基于大數(shù)據(jù)的火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)①

車 輝,邢慧芬,樊玉琦,鄭淑麗

1(湖州市 吳興區(qū) 織里鎮(zhèn)公共事業(yè)服務(wù)中心,湖州 313000)

2(巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院,合肥 238024)

3(合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院,合肥 230009)

在各種災(zāi)害中,火災(zāi)是威脅到公眾安全和社會發(fā)展的最主要災(zāi)害之一,它威脅著人們的健康、生命和財產(chǎn)安全.據(jù)初步統(tǒng)計,2018年全國共接報火災(zāi)23.7 萬起,造成1407 人死亡、798 人受傷、直接財產(chǎn)損失達(dá)36.75 億元[1].因此設(shè)計一種能夠及時探測火災(zāi)發(fā)生的智能預(yù)警系統(tǒng)就成為消防機構(gòu)和科技工作者迫切解決的問題.

傳統(tǒng)有線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是由多線制或總線制[2]構(gòu)成,但這種系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工布線困難,擴展性差和不易維護(hù)等缺點[3],因此限制了其應(yīng)用和發(fā)展.隨著新一代通信技術(shù)的發(fā)展,實現(xiàn)了火災(zāi)探測技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合,無線火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)也逐漸取代了有線系統(tǒng)[4,5].早期的無線系統(tǒng)利用GSM(Global System for Mobile communications,全球移動通信系統(tǒng))[6]進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但由于GSM 通信成本偏高,因此無法大規(guī)模的應(yīng)用;后來,系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采取了GSM與近距離通信技術(shù)相結(jié)合的方式,如GSM 與WiFi(Wireless-Fidelity,無線保真度)技術(shù)[7]相結(jié)合.這種設(shè)計雖然節(jié)省了成本,但終端設(shè)備功耗較大,因此應(yīng)用范圍依然受限.隨著LPWAN (Low-Power Wide-Area Network,低功耗廣域網(wǎng))[8]技術(shù)的快速發(fā)展,火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)形成了以NB-IoT (Narrow Band Internet of Things,窄帶物聯(lián)網(wǎng))[9]和LoRa (Long Range,遠(yuǎn)距離)[10]為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鞔?而LoRa 由于工作于非授權(quán)頻段(免費頻段),更適合局部專用網(wǎng)絡(luò)的部署,完全契合無線火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)的要求,為城市智慧消防提供了較優(yōu)的解決方案.

本文設(shè)計了一種基大數(shù)據(jù)的火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng),通過該系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi),還可以實時掌握火災(zāi)發(fā)生位置、樓層等關(guān)鍵信息.同時,通過該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)消防機構(gòu)、聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、維保企業(yè)、企業(yè)消防管理人員和個人的多級聯(lián)動,從而提高了火災(zāi)預(yù)防和監(jiān)管效率.應(yīng)用效果證明,該系統(tǒng)能夠有效降低火災(zāi)發(fā)生率,提高火災(zāi)救援效率和城市消防的服務(wù)水平.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)框架由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、城市消防數(shù)據(jù)中心和聯(lián)網(wǎng)用戶組成.其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視消防區(qū)域,并及時發(fā)出聲光報警;傳輸網(wǎng)絡(luò)是由城市消防專網(wǎng)或3G/4G 網(wǎng)絡(luò)組成,負(fù)責(zé)信息和控制信號的傳輸;城市消防數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)消防數(shù)據(jù)的安全存儲和管理,同時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析;聯(lián)網(wǎng)用戶則由消防機構(gòu)、聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、維保企業(yè)、企業(yè)消防管理人員和個人組成.火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示.

圖1 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)大數(shù)據(jù)管理平臺和消防數(shù)據(jù)中心組成,其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)火災(zāi)監(jiān)測和聲光報警;大數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計分析等功能;消防數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和安全管理等.

