CN109118740B - 一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统及数据传输处理方法 - Google Patents
一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统及数据传输处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统及数据传输处理方法，由位于消防移动通信指挥中心的LoRa现场基站、现场监测数据接收单元、数据分析决策单元、现场消防通信指挥系统、消防350M集群通信系统；位于消防部队灭火救援现场的多个有毒有害气体监测终端和现场LoRa无线局域网构成；通过有毒有害气体监测终端在灾害事故现场实时采集现场有毒有害气体数据，通过现场LoRa专用通信网络将数据传输到现场消防移动通信指挥中心，移动通信指挥系统汇聚有毒有害气体数据、终端定位数据、现场环境数据，现场指挥员根据汇总的数据信息实时调派现场消防战士实施灭火、增援、撤离等动作，在保障消防战士生命安全的前提下进行灭火救援作战。
Description
技术领域
本发明涉及消防部队灭火救援现场数据采集、传输和处理领域，特别是涉及一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统、数据传输处理方法。
背景技术
近年来石油化工厂区、危化品存放港口火灾事故呈现出高发的态势，造成了重大的财产损失和人员伤亡，也给社会稳定造成了极大的危害。2015年8月12日23:30左右，位于天津市滨海新区天津港的瑞海公司危险品仓库发生火灾爆炸事故，造成165人遇难(其中参与救援处置的公安现役消防人员24人、天津港消防人员75人、公安民警11人，事故企业、周边企业员工和居民55人)、8人失踪(其中天津消防人员5人，周边企业员工、天津港消防人员家属3人)，798人受伤(伤情重及较重的伤员58人、轻伤员740人)，304幢建筑物、12428辆商品汽车、7533个集装箱受损，事故已核定的直接经济损失为68.66亿元。
石油化工厂区、危化品存放港口火灾发生时，油气、危化品燃烧后会释放不同种类的有毒有害气体，同时随着现场环境的改变，给消防部队灭火救援作战带来了极大的困难，如何在这种环境下有效保障参战消防战士的生命安全，一直以来也是困扰消防部队的重大难题。
现有的有毒有害气体监测装置或者系统难以满足消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测需求，主要表现在以下几个方面：
1)消防部队有自己专用的消防通信指挥系统，在灾害事故现场有移动通信指挥中心(通信指挥车)，移动通信指挥中心部署有消防部队专用的软硬件系统，现有的有毒有害气体监测装置或者系统都为独立建设，不能与消防通信指挥系统连接、融合，只是单纯提供有毒有害气体监测参数，难以为现场救援指挥调度提供科学依据；
2)现有的有毒有害气体监测装置或者系统虽然能够具备无线远程传输功能，但无线传输网络多采用公众移动通信网络，网络的稳定性、可靠性在灾害事故现场无法得到保障，例如：大多数灾害事故现场公众移动通信网络可能由于灾害事故的发生导致了瘫痪，无法进行数据通信传输；
3)现有的有毒有害气体监测装置只能检测出既定范围内有毒有害气体的浓度，缺少科学的趋势发展模型，消防部队指战员在使用时只能根据现有的参数或者经验判定下一阶段该如何指挥作战，对于作战指挥的实际作用不大。
4)现有的有毒有害气体监测装置不具备防爆特性，大多数有毒有害气体都属于可燃气体，电子设备如果不具备防爆特性，很容易成为引火源导致现场发生爆炸，造成二次灾害。
发明内容
本发明提供一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统及数据处理传输方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统，其特征在于：由位于消防移动通信指挥中心的LoRa现场基站、现场监测数据接收单元、数据分析决策单元、现场消防通信指挥系统、消防350M集群通信系统；位于消防部队灭火救援现场的多个有毒有害气体监测终端和现场LoRa无线局域网构成；
所述的消防移动通信指挥中心的天线部署在指挥车车顶，用于建立现场LoRa无线局域网，将无线LoRa信号覆盖到整个灭火救援现场；
所述的现场监测数据接收单元与LoRa现场基站连接，接收现场多个有毒有害气体监测终端发送的监测数据，将接收到的数据传送到数据分析决策单元；
