CN101972535A - 模拟神经网络的综合消防系统和方法 - Google Patents

Abstract

模拟神经网络的综合消防系统和方法，用于火灾信息采集的装置，和处理来自不同途径的火灾告警信息的模拟神经网络火灾处理系统。该系统包括硬件和软件部分。所发送的火灾报警信息根据约定的协议进行标准化形成告警消息，系统提取告警消息中的位置字段，匹配地理信息库；根据告警消息的火灾要素，输出火灾应对方案。根据火灾方案的实施，对火灾方案进行持续优化，形成基于火灾要素的火灾方案集，形成火灾信息库。

Description

模拟神经网络的综合消防系统和方法

技术领域

本发明涉及一种综合消防系统，具体来说涉及用于火灾信息采集、传输的装置与火灾的处理分析系统。

背景技术

中国是火灾频发的国家，随着城市密集度的增加，导致火灾的潜在因素也在增加，目前，经济发展较快，但是消防设备发展滞后，针对涉及人民生命安全、财产安全的行业，正确的执行方式是未雨绸缪，但是实际操作却往往是亡羊补牢，往往造成无法挽回的巨大人员伤亡和财产损失；在得知火灾后，救助人员常不能准确的确定火灾现场，导致救助不及时。所以，提高对火灾的预防能力和消防能力是具有重大意义的。

近年来，一些先进的科技渐渐进入消防领域并解决一部分问题，如采用各种传感器监控监控点环境信息，并通过电话网络报警；通过建立火灾数据库制定火灾策略；通过安装有全球定位系统的救火车辆迅速赶到现场；通过多个火灾监控点形成火灾视频监控中心；通过建立消防网络解决消防通信问题等。但是仍然存在很多问题，各种消防措施都是相互独立而无法整合，目前较为先进的理念是采用GPS、GSM和GIS网络将通过传感器接收到的报警信号传到消防中心，消防中心通过GIS确定消防地点，采用具有定位系统的消防车辆，根据导航路线，实施救援。但是，此方法仍有很多缺点，可能调度很多资源却无法解决实际问题。

最近，神经网络常被用来解决一些高度非结构性的复杂问题。火灾消防是一项具有一定复杂度的系统工程，迫切需要建立一种智能的消防网络，解决各种火灾信息的采集、传输；制定火灾应对方案，建立火灾信息库；持续优化消防网络；节约消防资源。本发明是基于对现有技术的学习基础上，提出的一种综合消防网络。

本发明的一个优点是提供一种可广泛应用的火灾信息采集装置，做为消防神经网络输入的一部分。

本发明的再一优点制定一种通用的火灾报警协议。

本发明的另一优点是建立基于火灾要素的学习型消防决策中心。

本发明的另一优点是可建立大型消防网络，科学调配消防资源。

发明内容

本系统可分为五个层次，第一部分是信号输入部分，信号输入部分包括两种，一种是通过本发明的一部分，一种多传感器节点的火灾定位报警系统，一种是通过普通的电话报警。第二部分是中间层，接收来自输入层的消息，第一层输入的部分都以标准的数据格式入库，对于来自动报警器的数据，提取标准数据格式的字段，根据其中的经纬度信息，关联GIS地图库，呈现在界面，根据提取的报警位置、厂房的面积、材料、人数等信息，匹配处理方案数据库；对于电话报警，手动输入报警标准字段，地理位置匹配GIS地理信息库，根据电话中描述的信息抽取标准字段，匹配处理方案数据库。第三部分是输出层，根据火灾要素匹配火灾应对数据库后得到火灾处理方案，根据方案对火灾进行救助。第四部分是监督学习部分，根据火灾救助的处理情况，在火灾后，对火灾处理方案进行更新。对样本进行持续的训练。根据影响火灾的要素，最后形成最佳的火灾救助方案。第五层是以第三层的输出为输入，建立更大范围的火灾告警信息和火灾数据库以及消防资源配置库。

