基于物聯網和虛擬現實的滅火救援及訓練系統

馮寧等

摘 要：隨著我國經濟建設發展，如何提升城市消防質量備受關注，而利用物聯網相關技術對重點消防單位的實時監控已成為發展趨勢。提出一種基于物聯網和虛擬現實的滅火救援及訓練系統，基于Wi-Fi技術分為遠程監控和虛擬現實兩個模塊。傳感器采集數據并實時向監控管理中心傳送，結合虛擬現實成像技術構造監控單位的仿真環境。此系統為火災現場的指揮、部署提供全面合理的救援方案，并為后續消防隊員的消防訓練提供了仿真平臺和經驗分析。

關鍵詞：消防；物聯網；虛擬現實；無線傳感

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-04

0 引 言

目前我國所應用的火災自動報警系統基本上以區域火災自動報警系統、集中火災自動報警系統和控制中心火災自動報警系統為主。這些系統自成體系，火情發生時，這些報警系統均只在建筑現場作用。消防值班人員還需采用電話報警方式向城市“119”火警受理中心報告，而系統自身不能自動報告[1]。美國、澳大利亞等發達國家都已建立了重點單位消防遠程監控系統網絡，其中重點保護單位如醫院、幼兒園、老人院，或者一級防火單位如政府辦公樓、加油站、化工廠。人員密集區的火災報警系統直接與遠程消防監控中心聯網，并由全天值班的監控中心負責網絡管理和報警處置，直接與當地消防119 指揮中心報告，形成三方同時監管的模式。

目前，消防隊員在滅火過程中發生事故的主要原因是對火場情況的未知。外部指揮中心無法掌握室內火情和消防人員分布情況，無法做出全面部署，造成救援效率低、行動盲目，同時給消防隊員帶來巨大的安全隱患。當下，消防部隊對火災救援和搶險撲救的模擬訓練針對重點監控單位的特點，引入煙、熱訓練系統，提升環境針對性。但在訓練基地的構建上需耗費大量人力物力及場地保障，訓練準備時間長[2]。訓練過程中無法靈活地重現實際環境的變動，在某些危險場景下難以保障消防人員的人身安全，因此存在諸多局限。

1 系統概述

隨著物聯網與人機交互技術的完善，利用圖形圖像學進行模擬，已經成為軍事領域和工業界廣泛采用的新技術。虛擬現實是20世紀末興起的一種可創建、體驗和參與虛擬環境的計算機模擬技術，具有三大特征：沉浸感、想象性、交互性。它的基礎實現技術包括計算機圖形學、傳感與測量技術、人工智能、多媒體仿真等。這種技術可構造一個虛擬世界，使得用戶沉浸于其中[3]。對火災現場的虛擬構建能夠提高指揮中心對火情的全面掌握，使決策更具宏觀性。在后期消防訓練中可采用交互裝置（例如智能頭盔等），達到消防人員視聽、觸碰與實現的交互。與傳統方式相比，虛擬技術更逼真，交互性更強，給滅火救援指揮和訓練提供了新思路。因此，有必要展開這一方面的研究，研制基于物聯網和虛擬現實的滅火救援及訓練系統。

2 需求分析

根據上述分析，針對醫院、學校、化工廠、政府辦公樓等消防安全重點單位，需要開發一套的基于物聯網仿真的滅火救援模擬訓練系統。此系統具有火場遠程監控模擬成像功能，還為消防單位提供基于火場重現的仿真訓練。故為滿足兩大需求，該方案需配備以下具體功能[4]：

