浅析窄带物联网在智慧消防平台中的应用研究

简婷

摘要：为解决当前“智慧消防"建设中存在的感知层接入硬件种类有限、接入技术手段欠佳等问题，探讨了窄带物联网技术（NB-IoT）在智慧消防建设方面的应用问题，提出了以NB-IoT终端为采集层、以公共物联网、大数据、云计算、区块链和人工智能等技术为网络层，以火灾风险研判、消防监督信息化管理、社会单位化管理、消防设备数字化管理及智能化灭火救援为应用层的“智慧消防"建设3层架构模式，以提升全社会消防安全管理的现代化、信息化和智能化水平。

关键词：窄带物联网；智慧消防；消防管理；灭火救援

       据统计，仅2019年我国共接报火灾23.3万起，造成1335人死亡、837人受伤、直接财产损失达36.12亿元，严重的人员伤亡和财产损失对社会稳定和国民经济的健康、可持续发展造成了不良影响，加强社会火灾防控工作成为当务之急。现有的防火监督、灭火救援和火灾风险管控技术手段相对滞后，已不能适应经济和社会的高速发展以及现代化、信息化的管理需求，加之消防安全主体责任不能有效落实，消防安全管理水平与消防安全需求之间的矛盾凸显，开展“智慧消防"建设日渐成为解决这一矛盾的重要手段之一。

 

1.1“智慧消防"的定义

       笔者认为：“智慧消防"是以物联网（IoT）为基础，以消防大数据（BD）、云计算（CloudComputing）、人工智能（AI）、虚拟现实（VR）和区块链（BlockChain）等现代信息技术为支撑的信息化、智能化社会消防管理、消防行政管理和灭火救援的运行、指挥、决策服务体系，是“智慧城市"的重要组成部分。

 

1.2“智慧消防"建设的意义

       开展“智慧消防"建设，限度地优化火灾防控机制，程度地融合消防监督、消防管理和灭火救援等业务的需求，实现“传统消防"向“智慧消防"的转变和跨越，可以解决传统消防监管体制效率低、社会单位主体责任不落实、动态火灾隐患监管不力等问题，使火灾防控工作模式由传统“树状"向新型“网状"模式转变，推动消防管理体制和机制的转型升级，使消防工作做到有的放矢、科学管理，是当前和今后一个时期消防工作实现火灾风险预判、消防安全管理智能化、火灾与应急救援信息化的重要手段和选择。

 

1.3“智慧消防"建设的现实问题

       目前，相关部门和企业对“智慧消防"的认识尚停留在概念认识和理论探讨阶段。“智慧消防"建设的相关规范和标准尚未出台，智慧城市相关建设标准也未对“智慧消防"建设作出明确规定。在操作层面上，主要参照独立式感烟火灾探测报警器、火灾自动报警系统和城市消防远程监控系统等相关标准进行建设，由于感知层的接入硬件种类有限、接入技术手段欠佳，导致“智慧消防"建设的物联网属性不强，存在着“有网无物"或“有物无网"的短板，虽然在建设数量上“遍地开花"，但在技术标准上又处于“各自为政"的管理状态。

2.1NB-loT的技术优势

       物联网是“智慧消防"的实施基础。目前，常见的物联网主要使用的技术有NB-IoT、Wi-Fi、Sigfox、LoRa（LongRange）、ZETA、Zigbee（紫蜂协议）和蓝牙等7种。与其他技术相比，NB-IoT技术在“智慧消防"建设中具有五大优势。

       一是网络建设范围广。国内主要电信企业都将NBIoT网络建设作为今后一个时期的业务方向，我国的NB-IoT技术从核心技术、市场规模和应用深度等方面。

       二是终端用电功耗低。NB-IoT技术通过减少不必要的信令、支持非连续接收延长（eDRX）、深度睡眠功能和节电模式（终端休眠，PSM），进一步降低了功耗，可以让设备长时间在线，且免布设电源线，施工方便，后期管理工作简便、维护成本低。