在这个系统里面，把人的作用作为系统的一部分，起到执行和反馈的作用，最后达到最符合实际的输出。

按照本发明的一方面，提供了一种火灾预防和定位的装置：包括：

多节点传感器系统，用于检测烟雾浓度和温度；

GPS信号接收模块，用于确定要监控点的经纬度信息；

嵌入式数据处理模块，接收传感器系统和GPS模块获取的信息；

输入和显示模块，用于输入监控点的环境信息，产生告警时需要拨打的电话，设定系统运行模式，显示系统运行状态。

GSM信息发送模块，用于对处理后的数据包括经纬度信息和报警正文进行发送。

火灾信息接收模块，消防部门专门的火灾信息接收装置

火灾信息处理和呈现模块，对火灾信息进行标准化，对标准火灾告警信息进行处理，呈现火灾信息和火灾应对方案等。

按照本发明的另一方面，提供了一种模拟神经网络的应对火灾的系统化的方法，包括步骤：

根据火灾的发生过程，部署多节点的温度和烟雾组合传感器，监控各节点的温度和烟雾浓度，并确定火灾规模；通过GPS模块获取监控点的经纬度；通过嵌入式系统对监控数据进行处理和数据装包；通过GSM消息发送模块对数据以本发明制定的协议方式进行发送；通过一个专用的火灾信息接收模块接收报警信息；对于普通电话的报警，经过人工的方式，按照本发明制定的协议入库；根据获得火灾告警信息，提取告警信息的位置信息，通过匹配GIS数据库信息，呈现出火灾位置；根据入库的各种环境因素，提取火灾方案；火灾救助完毕后，人工对火灾方案进行优化；通过这种持续的训练，形成基于火灾要素的火灾方案库；根据消防机构的组织结构，在消防支部，消防中部，消防总部部署本系统，通过数据的汇总和上报，获得整个区域的火灾监控点信息，消防设备信息，火灾实时告警信息。

较佳地，通过火灾定位报警器对所在区域重点消防点进行布点，如粮库、油库、集贸市场、娱乐场所。可减少火灾带来的重大经济损失。

利用本发明的装置和方法，可以很好地对火灾进行预防和及时救助，减少火灾带来的重大国民经济损失，保证人员安全。

附图说明

图1是本发明模拟神经网络的综合消防系统的系统框图；

图2是火灾报警协议图

图3是火灾报警定位器系统框图

图4是嵌入式系统运行图

图5是监控状态下信号处理流程

图6是火灾告警综合展现框图

图7火灾信息处理和学习流程

具体实施方式

如图1所示，是本发明的系统框图，分为五个部分，第一个部分信号输入部分，包括本发明的一部分一种多节点传感器火灾报警定位器组成(如图3)，另一部分为电话报警；第二部分为中间层，用于信号的接收，通过标准化的协议层将输入信号进行加权标准化；根据输入信号的地址信息，匹配GIS地理信息库，呈现在界面；根据提取的与火灾信息有关的要素，匹配火灾应对方案库，并对火灾告警信息进行入库。第三部分为输出部分(如图6)，经过中间层后，输出火灾应对方案M和其他信息。第四分部分为监督训练层，根据实际火灾救助情况得出优化的火灾救助方案R，通过R与M进行比较，从而得出误差信号θ，并对方案进行修改，经过持续的优化，针对不同类型的火灾报警信息就会得出最佳的救助方案。第五部分为数据中心，将不同的子系统得到的火灾信息和监控点信息以及消防资源汇总到中央数据库，一般位于消防总队，消防总队根据各地火灾的情况综合统筹消防资源。

下面对模拟神经网络的消防系统从数学模型角度进行说明：

消防神经网络的数学模型：

R＝f(∑w_ix_i)-θ，(i∈N)                 (1-1)

其中，R为期望输出方案，w_i为不同火灾要素的权重，x_i为火灾要素，f(∑w_ix_i)为根据火灾要素得出的火灾方案，θ为误差值。根据不同的火灾要素可以得到不同的火灾方案集：

U＝∑R_j，(j∈N)                        (1-2)

其中，U为火灾方案集。得到：

U＝∑(f(∑w_ix_i)-θ)_j                   (1-3)

从上式可以看到U火灾方案集，只与输入因素x有关，所以可以写成：

U＝f₁(x₁)+f₂(x₂)+f₃(x₃)+…+f_n(x_n)+e    (1-4)

