基于智慧消防的大型地下互通長隧道電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：隨著城市化進程的加速和地下空間的深入開發(fā)，大型地下互通長隧道已成為現(xiàn)代城市交通網(wǎng)絡(luò)的組成部分。然而，這些隧道面臨的電氣火災(zāi)風險日益嚴峻，傳統(tǒng)消防監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)對復(fù)雜地下環(huán)境時常顯不足。因此，利用新興技術(shù)提升隧道火災(zāi)監(jiān)控能力顯得尤為迫切。探討基于智慧消防理念的大型地下互通長隧道電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法。研究發(fā)現(xiàn)，通過整合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術(shù)，構(gòu)建實時響應(yīng)、智能分析、高效運行的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能準確監(jiān)測潛在的火災(zāi)風險，還能實現(xiàn)快速報警和智能聯(lián)動響應(yīng)，從而顯著提升隧道火災(zāi)的防控能力。

關(guān)鍵詞：智慧消防理念；大型地下互通長隧道；電氣火災(zāi)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：U458.1" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）12-0049-03

近年來，城市化進程加速推進，地下空間得到了廣泛的開發(fā)利用，大型地下互通長隧道作為城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其數(shù)量和規(guī)模不斷增加。然而，隧道環(huán)境復(fù)雜、空間狹長封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，特別是電氣火災(zāi)，作為隧道火災(zāi)的主要誘因之一，其發(fā)生頻率高、危害大，嚴重威脅隧道的運營安全。傳統(tǒng)的消防監(jiān)控系統(tǒng)在面對復(fù)雜的隧道環(huán)境時，往往存在監(jiān)測精度低、反應(yīng)速度慢、智能化程度不足等問題，難以滿足長隧道火災(zāi)早期預(yù)警和快速響應(yīng)的需求[1]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，智慧消防理念逐漸興起并得到廣泛應(yīng)用。在此背景下，開展基于智慧消防理念的大型地下互通長隧道電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，對提升隧道消防安全水平、保障公共安全具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 智慧消防在大型地下互通長隧道中的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)需求

1.1" 系統(tǒng)功能需求

智慧消防在大型地下互通長隧道電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)須具備全面的功能，以有效應(yīng)對復(fù)雜的地下環(huán)境。該系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)實時監(jiān)測、智能分析、自動報警及遠程控制等核心功能。具體而言，系統(tǒng)需能夠持續(xù)監(jiān)測隧道內(nèi)的溫度、煙霧濃度、電氣設(shè)備運行狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)，并利用智能算法對采集的數(shù)據(jù)進行分析，及時識別潛在的火災(zāi)風險。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)應(yīng)立即自動觸發(fā)報警機制，并根據(jù)預(yù)設(shè)方案迅速啟動相應(yīng)的消防設(shè)備。同時，系統(tǒng)還需具備數(shù)據(jù)存儲和分析功能，為后續(xù)的事故調(diào)查和長期優(yōu)化提供支持。

1.2" 系統(tǒng)性能需求

鑒于大型地下互通長隧道的特殊性和電氣火災(zāi)的危險性，系統(tǒng)的性能需求尤為重要。智慧消防安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該接入并兼容市面上常見的各類消防產(chǎn)品，包括火災(zāi)報警器、水浸報警器、紅外報警器等，實時感知這些設(shè)備所傳遞的數(shù)據(jù)信息，并通過數(shù)據(jù)庫進行高效存儲。此外，系統(tǒng)需要24h不間斷運行，確保在檢測到火情后立即啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，從而有效應(yīng)對火災(zāi)風險。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧消防在大型地下互通長隧道中應(yīng)用的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計，主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層四個主要部分。感知層由分布在隧道各處的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，負責實時采集溫度、煙霧濃度、電氣設(shè)備運行狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層采用有線與無線相結(jié)合的技術(shù)方案，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠傳輸。針對地下環(huán)境的特殊性，網(wǎng)絡(luò)層還采用冗余設(shè)計，進一步提升通信可靠性。數(shù)據(jù)層集成了數(shù)據(jù)存儲、處理和分析系統(tǒng)，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進行實時處理和深度挖掘，利用人工智能算法實現(xiàn)異常檢測和預(yù)警功能。應(yīng)用層則提供可視化操作界面、報警管理、遠程控制等功能，并與其他智能系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成，實現(xiàn)智能聯(lián)動的效果[2]。

從圖1中可以看到管理平臺的管理網(wǎng)絡(luò)主要由三部分構(gòu)成，最底層是分布在各個不同地區(qū)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接平臺的節(jié)點設(shè)備；中間層是負責整合下方數(shù)據(jù)和上方數(shù)據(jù)并進行集中處理的服務(wù)器；最上層則是與用戶進行直接交互的平臺端。

2.2" 硬件架構(gòu)設(shè)計

硬件架構(gòu)設(shè)計以STM32單片機為核心，構(gòu)建了一個靈活、高效的硬件平臺，見圖2。STM32系列單片機以其強大的性能、低功耗和豐富的外設(shè)資源，成為系統(tǒng)的理想選擇。硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分[3]：中央處理單元，采用STM32F4系列高性能單片機，負責數(shù)據(jù)采集、初步處理和通信控制。傳感器模塊，包括溫度傳感器、煙霧傳感器、電流傳感器等，用于采集環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。通信模塊，包括有線（如以太網(wǎng)）和無線（如LoRa、NB-IoT）通信接口，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。存儲模塊，使用SD卡用于本地數(shù)據(jù)緩存和系統(tǒng)參數(shù)存儲。電源管理模塊，提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，并具備備用電源切換功能。人機交互模塊，包括LCD顯示屏和按鍵，用于現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)顯示和簡單操作。

