智慧消防技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展研究

第一章緒論1.1概述我國最普遍且破壞力最嚴(yán)重的主要災(zāi)害之一是火災(zāi)，火災(zāi)不僅會(huì)威脅公眾安全、造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成社會(huì)秩序混亂、破壞生態(tài)平衡造成造成，影響社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步和城市化的迅猛發(fā)展，各式各樣的高層、地下以及大型綜合性建筑越來越多，隨之而來的是處處隱藏的火災(zāi)隱患導(dǎo)致數(shù)量不斷上升的火災(zāi)災(zāi)害及相應(yīng)的損失。毫無疑問，在火災(zāi)發(fā)生早期時(shí)就能快速、精確地探測到相關(guān)的火災(zāi)信息實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間對(duì)火情的判斷是火災(zāi)救援急需解決的問題之一。1.2研究背景目前，相繼出現(xiàn)的傳感網(wǎng)、系統(tǒng)集成以及通信傳輸?shù)燃夹g(shù)共同推進(jìn)了傳統(tǒng)的火災(zāi)探測技術(shù)不斷地發(fā)展創(chuàng)新。高新技術(shù)的運(yùn)用，使得在火災(zāi)探測技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的火災(zāi)探測系統(tǒng)得以滿足其應(yīng)用需求、擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域、提高其實(shí)際性能。例如，采用軟件控制探測器的功能決定權(quán)，可以無需考慮傳感器件本身的硬性設(shè)置和外界環(huán)境的干擾實(shí)現(xiàn)火災(zāi)智能判斷。但是，目前的火災(zāi)探測已不滿足于對(duì)已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警，而是需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境中可能存在的火災(zāi)隱患并提前報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)超早期、高效能的火災(zāi)探測。智慧消防落地最基礎(chǔ)、最、、簡單的，就是應(yīng)用在高層建筑、九小場所、文物古建、大學(xué)院校、商業(yè)綜合體、衛(wèi)生醫(yī)療以及工業(yè)園區(qū)等場所。這些場所和人民的生活息息相關(guān)，但是由于各種原因，且人員密集，且用戶安全意識(shí)薄弱，所以存在了嚴(yán)重的安全隱患，因此相關(guān)部門對(duì)這些場所的消防安全非常重視。這類場景智慧消防應(yīng)用，主要是發(fā)揮預(yù)警和監(jiān)測功能。一方面，是購買和安裝智能終端產(chǎn)品，包括火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、無線煙感、電氣火災(zāi)監(jiān)控、消防通道監(jiān)控、消防設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)控等系統(tǒng)終端。另一方面，是搭建采集場所煙感、用電信息的平臺(tái)應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)接收監(jiān)測和預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)火警上報(bào)和處理。相對(duì)來說，這個(gè)級(jí)別的智慧消防解決方案進(jìn)入門檻較低，從事企業(yè)主要為中小型消防企業(yè)和一些物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN）技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)WSN技術(shù)同樣適用于火災(zāi)探測系統(tǒng)。例如，傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)考慮到接線復(fù)雜、費(fèi)時(shí)的問題通常需要放棄遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)部署，而采用WSN技術(shù)可以完全避免接線所帶來的困擾，同時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)也隨之變得更清晰明了了。然而，WSN不像常規(guī)型網(wǎng)絡(luò)，其在包括傳輸和網(wǎng)絡(luò)等很多方面都受到限制，其次，在使用無線傳感網(wǎng)進(jìn)行消防預(yù)警和火災(zāi)探測這類大規(guī)模災(zāi)害時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中包含有大量沒有用的冗余數(shù)據(jù)。如何解決網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余數(shù)據(jù)和無線傳感網(wǎng)多方面受限這對(duì)矛盾體以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測就是需要重要解決的問題之一。