超高層建筑火災監測預警平臺應用研究

陳躍光 袁狄平 況凱騫 段江忠 黨杰

摘要：針對目前超高層建筑火災防控普遍存在的消防安全管理不規范、消防設施未有效完全監控等問題，采用解釋結構模型法和考慮交叉影響的德爾菲法，建立超高層建筑新型消防安全風險評估模型;采用物聯網、云計算、大數據和人工智能等新興技術，構建融合新型消防安全風險評估模型的火災監測預警平臺。選取深圳某超高層建筑開展應用示范，測試結果表明：火警監測預警平臺安全可靠，可全面提升超高層建筑消防安全風險等級。

關鍵詞：火災防控;消防安全管理;消防設施;消防安全風險評估模型;火災監測預警平臺;超高層建筑

中圖分類號：X932? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）05-0012-05

超高層建筑的火災防控一直是公認的世界性難題，國內外眾多超高層建筑火災案例說明：一旦發生火災事故，火災蔓延快，人員疏散困難，消防救援隊伍難以開展有效的滅火救援，極易造成群死群傷、巨額經濟損失、社會恐慌等嚴重后果。

針對超高層建筑火災防控，國內學者開展了大量的研究。邵望定[1]基于系統工程原則并征求專家意見，建立高層建筑火災風險的多層次評價因素集，并用層次分析法確定各評價因素的權重，根據模糊綜合評價原理提出火災風險的模糊綜合評價模型。謝旭春[2]應用層次分析法和模糊綜合評價法進行綜合評判，構建在建民用建筑火災風險綜合評價體系。劉垠村[3]針對超高層建筑消防安全及火災隱患的特點，將物聯網技術與消防業務工作需求有機結合，在火災預防、消防設施監管、裝備管理、危險源監管、防火監督等方面發揮作用，實現火災早防控、早預警、早處置，并加強隊伍管理。焦玲玲[4]結合超高層建筑的火災特點，從火災風險識別與評估方法、消防安全管理及智慧消防新技術等方面，探討對超高層建筑在運營階段開展精細化的火災風險建檔、監測、維護和應急處理。

綜上所述，目前國內暫未開展消防安全風險評估模型和火災監測預警平臺在超高層建筑內的應用示范研究，因此有必要構建新型消防安全風險評估模型的超高層建筑火災監測預警平臺，接入建筑消防安全管理和消防設施等信息，實現主動報警，快速聯動應急反應，從而減少不必要的人員傷亡和財產損失。

1? 消防安全痛點分析

據不完全統計，截至2021年8月底，深圳的超高層建筑已達933棟，消防安全壓力極大。筆者通過實地調研多棟超高層建筑，發現火災防控方面主要存在如下突出問題：

1.1? 日常消防安全管理不規范

消防安全管理、火災風險評估等工作大多是靠人海戰術，精確性差;管理臺賬數據種類多、維度多、數量大，且較為簡單、分散和獨立;建筑內人員多且流動性大、功能隔間多，堵塞通道、鎖閉出口、違章用電等消防隱患動態掌握不到位。

1.2? 消防設施未有效完全監控

各消防系統相互獨立，數據匯集未解決系統間的關聯關系;消防設施誤報、故障報警多，不正常自動運行;消防設施監測手段不足，未實現在建筑圖上標識和可視化監管，缺乏對消防系統運行情況分析研判。

2? 建立新型消防安全風險評估模型

針對調研發現超高層建筑存在的消防安全痛點，利用建筑防火設施靜態數據，消防物聯網監測動態數據，消防巡查、維保維修等業務數據，采用解釋結構模型法[5]和考慮交叉影響的德爾菲法[6，7]，建立超高層建筑新型消防安全風險評估模型，確定超高層建筑消防安全風險等級，流程如圖1所示。

2.1? 確定消防安全風險影響因子

基于《中華人民共和國消防法》《消防安全責任制實施辦法》《高層民用建筑消防安全管理規定》《建筑消防安全評估標準》等文件，通過文獻和實地調研，綜合團隊消防安全管理專家經驗意見，篩選確定超高層建筑防火管理、消防設施管理、日常消防管理和火情發生等4大類共23項消防安全風險影響因子[1-2]，詳見圖2。

