淺析窄帶物聯網技術在消防監督工作中的應用

摘要：本文主要介紹了窄帶物聯網技術在消防監督工作中的應用，包括其背景、相關技術現狀、應用特點、典型產品設計和云平臺服務等。該技術具有大范圍、大數量、低功耗、通信可靠性和感知設備可靠性等特點，可實現煙感報警和水壓監測等功能。云平臺服務可實現遠程監控和管理，提高消防監督檢查工作的時效性。本文還介紹了消防云平臺的工作架構和主要特點，包括大數據挖掘及分析、AI感知、評估及輔助決策算法、智能化消防風險及隱患等級評估系統和火災現場輔助決策系統等，最后強調了窄帶物聯網技術在消防領域的應用前景和重要性。

關鍵詞：窄帶物聯網；消防監督；煙感報警；水壓監測

引言

隨著我國經濟改革和城鎮化建設的快速發展，小微場所數量眾多，火災隱患突出，給城市經濟發展和社會穩定帶來了極大的安全隱患，也給消防監督工作帶來巨大挑戰。2022年，國務院安全生產委員會在《“十四五”國家消防工作規劃》中提出深化“智慧消防”建設，旨在構建更為智能化的消防系統。消防物聯網代表了物聯網技術在消防安全領域的專業應用和具體實現[1]。該技術利用物聯網的信息傳感與通信手段，將消防監督管理及滅火救援過程中涉及的關鍵信息元素進行有效鏈接，打造一個高靈敏度的消防基礎設施網絡環境。這樣可以實現消防信息的實時采集、動態傳輸、互動處理和融合分析，從而全面提升社會化消防安全監管的效率和水平，顯著增強滅火救援效能。

一、相關技術現狀

無線火災報警系統的網絡連接技術是火災探測與報警研究領域的一個焦點，主要涉及433MHz射頻、Zigbee和GSM等技術。433MHz射頻通信波長較長，展現出卓越的信號繞射能力和較低的障礙物干擾敏感度，相較于Zigbee和Wi-Fi的2.4GHz以及GSM的900MHz至2.0GHz頻段，具有顯著優勢[2]。Zigbee技術在需要大規模節點無線傳輸且對即時性要求不高的環境中應用廣泛，在小規模建筑的火災探測應用中優勢并不明顯。采用通用Mesh協議架構導致協議復雜和維護困難。GSM技術適用于移動電話網絡，特別適用于遠程通信，在探測器分布較散或系統內點數較少且需遠程傳輸的場合尤為適用，其缺點在于SIM卡運營成本較高，每個探測器都需支付數據流量費用，在建筑內部無法接收手機信號的區域難以進行通信。

消防報警器的聯網方式目前主要包括有線網絡、2G/3G移動網絡接入、LORA、Wi-Fi等專有協議接入等方式。隨著物聯網的進步，這些方式均面臨網絡覆蓋不足、高功耗以及長期供電問題的挑戰。窄帶物聯網（NB-IoT）作為物聯網領域的新興技術之一，支持長待機時間和高效連接高網絡要求的設備，為低功耗設備在大范圍網絡內的蜂窩數據連接提供支持，被認為是低功耗廣域網（LPWAN）的一種。

二、窄帶物聯網（NB-IoT）技術應用特點

小微場所具有小型化、數量多、人員流動性強、業主安全意識薄弱等特點。建立物聯網化的火災探測報警系統的需求越來越迫切，難度也在不斷增加[3]。

（一）大范圍

消防系統設備在城市內各種不同場所的建筑和建筑的不同位置都有分布，包括地下室、管道等，安裝環境極為惡劣，給系統物聯網化帶來了極大難度。采用Ethernet等有線通信方式，線纜鋪設困難，架設的經濟及時間成本高達消防設備本身價值的2倍；采用傳統2G/3G無線通信方式，存在網絡覆蓋不足的情況，尤其在地下室等環境，網絡信號強度只能達到-100dBm— -110dBm，無法保證可靠通信。NB-IoT窄帶物聯網無線通信技術可解決此問題[4]。NB-IoT通信比傳統2G/3G/4G無線通信技術的信號接收靈敏度高20dB，覆蓋面積擴大近100倍，可以滿足消防系統各種場所的通信要求。