因此，我們選擇采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，運(yùn)用設(shè)定設(shè)定的算法融合對(duì)輸入的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和分析、相互關(guān)聯(lián)以及適度去冗，提高多種數(shù)據(jù)的有效性。1.3研究意義國內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)融合這一概念的認(rèn)識(shí)和研究是由一套完全自我研究構(gòu)建的聲吶信息采集系統(tǒng)所引發(fā)。相對(duì)來說，我國數(shù)據(jù)融合技術(shù)還是屬于初級(jí)的發(fā)展階段，迫切與要在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上進(jìn)行開展性研究，雖然研究進(jìn)程緩慢，但從國外較為成熟的融合技術(shù)研究理論和技術(shù)應(yīng)用中獲得和發(fā)展出對(duì)自己有用的技術(shù)，盡可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、探測技術(shù)和移動(dòng)跟蹤等眾多相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展、理論創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用。目前我國依據(jù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)結(jié)合其它相關(guān)技術(shù)已完成部分探測系統(tǒng)的成功構(gòu)建，但僅能融合處理統(tǒng)一類型信號(hào)?，F(xiàn)階段，我國政府大力支持融合領(lǐng)域的研究工作，提供了大量經(jīng)濟(jì)投資和資金渠道，保證了該研究領(lǐng)域充沛的資源享受，促使國內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)單位以及高校都積極投身融合技術(shù)領(lǐng)域的分析探究工作中，獲得了大量融合理論技術(shù)新成果，但大部分研究成果中還是僅限于知識(shí)分析和理論探討，距離實(shí)際得應(yīng)用還有一定的差距。研究能在一定范圍內(nèi)充實(shí)理論。第二章智慧消防技術(shù)的理論概述需求分析屬于任何系統(tǒng)開發(fā)流程必不可少的重要一步，通過對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行研究分析，明確整體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，并據(jù)此完成系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)搭建和上層模塊構(gòu)建。本章節(jié)最開始從多個(gè)方面對(duì)火災(zāi)探測技術(shù)進(jìn)行分析，繼而提出系統(tǒng)整體目標(biāo)、識(shí)別對(duì)象的特征以及常見識(shí)別步驟，并對(duì)開展的消防預(yù)警系統(tǒng)展開全方位的立體探索，最終對(duì)本系統(tǒng)的研究進(jìn)行了可行性分析。2.1火災(zāi)探測技術(shù)分析火災(zāi)探測流程主要包含火災(zāi)信息特征提取、火災(zāi)信息預(yù)處理、火災(zāi)信息采集與處理這三個(gè)過程。其中，火災(zāi)信息預(yù)處理是影響火災(zāi)識(shí)成功率的關(guān)鍵因素之一。因?yàn)椋绻诂F(xiàn)實(shí)中采集數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和環(huán)境的干擾因素將影響收集的火災(zāi)數(shù)據(jù)的失真情況，決定火災(zāi)探測的結(jié)論準(zhǔn)確率。為此，人們通過各種辦法對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行預(yù)處理去還原火災(zāi)的真實(shí)情況，保證系統(tǒng)最終結(jié)論的正確率。同時(shí)，合適地選取特征進(jìn)行特征處理是該技術(shù)中的關(guān)鍵部分之一，并且特征融合算法的各項(xiàng)性能將直接影響火災(zāi)探測系統(tǒng)的整體表現(xiàn)。火災(zāi)過程中除了溫度的變化，光、火焰等其它信號(hào)，還伴隨著多種燃燒產(chǎn)物，存在大量的火災(zāi)信息。一般人們往往會(huì)依據(jù)不一樣的場景和也許會(huì)發(fā)生的火災(zāi)的特點(diǎn)，僅采用適當(dāng)?shù)幕馂?zāi)探測器去監(jiān)測相關(guān)的火災(zāi)數(shù)據(jù)參量，本文中所采集的相關(guān)火災(zāi)參量包括：（1）煙霧火災(zāi)發(fā)生過程中的煙霧主要是由于物質(zhì)燃燒時(shí)經(jīng)過高溫火焰作用發(fā)生分解現(xiàn)象而產(chǎn)生，煙霧雖然處于漂浮狀態(tài)，但實(shí)際上屬于固態(tài)產(chǎn)物，它是由各種類型微粒密集形成。絕大部分火災(zāi)災(zāi)害現(xiàn)場都是最開始發(fā)生煙霧特征，可以說煙霧是體現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生過程的關(guān)鍵特征之一，所以研究設(shè)計(jì)的消防預(yù)警系統(tǒng)也能夠把煙霧納入到獲取的信息中去。