圖2 消防安全風險影響因子

2.2? 構建風險影響因子解釋模型

解釋結構模型是一種采用結構模型化技術的以定性研究為主的方法，已成功應用于現代系統工程的多個領域。該方法憑借團隊專家的經驗確定系統內各要素之間的二元關系，在不損失系統功能的前提下運用布爾邏輯運算進行層層迭代，最終給出最簡的、層次化的拓撲關系圖，以更清晰地揭示系統各要素之間的關系本質[5]。

根據團隊專家經驗，經過多輪討論確定各風險影響因子之間的相關性，按照如下定義建立鄰接矩陣A如下所示：

根據布爾矩陣運算法則，利用布爾代數進行冪次運算，經過若干次迭代得到可達矩陣M，若，則，其中為單位矩陣。

對可達矩陣進行迭代，利用可達集合R、先行集合Q和交集R∩Q確定各影響因子的層次分布情況，從而構建影響因子的解釋結構模型。模型清晰地反映了各影響因子間的邏輯關系，根據火災發生機理，可將影響因子分為直接因子（火災發生后能否阻止火災蔓延并及時實施滅火）、間接因子（能否從源頭避免火災發生）和深層因子（提升建筑人員的消防安全意識）等三類，詳見下圖3。

2.3? 量化風險影響因子概率與權重

考慮交叉影響的德爾菲法是專家結合項目背景和進展情況，給出各個風險發生的可能性，再運用交叉影響矩陣來描述預測各風險之間的相互作用，將結果系統整理后進行各風險影響因子的定量分析，以加深對復雜預測事件的認知[6-7]。

在解釋結構模型定性分析影響因子之間內在關系的基礎上，采用考慮交叉影響的德爾菲法對影響因子進行定量分析，結果詳見表1。

根據解釋結構模型，結合超高層建筑實際情況，團隊專家確定各因子的初始概率。

研究各風險影響因子之間的相互作用關系，設定交叉影響的方向和程度（見下表2），確定各因子的交叉影響概率矩陣。

通過蒙特卡洛法，采用MATLAB模擬事件的隨機發生。若發生，根據如下經驗公式[7]計算已發生事件對其他事件的交叉影響概率，即校正概率。

式中：K為交叉影響的方向;S為交叉影響的程度;Pi為第i個影響因子的初始概率。

采用四舍五入法和歸百法，確定各影響因子的風險得分和權重（見下表1）。

2.4? 確定消防安全風險分值和等級

超高層建筑火災監測預警平臺采集消防管理和業務數據，按照如表2設定的扣分規則進行分值計算，各單項分值求和得到消防安全風險評估綜合評分，根據表3確定建筑消防安全風險等級。

3? 構建火災監測預警平臺

基于新型消防安全風險評估模型，選取某超高層建筑開展應用示范，在建筑現有消防設施的基礎上，布置火警主機聯網監控設備（1套）、電氣火災監控設備（2臺）、水泵控制柜狀態監測裝置（10套）、AI圖像識別裝置（12臺）、水位監測裝置（1套）、水壓監測裝置（240套）、燃氣監測裝置（5套）等感知設備，綜合運用物聯網、云計算、大數據和人工智能等新興技術，融合消防安全管理和消防設施感知數據，開展消防管理數據治理系統建設，構建火災監測預警平臺，動態顯示建筑消防安全風險等級，實現建筑消防安全狀態綜合研判、物聯網參數科學監測、數字化三維疏散預案合成及全天候綜合應急處置等多個創新功能，督促落實消防安全主體責任，全面提升人防、物防、技防能力。

平臺架構主要分為如下4個部分：

第一是物聯感知層：主要包括消防信息化管理數據和消防設施監測數據，通過安裝物聯感知傳感器進行數據實時監測、采集和傳輸。

第二是消防大腦：主要包括數據中臺層和業務中臺層。對物聯感知層采集的各類數據進行治理，根據業務需求進行火災態勢分析和建模，并進行數據管理;在數據中臺之上構建服務智能應用的人工智能工具、可視化分析引擎和知識圖譜。

