内外兼修 “逆行者”更加需要安全保护。

          随着经济社会的快速发展，城市、工业化的步伐加快，高层、地下、人员密集场所等各种火灾事故呈现出复杂性、多发性和不可预见性等特点，其已成为严重威胁公共安全和社会发展的主要灾害之一。2018年10月28日，天津滨海新区大港仓库发生重大火灾，此次重大火灾造成的直接经济损失约为 8944.95万元。2020 年10 月1 日,山西太原台骀山景区发生重大火灾事故,此次重大火灾事故导致 13 人遇难,15 人受伤。火灾是影响人类生产生活的重大灾害之一，随着人类社会的发展，不论是火灾的发生次数还是火灾造成的各项损失都越来越大，根据 2020 年全国火灾及接处警情况“进行研究分析，2020 年我国共接到火灾报警 25.2 万起，全年因火灾导致 1183 人死亡，775 人受伤，因火灾事故导致的直接财产损失高达 40.09 亿元。而消防职业也被世界权威机构定性为全球最危险的职业之一。

    据不完全统计，2012年～2022年，消防员灭火救援中发生伤亡事故80余起，造成消防员伤亡300余人，备受社会大众重视。从原因来看，我国消防人员在火场中，平均死亡时间为十分钟，主要死亡原因为中毒、建筑坍塌、爆炸及触电。这几种伤亡情况如在短时间内得到及时救援都可以使消防员存活率大大上升。

    近几年，“智慧城市”建设为探索社会消防管理创新、改进传统消防工作模式提供了新思路。随着技术的不断升级，“智慧消防”必将逐步取代传统消防的管理模式，构建起新型态的城市公共安全火灾防控体系。而全新的智能消防装备，也 将为每一个消防战士带来全新的智能新防护 。在灭火救援中，它能够有效的保护消防员的人身安全，减少危险状况对消防员造成的伤害，对于提高部队灭火救援能力起到重要的作用。现代火灾的发生，大多是复杂性火灾，其中夹杂着其他危险因素，而消防装备就是面对危险时最有力的防护武器。为了能够更好的防火救火，减少消防人员伤亡以及加强消防员装备建设，增强抵御危险情况的能力故我们开展了这个项目。

             图1-1

 1、空气呼吸器数字化检测。作为消防员必配的呼吸防护装具,对保护灭火救援现场消防员的生命安全起到了重要作用。 在意外灾害现场往往会伴有浓烟、有毒有害气体或缺氧等各种危及生命安全的现象发生,空气呼吸器是抢险救援人员必配的个人防护装备,因此,空气呼吸器的状态直接关乎抢险救援人员的生命安全。实现对压力值的分段数字化检测和数据传送 ，帮助他们及时应对救援时可能出现的情况。

 2、及时救援问题。对受伤消防员及时救援分析我国消防人员在火场中主要死亡原因为建筑坍塌、中毒、爆炸及触电，平均死亡时间为十分钟。而建筑火灾火场环境烟雾弥漫， 能见度低，难以确定消防员的具体位置，给灭火和救援带来了很大的困难。针对此问题通过我们对消防员实时定位和体征信息采集，使得这几种伤亡情况在短时间内得到及时救援，实现消防员存活率大大上升。给予消防战士安全的保障。

 3、救援指挥问题。火灾事故现场复杂多变，随时会有意想不到的危险出现。如果 救援工作没有科学合理的安排，势必会对消防员的人身安全造成威胁。甚至导致严重的次生灾害和救援人员伤亡。因此，在救援时高效的指挥体系极为重要。  

1、国内：

    智慧消防是信息时代的产物，它主要依托互联网、物联网、人工智能等多项信息技术，实现消防数据的实时采集、管理和查看，开展对相关系统的远程监控、操控工作，为社会消防安全管理提供各方面的支持。目前来说，消防安全管理中存在诸多问题，技术限制、人为影响等都会影响工作效率，威胁社会的稳定和人们的人身财产安全。为了有效解决这些问题，构.建新的消防安全管理模式，及时发现其中存在的安全隐患，避免形式主义，需要充分应用智慧消防，构建智慧消防系统。智慧消防云平台，采用“感、传、知、用”等物联网技术手段，综合利用无线传感、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，为防火监督管理和灭火救援提供信息支撑，提高社会化消防监督与管理水平，增强消防灭火救援能力。智慧消防监控系统主要由软件及硬件两个部分组成,目前主流智慧消防管理软件主要是智慧消防安全隐患巡查系统、智慧消防用电隐患监测系统、智慧消防用水监测系统、独立式感烟探测报警器、智慧消防可视化联网报警系统、智慧可燃气气体探测报警器、智慧消防线上培训平台。主要的硬件包括巡检芯片、用户信息传输装置、电气线路传感器、水压水位传感器、烟雾及可燃气体传感器等。