即火灾方案集合可以以各个火灾要素为依据建立分类火灾数据库。如：对于同一类材料组成的物理空间，建立一种火灾方案，对于同一重要级别的地区，如油厂建立一种火灾方案。对于一次火灾报警，根据获得的火灾要素得出各种火灾方案的交叉集合，并最终形成火灾救助方案。

图2是本发明制定的与火灾有关的火灾要素协议，无论来自自动报警器，还是电话报警都应遵循该协议。协议主要是为了匹配火灾应对方案。要成功实施该协议，首先得根据火灾要素进行规范的等级划分。自动报警器在安装时，将按照该地点的地理信息根据火灾级别表写入相关信息，如果发生报警，经过提取告警事件和计算火灾发生位置离消防中心距离等，得到一条告警消息，如A|DSO456|18|20091102031012|113E23N|2000|200|10000|3|2|3|138xxxxxx||表示这条报警来自自动报警器，自动报警器的出厂编号为DSO456，该区域为农贸市场，接收到告警的时间为2009年11月02日3点10分12秒，东经113’北纬23’，该区域面积为2000m²，人员有200人，距离消防中心为10000m，易燃度为3级，该地区的重要性为3级，负责人电话为：138xxxxxx。

如果这条告警来自电话报警，则登记人员输入的告警格式为：

B||18|20091102|xx农贸市场|2000|200|10000|3|2|3|138xxxxxx|附近有油库|

图3是本发明的一部分，一种多传感器节点的火灾定位报警系统。以温度传感器和烟雾传感器组成一个联合传感器节点，将温度烟雾传感器部署在监控区域的重要区域。一场火灾一般可以分为三个阶段：初始增长阶段，充分发展阶段，减弱熄灭阶段。初始增长阶段火势只在一个小的区域，此时是灭火最佳时间，若待火势蔓延，当局域内的温度上升到一个高点后，将发生“轰燃”现象，此时灭火已经很难。所以，对于一定区域，将多个节点的温度烟雾传感器部署在火势可以相互隔离的区域，可对火灾进行监控，并可粗略统计火灾的规模。多传感器节点与嵌入式中心的通信可以是有线或无线方式。利用GPS接收器获取所在位置的经纬度信息，通过嵌入式系统的串口接收GPS信息，并存储在嵌入式系统的存储器中。通过设定嵌入式系统工作模式为输入信息，输入根据协议约定(图2)的数字信息到存储器，将报警时需要拨打的电话号码写入存储器，作为待发送号码。当接收到来自节点的控制信号后，通过GSM消息发送模块对告警信息进行发送。

火灾定位报警器信号处理的流程见图4，系统加电后，按下号码输入模式，输入协议约定监控点的环境信息和报警时需要自动拨打的电话；然后按GPS定位模式，GPS模块接收卫星信号，并将经纬度信息存储在存储器中；然后进入工作模式，系统进入火灾监控状态，具体处理流程见图5，当温度超过预定值或者烟雾浓度超过预定值后，将获得信息作为GSM发送模块的AT命令，读取内存中的GPS信息和告警正文做为发送信息，读取内存中输入的号码作为GSM信息发送目的终端，发送告警信息至相关人员。同时发出告警铃声或启动临时灭火设备。等待5s～10s后继续进入监听，并持续发送信息，直到相关人员赶到，按下停止键。

图6是火灾告警的接收处理框图，火灾告警信息通过专门的GSM接收器进行接收，接收到的信息通过串口与计算机进行通信，并存储到存储器中，经过对数据处理形成符合火灾标准报警协议的消息，如A|DSO456|18|20091102031012|113E23N|2000|200|10000|3|2|3|138xxxxxx||然后提取信息中的经纬度匹配GIS地理信息库，呈现在界面。通过提取告警消息中的火灾要素，匹配火灾应对方案，并在界面呈现火灾应对方案。之后，将火灾告警信息写入数据库。火灾的接受和处理部分按照三层结构，可分为持久层、业务层、呈现层。持久层存储地理信息，火灾信息，应对方案；业务层对数据进行分析，提供给上层呈现，并接受来自上层的写入信息，将更新的方案写入方案库，更新的地理信息写入方案库。将电话报警信息写入库，并匹配地理信息和方案库；表示层用于显示实时火灾告警和火灾方案、历史火灾信息、电话报警信息输入界面、用于启动临时灭火设备的指令平台。持久层有提供给上级消防部门的统一数据接口，定时发送数据，可通过IBM的MQ消息队列等方式进行发送。发送数据包括资源信息和火灾告警信息、火灾记录信息，以及火灾应对方案。资源信息包括火灾监控点信息，消防设备等信息。