2.1 大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由無線光電感煙探測報警器、無線聲光報警器、無線手動報警器和無線智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成,并以無線智能網(wǎng)關(guān)為神經(jīng)中樞組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).其中智能網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備之間通過LoRa 協(xié)議進(jìn)行通信,而與云平臺之間的信息傳輸則通過3G/4G或Internet 網(wǎng)絡(luò).

2.2 大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計

火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)大數(shù)據(jù)管理平臺采用SOA(Service-Oriented Architecture,面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu))軟件架構(gòu),利用 B/S 模式對一級和二級管理機構(gòu)提供服務(wù)支持,使平臺更有可擴展性.管理平臺的主要功能包括終端系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)加工處理、告警分析、設(shè)備管理、消防樓層地圖、消防巡更管理、消防人員管理、消防報表和綜合分析評估功能.大數(shù)據(jù)管理平臺架構(gòu)如圖2所示.

圖2 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)大數(shù)據(jù)管理平臺

(1)數(shù)據(jù)處理模塊:為了提高火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的分析和查詢性能,數(shù)據(jù)庫按照分層的思想進(jìn)行建設(shè),即數(shù)據(jù)處理從臨時數(shù)據(jù)層到數(shù)據(jù)倉庫層、到數(shù)據(jù)集市層,最后到數(shù)據(jù)應(yīng)用層.

(2)告警分析模塊:為了使終端告警的處理延時最小,系統(tǒng)設(shè)計了兩個告警識別點,一是在剛收到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換層,二是在數(shù)據(jù)加工過程中.當(dāng)告警一旦識別出來,立即通過API (Application Programming Interface,應(yīng)用程序接口)通知受理中心服務(wù)模塊.通過告警分析模塊有效地降低了告警處理時延,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時間.

(3)報表系統(tǒng)模塊:主要功能包括對歷史年、月、日的信息進(jìn)行統(tǒng)計,比如報警次數(shù)、實時數(shù)據(jù)和異常情況等.同時綜合各種數(shù)據(jù)對消防區(qū)域安全指數(shù)進(jìn)行綜合評估,以供消防機構(gòu)和消防責(zé)任部門參考.

(4)設(shè)備管理模塊:主要功能包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備操作、設(shè)備升級和設(shè)備檢測.系統(tǒng)會自動顯示新接入設(shè)備的類型和設(shè)備ID,并可對新設(shè)備進(jìn)行位置標(biāo)注和描述.同時,通過安裝插件實現(xiàn)對同一類型設(shè)備的管理,比如設(shè)備升級、設(shè)備檢測等.設(shè)備檢測則是對系統(tǒng)插件監(jiān)測、巡更人員報告和維保人員檢測的結(jié)果進(jìn)行存儲和統(tǒng)計分析.

(5)巡更管理模塊:主要功能包括巡更點設(shè)置、上報巡更狀態(tài)、巡更查看和設(shè)備查看等.管理員通過系統(tǒng)對巡更位置和巡更頻率進(jìn)行設(shè)置,巡更人員在預(yù)設(shè)位置利用APP 掃二維碼后上報巡更狀態(tài)和有異常的設(shè)備.管理者則通過系統(tǒng)檢查巡更人員是否按照規(guī)定巡查.

(6)查崗管理模塊:主要包括自動查崗和人工查崗.自動查崗?fù)ㄟ^系統(tǒng)隨機發(fā)出查崗問詢,值班人員通過攝像頭進(jìn)行確認(rèn);人工查崗是管理員通過PC 和APP上的手動查崗功能確認(rèn)值班人員是否在崗.

(7)樓層地圖信息模塊:主要功能包括樓層地圖預(yù)處理模塊、底圖加載模塊、后臺地圖標(biāo)注模塊和離線地圖標(biāo)注模塊.樓層地圖采取標(biāo)準(zhǔn)電子地圖的格式進(jìn)行設(shè)計,通過該模塊實現(xiàn)了建筑物信息、室內(nèi)點位信息維護(hù).

