基于物聯(lián)網(wǎng)的高層建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警控制一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱進(jìn)鵬，余照陽(yáng)

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

隨著我國(guó)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(lái)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(huì)造成重大損失，引發(fā)了社會(huì)的廣泛關(guān)注。由于消防系統(tǒng)建設(shè)沒(méi)有跟上建筑的發(fā)展速度等原因，2022年7 月12日，國(guó)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(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)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(xiǎn)評(píng)估和監(jiān)測(cè)預(yù)警轉(zhuǎn)移，以信息化、智能化和綠色化為驅(qū)動(dòng)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(shì)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(wú)法知悉建筑內(nèi)部的火勢(shì)情況，給高層建筑火災(zāi)撲救帶來(lái)困難[9，10]。目前配套的防滅火措施無(wú)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(cái)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(jì)算機(jī)輔助決策等新方法來(lái)應(yīng)對(duì)高層建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的火情火勢(shì)不明等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高層建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(gè)一體化系統(tǒng)的控制中心與計(jì)算中心，負(fù)責(zé)對(duì)獲取到的信息進(jìn)行分析和判斷，同時(shí)根據(jù)內(nèi)置的算法發(fā)出控制指令和接收來(lái)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(shí)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(duì)比如表1 所示。

圖1 建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(duì)比Table1 Comparison of functional characteristics of traditional consumption control system and integrated system

1.1 硬件設(shè)計(jì)

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(dòng)輸入和斷線監(jiān)測(cè)等功能。MAX6675 轉(zhuǎn)換器受電壓影響可能存在較大的噪聲，通過(guò)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(lè)鑫公司自主研發(fā)的ESP系列物聯(lián)網(wǎng)芯片，其低功耗、無(wú)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(shí)接收來(lái)自服務(wù)端的指令，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。物端程序開(kāi)發(fā)采用圖2 所示封裝好的嵌入式ESP8266MOD 開(kāi)發(fā)板，便于直接燒錄程序，同時(shí)將芯片GPIO 引腳引出便于接線。

圖2 嵌入式ESP8266MOD 開(kāi)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(hào)電壓最大為3.3V。為增強(qiáng)其動(dòng)作執(zhí)行能力，同時(shí)保護(hù)ESP芯片，通過(guò)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(lái)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(huì)造成電力系統(tǒng)癱瘓，隨之而來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)通信的中斷。針對(duì)此情況，物端設(shè)備需具備在電力及網(wǎng)絡(luò)受損時(shí)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(dòng)，且能夠同時(shí)等效輸出3.3V 電壓以驅(qū)動(dòng)MAX6675 模塊，因此在實(shí)際安裝時(shí)，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(shí)，在火災(zāi)建筑外部安設(shè)一個(gè)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(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)增強(qiáng)裝置或安裝若干個(gè)路由器，即可使Wi-Fi 信號(hào)覆蓋整棟樓，芯片會(huì)自動(dòng)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(tīng)服務(wù)端下發(fā)的指令。

1.1.4 報(bào)警與預(yù)警實(shí)現(xiàn)

報(bào)警與預(yù)警分為就地與遠(yuǎn)程兩種方式。就地報(bào)警與預(yù)警采用與ESP 芯片連接的蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，且報(bào)警與預(yù)警采用不同的提示音，信息同時(shí)通過(guò)ESP 上傳到服務(wù)端，發(fā)送到客戶端或通過(guò)短信、電話發(fā)送給對(duì)應(yīng)業(yè)主。以每個(gè)房間安設(shè)一個(gè)物端設(shè)備為例，物端設(shè)備帶有唯一ID，ID 與房間號(hào)唯一對(duì)應(yīng)，以每層樓10 個(gè)房間的一棟高層建筑為例，房間號(hào)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(shí)為了便于算法處理，還需將常規(guī)房間號(hào)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(gè)房間。

當(dāng)一個(gè)物端設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，其他周圍設(shè)備根據(jù)與報(bào)警信號(hào)的相對(duì)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(guò)預(yù)響應(yīng)向量進(jìn)行控制，一級(jí)和二級(jí)預(yù)響應(yīng)向量分別以α 和β開(kāi)頭，帶有min 下標(biāo)的為圖3 左端的小編號(hào)房間采用，帶有max 下標(biāo)的為右端大編號(hào)房間采用。具體規(guī)則中，與報(bào)警物端同一樓層相鄰的物端具有最高優(yōu)先級(jí)，這是由于樓層過(guò)道是火災(zāi)蔓延的主要通道，火災(zāi)在過(guò)道蔓延時(shí)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(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)加熱空氣，使空氣氣壓降低從而導(dǎo)致火焰上升，因此報(bào)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(shí)可能會(huì)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(hào)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(jí)預(yù)響應(yīng)與二級(jí)預(yù)響應(yīng)。在房間溫度達(dá)到70℃時(shí)啟動(dòng)一級(jí)預(yù)響應(yīng)，同時(shí)二級(jí)預(yù)響應(yīng)物端處于預(yù)警狀態(tài)；當(dāng)火勢(shì)繼續(xù)發(fā)展，著火房間發(fā)生轟燃時(shí)，二級(jí)預(yù)響應(yīng)啟動(dòng)，通過(guò)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(shí)，需要考慮更大的預(yù)警范圍。同時(shí)，報(bào)警和預(yù)警動(dòng)作應(yīng)隨著火災(zāi)演化而動(dòng)態(tài)變化，如當(dāng)二級(jí)預(yù)響應(yīng)物端達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，應(yīng)啟用全方位報(bào)警從而及時(shí)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(shí)可能導(dǎo)致的電力中斷與信息致盲問(wèn)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(jì)