（2）溫度任何物質(zhì)燃燒時(shí)都會(huì)使周圍的溫度變得越來越高，那么為了檢測火災(zāi)是否發(fā)生可以通過判斷溫度是否升到設(shè)置的閾值或溫升的速率是否等于特定值，尤其在明火情況下，溫度的上升溫度可以說是非常突出的。所以設(shè)計(jì)開發(fā)的消防預(yù)警模型能夠把溫度添加到獲取的信息中去。2.2火災(zāi)探測中信息融合一般來說，消防預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)過火情監(jiān)測分析判斷、火情監(jiān)測、環(huán)境部署以及發(fā)出火災(zāi)警報(bào)等一系列步驟之后，最終獲得的火災(zāi)報(bào)警正確率能夠反映出該系統(tǒng)的實(shí)際功能表現(xiàn)。如果火情判斷過程發(fā)生錯(cuò)誤報(bào)警和災(zāi)情遺漏將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)性能的判定，同時(shí)也是研究火災(zāi)探測技術(shù)過程中必須時(shí)刻考慮和盡可能解決的問題之一。根據(jù)引起火災(zāi)的質(zhì)種類、燃燒源、燃燒量、覆蓋范圍等因素，火災(zāi)災(zāi)害具有特征各異的特性。對(duì)于這些種類各異的火災(zāi)災(zāi)害而言，物質(zhì)燃燒過程中表現(xiàn)出來的一氧化碳、溫度、煙霧等火災(zāi)信息指標(biāo)也會(huì)有很大差異，所以僅僅依靠單個(gè)火災(zāi)信息參數(shù)的選取和分析判斷難以探測出不同種類的火災(zāi)災(zāi)害。傳統(tǒng)類型的災(zāi)害消防系統(tǒng)多是采用單個(gè)傳感器探測火災(zāi)信息，因此沒法有效地區(qū)分初始階段的探測信息和香煙煙霧、炒菜煙霧和尾氣煙霧等其它類干擾性煙霧，表明單個(gè)傳感器存在多功能化不足，同時(shí)其也是造成火災(zāi)錯(cuò)誤識(shí)別的主要因素之一。絕大部分消防系統(tǒng)采用的火災(zāi)分析、判斷、決策方法的過程都是十分繁瑣和抽象的，除了難以探測出不同種類的火災(zāi)災(zāi)害類型和可能存在的錯(cuò)誤警報(bào)情況之外，系統(tǒng)中需要處理的火災(zāi)信號(hào)量也會(huì)有明顯的冗余現(xiàn)象。為此，Zhangzhen-jiang等人提出了一種基于信息融合的減少傳輸數(shù)據(jù)量的機(jī)制。在多傳感器組成的前端探測模塊和火災(zāi)探測融合技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上構(gòu)建出有效的消防預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測、采集、傳輸環(huán)境中的火災(zāi)信息量，對(duì)獲取的信息量建立融合模型并實(shí)現(xiàn)特征分析判斷，最終獲得滿足實(shí)際需求、正確率高的探測結(jié)果，完成對(duì)多種類型的火災(zāi)災(zāi)情的識(shí)別判斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)的報(bào)警功能。2.3智慧消防關(guān)鍵技術(shù)第一點(diǎn)，機(jī)器智能和學(xué)習(xí)的前提是有大量的數(shù)據(jù)，消防行業(yè)也是如此是如此的，也需要擁有大大量的消防大數(shù)據(jù)資源，即包括消防外圍的數(shù)據(jù)，也包括消防內(nèi)部的數(shù)據(jù)。第二點(diǎn)第二點(diǎn)，原始原始收集的數(shù)據(jù)都是從各種地方收上來的，是雜亂無章的、原始的、未加工的，彼此之間是獨(dú)立的。只有把這些數(shù)據(jù)融合在一起，最終將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模，從中挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值才是最重要的。城市消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，需要各個(gè)子系統(tǒng)互相配合協(xié)作。消防應(yīng)用場景的不斷豐富，新的城市物聯(lián)網(wǎng)消防解決方案、新產(chǎn)品將層出不窮。為快速完成物聯(lián)網(wǎng)“連接”這一目標(biāo)，消防企業(yè)將更加有意識(shí)地完善自身產(chǎn)業(yè)版圖，更多的發(fā)力端到端的解決方案，提供完善、一站式、便捷服務(wù)。智慧消防云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與互通，企業(yè)單位、消防部門等不同的用戶可以根據(jù)自己的需求，開發(fā)不同的衍生應(yīng)用與平臺(tái)。隨著智慧消防建設(shè)的不斷深入，越來越多的消防設(shè)備及消防系統(tǒng)被接入智慧消防系統(tǒng)，云平臺(tái)是智慧消防系統(tǒng)必不可少的組成部分。5G新技術(shù)的到來給“智慧消防”進(jìn)程帶來怎么樣的變化與影響？其一：5G可以使無人機(jī)更加精準(zhǔn)的偵察。無人機(jī)作為空中機(jī)器人，面對(duì)現(xiàn)在大量的高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場，能夠?qū)崿F(xiàn)高空實(shí)時(shí)偵察，獲取第一時(shí)間的現(xiàn)場數(shù)據(jù),而無人機(jī)航拍多路高清圖像實(shí)時(shí)回傳、對(duì)帶寬要求較高：上行帶寬>40Mbps，而4G上行帶寬最多只有15Mbps，無法滿足圖像實(shí)時(shí)回傳的帶寬要求。