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深度解析 | 智慧消防物联网关键技术梳理与研究方法探讨-凯发真人线上


本文作者为嘉合智能科技股份有限公司副总裁、河南思诺智慧科技有限公司总经理崔凯,同步发表于《消防安全与应急救援》第六期,链接为https://book.yunzhan365.com/tlxh/mzoe/mobile/index.html

前言

智慧消防概念、政策及相关技术和产业已经在全国发展了多年时间,尤其是在2017年10月10日原公安部消防局发布了297号文件以后,全国快速开展了各类智慧消防项目的建设,需要特别注意的是,智慧消防建设的大背景恰逢建国以来最大规模的消防体制改革在同步进行,多种因素相互作用下成就与问题并存,很多问题不是来源于基础技术条件本身,而更多的是来源于对于智慧消防技术的各方使用者需求不清晰、不确定,使得智慧消防技术定义模糊、没有显露明确的实用价值,产生的社会、经济效益难以支持技术研究的持续性投入。

本文主要着眼于应用在火灾防控领域的智慧消防物联网相关技术的讨论,力图尽量全面、但难免肤浅,其中的子课题尚需专篇论述。


前世今生:智慧消防技术到底是什么?

1.1  智慧消防建设的初心

我国很早就开始了对于消防信息化的规划和实施,十几年间进行了诸多尝试,比较有代表性的是城市消防远程监控系统的大规模建设,随着物联网、云计算、大数据、移动互联网等技术的快速发展,新技术在智慧城市的各个板块相继落地,同样也催生了智慧消防的诞生。

经过大量重复、盲目的项目建设以后,我们仿佛忘记了智慧消防的目标是什么?我们一起回顾一下。

用智慧消防的“总设计师”杜兰萍将军的话说,智慧消防建设的主要目的包括实现由消防政府部门包揽式管理,向多元化消防主体共同承担的模式转变;实现灭火、救援手段的革命;创新消防监管形式;创新消防安全管理、消防治理新模式;实现捕捉隐患征兆、主动干预、防范于未然;消防部门利用大数据有效执法、有效发现。


图丨智慧消防技术的3个主要目标

按照上述目标,智慧消防技术大体发展成了以下几个常见的系统,各个系统所属的专业领域还是差别很大的,市面上现有的产品中“大而全”反而效果不佳:

1.2  智慧技术发展的核心难题

由于全国各地的建设模式不同,消防监管部门、政府部门的着力点不同,社会单位的消防设施、管理水平不同,从业企业技术能力、发展策略不同,在各个智慧消防项目的建设及运营中出现了很多不同的、甚至是截然相反的看法,有的盲目拥抱,有的不屑一顾,有的一片欢呼,有的一声叹息,但有一点是绝大部分人赞同的,即没有看到智慧消防技术的真正价值体现,原因很多,但笔者坚持认为核心问题还是出现在了技术本身:研究者脱离现实、建设者重硬轻软、运营者不知所谓、决策者茫然无措。

智慧消防架构中各层技术问题解析

结合上述问题,重点分析一下建设规模最大的智慧消防物联网远程监控系统中各层技术难点,其中一些观点属于抛砖引玉,期待更多业界专家共同探讨。

2.1 感知层:各类设备现状的技术水平如何?

按什么原则选择部署点位?

感知层的任务主要是解决各类消防系统传感及数据解析问题。在各省已经出台及正在编制的国家标准报批稿中,多数的必装设备是用于传送火灾自动报警系统信息的用户信息传输装置以及消防水系统的压力及液位传感器。

