张发勇，王岳怡，杨美成，马 剑，蒋阳升
（1.中铁二院工程集团有限责任公司 建筑工程设计研究院，成都 610031；
2.西南交通大学 交通运输与物流学院，成都 610031）
目前我国铁路运营里程已跃居世界第一，投入运营的旅游铁路也越来越多。旅游铁路所处地理环境通常较为特殊，地形地貌与普通铁路存在较大差异，桥隧占比、线路坡度等相比一般铁路要大，且旅游铁路的配套设施也日益复杂，其消防系统面临着风险点多、运营维护难度大的挑战。
尤其是旅游铁路车站属于典型人员密集场所，一旦发生火灾等突发事件，后果不堪想象[1]。旅游铁路若还是沿用传统消防管理模式，主要靠消防安全监督管理部门为数有限的工作人员来发现、整改和消除潜在的火险隐患，消防安全管理工作将难以落实，无法满足当今旅游铁路快速发展对消防安全提出的更高要求[2]。另一方面，随着我国铁路运能、运量不断增大，以及铁路企业体制改革的深入推进和经济的快速发展，大量工程、设备投入使用，铁路消防监督管理对象一直在不断增多，站段单位合并打破了铁路企业既有消防监督管理模式，消防安全管理工作中出现了消防设施和设备信息沟通不畅、主动性火灾控制措施缺乏等新问题[3-5]。因此，加强旅游铁路消防系统运营维护工作日益迫切。
近年来，物联网、云计算、大数据、移动互联网等新兴的信息技术被应用到智能消防系统的建设中，展现出巨大潜力，促进了信息化与消防业务工作的深度融合[6-8]。因此，针对旅游铁路消防系统运营维护工作中面临的主要问题，提出利用视频监控、蓝牙定位及物联网等技术，研究旅游铁路消防系统智能运营维护方案；
结合都江堰—四姑娘山（简称：都四线）旅游铁路工程，开发旅游铁路消防系统智能运营维护平台，建立旅游铁路火灾防控体系，以期提高旅游铁路消防系统的管理水平，推动“传统消防”向“现代消防”的转变，确保旅游铁路的安全运营。
1.1 旅游铁路消防系统运营维护现状
（1）消防设备设施报警和工作状态信息的采集和传递效率低下
目前，旅游铁路与国内既有的铁路线路运营管理模式类似，铁路车站的消防报警设施大部分还处于各建筑物独立报警，缺乏统一的消防安全管理，尚未实现车站或路局级消防设备设施与相关人员的集中管理，消防设备的状态及报警信息主要靠人工传递，信息传递效率低下，易出现遗漏和错误，且不能有效实现信息共享，难以对设备报警情况和工作状态进行有效监控和及时处理[9]。
（2）消防安全管理职责难以落实
虽然铁路局集团公司及站段都根据站房设施设备的分类和使用功能，制定了有关消防安全管理和巡检办法，要求及时上报巡检中发现的消防设备设施故障或状态不良，并安排专业人员进行检修。但车站用房数量众多、设置分散，日常工作中不按规定开展消防巡查，台账记录不实、设备故障未及时处置等问题时有发生。这种管理模式依靠巡检人员的责任心和自觉性，易受人为因素的影响，很难做到问题闭环跟踪管理，难以保证消防设备设施始终处于正常工作状态。
（3）专业人员短缺
根据消防法规要求，消防控制室值班人员需持证上岗且不少于2 人值班。但现有人员配备条件不能满足，车站内持有注册消防工程师的专业人员更是屈指可数。消防管理专业人员匮乏、监管手段落后，消防安全隐患难以根治。
1.2 旅游铁路消防系统运营维护智能化目标
围绕“基础数据全面汇聚、风险隐患动态预警、灭火救援精确指挥、火灾事故有效控制”的目标，将现代高新技术应用于旅游铁路消防安全管理模式中，全面提升旅游铁路的火灾防控能力。
（1）借助消防智能终端设备，实现对消防设施的动态检查与管理，满足对旅游铁路全天候7×24 h消防安全管理，有效应对各种动态变化的消防问题。
