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无线网络的加速与普及促使智慧消防对灭火与公共安全的影响将持续扩大

2016-12-02

  接到911电话报警后,应急通信中心立即发出警报,向事故现场派遣设备及人员。随后应急响应人员收到警报,并前往火灾现场。到达现场后,消防员们控制火灾并保障建筑内用户的安全,尽力解决问题,直至事故指挥官到达现场并开始指挥现场作业。

  这种形势下的可用信息都呈现出碎片化的特点——没有经过系统地收集或处理。消防员小组依据实地观察和可用数据独立开展即时情况的分析。事故指挥官将各个小组收集到的信息接合过往经验,在头脑中整个火场的模型,从而发出指令。如果模型错误,指令被误解或曲解,则可能导致情况恶化。这样的场景美国每天都要发生数百次。其中独立的数据收集、分析和行动阻碍了合作并限制了事故指挥官的能力,使战术决策不能达到最佳效果。

  因此,美国火灾损失一直居高不下。2013年消防部门共响应487,500起建筑火灾,共造成2,855人死亡,14,075人受伤,财产损失95亿美元,30,000名消防员在火场中受伤。

  为什么会这样?

  目前,训练、设备和其它主要领域都制定有统一的标准。而战术和策略却没有统一的标准,且受以下三个因素的影响。首先是指挥官的经验和判断;其次是数据,包括肉眼观察到的或从作业环境推断出来的数据;最后是权限和标准作业流程。目前全美30000个消防部门在火灾现场的操作方式各不相同。所采用的实施流程也往往达不到最佳效果:1)有关火灾位置、历史及预期增幅的具体及可靠信息;2)建筑几何学及内储物情况;3)人员及消防员的位置;4)灭火行动及其后果;5)消防资产的状态。改变目前这种状态将使消防队开展有效的火灾保护,但这需要新型技术的协助。

  对未来灭火的展望:向信息物理系统的演化

  第三次技术革命正在进行中。第一次技术革命是工业革命,它引领了物理设备及技术的进步。第二次是互联网的革命,它带来硬件和软件上信息技术的进步。第三次是工业互联网革命,包括物联网、大数据、分析、机器对机器通信,以及传感器互联网的变革。第三次革命,将为新型信息物理系统(CPS)奠定基础。

  信息物理系统实时连接网络和物理世界。计算机电源及传感器的微型化以及无线通信技术的普及已经使一系列之前未曾想象的产品成为现实,提高了灭火和消防的安全性及效率。这些技术还能创造出能够相互通话的火灾相关产品,及可整合到子系统中的设备和控制器产品。进而还可实现连接子系统这一终极目标,达到信息的全面访问。而整合后的技术,将方便智慧系统的开发,如智能电网、智慧城市、智能建筑和智能交通等。

  灭火向智慧灭火的发展

  信息物理技术可用于搭建智慧灭火系统,其架构需要满足以下要求:1)从不同源头大量搜集数据/信息;2)处理、分析信息,并开展预测;3)公布结果并根据预测提供目标信息,帮助社区、消防部门、事故指挥官和消防员进行决策。该架构仍需解决许多技术和标准方面的问题,克服技术和实施上的障碍,以及火场环境危险的问题。该办法能够促进传统消防及灭火向智慧消防思考模式的转变。这种转变将使消防与灭火从现阶段受信息及经验所限的决策模式(如表1所示)向不间断的数据收集、分析与通讯的传感器环境过渡,并最终实现由数据引导的科学决策模式。这种转变将随着信息物理系统在各行各业的发展与应用,以及用于消防与灭火领域而实现。

