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摘 要：随着我国经济建设发展，如何提升城市消防质量备受关注，而利用物联网相关技术对重点消防单位的实时监控已成为发展趋势。提出一种基于物联网和虚拟现实的灭火救援及训练系统，基于Wi-Fi技术分为远程监控和虚拟现实两个模块。传感器采集数据并实时向监控管理中心传送，结合虚拟现实成像技术构造监控单位的仿真环境。此系统为火灾现场的指挥、部署提供全面合理的救援方案，并为后续消防队员的消防训练提供了仿真平台和经验分析。
关键词：消防；物联网；虚拟现实；无线传感
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-04
0 引 言
目前我国所应用的火灾自动报警系统基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主。这些系统自成体系，火情发生时，这些报警系统均只在建筑现场作用。消防值班人员还需采用电话报警方式向城市“119”火警受理中心报告，而系统自身不能自动报告[1]。美国、澳大利亚等发达国家都已建立了重点单位消防远程监控系统网络，其中重点保护单位如医院、幼儿园、老人院，或者一级防火单位如政府办公楼、加油站、化工厂。人员密集区的火灾报警系统直接与远程消防监控中心联网，并由全天值班的监控中心负责网络管理和报警处置，直接与当地消防119 指挥中心报告，形成三方同时监管的模式。
目前，消防队员在灭火过程中发生事故的主要原因是对火场情况的未知。外部指挥中心无法掌握室内火情和消防人员分布情况，无法做出全面部署，造成救援效率低、行动盲目，同时给消防队员带来巨大的安全隐患。当下，消防部队对火灾救援和抢险扑救的模拟训练针对重点监控单位的特点，引入烟、热训练系统，提升环境针对性。但在训练基地的构建上需耗费大量人力物力及场地保障，训练准备时间长[2]。训练过程中无法灵活地重现实际环境的变动，在某些危险场景下难以保障消防人员的人身安全，因此存在诸多局限。
1 系统概述
随着物联网与人机交互技术的完善，利用图形图像学进行模拟，已经成为军事领域和工业界广泛采用的新技术。虚拟现实是20世纪末兴起的一种可创建、体验和参与虚拟环境的计算机模拟技术，具有三大特征：沉浸感、想象性、交互性。它的基础实现技术包括计算机图形学、传感与测量技术、人工智能、多媒体仿真等。这种技术可构造一个虚拟世界，使得用户沉浸于其中[3]。对火灾现场的虚拟构建能够提高指挥中心对火情的全面掌握，使决策更具宏观性。在后期消防训练中可采用交互装置（例如智能头盔等），达到消防人员视听、触碰与实现的交互。与传统方式相比，虚拟技术更逼真，交互性更强，给灭火救援指挥和训练提供了新思路。因此，有必要展开这一方面的研究，研制基于物联网和虚拟现实的灭火救援及训练系统。
2 需求分析
根据上述分析，针对医院、学校、化工厂、政府办公楼等消防安全重点单位，需要开发一套的基于物联网仿真的灭火救援模拟训练系统。此系统具有火场远程监控模拟成像功能，还为消防单位提供基于火场重现的仿真训练。故为满足两大需求，该方案需配备以下具体功能[4]：
（1）数据采集功能
利用提前布置好的各种AP节点对传感器数据进行实时监控和采集，传感器主要针对其所处环境的温度、烟雾浓度、有毒气体等做出检测。
（2）无线传输功能
接入WiFi的AP节点接收无线传感器的检测数据，AP将数据装入特定数据结构中，并将其通过以太网发送至消防监控中心服务器。
（3）建筑物内火灾场景模拟
虚拟现实显示方案的实现，需要提前对实际的场地进行测绘，建立数据库。采用3DMAX等软件构建基本的场景素材。此外，根据监控信息周期性或实时地构建虚拟事故场景（例如烟雾、火苗等）。事故发生时三维事故场景将真实呈现给消防人员，达到交互作用。该功能是模拟训练系统的一个基础功能，即让训练人员在虚拟环境中定位，熟悉周边环境，起到侦查建筑室内环境和火情的目的。
（4）门窗开关
根据火场环境及相应现实需求，由系统控制人员对门窗开关进行设置并映射到仿真场景当中。
（5）消防器材添加或移除[5]
在仿真训练前对训练场景初始化设置，由训练人员或系统管理人员根据监控信息配置消防器件。作业过程中消防人员对消防器材进行操作，据此添加或移除需要的消防设备，例如灭火器、消防栓等。保证仿真场景应用过程中的实时响应和灵活变化，有利于对火情的假定并推测火灾蔓延过程及范围。对研究消防操作程度对灭火效果的影响有重要意义。