（1）數據采集功能

利用提前布置好的各種AP節點對傳感器數據進行實時監控和采集，傳感器主要針對其所處環境的溫度、煙霧濃度、有毒氣體等做出檢測。

（2）無線傳輸功能

接入WiFi的AP節點接收無線傳感器的檢測數據，AP將數據裝入特定數據結構中，并將其通過以太網發送至消防監控中心服務器。

（3）建筑物內火災場景模擬

虛擬現實顯示方案的實現，需要提前對實際的場地進行測繪，建立數據庫。采用3DMAX等軟件構建基本的場景素材。此外，根據監控信息周期性或實時地構建虛擬事故場景（例如煙霧、火苗等）。事故發生時三維事故場景將真實呈現給消防人員，達到交互作用。該功能是模擬訓練系統的一個基礎功能，即讓訓練人員在虛擬環境中定位，熟悉周邊環境，起到偵查建筑室內環境和火情的目的。

（4）門窗開關

根據火場環境及相應現實需求，由系統控制人員對門窗開關進行設置并映射到仿真場景當中。

（5）消防器材添加或移除[5]

在仿真訓練前對訓練場景初始化設置，由訓練人員或系統管理人員根據監控信息配置消防器件。作業過程中消防人員對消防器材進行操作，據此添加或移除需要的消防設備，例如滅火器、消防栓等。保證仿真場景應用過程中的實時響應和靈活變化，有利于對火情的假定并推測火災蔓延過程及范圍。對研究消防操作程度對滅火效果的影響有重要意義。

（6）使用滅火設備進行滅火

該功能是模擬訓練的主要訓練部分。主要包括選取滅火設備的適當選取和救援操作。此過程中訓練人員需根據現場情況定位最近距離的消防器材，并調整位置和姿勢進行滅火訓練。

（7）生成訓練過程視頻文件

將救援過程仿真視頻保存，以便作業重查和消防過程操作評定。對后繼救援指揮和訓練提供意見和建議。此視頻為消防人員仿真訓練提供基礎和平臺。

3 設計方案

3.1 總體流程

基于物聯網和虛擬現實的滅火救援及訓練系統。該系統包括兩部分：實時遠程監控模塊和虛擬仿真模塊。

監控模塊利用無線傳感器技術對信息進行采集和整理，通過WiFi無線通訊進行數據傳輸，從而實現對重點單位的消防環境的監控。有效地提高對城市消防安全工作的管理，此外后續功能的擴展僅需與現有相關監控和感知設備系統結合，無需額外投資，直接將擴展單元導入原有系統的接口即可。

虛擬仿真模塊實現模擬訓練的研究，主要是利用計算機模擬技術構建單純的仿真場景。系統將實時監控數據與虛擬現實技術結合，根據監控信息實時調整視圖操作、生成虛擬場景實現人機互動。

3.2 遠程監控模塊

如圖1所示為監控方案示意圖，整個系統由監管中心、通訊網絡、傳感器節點三大層次組成，如圖1所示。

3.2.1 數據采集

數據采集是本系統方案中基本功能，是系統處理數據的來源和控制基礎。本模塊通過溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、紅外傳感器等傳感器檢測裝置對監控對象進行實時地數據采集，將采集的模擬信號通過A/D轉換器轉換成數字信號，通過集成無線發送器發送傳感器數據[6]。數據采集過程如圖2所示。

圖1 消防安全重點單位遠程監控系統結構

圖2 數據采集系統框圖

所使用的無線傳感器以以下三種為例：

（1）溫度傳感器

基于1-Wire技術的溫度傳感器將溫度信號直接轉換成串行數字信號以供單片機處理，在單總線接口上掛接了多個傳感器，直接以一總線的數字方式傳輸現場溫度，方便地組成分布式多點測溫系統。1-Wire總線技術數字溫度傳感器成本低，應用系統可靠性高、傳輸距離遠。目前該技術已經成熟地應用于分布式測溫的火災報警系統中。

（2）煙霧傳感器

煙霧傳感器檢測周圍環境的煙霧濃度，將所檢測的實時數據利用無線發送模塊通過接入的AP節點發送至服務器，服務器將接收的數據進行存儲。

（3）WiFi攝像頭

在整個監控系統中，WiFi攝像頭起著不可取代的作用，它是唯一可以為監控中心的管理人員提供聯網內所有單位的實時畫面的器件。一旦發生災情，指揮人員就可通過攝像頭來目測災情大小并指導參與現場消防人員進行合理地搶險救災[7]。