第三是智能應用層：主要包括智能防火、智能滅火和消防可視化。對消防安全管理和消防設施進行監控管理，并將數據的統計分析結果實現可視化。

第四是展示層：通過監控中心、PC端門戶網站、移動終端手機App、視頻畫面等多種方式查閱和展示平臺成果。

4? 應用分析

火災監測預警平臺自2021年7月試運行以來，試點超高層建筑消防安全管理工作從長期以來的被動報警提升為主動預警，減少人工干預，實現風險動態管控“可視化”、責任“清單化”、治理“標準化”、監管“信息化”、預警“智能化”、應急“實戰化”，全面提升超高層建筑物防、技防水平。

通過梳理2021年6—12月試點超高層建筑消防安全風險評估綜合評分發現（詳見圖4），建筑日常消防安全管理水平、建筑消防設施性能和可靠性明顯提升，消防安全風險等級保持在“低”水平，基本完成構建立體化、智慧化的消防安全防控體系，確保建筑消防安全。

5? 結語

采用解釋結構模型法和考慮交叉影響德爾菲法，對各影響因子定性分層后，定量反應其交叉影響后的概率和權重，建立超高層建筑新型消防安全風險評估模型，構建超高層建筑火災防控的新標準和新機制。

基于新型消防安全風險評估模型，選取某超高層建筑構建火災監測預警平臺，動態顯示建筑消防安全風險等級、安全管理和物聯設施相關信息，形成超高層建筑內火災監測預警平臺建設規范和標準，并為其他超高層建筑智慧消防平臺建設提供樣本工程和參考。

目前，試點超高層建筑未全面接入城市級火災監測預警平臺，后續將結合本次應用示范研究成果，按照“一棟一策”的原則將全市所有超高層建筑統一納管，提升超高層建筑和城市消防監管水平，保障人民生命財產安全。

參考文獻：

[1]邵望定.基于模糊綜合評價的高層建筑火災風險評估模型[J].武警學院學報，2015，31（2）：68-70.

[2]謝旭春.在建民用建筑火災風險評估模型構建及應用[J].消防科學與技術，2020，39（8）：1100-1103.

[3]劉垠村，徐佩龍.超高層建筑運用物聯網技術進行消防安全及火災預防的應用探討[J].科學咨詢（科技·管理），2017（2）：39-41.

[4]焦靈靈，姚玉梅，馮靜慧.超高層建筑運營階段火災風險管理探討[J].建設監理，2020（3）：67-68.

[5]婁策群，牟奇蕾.基于解釋結構模型的信息生態制度環境影響因素研究[J].情報科學，2021，39（6）：19-26.

[6]張雪一，薛偉，李奇.基于改進交叉影響法的興安落葉松人工林采伐跡地火險因素研究[J].森林工程，2021，37（6）：10-16.

[7]昌杰.對交叉影響法的改進[J].財經科學，1991（2）：37-40.

Research on application of fire monitoring and

early warning platform for super high-rise buildings

Chen Yueguang，Yuan Diping，Kuang Kaiqian，

Duan Jiangzhong，Dang Jie

（Shenzhen Urban Public Safety and Technology Institute Co.， Ltd.， Guangdong Shenzhen 518046）

Abstract：To tackle the challenges of improper fire management and incomplete monitoring of fire facilities in super high-rise buildings， a novel fire risk evaluation model for super high-rise buildings was developed， using Interpretative Structural Modeling and Delphi method considering cross-influence. Then， a fire monitoring and early warning platform integrating a novel fire risk evaluation model was established， using emerging technologies like the internet of things， cloud computing， big data， and artificial intelligence. A super high-rise building in Shenzhen was selected to carry out applied demonstration， the results show that the platform is safe and reliable to comprehensively improve the level of fire risk for super high-rise buildings.

Keywords：fire prevention and control; fire management; fire facilities; fire risk evaluation model; fire monitoring and early warning platform; super high-rise buildings