  表1. 传统消防向智慧消防的转变

当前状态

未来状态

基于传统的战术

设备驱动、基于科学的战术

本地信息

全球信息

缺乏数据的决策

信息丰富的决策

缺乏感知

态势感知

未开发的/不可用数据

综合信息搜集、分析和通讯

独立设备及建筑元件

互连的设备和建筑监视、数据和控制系统

人员操作

无生命物体(建筑机械等)的人为控制、合作及自动操作

  信息搜集

  获取可用信息的能力对于有效的灭火作业至关重要。具体信息的价值主要取决于其准确性、完整性和可获取性。智慧灭火主要需要四种类型的信息源:基于社区的信息、建筑用户信息、建筑信息、消防员及其工具的相关信息。表2列出了一些有关智慧灭火的现有及新兴的信息源。目前这些信息是被独立搜集并分别处理,影响了信息的使用效果。

  表2. 现有及新兴的火灾有关信息源

来源

信息类型

消防员

  • 无线电

  • PASS警报

  • 热象仪

  • SCBA气瓶压力

  • 生理监视

  • 消防水带水流

  • 消防员定位

建筑

  • 楼层规划、防火墙等级、立管位置、建筑入口、室内楼梯间、升降梯、危险材料

  • 显示器

  • 一氧化碳报警器

  • 火灾警报

  • 活动/动作传感器

  • 灭火喷淋

  • 建筑信息模型

  • 监视器

  • 局部温度

  • 人员位置

火灾仪器

  • GPS路由、地图

  • 建筑预案

  • 最近的医院

  • 最近的消防栓

  • 设备的水压

  • 可靠性系统

  • 设备资源的使用

社区

  • 社区及区域资源

  • 电脑辅助调度

  • 详细的建筑规划(如楼梯、出口、公共设施、立管、结构等)

  • 天气信息

  • 交通信息

  • 救护车信息

  • 医院状态/信息

  • 社区公共设施(水压、电力)

  • 火灾损失记录、防火检查记录

  经处理的数据及可用信息

  数据须经过汇集、处理及整合后方能形成可用信息。表3给出了一些可用信息处理方式的示例。

  表3. 消防动态信息及知识需求

消防队角色

应急中的知识需求

事故指挥官

  • 火灾位置、规模、环境条件(可持续性)实时预报

  • 人员及遇难者位置

  • 现有通风

  • 建筑状态/结构或局势可维持性发生重大转变时间的预测

  • 人员状态的自我报告(如被疏散、仍在建筑中等)

  • 形势战术建议

  • 现场人员、设备及资源任务与位置

  • 队员、遇难者和住户的健康状况

  • 可获取性/在途中的社区资源(其它部门、救护车/医院、警察)

  • 基于气体种类、温度状况、建筑是否倒塌等危险的建筑/火灾信息的危险/伤害预报

  • 当前及预测的天气

  • 城市公共设施状态与建筑公共设施控制

  • 非现场的基于社区的应急响应人员状态(消防部门、警察、救护车等)

  • 医院状态(人员、资源等)

安全员

  • 火灾位置、规模、环境条件(可维持性)实时预测

  • 人员的受伤预测:基于风险的生理数据&更换率

  • 建筑及火灾信息的受伤预测:气体种类、温度状态及建筑倒塌情况条件的风险

搜救小组

  • 火灾位置、规模、环境条件(可维持性)实时预测

  • 组员及遇难者位置

  • 优化的搜索位置清单

  • 回流预测

  • 预计的最近和替代出口

灭火小组

  • 火灾位置、规模、环境条件(可维持性)实时预测

  • 组员及遇难者位置

  • 水压、流速、管线长度、管线故障

  • 基于已扑灭区域的火灾随时间变化

  • 通过模拟对可能扩展的预测

  • 最优输出的建议策略

  • 预计出口路径

通风小组

  • 火灾位置、规模、环境条件(可维持性)实时预测

  • 组员及遇难者位置

  • 现有通风

  • 预期的通风结果

  • 建议的位置与通风类型

  • 被困人员的预计出口路径

  • 建筑完整性(如屋顶)

