候选技术之一，并开始进入标准化、产业化及商业化发展阶段。2017年，中国电信建成全球首个覆盖最广的物联网（NB-IoT）网络，中国联通也于同年开始布局商用NB-IoT网络。得益于各大运营商对NB-IoT网络基站的大力投入建设和宣传，以及2017年原公安部消防局印发《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》文件，基于NB-IoT的独立式无线火灾报警探测器在国内市场得到大幅推广和应用，各大消防设备厂商推出的主流产品包括但不限于NB-IoT独立式光电感烟火灾探测器、NB-IoT独立式感温火灾探测报警器、NB-IoT独立式可燃气体探测器等[5]。SigfoxSigfox在创立初期专注于研发超窄带（UNB）技术，主要通过降低速率来获得在通信覆盖距离和功耗上的优势，因此，Sigfox的数据传输速率相对较低，不太适用于需要实时传输大量数据的消防领域。基于非蜂窝低功耗远距离通信的场景，LoRa技术更符合消防物联网的应用需求。随着技术的不断发展和市场需求的变化，Sigfox通信技术未来仍有可能在消防物联网领域找到应用机会。eMTCeMTC（EnhancedMachine-TypeCommunication）通信技术主要是基于LTE技术，具有低功耗、广覆盖、低成本、海量设备连接等特性。与NB-IoT技术相比，eMTC在传输速率、时延、定位等方面具有一定优势，但当前其模组和应用成本相对较高，同时，eMTC技术在我国市场普及率也较低，配套供应链和市场支持可能还不够成熟。因此，eMTC技术在我国消防物联网领域未能得到广泛应用。应用于消防物联网的主流通信技术对比上文分别介绍了LPWAN主流的通信技术LoRa、NB-IoT、Sigfox、eMTC，其中，LoRa和NB-IoT通信技术在我国消防物联网领域获得广泛普及应用，本文就两种技术的性能做了简要对比分析，如图2所示。图2NB-IoT与LoRa的多性能对比两者主要差别主要在两个方面。其一，LoRa工作在Sub-GHz频段，可以自主网，获得应用的消防物联网产品交付后，用户无需额外支付通信费用，而NB-IoT设备需要向运营商支付一定的运营费用；其二，LoRa是异步通信，NB-IoT是同步通信，在某些工况下NB-IoT设备的功耗相对更大[6]。基于消防物联网技术的火灾预警防控基于消防物联网技术的火灾预警防控系统主要由前端消防物联网感知设备、通讯基站和应用平台三部分组成。物联网感知设备消防水信息监测采集终端水是自然界中最有效的灭火剂之一，适用于多种类型的火灾。常见的消防水信息监测场景包括消防水管网末端水压、消防水池液位、室内外消火栓水压及消防水泵工作状态等信息监测。目前，基于NB-IoT及LoRa的消防水信息采集终端已广泛普及应用，如通过在消防水池加装NB无线液位计，可实时监测消防水池水位值，当水位值超出报警阈值时，即可通过消防物联网平台生成水位不足或超出报警水位的告警信息，已提醒消防值班人员及时了解水池水位信息，确保消防水池储水正常[7]。电气火灾监控系统根据国家消防救援局公布的2023年1-10月火灾形势报告，电气火灾在各种火灾原因中占比最高，高达29.1%。通过给建筑物内配电柜加装电气火灾探测器，可实时监测线路的电压、故障电弧、电流、剩余电流及温度实时工作值，并可通过无线或有线网络将监测值实时推送至消防物联网平台，以确保建筑物内用电安全。可燃气体探测器近期国内相继发生了多起燃气泄露导致的爆炸事件，造成较大人员伤亡，多个地区监管部门相继出台治理要求和整改意见，如，要求餐饮场所必须安装可燃气体探测报警器。基于消防物联网的NB-IoT或4G独立式可燃气体探测器无需复杂布线施工，插电即用，十分适合当前正在营业的餐饮后厨场所。同时，可燃气体探测器在监测到燃气泄露达到报警阈值后可及时联动声光报警器发出报警声，联动电磁阀切断燃气阀门，联动风机启动室内排气，为餐饮场所消防安全增加多重技术保护屏障。通信基站针对我国消防物联网产品市场当前主流的依靠LoRa、NB-IoT、4G等通信的前端设备需要配套相应的通讯基站来实现对设备的远程监控和控制。