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数字孪生技术在城市消防中的应用数字孪生技术在城市消防中的应用 冯霄鹏 王娟 殷继旺 北京电信规划设计院有限公司 【摘要】 随着科技技术的不断发展,物联网、云计算、大数据等新技术已经普遍应用在各个行业中,数字孪生技术在消防领域逐渐崭露头角。基于数字孪生模型,通过对重点单位的用户传输设备、烟雾/温度/压力等物联传感器、监控摄像头等进行实时数据采集与监控,将消防日常巡检和 安全管理等工作进行标准化、数据化管理,结合AI智能分析场景融合,形成单事件触发、多系统联动,对异常火灾隐患进行快速响应,同时精确地定位隐患位置的智慧消防应急管理体系,极大 地提升城市应急响应速度,提高城市消防管理工作效率,避免出现人员伤亡、降低财产损失,真正实现“防+消”的有效融合。 近年来,科学与信息技术的高速发展,促使各种以大数据为实践基础的新兴技术在社会各行业领域中的应用范围变得更加广阔且深入,国家社会城市建设也由此开始朝智慧化的方向发展。防火工作作为一个维护城市安全、保证社会建设顺畅的必需基本项目,其实际发展也深受大数据的影响。综合运用云大物联等新信息技术,全面提升社会火灾防控能力、部队灭火应急救援能力和队伍管理水平,实现“传统消防”向“现代消防”的转变。 2017年10月,公安部消防局发布了《关于全面推进”智慧消防”建设的指导意见》,意见要求全面提高消防工作科技化、信息化、智能化水平,实现信息化条件下火灾防控和灭火应急救援工作转型升级,并着重指出“统一数据标准、规范数据来源,对消防内部、外部数据资源进行汇聚和挖掘分析,为火灾风险研判、灭火救援指挥、队伍管理分析、消防宣传服务和领导指挥决策等提供信息支撑”意见的发布,标志着智慧消防推广进入新时期。 2022年4月,国务院安全生产委员会关于印发《“十四五”国家消防工作规划》的通知,规划指出应充分运用物联网和现代信息技术,全时段、可视化监测单位消防安全状况,实时化、智能化评估消防安全风险,提高预测、预警能力,分级分类实施差异化消防安全线上监管。 随着国家的经济社会发展的越来越快,建筑物特点在层数高和结构复杂中有所体现。当高层建筑发生火灾时,会导致人员伤亡和经济损失巨大,也加大了人员疏散难度和消防救援工作难度[1],城市消防工作的总量与难度均产生了质的改变,原有的管理模式和管理机制与不断新增的火灾风险存在矛盾。越来越多的地区或城市开始研究和实施智慧消防建设,通过不断完善信息化基础网络和硬件设施,消防信息化应用已覆盖消防工作主要领域,改变了执法监督手段、指挥决策模式、社会服务方式和队伍管理机制,在火灾防控、灭火救援和队伍管理等方面取得了显著成效。 二、数字孪生的概念与由来 1、数字孪生概念 所谓数字孪生,就是在一个设备或系统“物理实体”的基础上,创造一个数字版的“虚拟模型”。数字孪生(Digital Twin)是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。通过计算机实时渲染生成的可交互三维仿真场景,形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局,可以模拟物理世界的对象与运转流程,可以提供便捷的测试验证、更经济的试错成本、更精细的监测效力、更可靠的预测预判和更智能的决策支持。最终实现技术融合、业务融合、数据融合,实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理与服务,可以广泛应用于全行业领域中。 2、数字孪生技术在城市管理的多维应用 智慧城市场景中,利用GIS(Geographic Information System,地理信息系统)、BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)和IoT(Internet of Things,物联网)技术将物理世界的地理信息及设备设施等通过GIS展示空间属性,利用BIM反映构造特征及其运行状态,应用IoT实现城市中基础设施(水、电、气、交通等)海量数据收集,市政资源(警力、医疗、消防等)的调配情况,人流、物流和车流的安全运控,并通过包括NB、IoT、4G、5G、北斗在内的物联网技术传递到云端和城市的管理者,基于这些数据以及城市模型可以构建数字孪生体,从而更高效地管理城市。 