智慧消防系列二：实现智慧消防的各种通信技术和系统
美国国家标准与技术研究所（NIST）2015年提交了一份“智慧消防研究路线图”的报告，本报告着重阐明了智慧消防的优势和构建智慧消防的步骤。可以预见智慧消防将促使消防理念与消防模式发生转型，并大大提高消防的有效性和效率。本文是系列介绍第二期，后续还将分4期详细介绍。
智慧消防涉及到智能传感器和通信设备，通信在获取和传输实时态势感知以及在应急事件中的指挥和控制方面发挥着至关重要的作用。智慧消防需要可靠的语音和数据通信技术，其中既包括智能传感器与分布式CPS一起工作的能力亦包括远程传感器向其他响应者或应急行动中心提供遥测数据的能力。这意味着所需的通信技术和传输方法应当能够通过个人局域网（PAN）、局域网（LAN）和广域网（WAN）收集和传输实时信息。并且可以实现可靠、安全和成本效益高的解决方案。
智能设备和传感器的数据通信技术是推动智慧消防应用的关键因素，远程语音通信技术和远程数据通信技术就是为消防人员提供以下广泛用途的通信服务：
- 消防员携带的设备之间的通信，使用无线个人区域网（WPAN）完成
- 消防队员与其所属单位或小组之间的通信
- 事故指挥部与军官和消防人员之间的通信
- 消防员个人与调度资源之间的通信，包括其他管辖范围
图1 紧急事件的典型通信领域（图片来源NIST）
研究智能计算和无线网络的目的是提高智慧消防的准确性、生存能力和低拥有成本。表1提供的研究重点可供参考。
消防人员已经背负着大量设备的负担，他们不想要单独的设备来进行关键任务的语音和数据通信。因此，首先发展主要通信设备以支持关键任务语音和关键任务数据是最重要的研究议程。第二个研究领域是提高网络连接的可靠性和可用性，这里结合局域网和广域网进行讨论。研究的重点应当是在存在干扰和/或缺乏覆盖的情况下的可靠通信。最后对于个人区域网络技术来说，安全、无干扰的通信应该是一个高度优先的研究项目。
表1 研究重点
消防员是在一系列危险条件和恶劣环境中工作，消防装备既包括外部装备，也包括个人防护装备（PPE），其中包括消防员在进行消防活动时穿戴的防护装备。个人防护设备不仅应能够保护消防人员免受与其工作相关的危险，而且还应提供数据和辅助信息，使消防人员能够更安全和更有效地开展工作。
消防队员可以追溯到罗马帝国。在消防漫长的历史中，消防员很少进入建筑灭火。通常情况下，火灾是从外部扑救的。在没有内部消防行动的情况下，对专业消防个人防护设备的需求很小。消防战术的演变影响着消防装备的发展，正如消防装备的演变影响着战术的发展一样。随着消防员进入建筑火灾，PPE的开发变得更加重要。早期处理充满高温和有毒气体环境的方法包括使用重型绝缘服装，在快速闯入建筑物火灾时保护消防员。为了处理有毒气体，消防人员通常会在鼻子和嘴巴上贴上大手帕和头巾，以过滤烟雾。他们戴着头盔，以保护他们免受坠落的结构元件和可能在火灾中落下的灰烬的影响。20世纪初，进入建筑火灾的消防员使用系留呼吸线（图2）。
图2 系留头盔消防员准备进入建筑（资料来源：苏格兰消防和救援服务遗产信托基金照片）
自给式呼吸器（SCBA）是消防领域的一项重大技术创新。像许多技术创新一样，SCBA是从另一个领域转移过来的，并适应于火灾环境。SCBA技术使消防人员可以深入到建筑火灾中。此外许多传感器系统被纳入标准消防系统或被评估用于标准消防系统。一种具有特殊价值的传感器系统是热成像照相机（TIC）技术。与SCBA技术一样，消防行动中的TIC技术来自国防应用的技术转让。TIC对火灾环境的适应性包括摄像机包的”加固”，以抵御消防员面临的更不利的环境。TIC技术现在经常用于各种火场行动：消防行动的规模化部分，消防员试图确定火源；受害者位置搜索行动；以及消防行动的大修部分，消防员在隔间或结构墙壁的空隙中搜索火灾延伸。材料科学的进步往往是技术的驱动因素和变革的发起者。在过去的十年中，很明显，以耦合方式（在传感器融合意义上）运行的传感器系统比单独和解耦的传感器测量更有用。传感器融合系统的关键要求是建模的智能化。因此，传感器系统的进步将通过由材料科学考虑驱动的新测量协议的开发以及使用先进和快速建模算法的现有和新传感器系统的系统耦合来实现。图3显示了未来PPE可能具备的功能类型。
图3 多传感器消防员个人防护设备示意图
消防员和应急人员使用广泛的便携式设备和移动设备来促进他们的任务。便携式设备上的移动传感器可以为其他消防资源提供实时的态势信息。传感器和执行器还可以在便携式设备的远程指挥和控制中发挥不可或缺的作用。然而，目前传感器技术的使用是有限的，并且存在一些重大的挑战，特别是在从传感器/设备到接收位置的通信、数据的存储和处理以及向消防员和事件指挥官传递数据方面。分布式网络物理系统（CPS）环境利用了新兴的传感器和移动通信、计算和基于云的技术，为解决这些挑战提供了一个平台。
表2总结了需要解决的技术差距和这些成功发展努力的潜在结果。
表3提供了更详细的研究优先事项分类。
（注：便携式设备包括便携式泵、软管/监视器推车、泡沫单元、风扇、手持气体传感器、手持热成像摄像机和用于城市搜索和救援的生命探测器单元（例如振动、摄像机、声音）。携带或作为消防员防护服组成部分的设备，用于健康和安全监测（个人防护设备）和通信；载人设备包括陆基车辆、船只和飞机）
安擎科技以破解消防痛点提升城市韧性为目标提出了安擎智慧消防2.0解决方案，依托各城市现有生产生活数据分析出关联因子，形成火灾风险等级动态分布，科学指导传感器部署，并为火灾保险费率的厘定提供有效依据。同时，无人机作为移动式传感器适用于在恶劣环境中工作，以减少火场伤亡，降低成本。
系列三将围绕智慧消防的数据收集展开，敬请期待。
表2 支持研究的技术差距、产出和结果