另一方面，傳統(tǒng)4G基站垂直面覆蓋有限（無人機(jī)飛行高度大于100米時(shí)，容易失聯(lián)），5G大規(guī)模無線（MassiveMIMO）技術(shù)，可在垂直維度空間更好的利用，提供300米低空的良好覆蓋，使得無人機(jī)的飛行更加安全可靠。其二：5G可以更加靈活得遠(yuǎn)程指揮調(diào)度。隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速增長，為了更大限度的保護(hù)消防員的安全問題，引入了“機(jī)器換人”“遠(yuǎn)程滅火”理念，而遠(yuǎn)程遙控消防車、機(jī)器人、AR實(shí)時(shí)指揮的一系列操作都依賴于5G的低時(shí)延特性（端到端時(shí)延20ms以內(nèi)）。利用5G的大流量特性，海量攝像頭通過視頻識(shí)別技術(shù)獲的消防機(jī)器人附近情況，有利于快速數(shù)據(jù)分析并動(dòng)態(tài)調(diào)整行進(jìn)路線，準(zhǔn)確執(zhí)行噴淋、噴霧等滅火操作，提高操作的準(zhǔn)確性、及時(shí)性。第三章智慧消防預(yù)警系統(tǒng)3.1設(shè)計(jì)原則a.系統(tǒng)一致性和完整性原則：一致性指本文系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、編碼、傳輸要具有一致性的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，代碼可讀性強(qiáng)，保證設(shè)計(jì)流程規(guī)范合理、系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，完整性是指各個(gè)模塊組成的統(tǒng)一整體構(gòu)成系統(tǒng)，功能盡可能的完善。b.系統(tǒng)靈活性和適用性原則：本文系統(tǒng)雖然是為特定環(huán)境設(shè)計(jì)，但是需要適應(yīng)環(huán)境不斷變化，完善系統(tǒng)的功能。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)最大化資源利用率和設(shè)計(jì)優(yōu)化能力，方案中還需考慮到系統(tǒng)的軟硬件填充擴(kuò)展的功能特征，靈活性和適用性表明系統(tǒng)能夠被修改完善和維護(hù)的難易程度。3.2設(shè)計(jì)目標(biāo)本文設(shè)計(jì)的智慧消防預(yù)警系統(tǒng)主要是將基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)用于無線傳感網(wǎng)，并結(jié)合火災(zāi)探測相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)數(shù)據(jù)的處理。主要涉及目標(biāo)有如下幾點(diǎn)：a.成本低、體積?。河捎诨馂?zāi)應(yīng)急預(yù)警場景多面臨復(fù)雜、不可預(yù)估的惡劣環(huán)境，需投放大量節(jié)點(diǎn)，以保證節(jié)點(diǎn)存活率和網(wǎng)絡(luò)的順利建立。為了便于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)輸和安裝，節(jié)點(diǎn)體積越小越好。b.功耗低：無線傳感網(wǎng)中，在保證信息可靠的前提下做到減少能量消耗是非常重要的。由于節(jié)點(diǎn)用于火災(zāi)預(yù)警，節(jié)點(diǎn)需依靠自帶的電源模塊工作，而傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知、計(jì)算和通信的功能，相比較傳感和計(jì)算，通信會(huì)消耗很大一部分能量。因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格遵循低功耗要求，且節(jié)點(diǎn)間的無線傳輸方式也需要做能量優(yōu)化，盡可能減少節(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。c.預(yù)警迅速、準(zhǔn)確：通過將數(shù)據(jù)融合與無線傳感網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)探測算法流程，能夠迅速、準(zhǔn)確地探測到前期的火災(zāi)隱患，獲得相關(guān)火情的概率值，達(dá)到有效的預(yù)警效果?；跓o線傳感器網(wǎng)的智慧消防預(yù)警的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1智慧消防預(yù)警的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖可以看出，本系統(tǒng)首先由多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并在前端完成數(shù)據(jù)的分級(jí)融合處理，然后通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)組成無線傳感網(wǎng)即形成系統(tǒng)傳輸媒介，最后通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至上位機(jī)，在后端的應(yīng)用服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及火災(zāi)信息顯示。