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                                         图1-2

               图1-3

2、国外：

（1）灭火机器人
    在需要近距离灭火时，小机器人就可以派上用场。他可以爬坡、近距离扑灭明火，而重要的是人们只用在远处遥控它就可以了。
（2）机器人消防队员
    为了让未来的消防队员尽可能少的身赴险境，美国军方开发了一种机器人消防队员。虽然目前看起来还有点行动缓慢，不过再过几年就可以代替人来执行任务了。
（3）“钢铁侠”消防服
    在完全让机器人代替人类还比较困难的情况下，人们发明了这个“钢铁侠”消防服。这是一套外骨骼系统，灭火、破拆、救援设备一应俱全。
 3、趋势和展望:
    消防队伍装备更加专业化、系列化和智能化。经济和社会的发展不断地给消防管理技术走向信息化和网络化。计算机信息和网络技术在消防管理工作中的应用领域十分广阔，包括防火监督管理、通信调度指挥、消防训练与培训.灭火救援辅助决策、火灾统计、消防安全知识普及教育、消防队伍的后勤管理人事管理以及日常办公自动化等。消防管理技术的信息化和网络化已成为各国防部门所共同关注的热点，国际互联网上的消防资源迅速增加。信息化和网络化的管理模式与资[1]源共享是消防管理技术的必然发展趋势。

  本项目在当前智慧城市持续建设及发展的大背景下，充分利用信息化、数字化技术的实际优势，实现了消防员状态信息的实时监测，建立了高效、顺畅的指挥和通信体系，可以行之有效地降低消防人员进入火场之后的伤亡率，在应急救援方面构建智慧消防。

创新点：

（1）空气呼吸器余量数字化。提出了一种智能空气呼吸器余量数字化的构建方法。首先是压力传感器实时监测气瓶的变化压值和消耗的气量，通过高性能的AD转换器转换,实现高精度的数据采集。其次,将采集到的数据通过CPU和特殊设计的算法编程运算得出剩余使用时间。把相关信息发送给消防员对应的接收、显示装置，便于消防员随时观察到代表不同压力区间的LED灯光变化，并实现低压报警。可使消防员更清楚地了解自己身体的极限和应急情况下空呼的消耗情况。实现了对气瓶安全使用时间的显示、告警和远传等功能，使空呼更加智能，具有成本低、灵活性强等特点。

（2）消防员体征异常状况处理。监控指挥中心可与生命体征信息采集终端建立稳定的无线连接,实时获取所有在线消防员的生命体征信息，并以文字、图表、曲线等方式实时显示并存储。能根据生命体征信息和作战时间通过数学模型评估体能状况，对于异常数据给予报警提示。当消防员的心率小于40或大于120时，意味着可能出现生命危险，此时装置发出频闪灯光易于队友发现搜救。指挥中心统一部署附近消防员,组建协同救援小组，并通过命令下达的形式通知小组成员展开协同救援。实现消防员存活率大大上升，给予消防战士安全的保障。

（3）消防员室内定位。由于传统的GPS定位信号遇到障碍物会迅速衰减，无法在楼房中使用，因此在通信定位方面采用了目前比较先进的超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术。UWB技术是一种不需要载波，仅依靠纳秒至微秒的非正弦波窄脉冲传输数据的通信手段，因而具有能量高度集中、衍射性低、穿透性较强、抗干扰能力较强的特点，在40dB左右的增益下，基本不受到普通建筑墙体的影响，可有效解决消防救援人员在复杂建筑中开展救援时的定位问题

（4）高效应急指挥体系。本项目将现代化的数据运算模式和科技手段应用其中，将信息传输到后方指挥中心，指挥部人员可以将获得的信息精准地分析研判，实现现场处置情况的动态管理。为救援人员提供有效指令。应用了远程网络数据资源，建立完整的调度体系，面对灾情时在现场灵活应变。

 1、技术路线:

        图1-4

(1) 硬件部分

 a)主控芯片STM32L

如下图1-5所示， STM32L 系列产品基于超低功耗的 ARM Cortex-M4处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术：130nm 专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。该系列产品基于超低功耗的 ARM Cortex-M0 处理器内核，整合增强的技术和功能，瞄准超低成本预算的应用。该系列微控制器缩短了采用 8 位和 16 位微控制器的设备与采用 32 位微控制器的设备之间的性能差距，能够在经济型用户终端产品上实现先进且复杂的功能。

