王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為解決當前“智慧消防"建設中存在的感知層接入硬件種類有限、接入技術手段欠佳等問題，探討了窄帶物聯網技術（NB-IoT）在智慧消防建設方面的應用問題，提出了以NB-IoT終端為采集層、以公共物聯網、大數據、云計算、區塊鏈和人工智能等技術為網絡層，以火災風險研判、消防監督信息化管理、社會單位自主化管理、消防設備數字化管理及智能化滅火救援為應用層的“智慧消防"建設3層架構模式，以提升全社會消防安全管理的現代化、信息化和智能化水平。
關鍵詞：窄帶物聯網；智慧消防；消防管理；滅火救援
0引言
據統計，僅2019年我國共接報火災23.3萬起，造成1335人死亡、837人受傷、直接財產損失達36.12億元，嚴重的人員傷亡和財產損失對社會穩定和國民經濟的健康、可持續發展造成了不良影響，加強社會火災防控工作成為當務之急。現有的防火監督、滅火救援和火災風險管控技術手段相對滯后，已不能適應經濟和社會的高速發展以及現代化、信息化的管理需求，加之消防安全主體責任不能有效落實，消防安全管理水平與消防安全需求之間的矛盾凸顯，開展“智慧消防"建設日漸成為解決這一矛盾的重要手段之一。
1“智慧消防"建設的意義和存在的問題
1.1“智慧消防"的定義
筆者認為：“智慧消防"是以物聯網（IoT）為基礎，以消防大數據（BD）、云計算（CloudComputing）、人工智能（AI）、虛擬現實（VR）和區塊鏈（BlockChain）等現代信息技術為支撐的信息化、智能化社會消防管理、消防行政管理和滅火救援的運行、指揮、決策服務體系，是“智慧城市"的重要組成部分。
1.2“智慧消防"建設的意義
開展“智慧消防"建設，限度地優化火災防控機制，程度地融合消防監督、消防管理和滅火救援等業務的需求，實現“傳統消防"向“智慧消防"的轉變和跨越，可以解決傳統消防監管體制效率低、社會單位主體責任不落實、動態火災隱患監管不力等問題，使火災防控工作模式由傳統“樹狀"向新型“網狀"模式轉變，推動消防管理體制和機制的轉型升級，使消防工作做到有的放矢、科學管理，是當前和今后一個時期消防工作實現火災風險預判、消防安全管理智能化、火災與應急救援信息化的重要手段和選擇。
1.3“智慧消防"建設的現實問題
目前，相關部門和企業對“智慧消防"的認識尚停留在概念認識和理論探討階段。“智慧消防"建設的相關規范和標準尚未出臺，智慧城市相關建設標準也未對“智慧消防"建設作出明確規定。在操作層面上，主要參照獨立式感煙火災探測報/警器、火災自動報/警系統和城市消防遠程監控系統等相關標準進行建設，由于感知層的接入硬件種類有限、接入技術手段欠佳，導致“智慧消防"建設的物聯網屬性不強，存在著“有網無物"或“有物無網"的短板，雖然在建設數量上“遍地開花"，但在技術標準上又處于“各自為政"的管理狀態。
2NB-IoT技術與“智慧消防"建設
2.1NB-loT的技術優勢
物聯網是“智慧消防"的實施基礎。目前，常見的物聯網主要使用的技術有NB-IoT、Wi-Fi、Sigfox、LoRa（LongRange）、ZETA、Zigbee（紫蜂協議）和藍牙等7種。與其他技術相比，NB-IoT技術在“智慧消防"建設中具有五大優勢。
一是網絡建設范圍廣。國內主要電信企業都將NBIoT網絡建設作為今后一個時期的業務方向，我國的NB-IoT技術從核心技術、市場規模和應用深度等方面。
二是終端用電功耗低。NB-IoT技術通過減少不必要的信令、支持非連續接收延長（eDRX）、深度睡眠功能和節電模式（終端休眠，PSM），進一步降低了功耗，可以讓設備長時間在線，且免布設電源線，施工方便，后期管理工作簡便、維護成本低。