(1)用户信息传输装置的常见问题

在此类设备被挪出3c目录后,产品设计的小型化、智能化成为可能,更低的成本、更多的功能;报警系统协议已经被广泛解析,市面上的绝大部分控制器产品型号已经能够成功解析,尤其是通过打印机接口解析,但这类虽然很便捷,却经常被打印信息格式不标准(设备类型不符合国标,为后续平台中进行各类运算带来了一定难度)、控制器打印机关闭、缺纸、损坏等问题困扰;通过控制器的crt通讯板解析数据最为准确,但存在很多单位由于控制器维护保养不到位、新装crt通讯板时稍不留意就会造成控制器原有注册设备丢失、维保单位不配合等问题;最大问题:现有的用户信息传输装置几乎都只能传送控制器上产生信息的设备数据,这使得智慧消防物联网平台无法自动获取火灾自动报警系统中的全部设备信息,更别说联动公式及远程启动(远程控制的问题放在后面讨论),只能是手动录入。平台中如果没有全部设备信息,则难以完成火警视频联动、各类数据筛选统计分析等工作;由于很多设备是在火灾发生后才通过火灾报警控制器启动的,平台中没有这些消防设备的信息,在各类应用中更为高级的灭火救援辅助、疏散逃生辅助等功能则无法实现。

(2)消防水系统监测的常见问题

消防水系统监测的主要设备一般包括消火栓、喷淋系统的水压、液位监测以及用于监测水泵控制柜是否处于手动、电源是否正常等信息的控制柜状态监测。最大的问题出现在手动状态监控上,我们知道,虽然法规明令要求水泵应处于自动状态,但很多单位由于考虑到自动喷淋系统被外部干扰(如装修、局部高温、人为破坏等)后造成损失,将水泵控制柜日常设置为手动,各地的消防监督执法尺度不一,即便通过物联网系统预警日常提示了手动状态也难以实施处罚等干预。自动状态的必要性和实际使用中担心损失间的矛盾如何解决?明知是手动状态还不能干预,智慧消防物联网监测它还有何用?能否通过消防控制室或者智慧消防系统在火灾发生时通过控制装置(比如机械臂、或者控制柜的电子开关),直接将水泵控制柜状态改为自动(由智慧消防系统直接起泵不安全,也不合规)或者不论处于何种状态,控制器皆可远程起泵? 

(3)其他消防设备的监测

由于电气火灾一直是火灾的最大成因,全国各地消防部门大都曾经推广过智慧用电安全监测类设备,市面上最常见的是监控剩余电流及温度的组合式用电安全预警设备,其他类别的还有故障电弧(含灭弧)式、抑制谐波式及多功能空开式的设备。组合式用电安全预警产品在推广起来尤其尴尬,此类产品既不能发现电气隐患的准确部位,又无法进行自动干预、阻断隐患,而且由于大量建筑本身电气系统存在固有问题,剩余电流日常即处于报警状态下,真发生火情时又难以区分。建议此类设备厂家优化产品形态、降低成本、优化算法、增加实用性功能。

视频分析类监测技术发展上,用于人员离岗、通道阻塞、电动车非法进入、感温感火类的监测较为成熟,但用于直接感烟类的视频分析技术一直是个重大难题,相信未来随着人工智能技术的发展也有望解决,一旦成功解决将是颠覆式的技术突破。

2.2传输层:nb还是lora?

传输层任务是将各类数据发送至云端服务器,主流的通讯技术主要包括nb、lora、4g等方式,少数设备还在使用2g传输。消防物联网由于数据发送频率低、数据量小,对于通讯的带宽要求并不高,但对于通讯质量和速度的要求相对较高。

大多数监测设备采用了非常耗电的nb通讯方式,设备厂家只好通过降低点名频率的方式降低功耗,如遇nb信号弱的情况,耗电量急剧增加,或者干脆不能联通。通过信号放大器或者加长天线的方式项目实际应用中效果不佳,lora等无线局域网通讯方式仍是必不可少的。

安全加密问题。目前消防物联网设备的通讯安全问题大多依靠通讯技术本身,在自身数据层大多为明码传输,容易被干扰、截获或者甚至篡改,此类技术研发目前看上去并不急需,但重要性不言而喻,未来远程控制技术更无从实现。

2.3支撑层:说好的智慧呢?