整個硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，以便于維護和升級。同時，考慮地下環(huán)境的特殊性，所有硬件組件都經(jīng)過防塵、防潮和抗干擾處理，以確保在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行[4]。

2.3" 軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件架構(gòu)采用分層設(shè)計，主要包括底層驅(qū)動、中間件、業(yè)務(wù)邏輯和用戶界面四個層次。底層驅(qū)動層直接與硬件交互，負責數(shù)據(jù)采集、通信協(xié)議實現(xiàn)等基礎(chǔ)功能。中間件層則提供操作系統(tǒng)抽象、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等通用服務(wù)，提高了系統(tǒng)的可移植性和可維護性。業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)了核心算法，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、異常檢測、火災(zāi)預(yù)警等功能。用戶界面層則提供了直觀的可視化界面，支持系統(tǒng)配置、狀態(tài)監(jiān)控和報警管理等操作。

3 智慧消防的大型地下互通長隧道電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1" 系統(tǒng)各模塊設(shè)計實現(xiàn)

該系統(tǒng)主要包括以下模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報警管理模塊和用戶界面模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負責從各類傳感器獲取溫度、煙霧濃度、電流等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，包括有線和無線通信方式。數(shù)據(jù)處理模塊利用先進的人工智能算法對采集的數(shù)據(jù)進行分析，以識別潛在的火災(zāi)風險。報警管理模塊根據(jù)分析結(jié)果觸發(fā)相應(yīng)級別的報警，并自動啟動預(yù)設(shè)的應(yīng)急預(yù)案。用戶界面模塊則提供了直觀、清晰的可視化界面，支持實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)配置等功能。每個模塊都采用模塊化設(shè)計，具有良好的封裝性和明確的接口定義，便于后續(xù)的維護和升級。用戶登錄模塊的界面圖見圖3，最上面的是站點名稱，下方設(shè)有兩個輸入框，分別是用戶名輸入框和密碼輸入框，密碼輸入框的右側(cè)是密碼可見選項，點擊后就可以顯示輸入的密碼。在輸入框下方有兩個按鈕，分別是登錄鍵和注冊鍵。

在用戶輸入用戶名和密碼之后，后臺服務(wù)器會接收到登錄請求，驗證通過后，服務(wù)器會返回一個用戶信息給客戶端，客戶端收到后將該信息保存在本地，以后每次發(fā)起請求時，客戶端都會攜帶這個用戶信息，以便后臺服務(wù)器完成身份驗證[5]。設(shè)備管理員登錄成功后的操作主頁面，將會展示用戶創(chuàng)建的消防產(chǎn)品和對應(yīng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)接收量。

3.2" 系統(tǒng)測試與驗證

系統(tǒng)測試與驗證階段采用了全面的測試策略，包括功能測試、性能測試、可靠性測試和安全性測試。具體測試結(jié)果見表1。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在功能、性能、可靠性和安全性等方面均達到了設(shè)計要求。特別是在數(shù)據(jù)采集準確性和報警觸發(fā)及時性方面表現(xiàn)優(yōu)異，為有效預(yù)防和應(yīng)對電氣火災(zāi)奠定了基礎(chǔ)。系統(tǒng)的并發(fā)處理能力和數(shù)據(jù)處理速度滿足大型隧道監(jiān)控的需求。長期穩(wěn)定性測試證實了系統(tǒng)適合在復(fù)雜多變的隧道環(huán)境中長期穩(wěn)定運行。安全性測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效保護敏感數(shù)據(jù)，防止未授權(quán)訪問。

4 結(jié)束語

綜上所述，本研究針對大型地下互通長隧道電氣火災(zāi)監(jiān)控的特殊需求，提出了一種基于智慧消防理念的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。通過系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)和測試，驗證了該方案在提高火災(zāi)監(jiān)測準確性、增強報警及時性和提高應(yīng)急處置效率方面的顯著優(yōu)勢。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和實際應(yīng)用場景的不斷擴展，該系統(tǒng)仍有進一步優(yōu)化和完善的空間。未來的研究方向可以集中在以下幾個方面：首先，進一步提升系統(tǒng)的智能化水平，通過引入更先進的機器學習算法，增強系統(tǒng)的預(yù)測能力和自適應(yīng)能力。其次，加強系統(tǒng)與其他智能交通系統(tǒng)的深度集成，以實現(xiàn)更廣泛的信息共享和更高效的協(xié)同決策。再次，積極探索將邊緣計算技術(shù)融入系統(tǒng)，以提高數(shù)據(jù)處理的實時性，并有效降低通信負擔。最后，考慮將系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴展到其他類型的地下空間，如地鐵站、地下商城等，以發(fā)揮更大的社會效益。

參考文獻

[1]湯曉東.智慧消防系統(tǒng)的應(yīng)用探討[J].智能建筑電氣技術(shù)，2024，18（5）：61-65.

[2]何慶，何俊霖.智慧消防系統(tǒng)在救援過程中的應(yīng)用和展望[J].化工安全與環(huán)境，2024，37（10）：61-65.

[3]韓濤，郝維莉.高層建筑智慧消防電氣控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2024，15（8）：26-30.

[4]劉喆，張宇哲.智慧城市背景下的智慧消防系統(tǒng)研究[J].今日消防，2024，9（8）：54-56.

[5]胡志誠.智慧消防技術(shù)在社會消防管理中的應(yīng)用[J].今日消防，2024，9（6）：56-58.