三是綜合經濟成本低。NB-IoT技術直接依托現有GSM、UMTS或LTE網絡基站進行部署，加之NB-IoT模塊使用嵌入式物聯網eSIM卡，一臺設備一個專屬號碼，即插即用且不用頻繁更換電池，直接上網，簡單便捷、經濟實用。
四是數據安全有保障。NB-IoT技術是可運營的電信網絡，工作于授權頻譜并且基于蜂窩技術設計，在數據傳輸和設備認證方面可以提供電信級的信息安全保障。
五是參數感知。NB-IoT技術支持各系統海量的物聯網感知終端實時接入，而且eSIM卡可以適應更惡劣的使用環境，尤其適合建構筑物內自動消防設施的各類火災探測器和閥門儀表及輸入輸出模塊，可遠程獨立監控每一個NB-IoT終端設備的工作情況。
2.2NB-IoT技術的政策優勢
作為我國物聯網建設應用的主要技術標準，工信部在2017年就發文要求結合智慧城市建設，加快發展NBIoT在城市公共服務和公共管理中的應用。明確NBIoT網絡使用GSM系統的800MHz頻段和900MHz頻段、FDD-LTE系統的1800MHz頻段和2100MHz頻段，并新增“140XX～144XX"為物聯網網號，2020年NB-IoT正式成為5G技術標準之一，成為5GmMTC場景的核心組成部分，迎來了爆發式發展。
2.3NB-loT技術的“智慧城市"建設實踐經驗
由于NB-IoT技術的優勢使得其在“智慧城市"建設中應用廣泛，中國照明學會、國家半導體照明工程研發及產業聯盟共同發布了團體標準《基于窄帶物聯網（NBIoT）的道路照明智能控制系統技術規范》（CIES015-2017/T/CSA052-2018）；深圳市、上海市等城市已經開始利用NB-IoT在智能消火栓、智能感煙探測器、智能水位探測器、智能燃氣抄表、智能路燈等市政領域開展試點。上述試點工作，積累了一定的技術經驗，也取得了良好的社會效益，初步實現了讓信息和數據多跑路，讓群眾少跑腿、讓監管和治理預期目標。
3基于NB-IoT技術的“智慧消防"模式構建
3.1基于NB-IoT技術的“智慧消防"構架
“智慧消防"以消防設備的物聯網化實現消防管理的數據化，是消防物聯網、消防大數據、云計算等信息技術的有機融合，其系統的架構分3個層次：感知層（NB-IoT終端）、網絡層（NB-IoT運營商、云計算、大數據）、應用層（消防監督、滅火救援和消防管理）如圖1所示。
圖1基于NB-IoT的智慧消防系統架構圖
3.2感知層
感知層是“智慧消防"的神經元，物聯網是中神經，“消防大數據"和云計算是其大腦，主要負責各類火災報/警信息和消防設施工作狀態的采集，對被動防火系統如防火卷簾、防火門和主動消防系統如消防給水系統、防排煙系統、火災自動報/警系統、自動滅火系統等設施上集成NBIoT模塊進行聯網改造，使之能夠接入物聯網，讓每一個探測器、每一個消火栓、每一個輸入輸出模塊都成為“智慧消防"的一個神經元，如圖2所示。
圖2基于NB-IoT的智慧消防感知層架構圖
在一些既有建筑的火災隱患整改包括文物建筑、“九小場所"“三合一場所"和社會福利機構等單位，對其消防設施改造升級加裝火災自動報/警系統時，將NB-IoT模塊與感煙、感溫、火焰、圖像及手動報/警按鈕等火災探測器相結合，構成獨立式火災探測報/警器，通過NB-IoT網絡對其進行虛擬組網并接到互聯網云平臺，采集和發送各種火災報/警信號，實現火災探測器自動在線巡檢、實時狀態采集、火災報/警信號推送、消防報/警人機互聯和遠程控制管理功能，對于避免頻發“小火亡人"事故有著十分重要的意義，同時也可以有效規避傳統的總線傳輸報/警系統施工時鑿墻開洞、破壞建筑結構和原有風貌等缺點。