該智慧消防預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控目標(biāo)環(huán)境，有效分析火災(zāi)信息數(shù)據(jù)，從而達(dá)到及時(shí)消防預(yù)警的目的。圖3-2自動(dòng)式監(jiān)測模式圖3-3智能化預(yù)警模式從以上體現(xiàn)系統(tǒng)智慧化的兩個(gè)方面結(jié)合前述的總體設(shè)計(jì)方案可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的智慧消防預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用了無線傳感網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)融合算法，最大程度上發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)是典型的自給自足的網(wǎng)絡(luò)，基礎(chǔ)設(shè)施簡單，易于構(gòu)建，方便系統(tǒng)的整體搭建實(shí)施；傳感節(jié)點(diǎn)可以方便地部署在任何角落，同時(shí)采集、傳輸多種火災(zāi)信息，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)災(zāi)害的多指標(biāo)探測目的；系統(tǒng)采用的智慧火災(zāi)探測算法能夠有效融合感知數(shù)據(jù)，達(dá)到火災(zāi)自動(dòng)識(shí)別的效果。因此，本系統(tǒng)具有易部署、多指標(biāo)、實(shí)時(shí)監(jiān)測、有效識(shí)別等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了智慧消防預(yù)警。3.3智慧消防落地案例傳統(tǒng)的煙感等報(bào)警器穩(wěn)定性、可靠性比較差，且誤報(bào)率較高，隨著可視化在消防領(lǐng)域的應(yīng)用，在煙感探測器上裝集成攝像頭，或“火眼”等產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)，報(bào)警信息結(jié)合可視化必然是未來發(fā)展的方向?！盎鹧邸苯y(tǒng)采用獨(dú)創(chuàng)的具有先進(jìn)算法的計(jì)算機(jī)圖像模式識(shí)別技術(shù)，充分利用已經(jīng)安裝的監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)實(shí)時(shí)探測監(jiān)控區(qū)域內(nèi)可能產(chǎn)生的火焰和煙霧，并發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。大華、?？低暤纫砸曨l為核心的物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商加入到智慧消防的建設(shè)中來，將進(jìn)一步推進(jìn)智慧消防可視化的發(fā)展。第四章智慧消防數(shù)據(jù)的收集與應(yīng)用4.1物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)收集與儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息由于智慧消防預(yù)警系統(tǒng)適用于火災(zāi)應(yīng)急救援環(huán)境，應(yīng)急救援環(huán)境下，缺乏電力、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，而WIFI在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)也可以方便的進(jìn)行部署，且相對(duì)于目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，例如Zigbee、BLE、3G/4G等，WIFI在傳輸速度、部署成本、兼容性等各方面具有較為均衡的優(yōu)勢，且目前常用的終端設(shè)備例如筆記本電腦、智能手機(jī)都可以方便的與WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接獲取數(shù)據(jù)。目前，主流的無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)主要有WIFI，Zigbee，BLE，4G等，對(duì)該幾種主流無線通信標(biāo)準(zhǔn)的比較如表4-1：圖4-1主流無線通信標(biāo)準(zhǔn)比較在使用套接字技術(shù)進(jìn)行通信時(shí)，通信雙方首先要建立socket通信鏈路。具體過程為服務(wù)器端應(yīng)先通過初始化數(shù)據(jù)流套接字并綁定本地IP和端口號(hào)來創(chuàng)建socket套接字，然后開始監(jiān)聽以及設(shè)置允許接入客戶端的個(gè)數(shù)，對(duì)于多個(gè)客戶端同時(shí)發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)的并發(fā)場景時(shí)，對(duì)于每一個(gè)客戶端的獨(dú)立的請(qǐng)求線程，我們需要建立并發(fā)服務(wù)器去處理，同時(shí)接收各個(gè)客戶端傳輸過來的數(shù)據(jù)信息。在客戶端也要先創(chuàng)建套接字，通過服務(wù)器IP和端口的綁定來完成。