（二）大數量

小微場所由于數量眾多且一般都較為密集，單位面積內的所需消防設備眾多，傳統的無線通信技術一個扇區的通信容量只能達到5000個，無法滿足數量龐大的消防設備物聯網需求。

（三）低功耗

由于小微場所的環境差異大，大部分消防設施無法采用市電電源供電方式，必須采用電池等供電方法，因此可針對性地開展低功耗通信技術研究。設備低功耗工作機制，采用常態休眠配合短時喚醒的方式。設備在保持傳感設備實時檢測的情況下維持極低的靜態功耗。采用NB-IoT窄帶物聯網通信技術，通信組件在保持網絡鏈接的狀態下工作電流小于5μA。設備自動場景判斷，通過溫度等輔助傳感設備，減少無謂信息通信功耗。設備通信功率自適應，設備通過對通信網絡的信號強度、信噪比、接收靈敏度多個維度進行綜合對比，并將設備通信功率與通信信號質量相匹配，使通信功耗下降，在網絡通信質量較好的情況下，功耗明顯下降。利用平臺大數據群體特征自動調整，適當調整設備的通信頻次。

（四）通信可靠性

通過通信離散性研究、信息斷線續傳研究、加密算法研究解決網絡通信信息丟失、及時性、可靠性問題。通過基于大數據的離散性算法，統計物聯網設備信息通信密度、時長等，對設備上報進行調整，使平臺、通信站點的通信負載均衡，提高網絡可靠性。通過對斷點信息緩存、恢復、重傳及通信網絡檢測等實現信息斷線續傳。通過網絡信息加密AES算法提高通信信息安全性。利用設備IMEI、唯一ID等身份識別算法避免網絡沖擊，從而提高網絡可靠度。

（五）感知設備可靠性

傳統的感煙探測器、壓力傳感器都存在一定的誤報率，在大量使用傳感設備的情況下，如何降低設備誤報率是關注的重點問題之一[5]。第一，通過大數據分析調整設備參數。利用單個區域內同一設備整體數據特征、歷史數據特征，對消防感知設備的靈敏度等進行調整，從而降低單一設備誤報與靈敏度的矛盾。同時，利用單個區域內多種不同設備，對被探測物體的不同特征進行綜合判斷，從而降低單一設備的誤報率，如通過水壓、液位等不同探測器對噴淋管道的水文狀態進行綜合判斷。第二，感知設備根據環境影響因素自動調整探測參數。煙霧探測器自動根據長期積塵數據調節煙霧報警濃度，壓力探測器根據實際壓力波動的長期情況調整報警參數等。

三、云平臺服務及應用

（一）消防云服務平臺

消防物聯網云服務平臺對火災自動報警系統、消防水系統等運行狀態數據進行實時采集；實現建筑消防設施運行狀態、火災報警遠程實時監測、消防設施故障隱患實時預警，最終達到為用戶提供實時、集中、透明化監管的消防安全管理。同時，監測指標數據處理、應急響應策略支持的算法和模型，解決消防設備數據、圖像視頻數據等海量異構數據的存儲問題；大數據可視化展現技術可以幫助各級消防安全管理者實施查詢、決策與管理[6]。小微場所由于數量眾多，涉及的消防安全責任人、消防安全管理人的消防專業能力也有很大差異，通過消防云服務平臺提供給相關責任人、管理人不同的分級管理，范圍從出租屋到城區，展示方式從手機APP到綜合管理平臺，內容從直接的火情提示到火災風險輔助決策，從業余到專業，提供給不同人員合適的消防安全信息，輔助各級人員履行自身的消防安全責任。

（二）消防云平臺工作架構

基于消防物聯網云平臺，可以實現遠程監控功能。系統架構可以分為三層：終端設備層、數據支撐層、應用層。每一層之間通過定制的接口協議對接，層內部可獨立開發。終端層主要包括圖形顯示裝置、用戶信息傳輸設備、網絡適配器等終端信息采集設備。終端層將采集到的數據通過TCP/IP的方式傳給數據支撐層。數據支撐層分為連接集群、連接管理、數據管理和基礎服務，主要通過終端層將設備的數據采集到數據庫中。應用層主要針對小微場所消防業務的具體應用來實施，針對不同的業務、不同的用戶以不同的數據和不同的展示方式來呈現。