（6）使用灭火设备进行灭火
该功能是模拟训练的主要训练部分。主要包括选取灭火设备的适当选取和救援操作。此过程中训练人员需根据现场情况定位最近距离的消防器材，并调整位置和姿势进行灭火训练。
（7）生成训练过程视频文件
将救援过程仿真视频保存，以便作业重查和消防过程操作评定。对后继救援指挥和训练提供意见和建议。此视频为消防人员仿真训练提供基础和平台。
3 设计方案
3.1 总体流程
基于物联网和虚拟现实的灭火救援及训练系统。该系统包括两部分：实时远程监控模块和虚拟仿真模块。
监控模块利用无线传感器技术对信息进行采集和整理，通过WiFi无线通讯进行数据传输，从而实现对重点单位的消防环境的监控。有效地提高对城市消防安全工作的管理，此外后续功能的扩展仅需与现有相关监控和感知设备系统结合，无需额外投资，直接将扩展单元导入原有系统的接口即可。
虚拟仿真模块实现模拟训练的研究，主要是利用计算机模拟技术构建单纯的仿真场景。系统将实时监控数据与虚拟现实技术结合，根据监控信息实时调整视图操作、生成虚拟场景实现人机互动。 3.2 远程监控模块
如图1所示为监控方案示意图，整个系统由监管中心、通讯网络、传感器节点三大层次组成，如图1所示。
3.2.1 数据采集
数据采集是本系统方案中基本功能，是系统处理数据的来源和控制基础。本模块通过温度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、红外传感器等传感器检测装置对监控对象进行实时地数据采集，将采集的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，通过集成无线发送器发送传感器数据[6]。数据采集过程如图2所示。
图1 消防安全重点单位远程监控系统结构
图2 数据采集系统框图
所使用的无线传感器以以下三种为例：
（1）温度传感器
基于1-Wire技术的温度传感器将温度信号直接转换成串行数字信号以供单片机处理，在单总线接口上挂接了多个传感器，直接以一总线的数字方式传输现场温度，方便地组成分布式多点测温系统。1-Wire总线技术数字温度传感器成本低，应用系统可靠性高、传输距离远。目前该技术已经成熟地应用于分布式测温的火灾报警系统中。
（2）烟雾传感器
烟雾传感器检测周围环境的烟雾浓度，将所检测的实时数据利用无线发送模块通过接入的AP节点发送至服务器，服务器将接收的数据进行存储。
（3）WiFi摄像头
在整个监控系统中，WiFi摄像头起着不可取代的作用，它是唯一可以为监控中心的管理人员提供联网内所有单位的实时画面的器件。一旦发生灾情，指挥人员就可通过摄像头来目测灾情大小并指导参与现场消防人员进行合理地抢险救灾[7]。
作者以新乡市某重点商场作为研究示例，并进行了现场测绘。图3所示为被监控大楼某层检测网络分布和传感器分布示意图。
图3 某重点企业大楼某层检测网络分布示意图
3.2.2 传输模块
无线传感器实现数据采集和传输系统方案如图4所示，采用基于WiFi的无线传输通信方式。目前WiFi技术发展成熟，该技术具有覆盖范围广、有效距离长、传输速度快、可靠性高、工作效率高等优点，是物联网中的重要技术之一。
传输模块流程基本原理是：首先进行设备初始化配置，然后查询、链接设备。在传感器网络中，每个传感器节点都有一个固定IP和端口号，通过主节点进行传输，如若链接成功则接入节点；如若数据保持不变，则系统默认为休眠模式；如若数值超过设置阈值，则激活节点接收数据；判断帧头链路是否正确，本地地址是否有误，若检测无误则通过以太网最终实现终端数据打包发送。
图4 系统方案框架图
3.2.3 数据处理与控制
数据处理与控制包括数据存储、分析控制和远程监控三部分。其中数据存储部分主要由数据存储器、GIS数据库、实时通信服务器等组成，其主要功能是将传感器节点采集的数据进行存储和更新；分析控制部分有监控服务器、报警预警系统、PC以及远程控制设备组成，负责对存储区中的反馈数据进行BP神经网络训练，并实现管理人员的运算决策。此模块确保所监控单位实现安全生产作业，及时处理火灾情况保证工作人员生命和财产安全[8]。
3.3 虚拟现实呈现
现实呈现采用目前流行的虚拟现实技术实现。该方案主要包括两部分：服务器和客户端。其中，服务器负责管理建筑物室内场景素材库和火灾模拟数据，同时维护与客户端的连接；客户端负责终端场景显示与实时更新，包括灭火救援动作的交互。客户端将场景和火情变动信息传送至服务器，与此同时，服务器反馈将系统状态信息广播给各客户端[9]。系统框架如图5所示。