4.2大數(shù)據(jù)技術(shù)處理智慧消防數(shù)據(jù)對(duì)于消防預(yù)警系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)融合處理模塊是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，此模塊中涉及的融合處理算法負(fù)責(zé)對(duì)接收到的火災(zāi)原始信息數(shù)據(jù)提取特征量并進(jìn)行綜合性融合，最終獲得想要的目標(biāo)融合結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的智慧消防預(yù)警系統(tǒng)選擇了人工智能算法中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，該算法的核心技術(shù)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的智能化修正能力，根據(jù)已有的大量訓(xùn)練樣本不斷修正網(wǎng)絡(luò)自身的權(quán)值，獲得性能最佳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型?；赪SN的智慧火災(zāi)探測算法結(jié)構(gòu)圖4-3所示，圖中看出處理過程需兩層：圖4-3基于WSN的智慧火災(zāi)探測算法整體框架圖在火災(zāi)探測系統(tǒng)中，無線傳感網(wǎng)里有多種傳感器來完成對(duì)監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集工作，那么采用哪些火災(zāi)特征量和采用多少火災(zāi)特征量作為系統(tǒng)探測量都是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成功探測火災(zāi)的關(guān)鍵性因子。如果獲取的信號(hào)量太少，后續(xù)的數(shù)據(jù)級(jí)和特征級(jí)處理工作就沒辦法有效開展，影響最終的系統(tǒng)識(shí)別效果；反之火災(zāi)特征量太多，雖然有助于探測器的靈敏度提升，但是需要承擔(dān)算法復(fù)雜度提高的代價(jià)。一般來說，正常環(huán)境中的CO含量極低，只有發(fā)生火災(zāi)時(shí)才會(huì)釋放出CO氣體，此時(shí)空氣中的CO含量會(huì)迅速增加。由此可得出結(jié)論，通過對(duì)空氣中的CO含量提取分析能夠判斷火災(zāi)是否真的發(fā)生，另外，火災(zāi)發(fā)生工作中釋放CO的同時(shí)也往往存在溫度、煙霧濃度升高的現(xiàn)象。所以本文的設(shè)計(jì)方案決定依靠CO濃度、溫度和煙霧濃度在空氣中的含量變化監(jiān)測實(shí)現(xiàn)火情探測識(shí)別的目的。4.3云計(jì)算技術(shù)集成智慧消防數(shù)據(jù)根據(jù)一些文獻(xiàn)資料所述，采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常需要經(jīng)過5000-10000步左右才能滿足目標(biāo)誤差需求，訓(xùn)練過程十分緩慢，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)進(jìn)程。相比較而言，下圖反應(yīng)了運(yùn)用本文提出的附加動(dòng)量項(xiàng)的BP算法進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，僅經(jīng)過970步之后誤差就已經(jīng)收斂到期望誤差了，其誤差為：在允許的誤差范圍內(nèi)。即該網(wǎng)絡(luò)具有較好的收斂特性、耗時(shí)少，能夠迅速完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的自我訓(xùn)練過程，而且在多次的仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)附加動(dòng)量項(xiàng)的BP算法穩(wěn)定，幾乎不會(huì)陷入局部極小或發(fā)生振蕩。除此之外，綜合數(shù)據(jù)的誤差在合理要求內(nèi)，因此可以滿足火災(zāi)探測的及時(shí)性、準(zhǔn)確性等應(yīng)用需求。4.4智慧消防的應(yīng)用案例隨著房地產(chǎn)建設(shè)和營銷渠道的多元化以及小區(qū)人口的增加，社區(qū)火災(zāi)的概率也逐漸增加。（2019年初，上海、武漢等城市均出臺(tái)文件，鼓勵(lì)在有條件的小區(qū)加裝水、電、氣、煙感、溫感等數(shù)據(jù)采集感知設(shè)備，將采集的信息上傳至公安云，并在一些區(qū)域做智能安防的試點(diǎn)建設(shè)。）而原來物業(yè)掌握的消防管理制度已無法滿足消防工作的需求,此時(shí)需引入“智慧消防”作為物業(yè)管理的一種輔助手段，解決日常消防管理的突出問題，構(gòu)建立體化火災(zāi)防控體系。智慧消防是在不影響原有的消防體系使用的前提下，應(yīng)用NFC、4G/5G、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，將小區(qū)各個(gè)消控中心獨(dú)立運(yùn)行的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)小區(qū)的集中管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控；以武漢某智慧社區(qū)為例，該社區(qū)在智慧化建設(shè)過程中，融入了智慧消防、能源監(jiān)控等內(nèi)容。