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1、1数字化消防灭火救援预案系统的设计和编制研究邱 华（北京公安消防总队，北京西直门西内大街 190 号，100035）摘要：灭火救援预案是熟悉消防安全重点单位情况，辅助火场指挥的重要工具，是灭火救援基础工作的重要内容，而编制数字化的灭火救援预案是当前预案编制发展的趋势，本文结合北京公安消防总队研发的奥运数字化预案系统， 对 数字化灭 火救援预案的特点及火灾危 险性分析在预案系统中的应用进行了研究， 对预案系统的设计和编制进行了探讨。关键词：数字化 灭火救援 预案 编制研究1 引言在现代社会中，火灾是发生最频繁的灾害之一，我国每年因此造成的经济损失（不含森林、草原火灾）平均近 200 亿元，死伤数
2、千人以上。火灾频率与损失基本和社会的现代化程度成正比。在科技发达，各种高新技术应用频繁的现代化大都市中，城市建筑立体化、生产自动化、生活电器化、人口集中化、物资仓储化，不但使火灾的诱因迅速增加，而且使火灾的危险性和破坏性与日俱增，控制和扑救火灾的难度不断增大，很容易造成惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。因此随着社会的飞速进步和城市建设的不断发展，对火灾的扑救和处置也不断提出新的和更高的要求。在火灾扑救现场，指挥员面对纷繁复杂的环境和情况多变的火情，1要想在短时间内充分掌握现场情况、作出合理判断、制定并实施扑救方案是有一定困难的。如果有事先制定的灭火救援预案作为参照，指挥员就可以结合火场实际情况迅
3、速下定决心，调整力量部署，有条不紊的指挥作战。2因此编制预案是灭火救援基础工作的重要内容之一，编制科学、实用的灭火救援预案是合理使用灭火救援力量、提高火灾扑救效率、最大限度减少人员财产损失的重要环节。不断研究探索灭火救援预案系统的制定模式和编制方法，对于进一步提高公安消防部队灭火救援业务水平和实战能力具有重要意义。2 数字化灭火救援预案的设计思路灭火救援预案的发展总的来说可以分为文本预案、电子预案、数字化预案三个阶段。传统的预案是文本预案，手工填写、绘制，纸制保存。预案的内容通常包括单位基本信息、重点部位和针对重点部位起火后的力量部署。这种预案使用时直接翻阅可靠性强，但是由于消防安全重点单位越
4、来越多、情况越来越复杂，此类灭火救援预案制作费时费力，信息有限、不便于携带和查阅，已不能满足当前灭火作战的需要。随着计算机的普及，预案也从手工绘制的纸制预案发展到计算机绘图、计算机保存管理的电子预案。此类预案是在电脑上录入制作，采用了文字、表格、照片甚至录像等形式，可以在网络上共享，应用时用电脑调出或打印出来。其优点是制作简单、查阅管理方便、信息丰富、便于大量携带，具有了初步的系统化特点。但总的来说此类预案还是传统预案的简单延续，从编制内容和方法上没有太大变化，只是将传统预案的内容综合后录入到电脑上，是储存媒体和调用管理方式的改变。由于其制作、修订简单，应用方便，制作成本低，对编制人员的水平要
5、求不高，因此目前的灭火救援预案主要是以电子预案的形式制作并应用的。2但是目前各地逐渐涌现出大批超高层、异形结构、采用新材料、新工艺的建筑，此类建筑结构复杂、功能多样、人员密集、消防设施齐全、采用的材料和工艺非常规，往往是有一定影响的地标性建筑，此类建筑的出现对灭火救援预案的编制提出了更高的要求。随着消防信息化工作的开展，面对新挑战，灭火救援预案系统的设计和编制逐渐开始向全新的数字化方向发展，很多公安消防总队都在这方面开展了有益的研究和尝试。数字化预案并不是简单的将传统灭火救援预案改头换面录入电脑，它吸取了现有预案的优点和长处，充分应用数字技术与信息技术、火灾科学与安全科学技术、数据库技术、地理