(8)應(yīng)用API 模塊:該模塊通過一個負(fù)載均衡模

塊跨VPC (Virtual Private Cloud,虛擬私有云)和外網(wǎng),實現(xiàn)針對APP 用戶的非VPN (Virtual Private Networks,虛擬專用網(wǎng)絡(luò))接入,從而提高系統(tǒng)的安全性.

(9)權(quán)限管理:系統(tǒng)通過角色維度和區(qū)域維度來劃分不同的權(quán)限,并賦予不同的管理人員.系統(tǒng)可以分為消防管理人員、企業(yè)業(yè)主、企業(yè)員工、企業(yè)消防管理人員、社區(qū)消防管理人員等不同的角色.

2.3 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計

火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)具有告警響應(yīng)迅速、告警判斷準(zhǔn)確、系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)安全性高的特點.為了滿足應(yīng)用性能需求,系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了周全的設(shè)計.為了提高火災(zāi)告警的響應(yīng)速度和系統(tǒng)可靠性,系統(tǒng)采取了高并發(fā)異步網(wǎng)絡(luò)模型、負(fù)載均衡和分布式KV 存儲(Redis 集群).同時系統(tǒng)還采取了數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)分層思想,即把數(shù)據(jù)處理分為臨時存儲層(ODS)、數(shù)據(jù)倉庫層(PDW)、數(shù)據(jù)集市層(MID)、應(yīng)用層(APP)等4 層,從而提高數(shù)據(jù)庫性能.通過可擴展的告警分析引擎在系統(tǒng)設(shè)置的兩個不同的告警識別點對終端告警信息進(jìn)行判斷,從而增加系統(tǒng)告警判斷的準(zhǔn)確率.為了提高系統(tǒng)終端接入設(shè)備的兼容性,系統(tǒng)采取可擴展的協(xié)議轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)不同類型設(shè)備的接入.

消防網(wǎng)絡(luò)安全是保障系統(tǒng)正常運行的基石,為了提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全,系統(tǒng)在負(fù)載均衡端開啟DDos(Distributed Denial of service,分布式拒絕服務(wù))、應(yīng)用防火墻和EC (Express Connect,阿里云提供的低成本高速通道,用作地區(qū)間的數(shù)據(jù)安全高速互通)防護(hù),并與阿里云合作,采用阿里VPC 專網(wǎng)進(jìn)行通信,有效的保護(hù)后端服務(wù)避免攻擊.同時,在數(shù)據(jù)傳輸時利用VPN鏈路與非 VPN 鏈路混合訪問的方式提高系統(tǒng)的安全性.在數(shù)據(jù)完整性方面,系統(tǒng)采取了主網(wǎng)和異地災(zāi)備網(wǎng)兩個完全等價的鏡像設(shè)計,實現(xiàn)在阿里VPC 專網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和跨地域災(zāi)備.系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示.

3 告警大數(shù)據(jù)分析處理

消防安全關(guān)系到人的財產(chǎn)及生命安全,如何能夠更快、更準(zhǔn)確地識別出火災(zāi)隱患是火災(zāi)預(yù)防系統(tǒng)的關(guān)鍵.本系統(tǒng)為了提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性,在終端和數(shù)據(jù)層分別設(shè)了火災(zāi)識別點.在終端層,在智能網(wǎng)關(guān)中設(shè)定火災(zāi)信息閾值,當(dāng)數(shù)據(jù)高于這一閾值時,智能網(wǎng)關(guān)會啟動報警裝置,并同時把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心.在數(shù)據(jù)層,系統(tǒng)結(jié)合歷史數(shù)據(jù),對多個終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理,并根據(jù)分析的結(jié)果生成告警信息,從而提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性.數(shù)據(jù)層告警分析模塊是通過插件化設(shè)計,從而進(jìn)行告警信息的分析處理.數(shù)據(jù)層告警分析插件接口如下:

{

var data_type;//告警源數(shù)據(jù)類型

function fire_warn_check(obj_id);//告警分析邏輯

}

數(shù)據(jù)層告警信息處理判斷流程如圖4所示.