所述的数据分析决策单元与现场监测数据接收单元建立单向连接，接收来自现场监测数据接收单元上传的数据，与现场消防通信指挥系统建立双向连接，从现场消防通信指挥系统调取消防地理信息系统数据、现场环境数据、消防战士作战位置数据和有毒有害气体预警参数数据，将现场消防通信指挥系统数据与有毒有害气体实时监测数据融合，将数据导入现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型，并将计算得到权值实时上传至现场消防通信指挥系统；所述的现场消防通信指挥系统与消防350M集群通信系统连接，用于语音传达指令。
所述的消防灭火救援现场有毒有害气体监测终端由控制器模块、无线传输模块、状态指示模块、多种有毒有害气体监测模块、定位模块、整流降压模块、锂电池供电模块和防爆外壳构成；
所述的控制器模块采用32位ARM微控制器STM32F103ZET6作为主控电路板，通过ADC Modules接口与有毒有害气体监测模块连接，通过RMII以太网接口与无线传输模块连接，通过空中接口连接传输到现场消防移动通信指挥中心，通过URAT接口与定位模块连接，通过URAT接口与状态指示模块连接，通过RS232接口实现内部参数的配置；
所述的有毒有害气体监测模块与吸气泵连接，由KA01-NH3氨气传感模块、KA01-CO一氧化碳传感模块、KA01-SO2二氧化硫传感模块、KA01-H2S硫化氢传感模块和KA01-NO2二氧化氮传感模块构成，采集吸气泵送入的气体中各类有毒有害气体的模拟参数，通过AD转换后与STM32F103ZET6控制器通过ADC Modules接口相连接，实时上传监测数据；
定位模块由S1216模块和双模天线构成，通过URAT接口与STM32F103ZET6控制器连接；
状态指示模块由4路LED指示灯构成，1路LED指示灯显示终端网络连接状态，1路LED指示灯显示电源工作状态，1路LED指示灯显示有毒有害气体监测模块工作状体，1路LED指示灯显示定位模块工作状态；
无线传输模块由Sx1278LoRa模块和收发天线构成，实现空中接入现场LoRa无线网络，将控制器信息传输到现场移动通信指挥中心；
锂电池供电模块由24V5AH锂电池、开关、充电口和XL4005整流降压电路构成，为吸气泵、终端控制器及内部其他模块供电；
吸气泵与软管连接，将外部气体采样送入有毒有害气体监测模块。
一种采用前述专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统的数据传输处理方法，其具体步骤如下：
(1)，开始；
(2)，消防移动通信指挥中心(指挥车)进驻灭火救援现场，在安全区域停靠，开启LoRa现场基站；
(3)，依据灭火救援现场的区域大小，由通信保障战士携带多个有毒有害气体监测终端(n<256)进入现场，将终端部署在现场需要监测的部位，开启电源观察终端指示灯使终端处于正常工作状态；
(4)，位于消防移动通信指挥中心内部的现场监测数据接收单元实时接收终端上报数据；
(5)，是否接收到终端上报数据；
(6)，从现场消防通信指挥系统获取支撑数据，与终端上报的数据进行融合，将数据导入有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型，输入包含：消防地理信息数据；现场环境数据(温度、湿度、风力、风向、气压)；消防战士作战位置数据；有毒有害气体预警参数数据；
(7)，实时更新有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值，上传现场消防通信指挥中心；
(8)，指挥员根据消防战斗员在现场作业区域的危险性权值最高、最低危险性权值上下限，形成作战、撤离等指令，下达到消防350M集群通信系统；
(9)，消防350M集群通信系统以语音通信方式指挥现场所有参战消防战士；
(10)，结束。
其中，步骤(6)所述的有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型的计算过程如下：
(6.1)模型输入：
a)灭火救援现场环境，包含：温度、湿度、气压、风向、风力；
b)灭火救援现场有毒有害气体监测终端采集数据，所在地理位置、有毒有害气体种类、浓度；
c)灭火救援现场参战消防战士数据，地理位置；
d)消防部队目前在用的“化学危险品灾害事故处置预案系统”，能够在现场提供不同种类有毒有害气体的爆炸参数、低限警报浓度、高限警报浓度、气体即时致死浓度、气体致死浓度、气体重度刺激浓度；
(6.2)模型输出：
现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值A：
