城市智能消防栓监控.docx
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城市智能消防栓监控
城市智能消防栓监控
系统解决方案
天津中科物联网技术研究所
2016年9月
第1章、项目概述
1.1项目背景
近年来，随着社会经济的快速发展，城市建设的步伐不断加快，消防工作也凸显重要，然而消防设施的信息化建设却趋于落后；传统的管理方式无法及时了解现场信息，比如消防设施被破坏、救火现场无法及时有效地找到消防水源、消防通道被堵塞等原因，延误了最佳扑救时间，致损失扩大。
城市的智能消防栓系统对于城市的基础设施升级，提高消防栓管理及维护有着重要的现实意义，现有的消防栓主要供消防车从市政给水管网或室外消防给水管网取水实施灭火，也可以直接连接水带、水枪出水灭火。
在消防队装备的消防车中，因自身运载水量有限，在灭火时往往需要寻找水源，这时，消防栓就发挥出巨大的供水功能。
然而现实生活中，由于一些单位和个人的消防安全意识淡薄，消防栓被损坏的情况非常普遍，一旦发生火灾，这些消防栓将无法发挥其应有的作用。
对人民群众的生命财产安全构成严重威胁。
随着城市规模的不断扩大，消防栓的安装范围也在不断扩展，对于消防单位而言，对消防栓进行全面的、实时的监控管理成为一种迫切的要求。
1.2现存问题及发展趋势
1.2.1消防栓管理现状
▲人工巡查：
人员素质良莠不齐，处理问题专业度不够，人工巡查耗时费力；
▲信息孤岛：
消防信息无法共享，信息传输方式单一，不透明；
▲统计误差：
手工记录、纸质存档，消防设施完好率无法统计，存在大量误差；
▲检查盲区：
消防管网、消火栓水压资料陈旧，无法动态监控；
▲监管缺陷：
大检查时“临时抱佛脚”消防部门监管难上加难；
▲交接模糊：
口头通知，物业与维修单位交接模糊，人员绩效不明确；
▲运维滞后：
运维人员工作机制完全处于盲目和被动状态，无法及时进行维护；
▲警情模糊：
数据真实性无法保证，预警方式单一；
▲违规用水：
消火栓被一些违章用水单位、个人肆意使用，浪费水资源，并导致部分消火栓无法正常使用；
1.2.2消防栓管理发展趋势
近年来，物联网技术在现代社会的方方面面都得到了广泛的应用，物联网技术将传统的物理设施与高速发展的互联网络进行联网，使一些传统的工作方式发生了质的改变。
新的基于物联网技术的城市智能消防栓监控系统，利用该系统，管理者通过统一的管理界面就可以对整个区域内分布的消防栓进行检查。
这一过程完全实现了实时性与智能化，对于提高消防系统的行动效率，消除城市安全隐患具有重大现实意义。
图1-1工作流程对比示意图
消防物联网是利用传感器技术、互联网通信技术和数据库技术实时采集建筑物内、外消防系统管网水压、水池水位、水泵控制器状态以及阀门状态等信息，通过有线或无线通信方式传送到消防物联网监控中心，中心对所监测的各个部位的数据进行实时监控，及时发现系统发生故障或报警的原因，提出系统维护的建设性方案。
第2章、城市智能消防栓系统概况
2.1系统组成
智能消防栓监控系统采用服务器－终端模式进行设计。
具体由信息管理模块，通信处理模块、信息采集模块，控制模块四部分组成。
信息管理模块属于服务器，通信处理模块、信息采集模块、控制模块属于终端。
信息管理模块位于整个系统的最上层，主要负责对整个系统中收集到的各个模块的数据进行处理。
通信处理模块，负责系统中采集到数据的收发工作。
将数据压缩打包后，利用无线通讯网络，通用互联网等途径完成数据在终端与服务器之间的传递。
信息采集模块，负责对消防栓的实时信息进行采集，它主要由各种状态传感器与采集电路组成。
控制模块则对采集模块与通信处理模块进行总控与管理。
图2-1智能消防栓系统组网图示
2.2系统架构
智能消防栓监控系统采用物联网技术、无线通讯技术、GPS技术、数据库等技术，监测消防栓状态、地理位置、用水情况、水压信息、安全信息等，运用系统软件对消防栓的信息进行处理、分类、统计和分析，从而达到日常消防栓全面管理和战时合理规划，使用每个可利用消防栓，充分发挥救灾现场的有限兵力。
智能消防栓监控信息系统通过在消防栓上安装各种监测器，对目标进行监控和数据收集，并通过无线通讯系统进行实时数据传输，将数据提供给监控系统中心进行存储、分析、查询、检索，供用户划分权限进行有效管理。
