【智慧消防】物联网技术在智慧消防中的应用研究
胡剑飞;丁宁
一、背景
根据应急管理部消防救援局网站统计数据，近十年全国消防部门总接报火灾228.2万起，火灾造成死亡人数超过1.5万人。伴随着城市建设的快速发展，城市消防安全风险的不断上升，城市高层、超高层建筑和大型建筑日益增多，建筑消防安全问题越来越突出。消防工作面临着前所未有的挑战，传统工作方式与新形势、新任务不相适应的矛盾日益凸显。
近年来，随着信息技术飞速发展，现代城市的信息化水平有了很大提高，逐步形成了“智慧城市”的建设理念。城市消防安全作为城市建设的重要一环，逐步形成“智慧城市”相匹配的“智慧消防”。智慧消防已成为大势所趋。
二、智慧消防
近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等一系列科学技术的发展，火灾科学、消防技术与消防软科学等领域作为消防科学技术研究的主要方向。智慧消防行业逐渐向多级启动、智能化、灭火提效、特殊领域应用等方向发展。具体来说，智慧消防就是利用物联网、人工智能、虚拟现实、移动互联网+等最新技术，配合大数据云计算平台、火警智能研判等专业应用，实现城市的消防的智能化，是智慧城市消防信息服务的数字化基础，也是智慧城市智慧感知、互联互通、智慧化应用架构的重要组成部分。
2017年10月10日，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》，意见中提出建设“智慧消防”的重点任务和明确工作目标。根据该指导意见，对智慧消防提出了五大重点任务：
（1）建设城市物联网消防远程监控系统；
（2）建设基于“大数据”“一张图”的实战指挥平台；
（3）建设高层住宅智能消防预警系统；
（4）建设数字化预案编制和管理应用平台；
（5）建设“智慧”社会消防安全管理系统；
消防物联网的构建作为五大重点任务之一，对于相关消防信息的获取至关重要。也是其他重点任务完成的基础。
三、物联网相关技术介绍及对比
国际电信联盟( ITU) 发布的ITU 互联网报告，对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网的无线通信技术很多，主要可以分为两大类：
（1）短距离通信技术：ZIGBEE、WIFI、蓝牙、Z－WAVE等；
（2）广域网通信技术：LPWAN，低功耗广域网。
其中低功耗广域网（LPWAN，LOW POWER WIDE AREA NETWORK）技術是一种革命性的物联网无线接入新技术，与WI-FI、蓝牙、ZIGBEE等现有成熟商用的无线技术相比，具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点，适合于在长距离发送小数据量且使用电池供电方式的物联网终端设备。
由于消防设施分布的区域比较广，业务主要适用于广域网技术。因此本文重点针对LPWAN，即广域网通信技术进行对比说明。
3.1、物联网技术对比
目前面向物联网的LPWAN（低功耗广域技术）技术可以分为两类：一是授权频段的广域网技术，以3GPP定义的NB-IOT、LTE演进技术eMTC等为代表；另一类是非授权频段的广域网技术，包括LoRa、Sigfox等技术，不同类别的LPWAN技术的主导方、部署方式、服务模式均存在差异。
（1）NB-IOT ：2017年6月16日，NB-IoT技术协议获得了3GPP 无线接入网(RAN)技术规范组会议通过。同年，工信部发公告称，在已分配的GSM或FDD方式的IMT系统频段上，电信运营商可根据需要选择带内工作模式、保护带工作模式、独立工作模式部署NB-IoT系统。频率使用有效期与相应频段的公众移动通信系统频率有效期一致。即该技术需要应用在运营商已有频段上。
（2）eMTC：基于LTE协议演进而来。使用授权频段，较NB-IOT来说，更适应于满足中等速率业务。