其中，E代表环境参数，包括温度，湿度，气压，风向，风力；G代表有毒有害气体参数，包括气体种类、爆炸参数、低限警报浓度、高限警报浓度、气体即时致死浓度、气体致死浓度、气体重度刺激浓度、气体实时浓度；i、代表现场不同位置的有毒有害气体监测终端；t、代表时间；j、代表不同种类有毒有害气体；
消防战斗员在现场作业区域的危险性权值B：
其中，D、代表战斗员距离某一有毒有害气体监测终端的距离；k、代表现场某一消防战斗员。
本发明的有益效果：本发明采用上述方案通过有毒有害气体监测终端在灾害事故现场实时采集现场有毒有害气体数据，通过现场LoRa专用通信网络将数据传输到现场消防移动通信指挥中心，移动通信指挥系统汇聚有毒有害气体数据、终端定位数据、现场环境数据，生成现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型、消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型，现场指挥员根据模型权值变化实时调派现场消防战士实施灭火、增援、撤离等动作，在保障消防战士生命安全的前提下进行灭火救援作战。
附图说明
图1是本发明系统框图。
图2是本系统有毒有害气体监测终端结构框图。
图3是采用本系统数据传输处理方法流程图。
具体实施方式
一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统由位于消防移动通信指挥中心(指挥车)的LoRa现场基站、现场监测数据接收单元、数据分析决策单元、现场消防通信指挥系统、消防350M集群通信系统，位于石油化工、危险品存储厂区等消防部队灭火救援现场的多个有毒有害气体监测终端(不多于256)和现场LoRa无线局域网构成。
LoRa现场基站部署在消防移动通信指挥中心(指挥车)，天线部署在指挥车车顶，用于建立现场LoRa无线局域网，将433MHz无线LoRa信号覆盖到整个灭火救援现场，实现有毒有害气体监测终端在空中接入到LoRa无线局域网；
现场监测数据接收单元与LoRa现场基站连接，接收现场多个有毒有害气体监测终端发送的监测数据，数据包含：有毒有害气体种类、气体浓度、终端所在位置的定位数据，将接收到的数据传送到数据分析决策单元；
数据分析决策单元与现场监测数据接收单元连接建立单向连接，接收来自现场监测数据接收单元上传的数据，与现场消防通信指挥系统建立双向连接，从现场消防通信指挥系统调取消防地理信息系统数据、现场环境数据(温度、湿度、风力、风向、气压)、消防战士作战位置数据和有毒有害气体预警参数数据，将现场消防通信指挥系统数据与有毒有害气体实时监测数据融合，将数据导入现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型，并将计算得到的权值实时上传至现场消防通信指挥系统；
现场消防通信指挥系统部署在现场移动通信指挥中心(指挥车)内部，与数据分析决策单元建立双向连接，为数据分析决策单元提供消防地理信息系统数据、现场环境数据(温度、湿度、风力、风向、气压)、消防战士作战位置数据支撑和有毒有害气体预警参数数据，接收现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值、消防战斗员在现场作业区域的危险性权值数据，为现场指挥员科学决策提供支撑。与消防350M集群通信系统连接，将指挥员的进攻、增援、撤离指令以语音方式下达到每一名作战消防员；
消防350M集群通信系统部署在在现场移动通信指挥中心(指挥车)内部，与现场消防通信指挥系统建立单向连接，将指挥员的进攻、撤离指令以语音方式下达到每一名作战消防员，实现现场语音调度指挥。
消防灭火救援现场有毒有害气体监测终端由控制器模块、无线传输模块、状态指示模块、多种有毒有害气体监测模块、定位模块、整流降压模块、锂电池供电模块和防爆外壳构成。
控制器模块采用意法半导体(ST)公司出品的32位ARM微控制器STM32F103ZET6作为主控电路板，配接1路ADC Modules接口与有毒有害气体监测模块连接，实时接收有毒有害气体传感模块上报的各类有毒有害气体浓度数据；配接1路RMII以太网接口与无线传输模块连接，将终端采集的数据通过无线传输模块空中接入现场LoRa无线局域网，通过空中接口连接传输到现场消防移动通信指挥中心；配接1路URAT接口与定位模块连接，接收终端的定位数据；配接1路URAT接口与状态指示模块连接，将终端的运行状态通过LED指示灯进行指示；配接1路RS232接口，用于配置有毒有害气体监测终端内部参数。
