馮寧等

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，如何提升城市消防質(zhì)量備受關(guān)注，而利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)對(duì)重點(diǎn)消防單位的實(shí)時(shí)監(jiān)控已成為發(fā)展趨勢(shì)。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的滅火救援及訓(xùn)練系統(tǒng)，基于Wi-Fi技術(shù)分為遠(yuǎn)程監(jiān)控和虛擬現(xiàn)實(shí)兩個(gè)模塊。傳感器采集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)向監(jiān)控管理中心傳送，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)成像技術(shù)構(gòu)造監(jiān)控單位的仿真環(huán)境。此系統(tǒng)為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的指揮、部署提供全面合理的救援方案，并為后續(xù)消防隊(duì)員的消防訓(xùn)練提供了仿真平臺(tái)和經(jīng)驗(yàn)分析。

關(guān)鍵詞：消防；物聯(lián)網(wǎng)；虛擬現(xiàn)實(shí)；無線傳感

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-04

0 引 言

目前我國(guó)所應(yīng)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)基本上以區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、集中火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和控制中心火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)為主。這些系統(tǒng)自成體系，火情發(fā)生時(shí)，這些報(bào)警系統(tǒng)均只在建筑現(xiàn)場(chǎng)作用。消防值班人員還需采用電話報(bào)警方式向城市“119”火警受理中心報(bào)告，而系統(tǒng)自身不能自動(dòng)報(bào)告[1]。美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家都已建立了重點(diǎn)單位消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其中重點(diǎn)保護(hù)單位如醫(yī)院、幼兒園、老人院，或者一級(jí)防火單位如政府辦公樓、加油站、化工廠。人員密集區(qū)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)直接與遠(yuǎn)程消防監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，并由全天值班的監(jiān)控中心負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理和報(bào)警處置，直接與當(dāng)?shù)叵?19 指揮中心報(bào)告，形成三方同時(shí)監(jiān)管的模式。

目前，消防隊(duì)員在滅火過程中發(fā)生事故的主要原因是對(duì)火場(chǎng)情況的未知。外部指揮中心無法掌握室內(nèi)火情和消防人員分布情況，無法做出全面部署，造成救援效率低、行動(dòng)盲目，同時(shí)給消防隊(duì)員帶來巨大的安全隱患。當(dāng)下，消防部隊(duì)對(duì)火災(zāi)救援和搶險(xiǎn)撲救的模擬訓(xùn)練針對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控單位的特點(diǎn)，引入煙、熱訓(xùn)練系統(tǒng)，提升環(huán)境針對(duì)性。但在訓(xùn)練基地的構(gòu)建上需耗費(fèi)大量人力物力及場(chǎng)地保障，訓(xùn)練準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)[2]。訓(xùn)練過程中無法靈活地重現(xiàn)實(shí)際環(huán)境的變動(dòng)，在某些危險(xiǎn)場(chǎng)景下難以保障消防人員的人身安全，因此存在諸多局限。

1 系統(tǒng)概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)與人機(jī)交互技術(shù)的完善，利用圖形圖像學(xué)進(jìn)行模擬，已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域和工業(yè)界廣泛采用的新技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)是20世紀(jì)末興起的一種可創(chuàng)建、體驗(yàn)和參與虛擬環(huán)境的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，具有三大特征：沉浸感、想象性、交互性。它的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感與測(cè)量技術(shù)、人工智能、多媒體仿真等。這種技術(shù)可構(gòu)造一個(gè)虛擬世界，使得用戶沉浸于其中[3]。對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的虛擬構(gòu)建能夠提高指揮中心對(duì)火情的全面掌握，使決策更具宏觀性。在后期消防訓(xùn)練中可采用交互裝置（例如智能頭盔等），達(dá)到消防人員視聽、觸碰與實(shí)現(xiàn)的交互。與傳統(tǒng)方式相比，虛擬技術(shù)更逼真，交互性更強(qiáng)，給滅火救援指揮和訓(xùn)練提供了新思路。因此，有必要展開這一方面的研究，研制基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的滅火救援及訓(xùn)練系統(tǒng)。

2 需求分析

根據(jù)上述分析，針對(duì)醫(yī)院、學(xué)校、化工廠、政府辦公樓等消防安全重點(diǎn)單位，需要開發(fā)一套的基于物聯(lián)網(wǎng)仿真的滅火救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有火場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控模擬成像功能，還為消防單位提供基于火場(chǎng)重現(xiàn)的仿真訓(xùn)練。故為滿足兩大需求，該方案需配備以下具體功能[4]：

（1）數(shù)據(jù)采集功能

利用提前布置好的各種AP節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，傳感器主要針對(duì)其所處環(huán)境的溫度、煙霧濃度、有毒氣體等做出檢測(cè)。