6、信息技术、三维图像显示技术等现代科技，克服了原有预案缺乏火灾科学模型支持、查询困难、表达不直观、可操作性差等缺点，通过完整、科学的数据模型建立全面而具体的预案架构，较传统预案更为科学有效。数字化预案相对于纸质和电子预案是质的飞跃，具体来说其具备以下特征：2.1 系统的平台化数字化灭火救援预案的功能要想得到充分发挥和有效应用，首先就应该考虑建设在一个开放性的数据平台上，不但参与灭火救援的不同支队、中队制作的预案可以互相调用、观摩，预案系统和指挥调度、考核训练等相关系统也可以兼容，共同组成消防数据平台，发挥系统合力为灭火救援工作服务。2.2 编制内容的科学化数字化灭火救援预案面向的对象首先是结构复
7、杂、扑救困难的重点建筑，其编制的科学性由其重要。如起火层人员疏散的时间、火灾和烟气蔓延的速度、重点部位起火后对建筑整体的影响，这些都是需要科学的分析计算才能得出的结论。火灾危险性分析包括对火灾发展的预测模拟和风险分析、人员疏散模拟和分析等内容，最后还要由火场经验丰富的指挥员综合以上数据进行研判，确定重点部位，设定火情并根据消防部队装备情况部署力量。对每一个重点单位的数字化预案编制都必须抱着科学严谨的态度，进行扎扎实实的研究。数字化灭火救援预案的科学性和有效性是建立在科学分析的基础之上，这就要求预案的制定者要有较高的消防专业素质，灭火部门和防火部门要协同配合，甚至需要建筑性能化设计和公共安全方面
8、的专家共同参与编制。2.3 内容的多样化从编制内容上，不仅包括文本预案的基本情况、重点部位、力量部署等内容，还根据预案保卫目标的特点增加烟气扩散、人员疏散、火灾蔓延、灭火救援力量评估、固定消防设施的作用、周边消防水源评估等实用的内容，为预案的力量部署和指挥员火灾现场决策提供支持。2.4 信息的三维化灭火救援预案中消防安全重点单位外观和周边信息、建筑结构、重点部位、消防设施、力量部署、火灾危险分析数据等能在三维场景中再现，并进行方便的查询定位，让使用者对空间复杂的建筑结构、任务多样的力量部署、枯燥生硬的分析数据有直观的了解，能迅速的熟悉认知。2.5 预案和演练的一体化数字化灭火救援预案可以指导官
9、兵对单位进行情况熟悉，方便非本辖区的增援单位官兵进行网上调研，甚至可以通过预案系统在三维预案中进行仿真灭火救援演练。数字化灭火救援预案未来的发展方向将是智能化，预案系统能够和 GPS 定位仪、各类侦查检测仪器进行无线连接，自动采集火场力量部署、风向、温度、火源、建筑形变等数据主动分析，进行智能化判断和评估，根据灭火救援需要提供相关情况、分析结论和计算结果，辅助指挥员进行灭火救援指挥。3 数字化灭火救援预案的结构根据灭火救援预案的功能要求和预案制定、应用过程中需要考虑的各项因素，建立如图 1 所示的预案框架结构。整个预案由基础信息、预测模拟与危险性分析、处置决策、应急救援行动、灭火救援力量等几部
10、分组成。 33.1 基础信息基础信息部分主要包括预案对象的概况、地理位置，周边的毗邻情况，对象建筑布局、建筑结构特点、建筑内生产、储存物资的性质和工艺流程（主要针对工业建筑） ，人员疏散通道，建筑内、外部的水源和其它固定或半固定消防设施等。3.2 预测模拟与危险性分析预测模拟与危险性分析部分通过对预案涉及单位的可燃危险源进行辨识，选择风险较大的部位设定火情，利用火灾动力学模型，结合预案对象的基础信息和环境条件对火灾的发展过程、影响区域、人员安全疏散等进行数值模拟和预测，分析火灾可能造成的危害及影响，给出危险性分析结果，为制定应急决策和应急救援方案提供依据。3.3 重点单位附近消防、医疗、公安、
11、交通以及其它联动的应急救援力量分布情况和装备状况。3.4 处置决策与应急救援行动处置决策与应急救援行动部分是根据基础信息、预测模拟、危险性分析结果，以管理科学、运筹学、控制论为基础，利用三维的空间数据处理、显示和输出功能作为载体，进行灭火救援辅助决策和指挥。 3包括根据设定火情分析结果确定大致的消防应急救援力量的数量和构成，划定各救援力量的工作区，明确各救援力量的任务和进攻路线，行动方案等为指挥员的决策提供辅助支持。4 以奥运数字化灭火救援预案为例进行应用分析北京公安消防总队为全面贯彻“科技奥运、平安奥运”的总要求而研发的“2008 年北京奥运场所数字化消防灭火救援动态预案”就是为奥运消防保卫