有毒有害气体监测模块与吸气泵连接，由KA01-NH3氨气传感模块、KA01-CO一氧化碳传感模块、KA01-SO2二氧化硫传感模块、KA01-H2S硫化氢传感模块和KA01-NO2二氧化氮传感模块构成，采集吸气泵送入的气体中各类有毒有害气体的模拟参数，通过AD转换后与STM32F103ZET6控制器通过ADC Modules接口相连接，实时上传监测数据；
定位模块由S1216模块和双模天线构成，支持GPS+北斗双定位，通过URAT接口与STM32F103ZET6控制器连接，实时上传终端所在的经纬度及高程定位数据；
状态指示模块由4路LED指示灯构成，通过URAT接口与STM32F103ZET6控制器连接，1路LED指示灯显示终端网络连接状态，1路LED指示灯显示电源工作状态，1路LED指示灯显示有毒有害气体监测模块工作状体，1路LED指示灯显示定位模块工作状态；
无线传输模块由Sx1278LoRa模块和收发天线构成，通过RMII接口与STM32F103ZET6控制器连接，实现空中接入现场LoRa无线网络，将控制器信息传输到现场移动通信指挥中心；
锂电池供电模块由24V5AH锂电池、开关、充电口和XL4005整流降压电路构成，为吸气泵提供DC24V电源支持，整流降压后为终端控制器及内部其他模块提供DC3V电源支持；
吸气泵与软管连接，将外部气体采样送入有毒有害气体监测模块，可通过控制软管长度采集较远距离气体样本，软管长度不超过20米；
消防灭火救援现场有毒有害气体监测终端外壳采用防爆外壳进行包装，保证终端具备防爆特性，满足在石油化工厂区、危化品存放港口等类消防灭火救援现场的使用安全要求。
一种采用前述专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统的数据传输处理方法，其具体步骤如下：
(1)，开始；
(2)，消防移动通信指挥中心(指挥车)进驻灭火救援现场，在安全区域停靠，开启LoRa现场基站；
(3)，依据灭火救援现场的区域大小，由通信保障战士携带多个有毒有害气体监测终端(n<256)进入现场，将终端部署在现场需要监测的部位，开启电源观察终端指示灯使终端处于正常工作状态；
(4)，位于消防移动通信指挥中心内部的现场监测数据接收单元实时接收终端上报数据；
(5)，是否接收到终端上报数据；
(6)，从现场消防通信指挥系统获取支撑数据，与终端上报的数据进行融合，将数据导入有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型，输入包含：消防地理信息数据；现场环境数据(温度、湿度、风力、风向、气压)；消防战士作战位置数据；有毒有害气体预警参数数据；
(7)，实时更新有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值，上传现场消防通信指挥中心；
(8)，指挥员根据消防战斗员在现场作业区域的危险性权值最高、最低危险性权值上下限，形成作战、撤离等指令，下达到消防350M集群通信系统；
(9)，消防350M集群通信系统以语音通信方式指挥现场所有参战消防战士；
(10)，结束。
其中，步骤(6)所述的有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型的计算过程如下：
(6.1)模型输入：
a)灭火救援现场环境，包含：温度、湿度、气压、风向、风力；
b)灭火救援现场有毒有害气体监测终端采集数据，所在地理位置、有毒有害气体种类、浓度；
c)灭火救援现场参战消防战士数据，地理位置；
d)消防部队目前在用的“化学危险品灾害事故处置预案系统”，能够在现场提供不同种类有毒有害气体的爆炸参数、低限警报浓度、高限警报浓度、气体即时致死浓度、气体致死浓度、气体重度刺激浓度；
(6.2)模型输出：
现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值A：
其中，E代表环境参数，包括温度，湿度，气压，风向，风力；G代表有毒有害气体参数，包括气体种类、爆炸参数、低限警报浓度、高限警报浓度、气体即时致死浓度、气体致死浓度、气体重度刺激浓度、气体实时浓度；i、代表现场不同位置的有毒有害气体监测终端；t、代表时间；j、代表不同种类有毒有害气体；
消防战斗员在现场作业区域的危险性权值B：
其中，D、代表战斗员距离某一有毒有害气体监测终端的距离；k、代表现场某一消防战斗员。
权值计算的具体应用例：