下面介绍整个消防系统的训练学习的实现过程(见公式1-1和图7)。整个消防系统可以看作一种简单的神经网络，包括输入部分，信号处理部分，输出部分，并具有反馈和学习功能。来自不同设备和方式的火灾告警信息，只要遵守本发明约定的协议，将火灾信息标准化，处理中心在接收到系统可以理解的标准告警信息后，通过提取告警信息中的各种要素，做出相应的输出。特别是提取与火灾密切相关的要素，根据已经初步建立的，根据火灾要素形成的火灾应对方案，最后生成一份火灾应对方案，执行人员在实施火灾救助后，根据现场的情况，通过界面对火灾方案进行优化，即根据火灾要素输入期望输出的火灾方案。这样，人在整个消防神经网络中起到了执行和反馈作用。经过这种不断的训练和优化，经过一个长期的过程，系统可以凝聚人的智慧，并形成应对每一种火灾的最佳方案。而整个消防神经网络优化的方向就是使得火灾救助及时、有效，并消耗最少的资源，最大程度的降低人员伤亡和社会财产损失。实现人控制火灾的梦想。

上面已经从各个层次介绍了整个系统，下面对系统的效果做一下预估。2008年全国全年共发生火灾13.3万起，死亡1385人(其中16名官兵)，受伤684人，直接财产损失15亿元。全年发生的75起较大以上的火灾中，发生在20时至8时的有63起，占84％，死伤人数占99.2％。2009年全国共发生火灾12.7万起，死亡1076人，受伤580人，直接财产损失13.2亿元，夜间火灾亡人率高。通过本发明的综合消防系统可对火灾进行监控，特别是夜间，发生火灾后，有条件的地方，可通过本方案的控制信号输出口启动临时灭火设备，对火灾进行第一次的灭火；监控到火灾信息后，通过本发明的告警发送模块，及时通知户主，户主可将火灾消灭在初期阶段，这是对火灾第二次灭火；消防中心接到告警信息后，根据呈现出来的具体地理位置以及经过优化后的火灾应对方案，迅速实施灭火，这是第三次的灭火。通过对火灾消防信息化后，可增强对火灾的统计能力，分析能力；可对消防资源进行优化整合；可对区域内重点防护点进行监控。从而增强人们对火灾的控制能力，保护人们的人身安全以及财产安全。

下面分析一下本发明在实施过程中可能遇到的问题。

1.告警短信发送成功率问题

由于本方案采用GSM通信网络，由于短信存在能否发送成功问题，在通信网络没有覆盖的地方，无法发送短信，也就无法实现报警；重点节假日短信的发送量往往是平时的几倍，在重点节假日的忙时，短信发送成功率低，短信的延迟较长，可能会导致报警不及时。可通过电信运营商对重点火灾监控点进行通信保障。

2.GPS定位问题

目前大多数GPS模块提供商提供的GPS定位精度可到几米，可达到定位要求；应选用可进行室内定位的GPS模块，如无法进行室内定位，应将GPS天线置于最近的室外。GPS定位系统属于美国所有，GPS系统的升级等，会导致定位模式下无法定位，应多次重试。也可尝试采用北斗定位系统。

3.传感器的问题

鉴于烟雾传感器和温度传感器的灵敏度对于本发明至关重要，所以要选用灵敏度高，稳定性好的传感器，并定期通过测试设备对传感器进行检查。

以上针对具体的实施描述了本发明，本技术领域的人可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其他的变化、修改，且均在本发明的范围内。例如，采用光电传感器，离子传感器红外探测器等替换温度传感器或烟雾传感器；通过将位置信息写入存储器中，随告警信息一起发送。且这些变化均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟神经网络的具有火灾信息采集、传输、处理能力，具有火灾信息、火灾方案呈现的，具有学习训练功能的综合消防系统，包括：