4 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)性能分析

表1給出了市場上常見的幾種火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的性能對比.其中標(biāo)“*”選項是系統(tǒng)相應(yīng)傳輸協(xié)議的理論技術(shù)參數(shù),無標(biāo)注選項是終端設(shè)備實際測量的結(jié)果(不同企業(yè)設(shè)計的系統(tǒng)雖然采取同一通信協(xié)議,但數(shù)據(jù)會略有不同).

無線火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用受到系統(tǒng)成本、通信距離和系統(tǒng)功耗的限制.通過表1可以看出GSM、GSM+WiFi 和NB-IoT 由于工作在授權(quán)頻段,其通信成本偏高,而且在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村無法使用.并且基于GSM 通信方式的系統(tǒng)由于功耗較大,電池的壽命較短,因此限制了系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展.雖然NB-IoT 的同步協(xié)議較之蜂窩的同步次數(shù)有所減少,但需要定時聯(lián)網(wǎng),并且NB-IoT 的峰值電流和休眠電流是LoRa 的數(shù)倍,自然功耗要高于LoRa[11].而且NB-IoT 也存在GSM 系統(tǒng)同樣的問題,因此使用的范圍受到一定的限制.總體來說,基于LoRa 應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完全契合了無線火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)的要求,為城市智慧消防提供了完美的解決方案.

圖3 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖4 數(shù)據(jù)層系統(tǒng)告警識別流程

表1 多種火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)性能對比

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

在應(yīng)用中,系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、火災(zāi)消防物聯(lián)網(wǎng)平臺對消防數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和分析,實現(xiàn)了火災(zāi)早期的監(jiān)測和預(yù)防處理.通過該系統(tǒng),消防部門可掌握轄區(qū)內(nèi)消防設(shè)施運行情況,消防聯(lián)網(wǎng)企業(yè)可查閱和維護(hù)本單位消防設(shè)施運行情況,個人則能夠掌握火災(zāi)信息,實現(xiàn)及時逃生,維保單位也可定位故障設(shè)備所處位置,及時進(jìn)行維修保養(yǎng).可以說通過該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)管機構(gòu)、企業(yè)、個人聯(lián)系起來,實現(xiàn)了城市消防的多級聯(lián)動.某單位火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)墻如圖5所示.

此外,系統(tǒng)的報表系統(tǒng)模塊對終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,并生成報表.如按照日、周、月、年對各類告警、誤報、故障、成災(zāi)等信息的統(tǒng)計分析生成報表.同時為了能夠更加直觀的展示城市消防狀態(tài),系統(tǒng)還開發(fā)了直觀展示頁面.通過該頁面不但能夠了解歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計圖標(biāo)、消防地圖等靜態(tài)數(shù)據(jù),還可以實時掌握告警信息位置、告警類型等,從而為消防預(yù)警提供更加直觀的展示畫面.某單位火警、故障、成災(zāi)和巡檢的趨勢圖如圖6所示.

圖5 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)墻

圖6 火警、故障、成災(zāi)和巡檢的趨勢圖

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于大數(shù)據(jù)的火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng),并對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端、大數(shù)據(jù)平臺和數(shù)據(jù)中心架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,并對系統(tǒng)進(jìn)行了實現(xiàn).通過與其他系統(tǒng)對比分析可知,該系統(tǒng)完全契合了城市火災(zāi)消防預(yù)警的需求,為城市智慧消防提供了較優(yōu)的解決方案.實際應(yīng)用證明,該系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi),實時掌握火災(zāi)發(fā)生位置、樓層等關(guān)鍵信息,還可以實現(xiàn)消防機構(gòu)、聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、維保企業(yè)和個人的多級聯(lián)動,從而有效降低火災(zāi)發(fā)生率,提高了城市火災(zāi)救援效率和城市消防服務(wù)管理水平.目前,該系統(tǒng)已經(jīng)得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用.