（2）依靠消防系统智能运营维护平台集中采集消防相关信息，并实现数据自动分析，为消防安全管理提供有力支持，降低专业人员工作强度。
（3）提升旅游铁路消防系统运营维护保障与安全管理监督水平，降低人力成本，减少人为因素影响。
2.1 基于视频监控的人员自动统计
人员安全在消防安全管理中处于首要位置，掌握人员实时分布不仅有助于日常人员安全管理，也为火灾等突发情况下的人员救助提供至关重要的信息。
利用视频监控系统可以实现对车站内人员自动统计。计算机视觉领域的多目标跟踪算法可以检测出大多数形态的目标，但对于被遮挡目标的检测尚有较大提升空间。建筑内设置的视频监控设施因摄像头安装高度受限，拍摄到的人员图像相互之间可能存在较为严重的遮挡。
为此，可采用如图1 所示的基于检测策略的多目标跟踪算法，获取较为准确的目标检测结果，实现对多个目标同时跟踪，获得更高检测精度和更快响应。
图1 基于检测策略的多目标跟踪算法
2.2 基于蓝牙定位技术的人员动态监测
视频监控可用于获得可见区域内的人员分布，但对于卫生间等视频监控无法覆盖的区域，需利用其他技术手段获取人员分布信息。目前，室内人员定位的常见技术主要有通信基站、Wi-Fi 设备和蓝牙设备。在设备成本方面，蓝牙定位技术具有明显优势，且其定位精度、定位算法复杂度、无线安全性等可满足室内定位和导航功能。考虑到当前智能手机普遍具备蓝牙功能，设计了如图2 示的基于蓝牙定位技术的消防系统运营维护智能终端设备，可为消防系统智能运营维护平台提供建筑内的人员定位和人员分布动态监测提供数据来源。
图2 基于蓝牙定位的消防智能运营维护终端设备构成
基于蓝牙定位的消防智能终端设备主要由蓝牙定位服务器、蓝牙网关、蓝牙探针及蓝牙终端构成。
2.3 基于物联网的消防系统实时监测与报警
确保旅游铁路消防系统临战可用是消防安全管理需要解决的一个关键问题。根据火灾事故调查报告，发生火灾时无灭火剂、无警报、无动作是火灾事故导致严重人员伤亡和财产损失的重要原因。旅游铁路消防系统一般由消防供水子系统、防排烟子系统、防火分隔设施设备、气体灭火子系统、消防供电子系统等组成。利用物联网技术，通过传感器自动采集这些子系统及设施设备的工作状态，实时传输至消防系统智能运维平台，实现消防设施设备的自动巡检。
鉴于各类消防设备设施工程技术条件存在较大差异，难以通过单一技术手段获取可靠的动态监测数据。为此，研究不同消防设备设施的针对性自动巡检技术，实现消防设备设施监测数据的采集与传输。例如，采用基于图像处理的防火卷帘自动监测技术，通过无线传感器控制防火卷帘的开关，同时监控摄像头获取防火卷帘状态；
图3 为基于可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）的防火卷帘自动监测工作流程。
图3 基于PLC 的防火卷帘自动监测工作流程
PLC 发出周期性防火卷帘启动指令，并通过监控视频检验防火卷帘的工作状态是否良好、卷帘门开关百分比，动态检测卷帘门开关的工作状态，保证防火卷帘门始终处于可靠的工作状态。
2.4 基于物联网的火灾参数动态监测与预警
火灾发生后，消防救援人员赶赴现场进行扑救过程中，往往面临不明确现场情况的难题，消防救援指挥工作存在一定盲目性，由于无法准确判断通往受困人员所处位置的救援路径上潜在的危险因素，往往导致消防救援官兵伤亡。因此，为消防救援人员提供火灾现场的相关信息至关重要。目前现有商用智能消防系统尚不能充分满足这方面的需求。