运用数据库系统和GIS技术将消火栓分布情况、消火栓基本信息、各种监控信息集成在一个平台上供用户查询和使用。
图2-2智能消防栓监控系统架构图
2.3系统原理
消防栓监控器系统构架由消火栓监控器、消防栓监控管理系统软件两部分构成，消防栓监控器安装在市政消火栓上，消防栓监控管理系统软件应用于监控机房，将各种监测数据进行记录、分析、统计形成各类报表、电子地图等。
图2-3消防栓传感器安装位置结构图
图2-4消防栓传感器实物图
如图所示：
A——智能盖帽，包括消火栓监控器平台、用水监测模块、定位模块、撞倒报警模块；
B——管网水压监测器；
C——消防栓阀门监测器；
A、B和A、C之间通过短距无线通讯实现数据交换，由A收集处理后，通过LPWAN或GSM\3G\4G网络发送到监控中心。
当用水、撞倒、水压超限等报警触发时，可以通过短信将信息发送到监控中心，由监控中心将报警信息显示或者发送到指定人员手机。
智能消防栓APP，分为安卓和苹果IOS两个平台，主要用于消防栓的基本信息输入和消防栓巡检记录等功能，基本信息如消火栓编号、品牌、型号、安装日期、安装地点等，消防栓巡检记录为现场巡检记录，消防栓损坏情况，现场违章处理等。
数据信息通过手机和系统账号实现数据更新和下载。
智能消防栓APP具有导航和放样功能，客户可以输入目标消火栓经纬度，由APP地图指引到目标地点。
第3章、智慧消防栓业务应用
LPWAN系统以多层级管理、分布式部署、数据集中存储为主要特点，强调以监控为核心，建设防控结合、以防为主的自上而下的一体化城市消防监控管理体系。
系统实时接收、显示、处理联网单位的报警信息和消防设施的运行状态信息，通过远程终端查询，使用户单位、服务商、消防主管单位及时掌握和处理现场警情。
消防管理部门随时在线获得准确实时的被控单位各类消防管理数据，有效做好消防监督管理工作，提升消防执法效率，实现消防管理工作信息化、现代化。
图3-1智能消防栓业务应用图示
3.1智能消防栓业务应用介绍
3.1.1水压监测
一般城市市政消防管网的水压在0.25-0.35MPa，离泵站近的水压值较高，未端水压较低，也就意味着每个消火栓的出水口压力也不尽相同，通过对消防栓附近管网安装测压点进行水压监测，了解整体消防管网的水压情况。
管网水压监测器，可以根据客户需求，设定最低水压报警值和最高水压报警值，使得用户实时掌握管网水压情况。
方案设定，管网水压监测器采取平时待机，每隔1小时启动一次采集水压值，如果在设定范围值内，通过短距无线通信发送到智能盖帽，由智能盖帽将数值存储，在每天晚上12点定时发送到后台服务器；当采集的水压值超过设定范围时，水压监测器将水压值实时发送到智能盖帽，并由智能盖帽实时将报警值发送到后台服务器，由后台服务器及时对相关人员进行短信、地图闪烁等手段进行提示。
水压监测组件有2种安装方式，一种使用法兰式水压监测器，法兰厚度在30mm左右，安装时，只需要把原有消火栓移动30mm即可实现安装；一种是打孔式，通过在原有管道上的打孔技术，将传感器探头伸入管道内，即可实现安装。
相对于智能盖帽，水压监测组件整体安装与贴近管网部位，位于地下，所以体积要求不严格，可以选用大容量电池，理论使用时间5年。
由于设备埋于地下，防水等级较高，因此建议由专业人员更换。
图3-2智能消防栓水压监测图示
3.1.2水量监测
当消防栓被打开时，用水监测模块开始工作，记录消火栓打开的时间和关闭时间，并将信息通过消火栓监控器平台发送至监控机房进行记录，并将用水信息以手机短信方式发送于执法人员手机（手持机）上，以便于巡查小组进行及时制止和处理。
智能消防栓盖帽，外形设计基本按原消火栓盖帽，所以只需要更换原消防栓盖帽，即可完成安装。
图3-3智能消防栓水量监测图示
3.1.3消防栓撞到监控
当消防栓被撞击甚至撞倒时，撞倒报警模块开始工作，将报警信息、地理信息、时间信息等通过消火栓监控器平台发至监测机房，方便抢修人员第一时间发现现情况，并及时赶到现场进行处理。
主要通过角度传感器实现撞倒监测，设定指标为倾斜角度大于30度进行报警。
撞倒报警功能，集成在智能消防栓盖帽中，所以只需要更换消防栓盖帽，即可完成安装。
图3-4智能消防栓防撞监控图示
3.1.4漏水监测
当消防栓附件管网出现破损并发生漏水时，漏水监测器将信息通过消防栓监控器平台发送至监控机房进行记录，并提醒相关人员。
3.1.5消防栓阀门监控
当消防栓阀门被关闭时，关闭信息通过消火栓监控器平台发送至监控机房，并提示阀门被关闭。