1)用于监控火灾的多传感器节点的火灾告警定位装置；

2)响应上述火灾告警定位装置发送消息的计算机，所述计算机执行一种算法，对来自不同途径的火灾告警信息进行标准化形成标准的告警消息，该计算机根据标准告警消息，输出火灾信息和火灾应对方案，通过火灾方案优化界面可对火灾方案进行优化，提供一种火灾信息数据输出通道；

3)基于火灾要素的神经网络，其中输入部分为本发明的约定中的火灾要素，输出为基于火灾要素的火灾方案，火灾方案可更新和优化。

2.根据权利要求1所述的综合消防系统，其特征在于：所述的用于监控火灾情况的火灾定位报警装有两种传感器：温度传感器和烟雾传感器，包括一个GPS定位模块，一个GSM消息发送模块，一个用于信息写入的模块，一个用于连接外部设备的控制信号输出口，告警消息以约定的协议格式进行发送。

3.根据权利要求1和2所述的综合消防系统，其特征在于：所述的用于监控火灾情况的火灾定位报警装置至少包含一个由温度和烟雾传感器组成的节点。

4.根据权利要求1所述的综合消防系统，其特征在于：终端计算机包括设置有火灾告警接收模块，火灾告警消息标准化部分，GIS地理信息系统，用于存储火灾信息的数据库，火灾应对方案系统，。

5.根据权利要求1所述的多传感器节点的火灾告警定位装置，其特征在于：火灾告警管理系统包含实时火灾告警呈现系统，历史火灾查询系统，火灾分析系统，指令系统，火灾方案呈现优化系统。从结构上分：持久层、业务层、表示层，持久层用于存储火灾告警数据库和GIS地理信息系统以及火灾应对方案；业务层用于对火灾数据进行分析并提供表示层呈现，可接收来自表示层的指令；表示层用于显示火灾告警信息、输入指令、呈现与更新火灾应对方案。

6.一种模拟神经网络的综合消防方法，其特征在于，它包含以下步骤：

1)在一个地区的多个重点监控区域安装本发明的一部分，一种火灾定位报警器；

2)对于具体监控区域，根据预测的火灾的发生情况部署传感器节点；

3)火灾定位报警器通过GPS模块确定所在位置经纬度；

4)火灾定位报警器监控所在位置温度和烟雾浓度；

5)基于接收到信号，通过火灾定位报警器的GSM消息发送模块发送告警消息至相关人员和火灾告警接收器，对外输出可启动其他设备的控制信号；

6)计算机终端接收火灾定位报警器发送的火灾告警信息，对来普通电话的报警，相关人员按照约定协议输入火灾告警信息；

7)计算机终端将告警消息按照约定的协议标准化后，匹配计算机中的地理信息系统和火灾应对方案库，通过计算机界面呈现；

8)通过指令平台发送消息和控制信号至火灾定位告警器或启动消防设备；

9)根据火灾救助方案实施救助，根据实际火灾救助情况，对计算机中的火灾应对方案进行优化；

10)基于火灾告警数据库，对火灾信息进行基于数量、位置、时间维度的统计；

11)通过计算机数据输出通道向上级消防部门输出火灾告警信息、火灾信息、消防资源信息、消防监控信息、火灾应对方案。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，其中该步骤4)进一步包含光电传感器，离子传感器的扩展。

8.如权利要求6所述方法，其特征在于，其中该步骤5)是以GSM无线通讯协定方式传送告警信息和经纬度信息，本发明约定的火灾告警标准协议是基于短信协议和HTTP协议基础上。

9.如权利要求6所述方法，其特征在于，其中该步骤5)是通过号码输入模块将需要自动拨打的电话预先存储在存储器中，以传感器接收到超过设定阈值的信号作为GSM发送信息的控制命令。发送包含经纬度和预先写入存储器的告警正文。

10.如权利要求6所述方法，其特征在于，其中该步骤10)以火灾定位报警器获得数据为数据源，对获得数据的时间、地点、告警级别、告警次数、处理情况进行入库，根据消防业务需求进行分析。

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