       三是综合经济成本低。NB-IoT技术直接依托现有GSM、UMTS或LTE网络基站进行部署，加之NB-IoT模块使用嵌入式物联网eSIM卡，一台设备一个专属号码，即插即用且不用频繁更换电池，直接上网，简单便捷、经济实用。

       四是数据安全有保障。NB-IoT技术是可运营的电信网络，工作于授权频谱并且基于蜂窝技术设计，在数据传输和设备认证方面可以提供电信级的信息安全保障。

       五是参数感知。NB-IoT技术支持各系统海量的物联网感知终端实时接入，而且eSIM卡可以适应更恶劣的使用环境，尤其适合建构筑物内自动消防设施的各类火灾探测器和阀门仪表及输入输出模块，可远程独立监控每一个NB-IoT终端设备的工作情况。

 

2.2NB-IoT技术的政策优势

       作为我国物联网建设应用的主要技术标准，工信部在2017年就发文要求结合智慧城市建设，加快发展NBIoT在城市公共服务和公共管理中的应用。明确NBIoT网络使用GSM系统的800MHz频段和900MHz频段、FDD-LTE系统的1800MHz频段和2100MHz频段，并新增“140XX～144XX"为物联网网号，2020年NB-IoT正式成为5G技术标准之一，成为5GmMTC场景的核心组成部分，迎来了爆发式发展。

 

2.3NB-loT技术的“智慧城市"建设实践经验

       由于NB-IoT技术的优势使得其在“智慧城市"建设中应用广泛，中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟共同发布了团体标准《基于窄带物联网（NBIoT）的道路照明智能控制系统技术规范》（CIES015-2017/T/CSA052-2018）；深圳市、上海市等城市已经开始利用NB-IoT在智能消火栓、智能感烟探测器、智能水位探测器、智能燃气抄表、智能路灯等市政领域开展试点。上述试点工作，积累了一定的技术经验，也取得了良好的社会效益，初步实现了让信息和数据多跑路，让群众少跑腿、让监管和治理预期目标。

 

3.1基于NB-IoT技术的“智慧消防"构架

       “智慧消防"以消防设备的物联网化实现消防管理的数据化，是消防物联网、消防大数据、云计算等信息技术的有机融合，其系统的架构分3个层次：感知层（NB-IoT终端）、网络层（NB-IoT运营商、云计算、大数据）、应用层（消防监督、灭火救援和消防管理）如图1所示。

图1基于NB-IoT的智慧消防系统架构图

3.2感知层

       感知层是“智慧消防"的神经元，物联网是中神经，“消防大数据"和云计算是其大脑，主要负责各类火灾报警信息和消防设施工作状态的采集，对被动防火系统如防火卷帘、防火门和主动消防系统如消防给水系统、防排烟系统、火灾自动报警系统、自动灭火系统等设施上集成NBIoT模块进行联网改造，使之能够接入物联网，让每一个探测器、每一个消火栓、每一个输入输出模块都成为“智慧消防"的一个神经元，如图2所示。

图2基于NB-IoT的智慧消防感知层架构图

       在一些既有建筑的火灾隐患整改包括文物建筑、“九小场所"“三合一场所"和社会福利机构等单位，对其消防设施改造升级加装火灾自动报警系统时，将NB-IoT模块与感烟、感温、火焰、图像及手动报警按钮等火灾探测器相结合，构成独立式火灾探测报警器，通过NB-IoT网络对其进行虚拟组网并接到互联网云平台，采集和发送各种火灾报警信号，实现火灾探测器自动在线巡检、实时状态采集、火灾报警信号推送、消防报警人机互联和远程控制管理功能，对于避免频发“小火亡人"事故有着十分重要的意义，同时也可以有效规避传统的总线传输报警系统施工时凿墙开洞、破坏建筑结构和原有风貌等缺点。