本发明上述的有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型属于线性模拟模型，但在实际环境中不可能存在这样的线性模型。但是我们知道2个必要条件，第一，当现场监测区域不存在有毒有害气体，那么有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值肯定是最低的；第二，当现场监测区域存在某一种或者多种有毒有害气体且气体浓度已经达到即时致死浓度，那么有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值肯定是最高的。
基于以上分析，我们建立n个环境参数样本Ei、有毒有害气体参数Gi、距离参数样本Di，计算得出有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值Ai和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值Bi。然后引入均方误差损失函数：
利用以上2个损失函数我们可以得出预测值与实际值之间的偏离程度，损失值越小表示预测值越接近真实值。如果预测是完全精准则以上损失值应为0。这里数据样本n的精细度越精细，得出的损失值将越真实，同时在实际应用中我们也可以利用实际测量数据作为参数引入以上2个权值模型并计算出2个损失值，利用实际已知参数进行纠偏，并保存所有训练数据。在具体实施过程中，我们在现场即可通过测量得到的实际运行参数，将实际运行参数导入到权值模型中，到训练数据中进行精准匹配，得到现场所有战斗员的危险性权值，通过设定最高、最低危险性权值上下限，可实时监测权值变化，到达临界权值指挥员需下达撤退指令，保障现场战斗员的生命安全。
Claims (1)
1.一种专用于消防部队灭火救援现场的有毒有害气体监测系统，其特征在于：由位于消防移动通信指挥中心的LoRa现场基站、现场监测数据接收单元、数据分析决策单元、现场消防通信指挥系统、消防350M集群通信系统；位于消防部队灭火救援现场的多个有毒有害气体监测终端和现场LoRa无线局域网构成；
所述的消防移动通信指挥中心的天线部署在指挥车车顶，用于建立现场LoRa无线局域网，将无线LoRa信号覆盖到整个灭火救援现场；
所述的现场监测数据接收单元与LoRa现场基站连接，接收现场多个有毒有害气体监测终端发送的监测数据，将接收到的数据传送到数据分析决策单元；
所述的数据分析决策单元与现场监测数据接收单元建立单向连接，接收来自现场监测数据接收单元上传的数据，与现场消防通信指挥系统建立双向连接，从现场消防通信指挥系统调取消防地理信息系统数据、现场环境数据、消防战士作战位置数据和有毒有害气体预警参数数据，将现场消防通信指挥系统数据与有毒有害气体实时监测数据融合，将数据导入现场有毒有害气体监测终端监测区域危险性权值模型和消防战斗员在现场作业区域的危险性权值模型，并将计算得到的权值数据实时上传至现场消防通信指挥系统；所述的现场消防通信指挥系统与消防350M集群通信系统连接，用于语音传达指令；
所述的消防灭火救援现场有毒有害气体监测终端由控制器模块、无线传输模块、状态指示模块、多种有毒有害气体监测模块、定位模块、整流降压模块、锂电池供电模块和防爆外壳构成；
所述的控制器模块采用32位ARM微控制器STM32F103ZET6作为主控电路板，通过ADCModules接口与有毒有害气体监测模块连接，通过RMII以太网接口与无线传输模块连接，通过空中接口连接传输到现场消防移动通信指挥中心，通过URAT接口与定位模块连接，通过URAT接口与状态指示模块连接，通过RS232接口实现内部参数的配置；
所述的有毒有害气体监测模块与吸气泵连接，由KA01-NH3氨气传感模块、KA01-CO一氧化碳传感模块、KA01-SO2二氧化硫传感模块、KA01-H2S硫化氢传感模块和KA01-NO2二氧化氮传感模块构成，采集吸气泵送入的气体中各类有毒有害气体的模拟参数，通过AD转换后与STM32F103ZET6控制器通过ADC Modules接口相连接，实时上传监测数据；
定位模块由S1216模块和双模天线构成，通过URAT接口与STM32F103ZET6控制器连接；
状态指示模块由4路LED指示灯构成， 1路LED指示灯显示终端网络连接状态，1路LED指示灯显示电源工作状态，1路LED指示灯显示有毒有害气体监测模块工作状体，1路LED指示灯显示定位模块工作状态；
无线传输模块由Sx1278 LoRa 模块和收发天线构成，实现空中接入现场LoRa无线网络，将控制器信息传输到现场移动通信指挥中心；
锂电池供电模块由24V5AH锂电池、开关、充电口和XL4005整流降压电路构成，为吸气泵、终端控制器及内部其他模块供电；
吸气泵与软管连接，将外部气体采样送入有毒有害气体监测模块。
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