應用NB-IoT對可燃氣體探測報/警系統和電氣火災監控系統進行升級改造，實現燃氣管線、燃氣濃度和電氣線路的電壓、電弧檢測、漏電電流、線纜溫度等情況的實時在線監測和智能化處置，在預防和減少電器火災和燃氣事故、減少災害損失、前移防范關口等方面，具有十分顯著的優勢。由于采用重傳和低階調制等機制，NB-IoT信號穿透性能更好，可覆蓋至建筑的地下1~2層，其深度覆蓋的特性不僅能滿足傳統的各種表計、報/警、溫濕度、環境參數采集和傳輸，且與消防水池、高位消防水箱間、消防水泵房、變配電室、柴油發電機房和防排煙機房等消防設備布置位置和管理需求高度吻合，解決了消防設備安裝環境復雜、信號不易穿透的難題，對于構筑物內、地下空間、管道管廊、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用也同樣適用，并可大大簡化現有體系的復雜程度。
3.3網絡層
大數據是云計算的基礎，根據“智慧消防"應用需求，因地制宜的構建消防基礎信息大數據庫。在消防泵、防排煙風機、壓力開關、水流指示器、液位計、監控器和輸入輸出模塊上集成NB-IoT模組，自動采集實時監控各類消防設備工作狀態、報/警信號和動作信號，水壓不足、水量不夠等任何一項異常，都會觸發數據傳輸模塊將異常數據上傳至IoT平臺，做到對各類建筑消防設施狀態信息數據信息的在線監控和遠程監控與診斷，這些信息是消防大數據的重要組成部分，如圖3所示。
圖3基于NB-IoT的智慧消防網絡層架構圖
借助云計算技術的基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）等服務強大的數據接入、管理和服務能力，將大量事務性工作交由軟件和系統自主處理，用戶無需開發軟件和建設數據，可以大地提高工作效率、降低管理難度與維護成本，逐漸輻射生產、流通、管理、預警等消防產業全過程，為消防產品生產企業、消防技術服務機構、社會單位、各級政府和消防救援機構的消防管理和滅火救援決策提供數據分析和技術支撐，提升消防安全監管和預警報/警能力。
3.4應用層
“智慧消防"的應用主要包括：火災風險研判、消防監督管理、消防安全自主管理、消防設備數字化管理、滅火救援等5個方面，并可根據實際情況拓展，如圖4所示。
圖4基于NB-IoT的智慧消防應用層架構圖
一是火災風險研判智能化。將大量相對獨立的消防設施設備連接起來，通過NB-IoT傳感器感應、NB-IoT數據傳輸網絡發送至云計算和消防大數據庫，將危險化學品、建設工程、單位等相關數據納入消防大數據共享范圍，并根據當地火災發生起數、直接財產損失數、亡人數、傷人數等“火災四項指數"，結合轄區社會單位基本信息和管理經營狀況，立足全時段、全要素，運用統計學原理對消防安全隱患、征候等前兆性、苗頭性問題開展大數據分析，找出火災防控的客觀規律，進而對火災的發展態勢進行預測。
二是消防監督管理信息化。消防救援機構可以根據火災風險智能研判結果，及時分析治理效果，進而對現有的消防監管體制、方式方法進行完善和優化，實現消防管理模式從“管人"“管物"到“管數"的方式轉變。既可以避免“地毯式"的排查對社會單位的生產經營活動造成不必要的干擾，又可以有效降低基層執勤執法人員的工作強度，做到火災防控工作的發力，實現消防監督管理和火災風險穩控綜合治理的目標。
三是消防安全管理自主化。借助于NB-IoT技術可以實現消防管理者與消防設備，消防設備和消防設備之間各種信息的互聯互通，可以使消防安全責任人、管理人實時掌控自己管理權限范圍內的建筑消防設施的動態信息，限度發揮系統的監控、巡查、預警等功能，達到人防、物防、技防的有效結合，構建一個、無間隙，可靠的“智慧消防"管理體系。同時，通過建立建（構）筑物消防員（消防設施操作員）信息庫，杜絕掛證和無證上崗，可以須提升社會單位建筑消防設施的管理維護水平。