作者以新鄉市某重點商場作為研究示例，并進行了現場測繪。圖3所示為被監控大樓某層檢測網絡分布和傳感器分布示意圖。

圖3 某重點企業大樓某層檢測網絡分布示意圖

3.2.2 傳輸模塊

無線傳感器實現數據采集和傳輸系統方案如圖4所示，采用基于WiFi的無線傳輸通信方式。目前WiFi技術發展成熟，該技術具有覆蓋范圍廣、有效距離長、傳輸速度快、可靠性高、工作效率高等優點，是物聯網中的重要技術之一。

傳輸模塊流程基本原理是：首先進行設備初始化配置，然后查詢、鏈接設備。在傳感器網絡中，每個傳感器節點都有一個固定IP和端口號，通過主節點進行傳輸，如若鏈接成功則接入節點；如若數據保持不變，則系統默認為休眠模式；如若數值超過設置閾值，則激活節點接收數據；判斷幀頭鏈路是否正確，本地地址是否有誤，若檢測無誤則通過以太網最終實現終端數據打包發送。

圖4 系統方案框架圖

3.2.3 數據處理與控制

數據處理與控制包括數據存儲、分析控制和遠程監控三部分。其中數據存儲部分主要由數據存儲器、GIS數據庫、實時通信服務器等組成，其主要功能是將傳感器節點采集的數據進行存儲和更新；分析控制部分有監控服務器、報警預警系統、PC以及遠程控制設備組成，負責對存儲區中的反饋數據進行BP神經網絡訓練，并實現管理人員的運算決策。此模塊確保所監控單位實現安全生產作業，及時處理火災情況保證工作人員生命和財產安全[8]。

3.3 虛擬現實呈現

現實呈現采用目前流行的虛擬現實技術實現。該方案主要包括兩部分：服務器和客戶端。其中，服務器負責管理建筑物室內場景素材庫和火災模擬數據，同時維護與客戶端的連接；客戶端負責終端場景顯示與實時更新，包括滅火救援動作的交互。客戶端將場景和火情變動信息傳送至服務器，與此同時，服務器反饋將系統狀態信息廣播給各客戶端[9]。系統框架如圖5所示。

圖5 虛擬現實顯示方案總體結構圖

而在虛擬環境構建中，可以采用常用的AutoCAD、3DMAX、瑪雅、粒子系統、OpenGL引擎等實現高質量的逼真3D效果的構建。在構建時，需要根據設備信息、實際的監控數據進行統一處理。虛擬現實部分的功能如圖6所示。

圖6 虛擬現實方案功能流程圖

舉例根據現場測繪，可得到下室內場景的效果，如圖7所示。一旦監控系統傳來現場信息異常，可根據采集的信息（例如溫度異常、煙霧異常），判定大概的火源區域，進而在虛擬顯示系統中，更新顯示效果，如圖8所示。

圖7 建筑物虛擬成像 圖8 火災效果模擬

其中，可利用3DMAX，對著火點和現場進行整體效果的繪制，如圖9所示。

圖9 火災現場整體3D效果

4 結 語

本系統利用物聯網技術實現對城市消防安全重點單位遠程監控管理和模擬訓練，該方案的關鍵之處在于對重點單位的消防信息進行實時采集并將數據進行高效的傳輸，并通過虛擬現實技術，對火災現場虛擬構建。本方案旨在為現場滅火救援提供全面整體的救援指揮信息，障消防人員自身安全、及時制定營救方案。基于虛擬顯示的滅火救援及訓練系統的實現大大提高指揮決策的準確性和消防工作效率，保障了救援中的人員安全。同時為后續消防部隊的訓練提供場景再現的平臺和訓練保障，為建立一個高效而可靠的消防體系提供了基礎。

參考文獻

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