1.2.1 服務(wù)端設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

服務(wù)端部署在一臺(tái)阿里云ECS（Elastic Compute Service）服務(wù)器上，同時(shí)提供有隔離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與唯一的對(duì)外映射IP，任意客戶端通過(guò)該IP 即可實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)。同時(shí)，對(duì)服務(wù)器傳送的報(bào)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(wèn)控制。

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存使用MariaDB 數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)高層建筑動(dòng)輒成百上千的物端數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取和寫(xiě)入，MariaDB 數(shù)據(jù)庫(kù)攜帶的高性能存儲(chǔ)引擎為高并發(fā)請(qǐng)求提供了支持。服務(wù)端的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選用PHP，一是開(kāi)發(fā)API 接口，接收物端上傳的數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，接收來(lái)自客戶端的控制指令，完成客戶端的增刪改查，同時(shí)提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。二是開(kāi)發(fā)智能運(yùn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警以及自動(dòng)處理算法，一旦監(jiān)測(cè)到異常情況，將自動(dòng)對(duì)火情進(jìn)行分析判斷，并發(fā)送控制信號(hào)給物端，同時(shí)對(duì)分析處理情況進(jìn)行記錄。

1.2.2 客戶端開(kāi)發(fā)

客戶端采用HTML+CSS+Javascript 開(kāi)發(fā)，使用Vue.js 框架，與服務(wù)端的通信借助于Axios。客戶端實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，查看物端單元上傳的數(shù)據(jù)和各個(gè)傳感器的狀態(tài)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和開(kāi)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(shí)，可以通過(guò)客戶端手動(dòng)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(guò)分析物端存儲(chǔ)的信息，確定具體的火災(zāi)原因和位置；（4）系統(tǒng)自檢，及時(shí)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(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，使用Python 編寫(xiě)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(gè)基本的房間單元，其中包含室內(nèi)溫度、位置、噴淋頭開(kāi)關(guān)狀態(tài)和噴淋頭開(kāi)關(guān)溫度 閾值，分別通過(guò)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(jí)、二級(jí)預(yù)先響應(yīng)控制屬性，通過(guò)調(diào)用generate_rooms（）方法實(shí)例化了若干個(gè)Room類，并將實(shí)例存儲(chǔ)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(gè)。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(shí)的升溫曲線；式（5）是馬忠誠(chéng)[13]于1998 年根據(jù)國(guó)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(shí)間，min；

Tg— t 時(shí)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(shí)間，min；

T0—火災(zāi)發(fā)生前室內(nèi)溫度，℃。

對(duì)比三個(gè)升溫公式的升溫曲線，如圖6 所示。

圖6 三種升溫曲線對(duì)比Figure6 Comparison of three heating curves

式（3）升溫過(guò)于迅速，升溫速率過(guò)快，無(wú)法體現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)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(jì)算機(jī)仿真時(shí)，應(yīng)帶入對(duì)應(yīng)升溫公式的變化率，并加入隨機(jī)項(xiàng)，將式（5）對(duì)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(shí)通過(guò)添加隨機(jī)項(xiàng)模擬實(shí)際升溫過(guò)程中的隨機(jī)影響。通過(guò)Random 隨機(jī)選擇樓號(hào)和房間號(hào)點(diǎn)燃對(duì)應(yīng)的房間開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，記錄預(yù)響應(yīng)發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻、響應(yīng)時(shí)刻的房間溫度以及對(duì)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(jí)預(yù)響應(yīng)和二級(jí)預(yù)響均應(yīng)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定一級(jí)預(yù)響應(yīng)溫度70℃，二級(jí)預(yù)響應(yīng)溫度為600℃，響應(yīng)結(jié)果與理論對(duì)比如表4 所示。可以看出，一級(jí)預(yù)響應(yīng)平均時(shí)間延遲15.1s，平均響應(yīng)溫度誤差26℃；二級(jí)預(yù)響應(yīng)平均時(shí)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的高層建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(shí)，通過(guò)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(dòng)開(kāi)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。