在小區(qū)重要場所(如出租屋、孤寡老人等）安裝智能煙霧探測器，消防建筑用水安裝壓力傳感器，將這些消防系統(tǒng)、設(shè)施的報(bào)警、故障等信息實(shí)時(shí)傳送給小區(qū)平臺(tái)，管理人員根據(jù)報(bào)警信息、地圖點(diǎn)位及視頻信息進(jìn)行監(jiān)控管理。平臺(tái)可以獲取設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度、電池使用情況，為后續(xù)的管理、運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支持。智慧社區(qū)平臺(tái)融合視頻等安防數(shù)據(jù)、消防數(shù)據(jù)，為社區(qū)的平安、便捷提供助力。第五章智慧消防技術(shù)的發(fā)展5.1火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測和監(jiān)管的“智慧化”整個(gè)系統(tǒng)中最重要的傳感節(jié)點(diǎn)采用模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、供電模塊構(gòu)成。其中，火災(zāi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)合使用了DHT22溫濕度傳感器、ALIM8812煙霧傳感器以及MQ-2氣體傳感器，數(shù)據(jù)融合處理模塊采用樹莓派3B開發(fā)板自帶的BroadcomBCM2837處理器，無線傳輸模塊采用樹莓派自帶的BCM43143WIFI模塊。系統(tǒng)中用到的傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示：圖5-1傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)物照片為了確保消防預(yù)警系統(tǒng)良好的功能表現(xiàn)同時(shí)為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中不足的地方或者沒考慮到的研究點(diǎn)，需要分別從系統(tǒng)功能和系統(tǒng)性能兩個(gè)方面對(duì)整個(gè)原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合測試，系統(tǒng)測試過程中使用的測試平臺(tái)、操作系統(tǒng)、編譯環(huán)境等軟硬件部署環(huán)境如下：（1）硬件測試平臺(tái)：RaspberryPi3代B型開發(fā)板（2）軟件測試平臺(tái)：linux3.0.1、U-boot-1.3.4（3）前端采集設(shè)備：CMOSOV5647、MQ-2、DHT22、ALIM8812（4）融合算法：結(jié)合WSN和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智慧算法（5）交叉編譯環(huán)境：arm-linux-gcc-4.5.1、Ubuntu14.04（6）網(wǎng)絡(luò)通信傳輸：BCM43143WIFI模塊5.2大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用圖5-2云平臺(tái)大數(shù)據(jù)、信息化是我國重要的國家戰(zhàn)略。總書記在2018年兩院院士大會(huì)上的重要講話指出：“世界正在進(jìn)入以信息化產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期。我們要把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展的契機(jī)，以信息化、智能化為杠桿培育新動(dòng)能”。我一直都是災(zāi)害頻發(fā)的國家，為了防范化解重特大的安全風(fēng)險(xiǎn)，健全公共安全體系，整合優(yōu)化應(yīng)急力量和資源，推動(dòng)形成統(tǒng)一指揮、專常兼?zhèn)?、反?yīng)靈敏、上下聯(lián)動(dòng)、平戰(zhàn)結(jié)合的中國特色應(yīng)急管理體制，提高防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，確保人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定，2018年國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革調(diào)整，正式組建應(yīng)急管理部。應(yīng)急管理是我國治理體系和治理能力的重要組成部分。2019年的11月，總書記在主持中央政治局的第十九次學(xué)習(xí)的時(shí)候強(qiáng)調(diào)：“應(yīng)急管理是國家治理體系和治理能力的重要組成部分，要發(fā)揮我國應(yīng)急管理體系的特色和優(yōu)勢，借鑒國外應(yīng)急管理有益做法，積極推進(jìn)我國應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化”。應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化主要包括提高監(jiān)測預(yù)警能力、監(jiān)管執(zhí)法能力、輔助指揮決策能力、救援實(shí)戰(zhàn)能力和社會(huì)動(dòng)員能力。