  传感器

  信息搜集这一复杂过程主要依赖传感器,所幸这一设备正在变得更强大、更普遍并且更廉价。现有的和新兴的传感器技术与已安装的建筑系统为智慧灭火提供了机会。新电子技术创造了不断增长的传感器环境,提供大量的有价值信息。建筑中传感器数量也会增加,提供环境条件和用户状态信息。消防员配备的传感器能够提供其位置、监视生理状态并感知周围环境。消防员个人装备(PPE)中的传感器以及设备和仪器,增加了探测和分辨暴露危险的可能性,并且可监视消防员水合作用、热应力和位置等信息。数据可以帮助消防员开展实时环境条件的评估,并采取行动减少相关风险。接受并普遍使用传感器的关键是采用常见的架构和标准。

  架构

  信息物理系统架构定义了系统组件与功能,从临时的到空间级别上的互动。目前还没有统一的能够在行业或领域内或之间开展合作,或共享的CPS参考架构。因此,智慧灭火系统与技术需要整体的结构设计。许多CPS的部署还由各自领域自行制定,相对碎片化,还没有展示出其真实广阔的潜力。对CPS的研究目前正处于框架制定,识别统一的或交叉的CPS架构要素的过程中。

  集成

  利用分析软件工具在架构层次内或跨层次开展传感器数据的整合将需要1)覆盖无限通信的标准化的网络协议;2)涵盖概念内容的标准化的语法和语义。目前已有一些无线标准。但仍存在一些有关其在火场中实效的问题。

  优化

  信息物理系统首次提供了系统性地监视火场具体战术实施的能力。由于建筑中的气体温度是实时追踪的,事故指挥官可监视灭火小组降低火灾强度的效果。基于火灾数据,事故指挥官能够获得更多的信息,决定对首批灭火小组是增派人手还是撤回。事故指挥官通过信息物理系统还能获得反馈,从而使火场作业得到改进。

  标准

  消防队也正在从传感器不断增加的环境中受益,获得了大量潜在有用的数据。新技术获得广泛使用并被接受的关键是标准化。标准化会以两种形式出现:性能和协议。性能标准决定传感器的功能及提供的数据。协议决定传感器与其它物理或电子设备及相关软件应用的集成。

  某场馆智慧灭火问题在NFPA标准规范范围内得到了解决。两部相关NFPA文件是NFPA 950 《消防队数据制定与交换标准》及NFPA 951 《数字信息的建立与利用指南》。NFPA 950 规定了危险响应机构和组织制定、管理及共享数据的框架。NFPA 951 规定了建立与整合信息和通信系统的要求,方便应急响应和全国备灾过程中的信息交换。

  美国电气制造商协会(NEMA)标准SB 30-2005《消防队显示与接口标准》通过制造商平台为消防队提供无线信息,实现设备的简便操作而无需专业培训。NEMA SB 30标准已被NFPA 72《火灾报警与信号规范》采用并包含其中。自此,该标准被撤销,重要的有效标准中出现了空缺。将建筑整合进入公共安全网络情况比较复杂,需要使用不同的网络标准协议。大量有关智慧灭火的标准仍有待解决,包括一些影响整个CPS的交叉领域问题:

  以标准格式传输标准数据集的安全方法

  供首批响应人员使用的标准化的信息,及标准建筑数据模型

  标准通信协议和用户界面

  软件和硬件的互操作性标准

  即插即用架构方便网络与物理组件的整合

  智慧灭火的早期演示

  信息增强的灭火

  2005年美国标准化与技术学会与Wilson消防救援部门进行了一次有关智慧灭火的演示。该演示的目标是在向模拟事件前进的路上向首批响应人员转播信息,从而增强决策能力。转播的信息来源于目标建筑中的三种传感器:感烟传感器、感温传感器和一氧化碳探测器。传感器数据被用于区域模型中,推测可能的未来走势,向首批响应人员的手提电脑传送信息(见图1):

  消防栓、建筑入口、室内楼梯间、电梯、危险材料的位置,以及建筑用途、结构

  火灾规模及其位置

  是否安装有水喷淋

  室内立管位置、防火墙等级、灭火与应急医疗设备的位置

  楼层规划及从传感器信号推测出的火灾危险,利用区域火灾模型表示是否正在发生轰燃,是否存在有毒/高温危险,<

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