3.2智能消防栓监控管理系统软件
3.2.1智能消防栓监控信息接收系统
实时接收从消防栓监测器发回的各类监测信息并校验后提供给系统软件。
3.2.2智能消防栓基本情况查询系统
提供区域内的消防栓情况查询，设备故障状态查询等。
3.2.3GIS系统
▲消防栓分布；
▲报警联动闪亮，包括撞倒报警、漏水报警、用水报警、消火栓阀门关闭报警等；
▲消防栓信息显示及操作，包括消火栓基本情况及水压信息等。
图3-5智能消防栓分布示意图
3.2.4智能消防栓用水数据统计、分析
对消防栓产生的用水数据进行统计、分析，了解该区域的整个用水分布情况，对违章用水处理提供依据。
图3-6智能消防栓用水数据统计图示
第4章、LPWAN产品及服务介绍
4.1公司简介
中国科学院计算技术研究所（ICT）1956年成立，是中国第一个专门从事计算机科学技术综合性研究的学术机构中国顶尖的高性能计算机研发基地孵化出联想、曙光等世界级的高新技术企业全国15个分支机构，强大的科研覆盖能力优势：
品牌、标准、研发、人才。
天津中科物联网技术研究所（中国科学院计算技术研究所天津分所），是在天津市政府和中国科学院计算技术研究所领导的支持与推动下，作为天津市和中科院战略合作重大项目，在天津市西青区成立的院地合作科研机构。
依托于中科院的强大后盾，在云计算、信息安全、大数据、人工智能等方面有着丰富经验。
研发中心拥有包括软件、硬件、设计等在内的各类研发人员200余人，大多毕业于国内名校，具备多年相关领域的工作经验。
坚持“诚信为本，质量第一”的经营理念，实行质量终身责任制度，能够优质完成各类消防工程项目。
研究所立足天津市西青区，辐射环渤海经济圈，以物联网技术、无线通信、人工智能等核心技术为方向，通过合作开发、项目孵化、吸引集聚等方式推进信息产业集群发展。
图41基于物联网云平台整体解决方案
4.2LPWAN网络
LPWAN（低功耗广域物联网）系统主要由终端系统、LoRa主机系统、智城云平台、服务应用软件等组成。
LPWAN网络覆盖建设服务，针对物联网碎片化的应用场景，根据产品应用场景需求，按需部署LPWAN网络，LPWAN是一种革命性的物联网接入技术，是为物联网应用中M2M应用场景优化，实现了城市级大区域物联网低成本全覆盖。
4.2.1LPWAN网络优势
基于Lora无线技术的智能消防栓方案有以下突出优点：
1、长距离，大范围覆盖。
Lora在城市室外覆盖范围达到3km左右，只需要一个Lora网关，就实现一个商场或学校完全覆盖，这点是其他无线技术所不能比拟的。
网络容量庞大，数量在万级，甚至百万级别，一个网关就可以满足商场或学校节点数量要求。
2、先进的信息网络技术。
采用互联网、多媒体、有线/无线通讯、自动控制等各种信息技术；支持WEB方式查询，支持PSTN、GPRS、Ethernet、Internet等多种通讯链路；大屏幕/LED显示，文档、语音、视频等多种日志，电话/短信息/E-mail/APP等多种信息通知方式；支持导航定位的地理信息技术；嵌入式的信息传输设备系统采用NAT穿透技术，实现传输设备在复杂网络环境下与监控中心服务器的通信；
3、全方位的报警信息定位。
四级信息确定报警发生源，系统通过地理信息系统定位街区；通过用户建筑物布局图定位建筑物；通过建筑物外观图定位消防系统，通过楼层平面图定位报警部位；
4、支持超级省电模式。
一节碱性电池可保证信息采集器工作10年左右，不用频繁更换电池，后期维护成本低。
节点具有故障自检功能，当探测器电池欠压或数据错误时，探测器会把故障信息上报消防控制中心，方便客户检修。
5、低成本和高度可扩展性。
采用LoRa技术之后，可做到长距离和省电兼顾，最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗，同时还可节省额外的中继器成本Lora无线连接，系统的可扩展性强，施工无需破线或影响客户正常工作。
6、高度集中化系统管理。
目前市面已有的独立式传感报警器多是单点型传感器，不支持平台联网。
我司研发的新型探测器无需穿管、布线，可通过无线接入主机，用户在监控室通过操作主机，便可以了解所有传感报警器的工作状态。