支撑层的主要任务是数据的接收、存储、运算及下发,是这个智慧消防系统的核心,好的架构设计可以适应智慧消防各类应用的快速变化及更多物联网设备的接入及迭代,最具有价值的是各类数据运算、挖掘、机器学习算法的研究。

(1)数据接收问题

不是所有的平台厂商都具有数据中台的研究能力,使得在物联网设备协议标准难以统一的情况下,造成了智慧消防平台与物联网设备的强行绑定。结果客观上造成了大量前期建设的智慧消防系统不能满足新的需要,无法软件升级或更换,必须更换物联网设备才能实现新的功能,形成大量的重复建设。所以,数据中台技术的研发才能真正实现可持续发展的智慧消防系统。

(2)没有算法何来智慧?

a 何谓算法

经常遇到有人将数据的统计、各类柱状图、饼图、雷达图说成是大数据算法。在这里简要说一下数据统计和大数据区别,统计是按照人为事先预想的维度叠加数据,是人先告诉数据“你要告诉我什么”,大数据是海量多维度数据来告诉人“数据发现了什么”,举个消防方面的例子,统计可以人提前设想好问数据,哪类单位报警最多、哪些设备隐患最多、哪些原因造成事故最多,你想不到的自然不会告诉你,大数据是在人不知道问题在哪里的情况下让人知道哪些数据存在关联,这个区域或这类场所要想降低火灾该从哪个方面下手。当然,并不是说统计不重要,恰恰相反,在现有的数据集规模小和运算模型缺乏的情况下,科学的数据统计更有现实意义。

b 算法何用

笔者认为目前最需要数据算法的领域主要有三个:

01

火灾报警分级:排除误报,利用对报警信息结合建筑物特征,将所有的报警信息相对准确区分,这样才能使自动电话、短信通知的使用成为可能。目前真实实现并应用的技术不多,但已看到了非常显著的效果。

02

火灾风险评估:将火灾风险一定程度的量化,不论算法是否科学,均能在一定程度上反映某些维度上的变化,希望不久的将来真正科学的火灾风险评估算法从理论走向实际应用。

03

火灾调查分析:如果说风险评估是预测性的不准确的小概率计算,那么火调最能直接提供火灾形成因素数据,但也由于大量数据难以收集、量化而使火调数据指导防火及救援困难重重。

2.4应用层:各类平台看上去都一样,

我们是不是忽略了什么?

应用层的任务是提供最终交给用户使用操作的各种终端平台,目前的技术研究成果可以说五花八门、相当粗浅,直接导致了用户体验差、不能发挥实际作用,甚至使有的用户得出“智慧消防无用,只是个噱头”的结论。

笔者认为智慧消防应用研究的第一件事就是清晰定义用户。各种平台、app无论是哪个软件,首先要搞清楚,是给谁用的,用户的痛点是什么,不能在没有定义用户、需求分析都没做的情况下就开始了研发,界面上有几个报警有几个压力数值就说是智慧消防平台了。

用户角色及工作流研究是智慧消防应用软件最核心的工作。与其他软件不同,我国的消防工作由于参与者、责任者角色众多,各项法律法规繁琐,在应用软件研究的过程中首先要考虑的就是前面“初心”中提到的完成“由消防政府部门包揽式管理,向多元化消防主体共同承担的模式转变”的任务。多元化主体都是谁?分别要完成哪些工作?各种角色需要通过应用层软件如何完成这些工作?这些问题不能清晰画像,是不可能实现智慧消防技术的价值的。

现在智慧消防的应用平台普遍存在的问题是:缺乏清晰的工作流,只是一些数据的堆叠,没有认真研究过各类用户的实际工作需要,使这些数据最终难以指导消防实际管理,用户活跃度低。

运营服务:技术与应用间的最后一公里

我们常说,智慧消防没有得到社会认可的原因其中之一是大部分用户“重硬件、轻软件”,视智慧消防物联网系统的建设为一般的系统集成项目建设,只注重完成项目建设、不关注使用效果。

智慧消防技术的本质是提供提升消防管理的工具,而在完成任务之间需要有人能够熟练应用工具,在法律法规繁杂、消防专业技术知识缺乏、专业管理人员不足等问题面前,政府部门和社会单位只能是通过完备的乐橙凯发的解决方案式的服务,只能是由专业消防技术机构/人员组成的服务运营团队,通过完备的服务流程及响应机制,才能实现最终的智慧消防技术落地。

方法论:智慧消防技术研究从哪里开始、

选择什么样的路径?