为此，通过高精度传感器，获取火场温度、CO浓度、CO2浓度、烟气密度、音频及视频等火灾现场相关信息，让救援指挥人员能够远程掌握火灾现场较为全面的动态。同时，采用基于长短期记忆（LSTM，Long Short-Term Memory）时间序列预测算法预测灾情，为消防管理决策提供数据依据。
3.1 工程概况及平台架构
都四线位于横断山脉东缘，起点为成都至都江堰（成灌）高铁的都江堰站，终点为小金县四姑娘山镇的四姑娘山站，正线长123.180 km，沿线共设车站11 座，预留车站1 座，桥隧总长121.142 km，占比98.34%。
该线路所有车站及重要建筑物均设置有消防智能终端设备，消防控制中心位于车辆段综合楼内，配备专职值班员，负责该工程所有车站、区间、变电站及车辆基地等处所的消防监控，并与上一级消防指挥中心的联网通信。都四线消防系统智能运营维护平台架构如图4 所示。
图4 都四线消防系统智能运营维护平台架构
车站及区间根据实际情况设置必要的消防设备设施，安装有火灾报警及消防联动和防排烟联动控制装置，火灾报警控制指令具有优先权。列车在桥梁、车站等明线段发生火灾时，可就地疏散旅客。列车在隧道内发生火灾时，则控制列车驶出隧道后再进行疏散；
当列车不能驶出隧道时，应控制列车停靠在紧急救援站（或地下车站）进行疏散和救援。
3.2 平台主要功能
3.2.1 人员检测、定位与跟踪
开发了基于视频监控的人员检测、定位与跟踪功能，结合视频监控、蓝牙定位、计算机视觉等技术，实现旅游铁路内全场景人员规模、空间分布、流动状态动态监测与预警，能够准确地统计火灾发生前及火灾时各区域的人员分布，并将统计数据实时反馈给消防控制中心，通过数据可视化展示在消防系统监控界面上，为消防救援人员提供指挥决策参考。人员检测、定位与跟踪功能的工作流程如图5所示。
图5 人员检测、定位与跟踪工作流程
3.2.2 消防设备设施实时监测与预警
实现了基于物联网技术的消防供水子系统、防排烟子系统管网及设备、防火卷帘等隔离设施状态实时监测与故障预警，可实时掌握消防管网、防火卷帘门运行状态，当出现异常情况时，能够及时预警，确保消防设备设施临战可用。
3.2.3 灾情现场火灾参数动态监测与预警
通过耐高温双光式摄像头、温度及各类烟雾浓度传感器等，实时采集现场火灾参数数据，结合人员分布等相关信息，方便救援人员实时掌握现场火灾发展态势。
采用大数据可视化技术，结合SpringBoot+Vue前后端分离技术，开发消防系统实时监测与预警功能，传感器采集的检测数据经预处理后，以曲线图和驾驶舱的形式展示在监测大屏上，方便值班人员直观地查看建筑物内消防设备设施的实时工作状态，如图6 所示。
图6 某车站人流分布及人员数量实时统计结果
消防监控界面的消息提示框中动态更新显示的报警信息，提醒值班人员及时查看和处理，并将报警信息发送给指定的责任人员，提示其对异常报警的处置做出决策。
针对旅游铁路消防系统智能运营维护的现实需求，研究将视频监控、蓝牙定位、物联网等技术应用于消防安全管理，结合都四线示范工程，重点实现人员自动检测、定位和跟踪，消防设备设施状态监测和自动巡检，以及灾情现场火灾参数动态监测与预警，能够极大地增强旅游铁路消防系统运营维护能力，为火灾救援指挥提供准确可靠的决策参考信息。
通过都四线示范工程开展的旅游铁路消防系统智能运营维护技术实践探索，可为其他旅游铁路消防系统智能运营维护平台的建设提供有益参考。
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