（2）無線傳輸功能

接入WiFi的AP節(jié)點(diǎn)接收無線傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，AP將數(shù)據(jù)裝入特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并將其通過以太網(wǎng)發(fā)送至消防監(jiān)控中心服務(wù)器。

（3）建筑物內(nèi)火災(zāi)場(chǎng)景模擬

虛擬現(xiàn)實(shí)顯示方案的實(shí)現(xiàn)，需要提前對(duì)實(shí)際的場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)繪，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。采用3DMAX等軟件構(gòu)建基本的場(chǎng)景素材。此外，根據(jù)監(jiān)控信息周期性或?qū)崟r(shí)地構(gòu)建虛擬事故場(chǎng)景（例如煙霧、火苗等）。事故發(fā)生時(shí)三維事故場(chǎng)景將真實(shí)呈現(xiàn)給消防人員，達(dá)到交互作用。該功能是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)功能，即讓訓(xùn)練人員在虛擬環(huán)境中定位，熟悉周邊環(huán)境，起到偵查建筑室內(nèi)環(huán)境和火情的目的。

（4）門窗開關(guān)

根據(jù)火場(chǎng)環(huán)境及相應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求，由系統(tǒng)控制人員對(duì)門窗開關(guān)進(jìn)行設(shè)置并映射到仿真場(chǎng)景當(dāng)中。

（5）消防器材添加或移除[5]

在仿真訓(xùn)練前對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)景初始化設(shè)置，由訓(xùn)練人員或系統(tǒng)管理人員根據(jù)監(jiān)控信息配置消防器件。作業(yè)過程中消防人員對(duì)消防器材進(jìn)行操作，據(jù)此添加或移除需要的消防設(shè)備，例如滅火器、消防栓等。保證仿真場(chǎng)景應(yīng)用過程中的實(shí)時(shí)響應(yīng)和靈活變化，有利于對(duì)火情的假定并推測(cè)火災(zāi)蔓延過程及范圍。對(duì)研究消防操作程度對(duì)滅火效果的影響有重要意義。

（6）使用滅火設(shè)備進(jìn)行滅火

該功能是模擬訓(xùn)練的主要訓(xùn)練部分。主要包括選取滅火設(shè)備的適當(dāng)選取和救援操作。此過程中訓(xùn)練人員需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定位最近距離的消防器材，并調(diào)整位置和姿勢(shì)進(jìn)行滅火訓(xùn)練。

（7）生成訓(xùn)練過程視頻文件

將救援過程仿真視頻保存，以便作業(yè)重查和消防過程操作評(píng)定。對(duì)后繼救援指揮和訓(xùn)練提供意見和建議。此視頻為消防人員仿真訓(xùn)練提供基礎(chǔ)和平臺(tái)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體流程

基于物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)的滅火救援及訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩部分：實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊和虛擬仿真模塊。

監(jiān)控模塊利用無線傳感器技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行采集和整理，通過WiFi無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)單位的消防環(huán)境的監(jiān)控。有效地提高對(duì)城市消防安全工作的管理，此外后續(xù)功能的擴(kuò)展僅需與現(xiàn)有相關(guān)監(jiān)控和感知設(shè)備系統(tǒng)結(jié)合，無需額外投資，直接將擴(kuò)展單元導(dǎo)入原有系統(tǒng)的接口即可。

虛擬仿真模塊實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練的研究，主要是利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)構(gòu)建單純的仿真場(chǎng)景。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，根據(jù)監(jiān)控信息實(shí)時(shí)調(diào)整視圖操作、生成虛擬場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

如圖1所示為監(jiān)控方案示意圖，整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)管中心、通訊網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)三大層次組成，如圖1所示。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)方案中基本功能，是系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的來源和控制基礎(chǔ)。本模塊通過溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、紅外傳感器等傳感器檢測(cè)裝置對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，將采集的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過集成無線發(fā)送器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示。

圖1 消防安全重點(diǎn)單位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

所使用的無線傳感器以以下三種為例：

（1）溫度傳感器

基于1-Wire技術(shù)的溫度傳感器將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)以供單片機(jī)處理，在單總線接口上掛接了多個(gè)傳感器，直接以一總線的數(shù)字方式傳輸現(xiàn)場(chǎng)溫度，方便地組成分布式多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。1-Wire總線技術(shù)數(shù)字溫度傳感器成本低，應(yīng)用系統(tǒng)可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。目前該技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用于分布式測(cè)溫的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中。

（2）煙霧傳感器

煙霧傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境的煙霧濃度，將所檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用無線發(fā)送模塊通過接入的AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）WiFi攝像頭