（三）消防云平臺的主要特點

1.系統平臺大數據挖掘及分析

消防大數據分析平臺會根據連接源源不斷上傳設備采集信息、客戶上報的隱患信息、設備安裝信息、設備生產信息等，使用Spark進行信息分類整理，并進行智能學習訓練，實現預測火警、預測故障、建立巡檢計劃、數據統計及報表等功能。通過歷史災情的時空分布數據和季節、天氣和建筑人口分布情況等相關因素的多維度回歸分析，挖掘規律，預測趨勢。同時，為了適用不斷增長的數據，分別使用RabbitMq和Kafka等第三方消息隊列進行處理，保證即不丟失數據，也可彈性擴容服務器[7]。

2.AI感知、評估及輔助決策算法

AI感知、評估及輔助決策算法是對火災預防、消防監控、滅火救援等工作全方位的優化，是消防安全企業提高業務水平的重要內容。目前的智慧消防方案在設備運行巡檢、火源及障礙物檢測、消防信息及時傳達、自動下發指令方面具備相當強的能力。然而，在火災更早階段的預防、滅火救援的指揮方面仍存在不足。項目擬針對海量異質消防大數據，利用人工智能算法進行消防感知、評估及輔助決策，促進消防領域的人工智能化發展。具體內容包括以消防大數據為基礎，面向消防從預防到救援的全過程，構建消防知識圖譜，訓練機器學習模型，高效提升消防感知、態勢評估、需求識別、案例搜索、相似性量化、救援方案推薦等一系列環節的智能化水平。在人員數量、滅火設備設施種類及數量、消防員到達時間、失火點物理環境等多種限制下，盡可能早發現火災因素，早生成滅火救援方案，早開展滅火救援行動，節約資源，提高消防救援效率。

3.智能化消防風險及隱患等級評估系統

消防風險及隱患等級評估系統的核心是評估模型，通過論證和結合本項目對應的評估目標群體，擬采用Gustav評估模型，計算火災風險，實現智能化消防火災風險評估。進行建筑及其周邊環境的火災風險源的識別、分析與預測，評估潛在火災事故可能的嚴重性，并界定各風險要素的火災危險級別；依據不同風險要素的危險級別，提出具體而專業的消防安全策略與措施，為建筑物業主、使用者及消防管理部門在制定消防安全決策時提供專業參考，盡量消除和減少各類火災風險[8]。

4.火災現場輔助決策系統

火災現場輔助決策系統是通過人工智能推薦算法從后臺篩選最優應急預案，并結合逃生路線、樓層結構圖等相關資料生成作戰示意圖，實現消防作戰指揮一張圖。接入聯網單位有火警發生時，在地圖上以火警點為中心，展示附近的醫療站、水源點、消防救援站及各類消防資源的最新狀態；針對選擇相應的消防救援站推薦出最佳路線，可查看火災現場的實時視頻及動態情況；呈現相應的應急預案、疏散逃生路線及滅火作戰示意圖。

結語

窄帶物聯網技術具有功耗低、覆蓋廣的特點，較傳統的物聯網展現出強大優勢，是推動消防領域發展的重要依托。合理利用窄帶物聯網技術，不僅能夠提升消防監督檢查工作的時效性，還能為我國消防事業的發展與建設注入持續的發展動力。未來，應不斷優化窄帶物聯網技術，使其更好地融入消防領域，不斷推動消防事業的發展。參考文獻

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[2]牛明明.物聯網技術在化工園消防監督檢查業務中的應用[J].中國高新科技，2023（12）：129-130+138.

[3]丁偉杰，劉昱廷，李建英，等.基于窄帶物聯網技術的智能火災報警系統設計[J].電工技術，2023（18）：19-21+120.

[4]嚴彪.物聯網技術在消防監督管理中的應用分析[J].消防界（電子版），2023，9（24）：66-68.

[5]董海燕.物聯網技術在消防監督管理工作中的運用思考[J].水上安全，2023（04）：52-54.

[6]朱雅蟬.物聯網技術在消防監督檢查工作中的應用與發展研究[J].消防界（電子版），2022，8（02）：71-73.

[7]王娟.物聯網技術在消防監督管理中的應用[J].今日消防，2023，8（08）：81-83.

[8]唐劍.物聯網技術在消防監督管理工作中的運用研究[J].華東科技，2023（01）：96-98.