建設(shè)統(tǒng)一的全國應(yīng)急管理大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，形成應(yīng)急管理信息化體系的“智慧大腦”，通過機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)圖譜、深度學(xué)習(xí)等算法，利用模型工廠、應(yīng)用工廠和應(yīng)用超市等為上層的監(jiān)督管理、監(jiān)測預(yù)警、指揮救援、決策支持、政務(wù)管理5大業(yè)務(wù)域提供應(yīng)用服務(wù)能力，有力支撐常態(tài)、非常態(tài)下的事前、事發(fā)、事中、事后全過程業(yè)務(wù)開展；構(gòu)建統(tǒng)一的門戶，為各級(jí)各類用戶提供集成化的應(yīng)用服務(wù)入口。最終形成“1+5+5+1"的架構(gòu)設(shè)計(jì)，即：1個(gè)大平臺(tái)、5大業(yè)務(wù)域、5大集成門戶和1個(gè)應(yīng)用生態(tài)。1個(gè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)：利用模型工廠、應(yīng)用工廠和應(yīng)用超市提供服務(wù)；5大業(yè)務(wù)域：監(jiān)督管理、監(jiān)測預(yù)警、指揮救援、決策支持和政務(wù)管理；5大集成門戶：指揮信息網(wǎng)門戶、電子政務(wù)外網(wǎng)門戶、電子政務(wù)內(nèi)網(wǎng)門戶、應(yīng)急信息網(wǎng)門戶、互聯(lián)網(wǎng)政府門戶；1個(gè)應(yīng)用生態(tài)：應(yīng)急管理眾創(chuàng)眾智的應(yīng)用新生態(tài)。圖5-3遠(yuǎn)程監(jiān)測智慧消防云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的互通和共享，消防部門、企業(yè)單位等不同的用戶可以根據(jù)自己的需求，開發(fā)不同的衍生應(yīng)用與平臺(tái)。隨著智慧消防建設(shè)的不斷深入，越來越多的消防設(shè)備及消防系統(tǒng)被接入智慧消防系統(tǒng)，智慧消防安全服務(wù)云平臺(tái)是智慧消防系統(tǒng)必不可少的組成部分。數(shù)以億計(jì)的數(shù)據(jù)上傳到云端，這么大體量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，一定需要大公司來完成。阿里、騰訊、華為都在布局云產(chǎn)業(yè)，目的就是未來最大程度獲取數(shù)據(jù)連接，有了數(shù)據(jù)的用戶增長，就有了發(fā)展空間。作為現(xiàn)代科技前沿的綜合體現(xiàn)，VR藝術(shù)是通過人機(jī)界面對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互的一種新的藝術(shù)語言形式。對(duì)消防綜合數(shù)據(jù)信息進(jìn)行沉淀，包括火災(zāi)信息，人力信息設(shè)備信息，建筑信息，天氣信息等進(jìn)行綜合評(píng)估，以挖掘出消防模式下存在的非人為隱患進(jìn)行提前預(yù)防方案的建立。通過VR虛擬現(xiàn)實(shí)的軟硬件結(jié)合，提供多種消防數(shù)據(jù)展示，例如：數(shù)字化消防預(yù)案展示，火災(zāi)現(xiàn)場還原，全局滅火力量調(diào)控，消防逃生演習(xí)，消防設(shè)備使用。隨著虛擬與現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日趨成熟，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造VR消防體驗(yàn)場景，為消防訓(xùn)練提供可視化仿真訓(xùn)練平臺(tái)，體驗(yàn)者可以360°沉浸在虛擬世界中，進(jìn)而掌握扎實(shí)的自救和逃生技能。過去兩年，數(shù)字孿生已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界創(chuàng)新探索的重點(diǎn)領(lǐng)域。數(shù)字孿生要依托大量基礎(chǔ)性技術(shù)去構(gòu)建，包括傳感、測量、控制、數(shù)據(jù)集成、工業(yè)建模、數(shù)據(jù)科學(xué)、可視化等。數(shù)字孿生初步形成了由數(shù)字線程工具提供商、建模工具提供商和孿生模型提供商構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)體系。目前數(shù)字孿生的工程化應(yīng)用還處于早期階段。有少部分應(yīng)用可以達(dá)到模型自主診斷或預(yù)測的程度，數(shù)字孿生在交通、醫(yī)療、消防等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

結(jié)束語本文全面地介紹了基于自動(dòng)火災(zāi)探測的智慧消防預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括研究背景介紹、相關(guān)技術(shù)調(diào)研、系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、智慧火災(zāi)探測算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試等部分。并對(duì)火災(zāi)探測算法設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，在火災(zāi)數(shù)據(jù)融合處理環(huán)節(jié)提出了一種改進(jìn)的智慧型火災(zāi)探測算法，并對(duì)這種算法進(jìn)行了詳