在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，WiFi攝像頭起著不可取代的作用，它是唯一可以為監(jiān)控中心的管理人員提供聯(lián)網(wǎng)內(nèi)所有單位的實(shí)時(shí)畫面的器件。一旦發(fā)生災(zāi)情，指揮人員就可通過攝像頭來目測(cè)災(zāi)情大小并指導(dǎo)參與現(xiàn)場(chǎng)消防人員進(jìn)行合理地?fù)岆U(xiǎn)救災(zāi)[7]。

作者以新鄉(xiāng)市某重點(diǎn)商場(chǎng)作為研究示例，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪。圖3所示為被監(jiān)控大樓某層檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)分布和傳感器分布示意圖。

圖3 某重點(diǎn)企業(yè)大樓某層檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)分布示意圖

3.2.2 傳輸模塊

無線傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)方案如圖4所示，采用基于WiFi的無線傳輸通信方式。目前WiFi技術(shù)發(fā)展成熟，該技術(shù)具有覆蓋范圍廣、有效距離長(zhǎng)、傳輸速度快、可靠性高、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)之一。

傳輸模塊流程基本原理是：首先進(jìn)行設(shè)備初始化配置，然后查詢、鏈接設(shè)備。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定IP和端口號(hào)，通過主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，如若鏈接成功則接入節(jié)點(diǎn)；如若數(shù)據(jù)保持不變，則系統(tǒng)默認(rèn)為休眠模式；如若數(shù)值超過設(shè)置閾值，則激活節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)；判斷幀頭鏈路是否正確，本地地址是否有誤，若檢測(cè)無誤則通過以太網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

圖4 系統(tǒng)方案框架圖

3.2.3 數(shù)據(jù)處理與控制

數(shù)據(jù)處理與控制包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控三部分。其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)通信服務(wù)器等組成，其主要功能是將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和更新；分析控制部分有監(jiān)控服務(wù)器、報(bào)警預(yù)警系統(tǒng)、PC以及遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成，負(fù)責(zé)對(duì)存儲(chǔ)區(qū)中的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，并實(shí)現(xiàn)管理人員的運(yùn)算決策。此模塊確保所監(jiān)控單位實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)作業(yè)，及時(shí)處理火災(zāi)情況保證工作人員生命和財(cái)產(chǎn)安全[8]。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)

現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)采用目前流行的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該方案主要包括兩部分：服務(wù)器和客戶端。其中，服務(wù)器負(fù)責(zé)管理建筑物室內(nèi)場(chǎng)景素材庫(kù)和火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)，同時(shí)維護(hù)與客戶端的連接；客戶端負(fù)責(zé)終端場(chǎng)景顯示與實(shí)時(shí)更新，包括滅火救援動(dòng)作的交互?？蛻舳藢?chǎng)景和火情變動(dòng)信息傳送至服務(wù)器，與此同時(shí)，服務(wù)器反饋將系統(tǒng)狀態(tài)信息廣播給各客戶端[9]。系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)顯示方案總體結(jié)構(gòu)圖

而在虛擬環(huán)境構(gòu)建中，可以采用常用的AutoCAD、3DMAX、瑪雅、粒子系統(tǒng)、OpenGL引擎等實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的逼真3D效果的構(gòu)建。在構(gòu)建時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備信息、實(shí)際的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。虛擬現(xiàn)實(shí)部分的功能如圖6所示。

圖6 虛擬現(xiàn)實(shí)方案功能流程圖

舉例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，可得到下室內(nèi)場(chǎng)景的效果，如圖7所示。一旦監(jiān)控系統(tǒng)傳來現(xiàn)場(chǎng)信息異常，可根據(jù)采集的信息（例如溫度異常、煙霧異常），判定大概的火源區(qū)域，進(jìn)而在虛擬顯示系統(tǒng)中，更新顯示效果，如圖8所示。

圖7 建筑物虛擬成像 圖8 火災(zāi)效果模擬

其中，可利用3DMAX，對(duì)著火點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體效果的繪制，如圖9所示。

圖9 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)整體3D效果

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市消防安全重點(diǎn)單位遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和模擬訓(xùn)練，該方案的關(guān)鍵之處在于對(duì)重點(diǎn)單位的消防信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并將數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的傳輸，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)虛擬構(gòu)建。本方案旨在為現(xiàn)場(chǎng)滅火救援提供全面整體的救援指揮信息，障消防人員自身安全、及時(shí)制定營(yíng)救方案。基于虛擬顯示的滅火救援及訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)大大提高指揮決策的準(zhǔn)確性和消防工作效率，保障了救援中的人員安全。同時(shí)為后續(xù)消防部隊(duì)的訓(xùn)練提供場(chǎng)景再現(xiàn)的平臺(tái)和訓(xùn)練保障，為建立一個(gè)高效而可靠的消防體系提供了基礎(chǔ)。

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