图5 虚拟现实显示方案总体结构图
而在虚拟环境构建中，可以采用常用的AutoCAD、3DMAX、玛雅、粒子系统、OpenGL引擎等实现高质量的逼真3D效果的构建。在构建时，需要根据设备信息、实际的监控数据进行统一处理。虚拟现实部分的功能如图6所示。
图6 虚拟现实方案功能流程图
举例根据现场测绘，可得到下室内场景的效果，如图7所示。一旦监控系统传来现场信息异常，可根据采集的信息（例如温度异常、烟雾异常），判定大概的火源区域，进而在虚拟显示系统中，更新显示效果，如图8所示。
图7 建筑物虚拟成像 图8 火灾效果模拟
其中，可利用3DMAX，对着火点和现场进行整体效果的绘制，如图9所示。
图9 火灾现场整体3D效果
4 结 语
本系统利用物联网技术实现对城市消防安全重点单位远程监控管理和模拟训练，该方案的关键之处在于对重点单位的消防信息进行实时采集并将数据进行高效的传输，并通过虚拟现实技术，对火灾现场虚拟构建。本方案旨在为现场灭火救援提供全面整体的救援指挥信息，障消防人员自身安全、及时制定营救方案。基于虚拟显示的灭火救援及训练系统的实现大大提高指挥决策的准确性和消防工作效率，保障了救援中的人员安全。同时为后续消防部队的训练提供场景再现的平台和训练保障，为建立一个高效而可靠的消防体系提供了基础。
参考文献
[1] 宋敏，胡浩. 快速城市化进程下消防规划研究[J]. 消防科学与技术，2011， 30（8）：735-737.
[2] GB 50440-2007.城市消防远程监控系统技术规范[S].2007.
[3] 张云明，陈蕾.基于虚拟现实技术的灭火救援训练系统[J].消防科学与技术，2010，29（11）：996-998.
[4]邹超群，李华章，李春华，等.数字城市消防远程监控系统的设计与建设实践[J].智能建筑， 2008， 6（1）： 53-56.
[5] 梅武军. 基于物联网的城市智能消防栓监控系统设计[J]. 电子产品世界， 2012（2）： 69-71.
[6] 韩冰，李芬华. GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用 [J].电子技术，2003（8）：26-29.
[7] 赵娜. 无线火灾报警控制器的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2006.
[8]陈驰，任爱珠，张新.基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统[J].自然灾害学报，2007，16（1）：55-60.
[9]高宏，严志明.我国城市消防远程监控系统的发展方向[J].消防技术与产品信息， 2008， 21（9）： 57-60.
[10] 施磊. 物联网技术在消火栓维护和管理上的应用[C]. 2011中国消防协会科学技术年会，2011：345-348.
关键词：消防；物联网；虚拟现实；无线传感
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-04
0 引 言
目前我国所应用的火灾自动报警系统基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主。这些系统自成体系，火情发生时，这些报警系统均只在建筑现场作用。消防值班人员还需采用电话报警方式向城市“119”火警受理中心报告，而系统自身不能自动报告[1]。美国、澳大利亚等发达国家都已建立了重点单位消防远程监控系统网络，其中重点保护单位如医院、幼儿园、老人院，或者一级防火单位如政府办公楼、加油站、化工厂。人员密集区的火灾报警系统直接与远程消防监控中心联网，并由全天值班的监控中心负责网络管理和报警处置，直接与当地消防119 指挥中心报告，形成三方同时监管的模式。
目前，消防队员在灭火过程中发生事故的主要原因是对火场情况的未知。外部指挥中心无法掌握室内火情和消防人员分布情况，无法做出全面部署，造成救援效率低、行动盲目，同时给消防队员带来巨大的安全隐患。当下，消防部队对火灾救援和抢险扑救的模拟训练针对重点监控单位的特点，引入烟、热训练系统，提升环境针对性。但在训练基地的构建上需耗费大量人力物力及场地保障，训练准备时间长[2]。训练过程中无法灵活地重现实际环境的变动，在某些危险场景下难以保障消防人员的人身安全，因此存在诸多局限。