       应用NB-IoT对可燃气体探测报警系统和电气火灾监控系统进行升级改造，实现燃气管线、燃气浓度和电气线路的电压、电弧检测、漏电电流、线缆温度等情况的实时在线监测和智能化处置，在预防和减少电器火灾和燃气事故、减少灾害损失、前移防范关口等方面，具有十分显著的优势。由于采用重传和低阶调制等机制，NB-IoT信号穿透性能更好，可覆盖至建筑的地下1~2层，其深度覆盖的特性不仅能满足传统的各种表计、报警、温湿度、环境参数采集和传输，且与消防水池、高位消防水箱间、消防水泵房、变配电室、柴油发电机房和防排烟机房等消防设备布置位置和管理需求高度吻合，解决了消防设备安装环境复杂、信号不易穿透的难题，对于构筑物内、地下空间、管道管廊、井盖这类对深度覆盖有要求的应用也同样适用，并可大大简化现有体系的复杂程度。

 

3.3网络层

       大数据是云计算的基础，根据“智慧消防"应用需求，因地制宜的构建消防基础信息大数据库。在消防泵、防排烟风机、压力开关、水流指示器、液位计、监控器和输入输出模块上集成NB-IoT模组，自动采集实时监控各类消防设备工作状态、报警信号和动作信号，水压不足、水量不够等任何一项异常，都会触发数据传输模块将异常数据上传至IoT平台，做到对各类建筑消防设施状态信息数据信息的在线监控和远程监控与诊断，这些信息是消防大数据的重要组成部分，如图3所示。

图3基于NB-IoT的智慧消防网络层架构图

       借助云计算技术的基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）等服务强大的数据接入、管理和服务能力，将大量事务性工作交由软件和系统处理，用户无需开发软件和建设数据，可以大地提高工作效率、降低管理难度与维护成本，逐渐辐射生产、流通、管理、预警等消防产业全过程，为消防产品生产企业、消防技术服务机构、社会单位、各级和消防救援机构的消防管理和灭火救援决策提供数据分析和技术支撑，提升消防安全监管和预警报警能力。

 

3.4应用层

       “智慧消防"的应用主要包括：火灾风险研判、消防监督管理、消防安全管理、消防设备数字化管理、灭火救援等5个方面，并可根据实际情况拓展，如图4所示。

图4基于NB-IoT的智慧消防应用层架构图

       一是火灾风险研判智能化。将大量相对独立的消防设施设备连接起来，通过NB-IoT传感器感应、NB-IoT数据传输网络发送至云计算和消防大数据库，将危险化学品、建设工程、单位等相关数据纳入消防大数据共享范围，并根据当地火灾发生起数、直接财产损失数、亡人数、伤人数等“火灾四项指数"，结合辖区社会单位基本信息和管理经营状况，立足全时段、全要素，运用统计学原理对消防安全隐患、征候等前兆性、苗头性问题开展大数据分析，找出火灾防控的客观规律，进而对火灾的发展态势进行预测。

       二是消防监督管理信息化。消防救援机构可以根据火灾风险智能研判结果，及时分析治理效果，进而对现有的消防监管体制、方式方法进行完善和优化，实现消防管理模式从“管人"“管物"到“管数"的方式转变。既可以避免“地毯式"的排查对社会单位的生产经营活动造成不必要的干扰，又可以有效降低基层执勤执法人员的工作强度，做到火灾防控工作的发力，实现消防监督管理和火灾风险稳控综合治理的目标。

       三是消防安全管理化。借助于NB-IoT技术可以实现消防管理者与消防设备，消防设备和消防设备之间各种信息的互联互通，可以使消防安全责任人、管理人实时掌控自己管理权限范围内的建筑消防设施的动态信息，限度发挥系统的监控、巡查、预警等功能，达到人防、物防、技防的有效结合，构建一个、无间隙，可靠的“智慧消防"管理体系。同时，通过建立建（构）筑物消防员（消防设施操作员）信息库，杜绝挂证和无证上岗，可以须提升社会单位建筑消防设施的管理维护水平。