四是消防設備管理數字化。借助建筑信息模型（BIM）將建筑消防設備的安裝、使用、維護（維修）、產品檢驗、建筑消防設施檢測等信息利用無線射頻識別（RFID）技術制作成RFID電子標簽和二維碼等智能標識，建立大數據庫，并對具有信號輸入、輸出功能的消防設備基層NB-IoT模塊，通過手機App或PaaS等物聯網應用終端來檢測和查詢其工作狀態，以三維可視化、信息化、精細化、智能化管理模式，從而實現消防產品和設備質量安全管理與溯源、使用、維保乃至報廢的建筑全生命周期（BLM）的四維建筑消防安全管理。
五是滅火救援指揮科學化。將NB-IoT技術與溫度、濕度，可燃氣體、氧氣及有毒有害其他濃度等傳感器組合在一起，可以實現監控災害事故現場環境的實時監測，在BIM的3D模型中準確判斷起火部位在建筑內的空間位置，室內消火栓位置、疏散通道和安全出口位置及建筑消防設施工作情況，通過預判火災發展趨勢，合理選擇戰斗陣地、進攻路線和緊急避險位置，為滅火救援行動提供準確的數據支撐，提高火場逃生疏散效率、減少人員傷亡。
4實施建議
（1）加強和改進“智慧消防"建設的頂層設計。2017年原公安部消防局下發的《關于須推進“智慧消防"建設的指導意見》（公消〔2017〕297號）就如何利用智慧消防平臺提高消防管理水平進行探討。但隨著智慧城市建設的快速推進和公安消防部隊改制集體轉隸應急管理部，該指導意見提出的建設原則和目標已經和當前消防工作實際存在較大差距。因此，須與時俱進、加強頂層設計，立足基本國情和各地實際，在國家層面將“智慧消防"建設納入國家“智慧城市"建設總體方案，同時明確縣級以上地方各級政府及相關行業部門的建設任務。
（2）加強“智慧消防"建設、運維技術標準和管理制度的制定。要加強“智慧消防"標準化研究，進一步建立健全建設、管理和運維等全過程的法律法規、技術標準、管理制度和政策體系，借鑒相關行業成熟經驗，從源頭規范統一“智慧消防"建設的指導思想和功能、性能、采集參數等技術參數，研究制定《“智慧消防"建設技術標準》，促進“智慧消防"規模化、標準化發展。同時，要強化技術支撐，抓緊“產學研"各環節的戰略合作，在消防信息化頂層設計、大數據建設等方向開展深度合作、形成自主技術生態產業鏈，開展研究與應用示范項目建設，占領產業技術制高點，促使“智慧消防"市場健康有序發展。另外，警惕消防大數據時代潛在的安全風險，按照政府授權、企業化管理、明確職能的原則，成立消防大數據技術服務機構，強化對供應商、用戶等行為的規范及管理，確保信息安全。
5安科瑞智慧消防平臺介紹
5.1平臺結構
5.2平臺主要功能介紹
5.2.1首頁
用戶登錄成功之后進入首頁，如圖所示。主要展示的內容有：項目概況、設備狀態、設備分類、設備報/警信息、報/警分類、報/警統計、設備臺賬信息等。其中百/度地圖可以選配成BIM建筑模型，任何傳感器報/警時可以在BIM模型中預警顯示。
5.2.2消防子系統
智慧消防管理云平臺包含了智慧用電子系統、防排煙子系統、消防水子系統、消防設備電源子系統、防火門子系統、消防設備管理子系統和視頻監控子系統等。智慧用電子系統可以接入電氣火災、孤航電弧、電氣火災主機、滅弧式保護器探測器和無線測溫探測器等。點擊智慧用電子系統進入智慧用電監控頁面，點擊菜單顯示整個項目的基礎信息和該項目下的所有探測器的信息，點擊末級節點顯示具體探測器的監控頁面。
消防水子系統可以接入消防栓、消防水壓、水位傳感器等，用于實時的監控消防水管網的壓力、液位、是否漏水，以及開蓋等事件，當消防水壓不夠，管網漏水時，系統也能實時地發出警報，能讓相關人員及時維修維護，保障消防安全。
防排煙子系統通過高靈敏的無線煙感報/警裝置，實現對煙霧、有害氣體、及氣體滅火信息等數據采集，實時秒級檢測煙霧，一且發現監測數劇超過風險閾值，APP、短信報/警、電話報/警統統上陣，通過設備的標簽、地理位置定位，快速通知業主、物業消防單位是哪個位置的火災隱情。