1 系统概述
随着物联网与人机交互技术的完善，利用图形图像学进行模拟，已经成为军事领域和工业界广泛采用的新技术。虚拟现实是20世纪末兴起的一种可创建、体验和参与虚拟环境的计算机模拟技术，具有三大特征：沉浸感、想象性、交互性。它的基础实现技术包括计算机图形学、传感与测量技术、人工智能、多媒体仿真等。这种技术可构造一个虚拟世界，使得用户沉浸于其中[3]。对火灾现场的虚拟构建能够提高指挥中心对火情的全面掌握，使决策更具宏观性。在后期消防训练中可采用交互装置（例如智能头盔等），达到消防人员视听、触碰与实现的交互。与传统方式相比，虚拟技术更逼真，交互性更强，给灭火救援指挥和训练提供了新思路。因此，有必要展开这一方面的研究，研制基于物联网和虚拟现实的灭火救援及训练系统。
2 需求分析
根据上述分析，针对医院、学校、化工厂、政府办公楼等消防安全重点单位，需要开发一套的基于物联网仿真的灭火救援模拟训练系统。此系统具有火场远程监控模拟成像功能，还为消防单位提供基于火场重现的仿真训练。故为满足两大需求，该方案需配备以下具体功能[4]：
（1）数据采集功能
利用提前布置好的各种AP节点对传感器数据进行实时监控和采集，传感器主要针对其所处环境的温度、烟雾浓度、有毒气体等做出检测。
（2）无线传输功能
接入WiFi的AP节点接收无线传感器的检测数据，AP将数据装入特定数据结构中，并将其通过以太网发送至消防监控中心服务器。
（3）建筑物内火灾场景模拟
虚拟现实显示方案的实现，需要提前对实际的场地进行测绘，建立数据库。采用3DMAX等软件构建基本的场景素材。此外，根据监控信息周期性或实时地构建虚拟事故场景（例如烟雾、火苗等）。事故发生时三维事故场景将真实呈现给消防人员，达到交互作用。该功能是模拟训练系统的一个基础功能，即让训练人员在虚拟环境中定位，熟悉周边环境，起到侦查建筑室内环境和火情的目的。
（4）门窗开关
根据火场环境及相应现实需求，由系统控制人员对门窗开关进行设置并映射到仿真场景当中。
（5）消防器材添加或移除[5]
在仿真训练前对训练场景初始化设置，由训练人员或系统管理人员根据监控信息配置消防器件。作业过程中消防人员对消防器材进行操作，据此添加或移除需要的消防设备，例如灭火器、消防栓等。保证仿真场景应用过程中的实时响应和灵活变化，有利于对火情的假定并推测火灾蔓延过程及范围。对研究消防操作程度对灭火效果的影响有重要意义。
（6）使用灭火设备进行灭火
该功能是模拟训练的主要训练部分。主要包括选取灭火设备的适当选取和救援操作。此过程中训练人员需根据现场情况定位最近距离的消防器材，并调整位置和姿势进行灭火训练。
（7）生成训练过程视频文件
将救援过程仿真视频保存，以便作业重查和消防过程操作评定。对后继救援指挥和训练提供意见和建议。此视频为消防人员仿真训练提供基础和平台。
3 设计方案
3.1 总体流程
基于物联网和虚拟现实的灭火救援及训练系统。该系统包括两部分：实时远程监控模块和虚拟仿真模块。
监控模块利用无线传感器技术对信息进行采集和整理，通过WiFi无线通讯进行数据传输，从而实现对重点单位的消防环境的监控。有效地提高对城市消防安全工作的管理，此外后续功能的扩展仅需与现有相关监控和感知设备系统结合，无需额外投资，直接将扩展单元导入原有系统的接口即可。
虚拟仿真模块实现模拟训练的研究，主要是利用计算机模拟技术构建单纯的仿真场景。系统将实时监控数据与虚拟现实技术结合，根据监控信息实时调整视图操作、生成虚拟场景实现人机互动。 3.2 远程监控模块
如图1所示为监控方案示意图，整个系统由监管中心、通讯网络、传感器节点三大层次组成，如图1所示。
3.2.1 数据采集
数据采集是本系统方案中基本功能，是系统处理数据的来源和控制基础。本模块通过温度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、红外传感器等传感器检测装置对监控对象进行实时地数据采集，将采集的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，通过集成无线发送器发送传感器数据[6]。数据采集过程如图2所示。
图1 消防安全重点单位远程监控系统结构
图2 数据采集系统框图
所使用的无线传感器以以下三种为例：
（1）温度传感器