       四是消防设备管理数字化。借助建筑信息模型（BIM）将建筑消防设备的安装、使用、维护（维修）、产品检验、建筑消防设施检测等信息利用无线射频识别（RFID）技术制作成RFID电子标签和二维码等智能标识，建立大数据库，并对具有信号输入、输出功能的消防设备基层NB-IoT模块，通过手机App或PaaS等物联网应用终端来检测和查询其工作状态，以三维可视化、信息化、精细化、智能化管理模式，从而实现消防产品和设备质量安全管理与溯源、使用、维保乃至报废的建筑全生命周期（BLM）的四维建筑消防安全管理。

       五是灭火救援指挥科学化。将NB-IoT技术与温度、湿度，可燃气体、氧气及有毒有害其他浓度等传感器组合在一起，可以实现监控灾害事故现场环境的实时监测，在BIM的3D模型中准确判断起火部位在建筑内的空间位置，室内消火栓位置、疏散通道和安全出口位置及建筑消防设施工作情况，通过预判火灾发展趋势，合理选择战斗阵地、进攻路线和紧急避险位置，为灭火救援行动提供准确的数据支撑，提高火场逃生疏散效率、减少人员伤亡。

 

     （1）加强和改进“智慧消防"建设的顶层设计。2017年原公安部消防下发的《关于须推进“智慧消防"建设的指导意见》（公消〔2017〕297号）就如何利用智慧消防平台提高消防管理水平进行探讨。但随着智慧城市建设的快速推进和公安消防部队改制集体转隶应急管理部，该指导意见提出的建设原则和目标已经和当前消防工作实际存在较大差距。因此，须与时俱进、加强顶层设计，立足基本国情和各地实际，在国家层面将“智慧消防"建设纳入国家“智慧城市"建设总体方案，同时明确县级以上地方各级及相关行业部门的建设任务。

     （2）加强“智慧消防"建设、运维技术标准和管理制度的制定。要加强“智慧消防"标准化研究，进一步建立健全建设、管理和运维等全过程的法律法规、技术标准、管理制度和政策体系，借鉴相关行业成熟经验，从源头规范统一“智慧消防"建设的指导思想和功能、性能、采集参数等技术参数，研究制定《“智慧消防"建设技术标准》，促进“智慧消防"规模化、标准化发展。同时，要强化技术支撑，抓紧“产学研"各环节的战略合作，在消防信息化顶层设计、大数据建设等方向开展深度合作、形成技术生态产业链，开展研究与应用示范项目建设，占领产业技术制高点，促使“智慧消防"市场健康有序发展。另外，警惕消防大数据时代潜在的安全风险，按照授权、企业化管理、明确职能的原则，成立消防大数据技术服务机构，强化对供应商、用户等行为的规范及管理，确保信息安全。

 

5.1平台结构

5.2平台主要功能介绍

5.2.1首页

       用户登录成功之后进入首页，如图所示。主要展示的内容有：项目概况、设备状态、设备分类、设备报警信息、报警分类、报警统计、设备台账信息等。其中地图可以选配成BIM建筑模型，任何传感器报警时可以在BIM模型中预警显示。

5.2.2消防子系统

       智慧消防管理云平台包含了智慧用电子系统、防排烟子系统、消防水子系统、消防设备电源子系统、防火门子系统、消防设备管理子系统和视频监控子系统等。智慧用电子系统可以接入电气火灾、孤航电弧、电气火灾主机、灭弧式保护器探测器和无线测温探测器等。点击智慧用电子系统进入智慧用电监控页面，点击菜单显示整个项目的基础信息和该项目下的所有探测器的信息，点击末级节点显示具体探测器的监控页面。

        

       消防水子系统可以接入消防栓、消防水压、水位传感器等，用于实时的监控消防水管网的压力、液位、是否漏水，以及开盖等事件，当消防水压不够，管网漏水时，系统也能实时地发出警报，能让相关人员及时维修维护，保障消防安全。

       防排烟子系统通过高灵敏的无线烟感报警装置，实现对烟雾、有害气体、及气体灭火信息等数据采集，实时秒级检测烟雾，一且发现监测数剧超过风险阈值，APP、短信报警、报警统统上阵，通过设备的标签、地理位置定位，快速通知业主、物业消防单位是哪个位置的火灾隐情。