12、工作研发的一款比较有特色的数字化灭火救援预案。该系统分为预案和互动式训练系统两个部分，是一款专门为 2008 年奥运会的消防执勤保卫和灭火救援设计编制的数字化预案系统。该系统编制了 31 个比赛场馆、45 个独立训练场馆和 17 个涉奥设施的数字化预案。它充分考虑了奥运消防执勤的特点和新型大空间奥运体育场馆的结构复杂性、火灾扑救难度，综合运用 GIS 地理信息平台、三维仿真、计算机网络、火灾扩散模型计算、烟气流动模型计算、人员疏散模型计算等先进技术，是数字化灭火救援预案的一个比较典型的应用。奥运场所数字化单位基础信息预测模拟危险性分析处置决策灭火救援（及联动）力量灭火救援部署及行动图 14预案
13、基本实现：4.1 电子地图标会。在 GIS 地图平台上进行标绘和部署，生成矢量化数字地图、地形图、各专题图层、影像图等的工具。可以在地图平台上查询北京市道路、奥运设施位置、灭火救援力量位置、灭火救援力量人员装备构成等情况。搜索到所需奥运场馆后直接点击可以进入单位的三维数字化预案。4.2 三维浏览查询。进入预案后，可以在三维场景内的自由游历、并分层展示体育场馆的建筑结构，可以随时查看不同房间和设施的信息，实现了在三维场景下对重点部位、消防通道、消防设备等重要信息的查询和定位，预案还提供三维场景生成及编辑工具，使用人员可以根据实际情况添加临时建筑并对标注信息进行修改。4.3 数据分析应用。提供了各
14、场馆重点部位的火灾烟气、火灾危害、人员疏散等情况的分析报表和三维动画演示，为5指挥员进行灭火指挥提供科学的依据。以某涉奥场馆火灾危险性分析为例：奥运灭火救援数字化预案中的火灾危险性分析侧重点是对影响灭火救援行动的火灾参数的分析，3主要包括火灾规模、建筑内热烟气温度和浓度分布、结构耐火、人员疏散时间及疏散过程中人员分布等内容。如图2，火灾功率、火区直径、火焰高度参数描述了一个火灾的规模，4这些参数是决定消防力量构成的依据，另一方面也是进行其它火灾危险性分析的基础。如图3，火灾烟气运动模拟，火灾烟气运动模拟根据设定火情的位置、火灾功率、火区面积等参数，对建筑结构进行数学建模，采用场模拟或区域模拟的
15、手段模拟火灾烟气运动情况，获得火灾烟气温度、浓度等参数空间分布随时间的变化。图 3模拟结果给出了建筑空间内的烟气温度、浓度分布在火灾全过程中的变化，在编制灭火救援预案过程中，需要掌握的是建筑内特定区域、关键时间点的烟气温度、浓度分布情况，特定区域包括人员密集区域、可燃物荷载较大区域、疏散通道和出口；关键时间点包括：疏散通道及出口所在平面的安全高度出现热烟气的时刻，消防救援力量到达现场时刻；救援力量作战平面安全高度出现热烟气的时刻等。图 26起火后240s，消防力量到达火场此时体育馆内疏散情况为：北侧观众席观众由于只能从东北出口离开，滞留观众分布在观众席中部及东北出口，南侧观众分布在西南、东南两
16、个出口，消防员到达现场后应注意对火场内人员疏散进行疏导及对被困人员进行救助。消防队员应注意在场地内分别对南侧、北侧观众疏散进行疏导，并携带救生装备准备救助伤员。上图是对某体育馆灭火救援力量到达时（起火后240s） ，火灾烟气运动模拟分析得到的结果，热烟气集中在起火点上方区域，对该区二层看台的人员安全构成危险，由于烟气的扩散和沉降，在起火点远端出现对人员安全构成危险的热烟气，图中对烟气出现区域进行了标示。结构耐火部分通过对建筑结构在火灾中热力耦合作用条件下的力学特性进行分析，得到建筑承重构件如承重墙、承重钢架、顶部钢架结构在火灾过程中的形变情况，并给出建筑发生整体坍塌的风险分析，给出可能发生建筑整体坍塌的时刻，为确保消防队员安全的进行灭火救援提供科学依据。同时通过分析建筑物关键承重构件热力形变随时间的变化可以指导消防队员在灭火救援过程中有针对性的对承重构件降温保护。对某体育场馆结构耐火的分析结果表明在整个灭火救援过程中没有发生建筑整体坍塌的风险，建筑物关键承重构件热力形变随时间的变化情况也表明在灭火救援过程中不需对承