基于1-Wire技术的温度传感器将温度信号直接转换成串行数字信号以供单片机处理，在单总线接口上挂接了多个传感器，直接以一总线的数字方式传输现场温度，方便地组成分布式多点测温系统。1-Wire总线技术数字温度传感器成本低，应用系统可靠性高、传输距离远。目前该技术已经成熟地应用于分布式测温的火灾报警系统中。
（2）烟雾传感器
烟雾传感器检测周围环境的烟雾浓度，将所检测的实时数据利用无线发送模块通过接入的AP节点发送至服务器，服务器将接收的数据进行存储。
（3）WiFi摄像头
在整个监控系统中，WiFi摄像头起着不可取代的作用，它是唯一可以为监控中心的管理人员提供联网内所有单位的实时画面的器件。一旦发生灾情，指挥人员就可通过摄像头来目测灾情大小并指导参与现场消防人员进行合理地抢险救灾[7]。
作者以新乡市某重点商场作为研究示例，并进行了现场测绘。图3所示为被监控大楼某层检测网络分布和传感器分布示意图。
图3 某重点企业大楼某层检测网络分布示意图
3.2.2 传输模块
无线传感器实现数据采集和传输系统方案如图4所示，采用基于WiFi的无线传输通信方式。目前WiFi技术发展成熟，该技术具有覆盖范围广、有效距离长、传输速度快、可靠性高、工作效率高等优点，是物联网中的重要技术之一。
传输模块流程基本原理是：首先进行设备初始化配置，然后查询、链接设备。在传感器网络中，每个传感器节点都有一个固定IP和端口号，通过主节点进行传输，如若链接成功则接入节点；如若数据保持不变，则系统默认为休眠模式；如若数值超过设置阈值，则激活节点接收数据；判断帧头链路是否正确，本地地址是否有误，若检测无误则通过以太网最终实现终端数据打包发送。
图4 系统方案框架图
3.2.3 数据处理与控制
数据处理与控制包括数据存储、分析控制和远程监控三部分。其中数据存储部分主要由数据存储器、GIS数据库、实时通信服务器等组成，其主要功能是将传感器节点采集的数据进行存储和更新；分析控制部分有监控服务器、报警预警系统、PC以及远程控制设备组成，负责对存储区中的反馈数据进行BP神经网络训练，并实现管理人员的运算决策。此模块确保所监控单位实现安全生产作业，及时处理火灾情况保证工作人员生命和财产安全[8]。
3.3 虚拟现实呈现
现实呈现采用目前流行的虚拟现实技术实现。该方案主要包括两部分：服务器和客户端。其中，服务器负责管理建筑物室内场景素材库和火灾模拟数据，同时维护与客户端的连接；客户端负责终端场景显示与实时更新，包括灭火救援动作的交互。客户端将场景和火情变动信息传送至服务器，与此同时，服务器反馈将系统状态信息广播给各客户端[9]。系统框架如图5所示。
图5 虚拟现实显示方案总体结构图
而在虚拟环境构建中，可以采用常用的AutoCAD、3DMAX、玛雅、粒子系统、OpenGL引擎等实现高质量的逼真3D效果的构建。在构建时，需要根据设备信息、实际的监控数据进行统一处理。虚拟现实部分的功能如图6所示。
图6 虚拟现实方案功能流程图
举例根据现场测绘，可得到下室内场景的效果，如图7所示。一旦监控系统传来现场信息异常，可根据采集的信息（例如温度异常、烟雾异常），判定大概的火源区域，进而在虚拟显示系统中，更新显示效果，如图8所示。
图7 建筑物虚拟成像 图8 火灾效果模拟
其中，可利用3DMAX，对着火点和现场进行整体效果的绘制，如图9所示。
图9 火灾现场整体3D效果
4 结 语
本系统利用物联网技术实现对城市消防安全重点单位远程监控管理和模拟训练，该方案的关键之处在于对重点单位的消防信息进行实时采集并将数据进行高效的传输，并通过虚拟现实技术，对火灾现场虚拟构建。本方案旨在为现场灭火救援提供全面整体的救援指挥信息，障消防人员自身安全、及时制定营救方案。基于虚拟显示的灭火救援及训练系统的实现大大提高指挥决策的准确性和消防工作效率，保障了救援中的人员安全。同时为后续消防部队的训练提供场景再现的平台和训练保障，为建立一个高效而可靠的消防体系提供了基础。
参考文献
[1] 宋敏，胡浩. 快速城市化进程下消防规划研究[J]. 消防科学与技术，2011， 30（8）：735-737.
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[9]高宏，严志明.我国城市消防远程监控系统的发展方向[J].消防技术与产品信息， 2008， 21（9）： 57-60.
[10] 施磊. 物联网技术在消火栓维护和管理上的应用[C]. 2011中国消防协会科学技术年会，2011：345-348.