消防設備電源子系統實時監控消防系統各個部件（如消防報/警主機、樓層顯示器、水泵、噴淋泵、電梯等）的電源工作狀態，確保消防設備供電正常，并對各個部件電源產生的過壓、欠壓、過流、短路、斷路等故障報/警提示。可長期記錄電壓電流運行參數，自動對消防電源一段時間的運行狀態進行分析，對可能產出問題的隱患進行警示。
防火門子系統通過與門禁報/警、視頻識別的關聯，實時監控消防通道、安全出口、生命通道防火門的開閉及消防通道堆放物情況，實現緊急情況下的開閉控制等功能。確保防火門常閉、不上鎖狀態及保障火警救援是消防生命通道的暢通等，保障安全的生活、工作環境。
應急照明與疏散指示子系統可實現對各個應急燈具的實時監控和控制，當發生火災時，可準確的給出安全的疏散路徑指示，智能打開消防應急指示燈的指示方向及應急照明燈，幫助建筑內的人群選擇逃生疏散路線，指引安全逃生方向。
視頻監控子系統數據部門收到感應端各子系統報/警信息后，可調出報/警位置關聯的監控攝像頭圖像，查看報/警現場視頻輔助進行火情確認。實現火災報/警子系統、消防水子系統、電氣火災子系統、防排煙子系統、消防設備電源子系統、防火門子系統和視頻監控子系統的有機結合，實現了報/警點和監控點的聯動。
消防設備管理子系統能夠將每個建筑、項目節點的所有消防設備和資產納入管理，對一些消防栓、滅火器、噴淋和消防大隊地址等著重標注，日常的巡檢和維護都需要納入計劃，在緊急情況下，會聯動GIS調度子系統進行調度。
5.2.3隱患管理
隱患管理功能包括了隱患查詢、隱患派發、隱患處理和隱患分析四個模塊。可以查看登錄用戶下的所有項目的隱患信息，并進行派發和處理操作，且對所有隱患進行統計分析。
5.2.4能耗分析
能耗分析功能包括了能耗概況、能耗同比、能耗環比、能耗報表和能耗預測等五個模塊。可以查看登錄用戶下的所有項目的能耗統計、同環比和報表，且按日、周、月等維度進行能耗預/測/分/析。
5.2.5手機APP
APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶查看電氣火災、防排煙、消防水、消防設備電源、防火門、消防設備管理、視頻監控、火災報/警等子系統的實時監控數據、報/警信息、能耗統計等。
5.3推薦配置
5.3.1平臺服務器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）
5.3.2系統現場推薦硬件配置清單：
注：以下配置為針對1個回路選型，其中剩余電流互感器應根據現場回路電流大
5.4產品介紹
電氣火災監控探測器
ARCM300T-Z-2G/4G/NB可選配2G上傳、4G上傳、NB-IOT網絡上傳，單表流量說明：
上傳間隔一分鐘，小于30M/月；
上傳間隔二分鐘，小于15M/月；
上傳間隔五分鐘，小于10M/月
6結束語
推廣基于NB-IoT技術為基礎的、以提高能為核心的“智慧消防"建設模式，創新社會消防安全治理方式，破解城市消防安全管理難題，構建信息化、立體化、全覆蓋、智能化的社會火災防控體系，可以有效避免火災防控工作顧此失彼、跟在火災和隱患后面跑的被動局面，進一步提高城鄉基本公共消防服務水平，增強群眾消防安全感。可以預見，“智慧消防"建設必將深刻改變傳統的火災防控理念和手段，可以使黨委政府的領導責任、行業部門的監管責任、社會單位的主體責任、消防救援機構的監督責任等消防安全“四項責任"有效落實，為“智慧城市"和城市安全發展做出創新性貢獻。
參考文獻
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[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
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