通过Lora智能消防栓监控系统方案可以轻松实现自动报警系统的有线网络到无线网络的升级并可实现智能化管理，此方案极大地减少了对原有电力网络的改装要求，具有传输距离远、工程施工简单、整体系统完备等特点，使用LoRa无线技术进行区域原有消防系统的升级是智能消防方案的必然选择。
4.2.2LoRa主机系统
4.2.2.1LoRa无线主机
我司是国际Lora联盟会员，与联盟内会员展开了广泛的合作如ManThink，AGUTEK，中兴等，可以提供满足中国通信要求的网关。
我司可提供基于LoRaWAN协议的网关，支持IOT和M2M应用，实现了更大范围的覆盖。
网关产品符合标准的LoRaWAN协议规范，根据应用环境分为室内版和室外版，根据容量需求和频点需求可进行不同版本的选择，室外版基站最高可支持到32个频点196个信道的并发连接。
产品名称
产品图片
规范
描述
GDIx01
LoRaWAN基站/网关，室内网关系列，最高支持16个频点，98个信道。
GDIx01最多可同时处理16路数据，支持16个频点。
共98个信道数据的并发。
超强的射频处理性能使系统具有更大的系统容量以支持更健壮的网络拓扑支持以下无线系统的性能：
自适应频率，提高通信鲁棒性和抗干扰性自适应速率正交编码的调制方式星状网拓扑，减少路由器或者中继，部署简单，可靠性强。
GDOx01
LoRaWAN基站/网关，室外系列，最高32个频点，196个信道
GDOx01最多可同时处理132路数据，支持32个频点，共196个信道数据的并发。
超强的射频处理性能使系统具有更大的系统容量以支持更健壮的网络拓扑支持以下无线系统的性能：
1.自适应频率，提高通信鲁棒性和抗干扰性;2.自适应速率;3.正交编码的调制方式;4.星状网拓扑，减少路由器或者中继，部署简单，可靠性强；5.户外防水防尘避雷处理；
Lora网关可实现2~10Km区域范围LoRa网络覆盖，使用1~2个网关就可以实现校园，商场的完全覆盖；每个网关可以处理高达50K终端设备的接入管理，星形网络、无延迟、无损失，自适应链路速率，与公网可通过10/100/1000LAN、3G/4G、100-FX、Wi-Fi形式数据交互通信，支持数据本地存储。
4.2.2.2Lora网络服务器
Lora联盟拥有业内先进服务器设备商如IBM、中兴等，我司可提供NetWorkServer产品，主要以LoRaWAN产品为主，属于系统解决方案前置机Server，实现了LoRaWAN协议的解析，结点加入的鉴权，数据存储及转发等。
与客户系统提供数据库和TCP服务两种交互接口。
能提供多种配套软件LoRaWANconfigure、LoRaWANgatewayConfigure，CServerdemo等。
产品名称
产品图片
规范
描述
LoRaWANServer
LoRaWAN
LoRaWANServer是一组符合LoRaWAN标准的服务器平台，可允许符合LoRaWAN标准的gateway的接入，同时提供数据库和TCP服务两种接口方式与用户系统进行交互。
NetWorkServer是实现Lora无线报警系统平台化的关键性设备，具有云端大数据特点。
该设备安装具有很大的灵活性，无需安装在消防现场，可以远程接入Lora网关设备，可安装在消防控制室或我司云计算中心机房。
4.3业务应用
基于Lora消防方案云端优势，我司开发了一系列终端软件，用以节点远程管理和信息推送。
我司与多个国内顶尖的IOT方案提供商合作，如智成云，可定制化超级APP集设备管理控制、语音控制、设备间联动的智能场景、售后服务等等于一体，已有成功的合作案例，并已经成功应用到一些物联网应用场景。
另外，我司也有消防主机的具体实现方案，用户可通过WEB或PC客户端，实时、准确检测节点运行情况。
图42系统产品示意图
4.4智城云LPWAN物联网平台
智城云LPWAN物联网平台提供整套的、安全的、可定制的LPWAN物联网PAAS、SAAS层平台数据服务，为客户提供全面的、快速的、高质量的产品智能化服务，并可根据客户需求，基于客户提供的服务器集群，协助客户进行独立云服务的部署、运营、升级、维护的一站式业务模式。
图43智城云LPWAN物联网服务平台
基于LPWAN技术，在提供智慧城市整体规划的基础上，打造云数据中心平台，提供智慧消防、城市公共基础实施、智能交通、智慧环保、智慧农业等关系民生、经济领域的行业解决方案和服务。
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