同时,数字孪生技术赋予智慧城市新的内涵,深入到行业和生活中,促进智慧电网、智慧低碳电力(新能源发电、光伏、风电)、节能降耗的低碳生活(碳普惠、智能垃圾分类等)、智慧低碳建筑(智慧照明、智慧温控、组装式建筑、能耗监控管理等)、智慧交通(新能源无人车、车路协同、智慧红绿灯等)、智慧低碳工业(5G智能工厂、工业余热利用、高效电机等)的部署。 近年来,城市消防部门在各级政府的领导下,制定消防规划、组织消防安全审核验收、开展防火监督检查、进行灭火战斗、参与各类抢险救援和紧急救助,为城市的经济发展和安全运行保驾护航。但随着城市规模的扩大和城市经济的不断发展,各类城市要素的增加,开始由量变到质变,原有的消防管控模式面临各类困境。 1、防火监督的独木难支 长期以来,城市消防安全监管工作一直是政府消防部门高举旗帜,用行政式、运动式、地毯式的传统方法,依靠数量有限的基层防火监督员的超负荷工作来发现和督促整改隐患。几乎不间断的“专项整治行动”“隐患大排查”,加之消防重点单位越来越多,需要加强监督整改的部位只增不减让政府消防部门所担的责任越来越大,工作负担越来越重。 2、灭火调度协调不畅 尚未纳入社会企业的专职和兼职消防队、微型消防站、社区消防志愿者队伍等广大的体制外消防力量,接警后不能第一时间调度距离着火点最近的社会消防力量,时间延误常常会导致在与火灾的鏖战中丧失先机。此外,由于信息和数据的不连通,消防指挥中心对于路况信息、建筑内部区域划分信息、市政水源信息、消防车道布局掌握不充分,只能依靠指挥员对着火单位的人为了解和个别记忆来保障快速抵达火场和进行处置。 3、战略布局缺乏依据 在城市消防总体供给不平衡、不充分的前提下,该设置多少消防站,哪里应该规模大些,哪里应该规模小些,哪个区域的消防站密度应该相对较高,哪个区域可以适度放宽,有限的登高车、高吨位水罐车、泡沫车、大型破拆车辆、先进的单兵防护装备、通讯设备等消防战略资源该如何配置,目前依然主要依靠经验决策,使政府消防投入不能确保效益的最大化。 4、数据交互存在障碍 虽然消防信息化建设取得了一定进展,但受编制体制、人员素质、经验认识等主观因素和技术发展、业务发展、建设周期、经费投人、项目管理等客观因素影响,原有业务系统在功能设计时基于自身业务需求的实现,缺少在数据联动共享机制。前端采集到的报警数据处于信息孤岛状态,系统间存在信息壁垒,无法将信息进行打通,不能进行部门之间的数据共享交换,无法有效提升数据的应用价值。 运用AI、物联网、大数据、云计算等先进技术,赋能城市消防向智能化、数字化转型发展。以“消”为主的传统消防工作模式在新型技术的结合下,逐渐被以“防+消”为主的智慧消防工作模式代替。 1、全域感知,精准防控 智慧消防应用AI、物联网、云计算、大数据等技术,对消防设施进行智能感知,对火情异常事件进行智能识别、智能告警及辅助决策,例如在数字孪生可视化平台上可实时查看城市各个烟雾传感器、温控传感器,消火栓、水枪、灭火器等消防设施所在位置及有效期,可及时对空白区域进行布置、对效期进行有效管理,打造一套动态监测、精准防控、提前预警的智慧消防模式。通过大数据、物联网、人工智能、精密算法等信息化手段可以实现全面消防保障、降低安全风险;同时智慧消防能够减少资源浪费,利于办公环境精细化管理,在人员、材料、机械等多方面实现成本节约。 2、数据互通,智能监控 打通前端消防设备的监测、异常告警和安全监管等各个环节,能够自动采集、监测和统计分析消防管理工作中的各个关键数据,并实现信息互联互通。同时,还能够与管理单位、消防监管部门、公安派出所等实现信息共享交换,建立一个更加智慧、高效和安全的消防管理体系,将大数据技术运用到消防工作中可以有效提高消防部门的管理水平和工作效率,为居民的日常生活提供更好的保障[7]。 3、灵活开放,协同拓展 基于数字孪生的智慧消防,不仅具备强大的数据接入、处理以及分发能力,而且兼容性强,开放度高。系统易于部署,功能也可根据需求进行灵活拓展,并且能够轻松集成第三方服务,以满足更高级的业务需求。可实现数据的协同和智慧联动,实现自动化、智能化的管理,进一步提高火灾预防的时效性。 四、总体架构 图1 总体架构图 技术数字孪生的智慧消防以物联网为基础,其总体架构包括物联感知层、基础设施层、数据处理层、支撑平台层、业务应用层和用户展示层,以及运维管理、标准规范、安全保障三大体系。 