       消防设备电源子系统实时监控消防系统各个部件（如消防报警主机、楼层显示器、水泵、喷淋泵、电梯等）的电源工作状态，确保消防设备供电正常，并对各个部件电源产生的过压、欠压、过流、短路、断路等故障报警提示。可长期记录电压电流运行参数，自动对消防电源一段时间的运行状态进行分析，对可能产出问题的隐患进行警示。

       防火门子系统通过与门禁报警、视频识别的关联，实时监控消防通道、安全出口、生命通道防火门的开闭及消防通道堆放物情况，实现紧急情况下的开闭控制等功能。确保防火门常闭、不上锁状态及保障火警救援是消防生命通道的畅通等，保障安全的生活、工作环境。

       应急照明与疏散指示子系统可实现对各个应急灯具的实时监控和控制，当发生火灾时，可准确的给出安全的疏散路径指示，智能打开消防应急指示灯的指示方向及应急照明灯，帮助建筑内的人群选择逃生疏散路线，指引安全逃生方向。

       视频监控子系统数据部门收到感应端各子系统报警信息后，可调出报警位置关联的监控摄像头图像，查看报警现场视频辅助进行火情确认。实现火灾报警子系统、消防水子系统、电气火灾子系统、防排烟子系统、消防设备电源子系统、防火门子系统和视频监控子系统的有机结合，实现了报警点和监控点的联动。

       消防设备管理子系统能够将每个建筑、项目节点的所有消防设备和资产纳入管理，对一些消防栓、灭火器、喷淋和消防大队地址等着重标注，日常的巡检和维护都需要纳入计划，在紧急情况下，会联动GIS调度子系统进行调度。

5.2.3隐患管理

       隐患管理功能包括了隐患查询、隐患派发、隐患处理和隐患分析四个模块。可以查看登录用户下的所有项目的隐患信息，并进行派发和处理操作，且对所有隐患进行统计分析。

5.2.4能耗分析

       能耗分析功能包括了能耗概况、能耗同比、能耗环比、能耗报表和能耗预测等五个模块。可以查看登录用户下的所有项目的能耗统计、同环比和报表，且按日、周、月等维度进行能耗。

5.2.5手机APP

       APP支持Android、iOS操作系统，方便用户查看电气火灾、防排烟、消防水、消防设备电源、防火门、消防设备管理、视频监控、火灾报警等子系统的实时监控数据、报警信息、能耗统计等。

5.3.1平台服务器：建议按照我方配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。

硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）

5.3.2系统现场硬件配置清单：

注：以下配置为针对1个回路选型，其中剩余电流互感器应根据现场回路电流大

5.4产品介绍

电气火灾监控探测器

ARCM300T-Z-2G/4G/NB可选配2G上传、4G上传、NB-IOT网络上传，单表流量说明：

上传间隔一分钟，小于30M/月；

上传间隔二分钟，小于15M/月；

上传间隔五分钟，小于10M/月

 

       推广基于NB-IoT技术为基础的、以提高能为核心的“智慧消防"建设模式，创新社会消防安全治理方式，破解城市消防安全管理难题，构建信息化、立体化、全覆盖、智能化的社会火灾防控体系，可以有效避免火灾防控工作顾此失彼、跟在火灾和隐患后面跑的被动面，进一步提高城乡基本公共消防服务水平，增强群众消防安全感。可以预见，“智慧消防"建设必将深刻改变传统的火灾防控理念和手段，可以使党委的领导责任、行业部门的监管责任、社会单位的主体责任、消防救援机构的监督责任等消防安全“四项责任"有效落实，为“智慧城市"和城市安全发展做出创新性贡献。

 

[1]张振国.窄带物联网在“智慧消防"模式构建中的应用研究

[2]宛如意.基于NB-IoT的智慧水务建设探讨[J].电子测试,2017,(12):72-73．

[3]安科瑞AcrelCloud-6800智慧消防管理云平台2020版

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

 

简婷.女.现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事智慧消防平台的设计与应用。