LoRa通信基站通常由硬件设备（如天线，收发器）和软件系统（如网络服务器）组成，可在项目现场进行安装部署，场景适应能力强，具有长距离通信能力，通信效果较为稳定[8]。NB-IoT及4G基站在我国主要由运营商承建，因此，前端设备的信号受限于设备所在区域的基站建设情况。通常单个NB-IoT基站可覆盖约10km的范围，可连接设备量高达数十万。但在实际应用中，面对特别场所（不允许使用运营商网络）、地下室、偏远地区等场景，基于运营商网络的前端设备可能就没有信号覆盖。火灾预警防控应用平台告警消息推送消防物联网设备告警消息实时推送是火灾预警防控平台的核心功能之一。当前端设备监测到异常事件时，会实时上报数据至火灾预警防控平台并生成告警消息，并通过手机电话、短信、App等多种渠道将告警消息实时推送给消防值班人员，以便相关人员能迅速采取应对措施，有效控制火情[9]。视频联动当火灾预警防控平台收到前端设备异常数据时，平台能实时联动调取设备周边现场视频画面，以便消防值班人员及时核查火灾现场情况。通过视频联动，可节省值班人员去现场核查的时间，一定程度上能解决设备误报带来的值守效率低下问题；同时，在面对真实火灾事件时，通过视频联动确认火情，为初起灭火救援赢得了宝贵的响应时间。消防安全评估火灾预警防控平台通过对建筑物内消防物联网设备运行数据、疏散通道及安全出口设置、隐患台账整改情况等数据采集分析，实现对建筑物的消防安全总体状况的全面评估。有助于消防安全管理人员发现潜在的火灾隐患，及时更换故障设备，以提升建筑物的消防安全水平。AIoT在火灾预警防控领域的未来发展数据采集与处理海量消防物联网设备每天会产生大量设备运行状态及告警信息数据，现有通过前端设备及服务端采集处理数据的方案会给企业客户带来较高的软硬件成本，基于AI算法的AIoT（AI+IoT）产品可以更高效、更低成本的对设备日常运行数据进行清洗、整合和分析，为火灾预警防控的管理决策提供数据支持。智能预警现有的数据统计和趋势分析算法很难预测火灾可能发生的位置和时间，基于人工智能的大数据技术，可以对设备多维度的海量数据进行深度分析，通过机器学习算法，预警模型能识别出设备异常工作模式，并对可能存在的火源进行精准预测和风险评估，大幅提升预警的准确性和效率，做到真正的防患于未然[10]。事故分析在火灾事件救援结束后，AIoT技术可以帮助相关部门对火灾事故的起因和处置过程进行数据溯源分析。通过收集设备运行数据和火灾现场数据，结合AI分析能力，系统可以更快的帮助调查人员确定火灾的起因和蔓延过程，这为改进消防策略和防止类似火灾事故的再次发生具有重要指导意义[11]。结语近年来，随着消防物联网技术在火灾预警防控领域的应用普及，国家及多个省市地区相继出台推进智慧消防建设的政策文件，如《“十四五”国家消防工作规划》中明确指出要加快消防信息化向数字化智能化方向融合发展。虽然我国消防物联网产品市场发展迅猛，但仍面临一些挑战。如，在某些复杂环境下，基于消防物联网技术的前端传感器设备容易出现误报，NB-IoT设备受基站建设及运维影响，出现信号覆盖不到或信号弱的情况，业主单位对设备的日常维护管理工作缺失等。这些都需要各大消防物联网平台及设备厂商不断的创新和改进技术以提高产品的可靠性和智能化程度，从而促使消防物联网技术在火灾预警防控中发挥更大的价值，切实保障人民生命财产安全。参考文献刘霞,姜元山,张光伟.5G和物联网技术应用发展综述[J].物联网技术,2022,12(05):60-61+64.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2022.05.017.郑宁,杨曦,吴双力.低功耗广域网络技术综述[J].信息通信技术,2017,11(01):47-54.王文强.基于物联网的高校消防安全管理系统[J].大众标准化,2024,(06):142-144.宋国永,原小永.火灾调查中智慧消防物联网系统的运用分析[J].中国设备工程,2024,(04):37-39.芦笛.火灾调查中智慧消防物联网系统的应用分析[J].中国设备工程,2024,(03):38-40.崔铁良.基于LPWAN网络智能消防预警系统的融合发展[J].中国新通信,2024,26(03):4-6.刘志.物联网技术下智慧消防在建筑防火检查中的