物联感知层:对感知对象的温度、湿度、浓度、压力、位置、数量、形态等动态或静态的信息进行广泛获取和辨识,主要依靠传感器技术、射频识别技术和无线定位技术等。感知层的设备主要包括:烟雾传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器、视频摄像头等。 基础设施层:通过传输网络将感知层采集的数据通过各种网络进行可靠传递,把数据传输到数据中心(含私有云、公有云、混合云、边缘云等),并将数据中心的指令传递至终端智能化控制设备。网络传输方式包括NB、LORA、4G/5G移动网、微波通信网、光纤等。 数据处理层:依托基础硬件设施和软件服务,消防大数据中心和消防物联网应用相关的统一数据支撑平台负责对各类汇集的消防信息数据进行分析、整合、加工、分类存储等,将信息数据标准化、格式化为共性应用数据。处理层涉及大数据技术、云计算技术以及半结构化和非结构化数据的智能处理。 支撑平台层:包括数字孪生CIM平台(以BIM、GIS为载体)、AI算力中心(提供火灾烟雾智能识别算法、消防车辆占道识别算法)等,为上层业务应用提供二维、三维地图,消防相关图层及AI智能算法支撑。 业务应用层:负责智慧消防体系和与终端用户的交流,运用各类终端应用软件根据用户的要求向用户提供需要的资料,做出辅助决策。包括智慧火灾预防系统、智慧应急调度系统、综合战勤保障系统、公共消防服务系统等四类系统,以及数字孪生智慧消防综合运营管理平台。 用户展示层:包括指挥中心大屏、PC端以及移动端(APP、小程序、H5页面等)的综合展示。 三大纵向保障体系包括标准规范体系、运维保障体系和安全保障系统,分别负责体系内各类标准的统一化,检测系统的可靠运行及安全保障。 五、智慧消防场景化应用 1、事前-制作虚拟仿真演练场景,辅助编制消防数字化预案 利用数字孪生平台制作多套虚拟仿真演练场景,可让消防员对应急救灾场景的应对方案更加深刻。演练通过虚拟仿真技术,通过模拟火灾场景、消防器材的使用等,消防人员可以提前熟悉操作流程,增强应对突发情况的能力。同时,通过建立建筑物的数字模型,编制消防单位数字化预案,提前发现潜在的安全隐患,确保建筑物在火灾等紧急情况下的安全性和疏散效率。 图2 虚拟仿真演练场景可视化展示界面 2、事中-前端消防设备联动控制,助力火情快速得到控制 当发生灾情时,除自动报警之外,还可联动各种消防灭火装置,消防喷淋系统自动喷淋并且和其他消防设施同时协助工作。同时,管理员可通过APP和三维可视化大屏,实现异地应急指挥管理、远程监控,向相关管理人员发送信息、地理方位、实景数据等,帮助相关人员快速找到源头,从而更加科学有序的为现场救援和高效指挥作战提供了数据支撑。 图3 前后端联动控制专题可视化展示界面 3、事后-快速复盘还原事故现场,灾情预测提供数据支撑 灾后在数字孪生平台上进行事后复盘,事后回放演示,查看应急救援处置过程,迅速分析火情前因后果,同时进行日志管理、大数据统计、分析和应用,统计消防设施运行状态及历史信息记录信息,形成消防设施运行分析报告,通过整合的历史数据与相关因素,多维度的分析挖掘规律,预测灾情趋势,寻找消防盲点,能协助消防优化资源布局,尽可能的降低突发事件的发生概率,提升公共安全、服务水平和工作效率。 图4 复盘还原事故专题可视化展示界面 六、小结 随着城市建设的不断推进,业态场景的多样化,传统的消防工作模式已经无法有效应对多样的城市场景,无法及时发现突发的火险隐患,这就意味着在新形势下,消防管理工作面临着一系列复杂的形势。目前,国家大力提倡采用大数据、物联网、人工智能等新技术提升公共安全领域预防预警和打防管控能力,不断探索破解应急救援工作难题的方式和方法[8]。基于数字孪生的智慧消防系统,通过对物理实体打造虚拟空间建模展示,通过数据统计、视频监测、网络感知等,链接建筑、消防设备等,搭建三维可视化管理平台,助力指挥及力量部署精准化,为消防行业数字化转型提供创新解决思路。 冯霄鹏,任北京电信规划设计院有限公司总工程师,本科学历,高级工程师。 王娟,任北京电信规划设计院有限公司智慧城市设计院总工程师,本科学历,高级工程师。 殷继旺,北京电信规划设计院有限公司智慧城市设计院政企ICT业务中心,硕士研究生,工程师。
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