     图1-5

  b)血氧模块MAX30102

MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5.0V用于内部LED的电源，应用于可穿戴健康设备进行心率和血氧采集检测，佩戴于手指、耳垂和手腕等处。STM32F103单片机通过IIC控制MAX30102心率血氧传感器MAX30102的VCC引脚连接STM32F103mini单片机的5伏引脚，GND连接5伏对应的GND，SCL连PC12，SDA连PC11，INT连P.利用此模块对消防员进行体征信息采集。    

 c)压力传感器

    通讯及电子智能型正压式消防空气呼吸器需要同时处理多个参数并进行运算处理,首先是压力传感器实时监测到的气瓶的变化压值和消耗的气量,压力传感器将气瓶气压转化为电信号,该信号通过高性能的AD转换器转换,实现高精度的数据采集。

(1) 软件部分

    a) UWB导航定位

    超宽带（UWB）技术作为一种无线定位技术，具有传输速度快、抗干扰能力强、定位精度高、低功耗、隐秘 性好等优点，可实现高精度的室内定位。将其应用于消防救援人员火场定位，可有效解决消防救援人员在复杂建筑中开展救援时，因对环境不熟悉而对自身安全带来的危险，并有助于指挥中心对其进行实时监督和指导救援。将其应用于危险化学品仓库的消防安全管理，使危险化学品事故能够预警，事故处置精准化、智能化。超宽带（UWB）技术应用于火灾环境的定位方式相较于其他定位方式具有不可比拟的优势。UWB定位系统使用极 窄的射频脉冲来传播数据，具有极强的穿透力和抗多径能力，能够更好地克服恶劣环境对信号传播的不利影响。UWB 系统标签的功耗极低，使系统能够长时间工作，尤其是在火场的复杂环境中，不需要考虑更换电池的问题。同时，由于UWB信号带宽非常强，使其具有很高的时间分辨率，可实现高精度的测距。在建筑物内部火灾现场的复杂环境中，UWB定位技术帮助救援人员高效地展开指挥调度和营救工作；最大程度减少救援人员因不熟悉环境造成的伤亡，降低恶劣环境对救援人员的生命威胁。此技术还能用于确定受灾区域的人数，对区域内人 数进行全程动态监测，大大降低了消防救援人员的工作强度。此外，应用超宽带（UWB）技术在受灾区域设置多个危险边界，为靠近危险区域救援人与发出报警信号，保证救援人员的生命安全。同时，应用超宽带（UWB）技术，在发生突发事件时，能够迅速定位受困人员的位置，大大加快了救援人员的救援时间，从而提高了工作效率。该系统能 够匹配到手机、Ipad或者PAD终端设备中，这种先进、高效、便捷的消防救援技术是未来消防领域单兵定位的一个重要发展趋势。

b)LSTM神经网络

利用LSTM神经网络预测消防人员的动作姿态，由于姿态是判断消防员身体状态的一个重要因素，而姿势判断中六轴加速度传感器实时变化又与时间序列挂钩，故选择采用以LSTM(长短时记忆神经网络)这种以时间序列为特征的神经网络用以训练模型，进行消防员姿势的判断。

1、拟解决的问题

（1）如何防止温度影响。装置采用精密定时, 定时输出信号会随温度变化而漂移。为防止温度影响,我们计划对定时核心采用温度补偿措施,在一定程度上抵消输出的温漂。 

（2）如何实现顺畅的指挥通信。灭火救援通信指挥网中，无线数据网和卫星通信网的系统设备专业性强，主要用于多媒体信息的采集传输，一般由通信专业人员操作使用。灭火救援指挥员和战斗员广泛使用的是无线网语音通信设备，目前灭火救援现场使用的无线对讲机是通用设备，没有考虑消防员的特殊需求，无线常规通信网作为灭火救援现场指挥通信主要网络，分为城市消防管区覆盖网、火场指挥网、现场灭火救援战斗网三级网络，电磁波干扰造成通信不畅，在跨区域、多种救援力量或多支消防部队参加的灭火救援现场，由于使用手段、通信设备或信道不同，相互之间不能实现有效通信联系，所以在灭火救援行动中经常出现呼不通、找不到、互相干扰、现场混乱的现象，可以通过改进救援通信指挥网来更好的实现救援。

（3）如何完善设备材质。消防救援设备体积较大，设计较为复杂，并且火场温度较高，经过一段时间的使用后，需要保养和维护。我们计划采用一种轻便，坚固，耐高温，不变形，成本低，易加工的材质。加强设备的耐用性，也使得消防员在救援过程中行动轻便，提高救援效率。

 3、预期成果：

（1）  完成消防员火场安全保护系统设计报告和结题报告。

（2）  以消防员火场安全保护系统为作品或者相关设计作品参加学科竞赛或者创新创业大赛，获省级以上奖项2项以上。

 

   第一阶段（2022年3月-2022年4月）∶调研方案和方案设计；

   第二阶段（2022年5月-2022年8月）∶系统各个部分连接与调控的设计；

   第三阶段（2022年9月-2023年3月）∶系统电路设计和模拟实验；项目总结。