（3）LoRa：由Semtech公司研发的低功耗广域网无线通信技术。使用非授权频段，主要包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等。
（4）Sigfox：Sigfox成立于2009年，主要用于低功耗物联网。使用非授权频段，法国Sigfox公司对其技术进行严格控制，相对封闭，生态系统构建相对缓慢。
表3.1 各种制式的物联网技术的技术对比
序号 | 制式 | 特点 | 频谱 | 信道带宽 | 吞吐量 | 覆盖 | 模组成本 | 功耗 | 建网 |
1 | NB-IOT | 国际标准 | 授权频段 | 180kHz | <200kbps | 164dB | <5$ | 10年 | LTE软件升级 |
2 | eMTC | 国际标准 | 授权频段 | 1.4MHz | <1Mbps | 155dB | 5至10$ | 10年 | LTE软件升级 |
3 | LORA | 私有技术 | 非授权 | 125kHz/500kHz | <37.5kbps | 155dB | <7$ | 10年 | 新建网络 |
4 | SigFox | 私有技术 | 非授权 | 100Hz | <100bps | 162dB | <5$ | 10年 | 新建网络 |
3.2、物联网技术定位对比
各种制式的物联网技术的定位对比如下表所示：
表3.2 各种制式的物联网技术的定位对比
分类 | 技术制式 | 网络特点 | 网络定位 |
国际标准 | NB-IOT | 广域物联网技术：低成本、电信级、高可靠性、安全性 | 可与现蜂窝网络融合演进的低成本电信级的高可靠性、高安全性广域物联网技术 |
eMTC | 广域物联网技术：电信级、高可靠性、安全性 | 电信级、LTE低UE等级或演进技术；部分业务具有移动性与语音要求 | |
私有技术 | LoRa | 局域网物联网技术：独立建网、无执照频段、有风险 | 需独立建网、无执照波段的高风险局域网物联技术 |
Sigfox | 国内无频谱、不需要传输信令、速率低、覆盖广，但每天上传数据有限，不适合数据传送频率较高的应用 | 不适配国内无执照波段，由Sigfox建网与运营商合作的高成本高风险物联网技术 |
四、物联网在智慧消防中的应用
消防物联网是指通过物联网信息传感与通讯等技术，采用“感、传、知、用”等物联网技术手段，综合利用 RFID、无线传感、云计算、大数据等技术，通过互联网、无线通信网、专网等通信网络，对消防设施、器材、人员等状态进行智能化感知、识别、定位与跟踪，实现实时、动态、互动、融合的消防信息采集、传递和处理，通过信息处理、数据挖掘和态势分析。将消防设施通过社会化消防监督管理和公安机关消防机构灭火救援涉及的各位要素所需的消防信息链接起来，实现实时、动态、互动、融合的消防信息采集，传递和处理。为政府及相关机构提供必要和可靠的信息，为消防部门提供高价值安全管理解决方案，利用消防物联网为消防关键业务流程服务，利用大数据智慧辅助消防决策，提升城市消防安全水平。从而全面促进与提高社会消防监督与管理水平，显著增强公安机关消防机构灭火救援的指挥、调度、决策和处置能力。
通过物联网技术，构建火灾自动报警系统、电气火灾监控系统、消防水源监控系统、消防设施监控系统、消防通道监控系统、九小场所监控系统等。通过这些系统完成（1）自动信息采集汇总：重点目标检测设备、消防设施自动检测、移动信息采集；（2）分级分类远程监督检查；（3）灭火救援信息支撑。
由于多数业务属于小流量，大连接的业务，同时考虑安全性、可靠性以及稳定性，目前通过租用运营商NB-IOT网络或自建LoRa网络来构建消防物联网成为可选途经。
五、小结
智慧消防是城市消防建设的必然趋势，智慧消防物联网的建设顺应智慧城市的建设潮流，是智慧城市和消防信息化建设的重要内容。本文通过对LPWAN（低功耗广域技术）各种制式技术的对比，以及对智慧消防应用的业务类型分析，提出相应的网络选择策略，为加快推进智慧消防提供有益的思路。