虽然经过两年多全国各地大量的实际项目建设,智慧消防技术整体上发展缓慢,存在大量的重复性低端技术的研发投入,而在深入技术的研究方面乏善可陈,一方面有市场不成熟的因素,另一方面是缺乏适合的研究路径。

支持算法和应用研究目前大多集中于两个极端,一是基于消防学科相关理论推导,这类的研究很珍贵,但短时间内缺乏应用的基础,缺乏可靠足够易于计算的数据源,计算模型研究过程复杂、难度较大,比如决策树(事件树)、贝叶斯公式、逻辑回归、主成分分析(pca)、独立分量分析(ica)等大数据算法;

二是来源于平时经验的推定和碎片化的标准、法规,缺乏整体设计思想体系。所以笔者建议可以从其他领域的借鉴一些研究思路,比如:海湾的母公司美国联合技术公司的ace运营体系就是吸收了日本的精益制造(lean)的思想体系后扩大到了所有的业务领域。同理,我们一样可以借助质量管理、业务管理中的方法来推理导出应用模型。比如使用错误根源分析(rrca)的工具集中的柏拉图pareto、5why、鱼骨图(fishbone)等简单工具去统计并分析联网单位的消防安全管理问题及设备隐患;使用错误预防检查表等管理工具完成智慧消防系统设计思想,最终帮助社会单位建成科学的消防安全管理体系。

当前的智慧消防技术发展缓慢的一个重要原因就是无论是技术提供方、系统建设方习惯于项目建设完成后不再进行技术的深入研究或者说缺乏研究思路和方法。大数据分析工具中的贝叶斯公式在不同领域可以表述为“大胆假设,小心求证”,“不断试错,快速迭代”,借用到智慧消防技术上可以理解为在系统设计中直接引导用户反馈使用中的问题,通过系统中的用户使用行为、消防系统数据和用户反馈来不断快速改进相关技术,才能促进智慧消防快速的找准需求、找到技术实现关键点。

发展方向:未来已来?我怎么还没有看到?

包括智慧消防技术在内的智慧城市技术在快速发展,同时消防改革也在快速推进,那么智慧消防在不远的将来存在哪些技术热点呢?

01

远程控制:解决无人值守控制室等急需远程控制应用场景的消防管理及应急处置问题。此问题现在的两大难点就是法规以及安全性问题。笔者认为目前技术上已经可以轻松实现,如要解决可以分步走,比如针对特定场所、特定的消防设备、特定的应急处置方式研究制定新的政策及技术标准,目前已经有的项目开始尝试了,但需要更为科学的论证;

02

系统自动干预消除隐患:目前的智慧消防系统绝大多数仅停留在隐患发现层面,尤其是针对防范电气火灾的组合式用电安全预警技术。只有技术上可以通过系统主动干预直接消灭隐患,才能更少的减少人为操作的失误;

03

人工智能算法:大规模的大数据及人工智能技术的应用技术上还存在较大距离,但是在诸如判别火警级别、火灾风险指数等方向上的突破会更容易获取价值;

04

智慧化工作辅助:工作改善辅助、灭火救援辅助、疏散逃生辅助、火灾调查辅助等应用模型没有技术上的难度,但需求设计和技术实现需要逐步深入研究,同时也非常具有现实意义;

05

家用消防技术:家用消防更缺的不是技术,而是构建家庭消防安全的整体生态环境,篇幅所限,此处不做展开讨论。

写在后面

智慧消防在新型城市建设及消防改革的大背景下,已经是智慧城市必不可缺的一部分,政府部门推进智慧消防的方式也必然从政府投资建设转向“政府引导、市场化建设”的阶段,政府引导的主要方向也势必从下发文件、鼓励建设的层面,转向整合产业结构、构建消防安全生态、科学化法规标准体系、面向全社会宣传、鼓励技术进步等方向。

相信在不远的将来,集成各种最先进技术的智慧消防将为我国社会消防治理带来颠覆性的改变。

end


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