Проектирование систем эвакуации из зданий при пожаре с помощью технологии интернета вещей

В последнее время во многих городах возводятся сложные и высокие общественные здания. При этом главной заботой проектировщиков таких зданий должна быть пожарная безопасность. Изучение статистики пожаров помогает понять важность получения точной информации о месте возгорания для облегчения операций по тушению пожаров и процессов эвакуации, спасательных операций и т. д. В настоящее время сбор информации о большинстве пожаров может полагаться только на информацию от пожарных, вошедших в горящее здание. Между тем, для эвакуации из высотных зданий необходимо контролировать процесс на каждом этаже. Однако реализовать такую стратегию эвакуации непросто. Для планирования стратегии эвакуации требуется надежная информация о плане здания, размере пожара и местоположении людей. Для направления людей во время эвакуации необходимы эффективные средства связи. Чтобы успешно преодолеть описанные выше проблемы, нужно использовать инновационные подходы и новые технологии для управления объектами. 21-й век характеризуется стремительными тенденциями к цифровизации. Интернет вещей (IoT) представляет собой интеграцию технологий, которая соединяет устройства и объекты с различными сетями для предоставления информации для всех приложений в любое время и в любом месте. Облегчая сбор и обмен данными, IoT сводит к минимуму необходимость участия человека. В настоящее время недостатки эвакуации при пожаре в высотных зданиях возникают из-за неадекватного восприятия информации о месте пожара и отсутствия эффективных средств связи между внутренней и внешней частью помещения, где произошел пожар. Эти недостатки в конечном итоге приводят к неверным решениям при эвакуации. Используя IoT с широким спектром датчиков, исполнительных механизмов и устройств, предварительно установленных в здании, можно получать информацию о месте пожара в режиме реального времени.

Еще одним фактором, делающим IoT ценным решением для управления эвакуацией при пожаре, является возможность работы с сотовыми технологиями новых поколений. Например, 5G обеспечивает пиковую пропускную способность 10–20 Гбит/с, что в 100 раз больше, чем у сети 4G LTE. Помимо увеличения скорости, 5G также содержит технологии, обеспечивающие задержку не более чем в 1 мс при доставке данных, повышенную энергоэффективность и т. д. [1, с. 1-13].

Система IoT представляет собой интеграцию технологий для предоставления информации с использованием устройств IoT. Таким образом, проектирование архитектуры является ядром, обеспечивающим функционирование системы IoT. Нижний уровень архитектуры состоит из различных сенсорных и исполнительных устройств для предоставления собранной информации. Одним из самых распространенных методов осуществления коммуникаций в системах зданий является структурированная кабельная система. При установке кабелей в пустотах фальшпола или подвесного потолка, достигающих всех внутренних помещений зданий, можно реализовать передачу данных между датчиками с помощью проводных соединений. Однако с ростом требований к использованию различных источников данных для сбора информации в системах зданий проводные соединения могут быть не такими гибкими и удобными. Поэтому для подключения датчиков и устройств IoT в зданиях используются различные беспроводные сети, такие как Bluetooth, Zigbee и Wi-Fi [2, с. 278-281].

Несмотря на то, что технологии беспроводной связи представляют собой более гибкие и доступные средства передачи данных для датчиков или устройств IoT, в отдельных случаях (например, длинные коридоры, шахты лифтов и подвалы) возможно серьезное затухание радиосигналов [3, с. 103875-103899]. Например, посредством тестирования качества сигнала ZigBee в комнатах и коридорах было обнаружено, что рекомендуемое расстояние для помещений – это расстояние, не превышающее 25 м. Что касается Wi-Fi, то точность определения местоположения с силой сигнала может быть обеспечена только в диапазоне от 25 до 50 м для помещений. Поэтому для обеспечения надежности беспроводной связи в помещениях следует применять дополнительные сетевые устройства, такие как точки доступа, беспроводные ретрансляторы и маршрутизаторы.

В целом, интеллектуальная система эвакуации из здания при пожаре состоит из блока обнаружения (или измерения), блока планирования маршрута (алгоритма) и направляющего устройства (указателей выхода, персональных устройств). Наиболее распространенная конструкция блока обнаружения в интеллектуальных системах пожарной эвакуации зданий заключается в применении датчиков для восприятия различных параметров окружающей среды во время пожарной чрезвычайной ситуации, в первую очередь задымление и температуру. Комплексная система пожарной эвакуации зданий на основе IoT была представлена в качестве примера Паком с соавт. [4]. Система позволяла обнаруживать места возникновения пожара, отслеживая данные об окружающей среде в реальном времени с нескольких интеллектуальных датчиков, включая датчики утечек газа и датчики температуры. В дополнение к этому система также была связана с различными исполнительными механизмами (электрические выключатели и выключатели газовых клапанов) для обеспечения дистанционного отключения источников пожарной опасности в здании. Передача данных всех этих датчиков была построена в среде ZigBee.

Кроме того, для направления людей к наиболее безопасным выходам и ускорения процесса эвакуации многие исследователи разработали интеллектуальные системы, отслеживающие местоположение людей в здании. Так, с помощью маяков Bluetooth Low Energy (BLE) исследователи [5, с. 62-66] обеспечили локализацию людей с помощью их мобильных телефонов. Наиболее распространенный подход, используемый для подсчета количества людей в целевой области – это визуальные камеры. В работе [6, с. 64101-64109] был предложен интеллектуальный алгоритм планирования маршрута, учитывающий интенсивность пожара. Многие исследователи также разработали различные интеллектуальные устройства, чтобы сигналы и запланированный маршрут эвакуации были успешно доведены до людей. Одним из возможных подходов является отправка сигналов и инструкций на мобильные телефоны пользователей через предварительно установленное приложение. Однако эти сети являются инфраструктурными и склонны к сбоям в критических условиях. Кроме того, учитывая, что не у всех обязательно есть с собой смартфон или они не загрузили приложение, несколько авторов предложили другой подход к руководству эвакуацией с использованием «умных знаков выхода» [5, с. 62-66]. Эти «умные знаки выхода» обычно оснащены динамическими указателями, которые могут менять направление, чтобы информировать эвакуируемых о кратчайших безопасных путях эвакуации.

Предварительный проект систем управления эвакуацией при пожаре с использованием IoT должен включать в себя следующие компоненты. Вместе с датчиками и устройствами для сбора различной информации о месте пожара применяются различные средства передачи данных для построения связи между датчиками и платформой IoT. Для предоставления приложений для помощи при эвакуации из зданий в системе используются перспективные технологии, включая BIM и моделирование эвакуации. Кроме того, учитывая важность защиты данных и безопасности системы, система также оснащена уровнем аутентификации и шифрования для защиты конечных устройств, чтобы можно было избежать вредоносных атак и утечек данных. Помимо защиты безопасности конечных устройств, безопасность данных на платформе IoT может быть обеспечена с помощью брандмауэров и надежных процессов аутентификации пользователей. Благодаря этим мерам предлагаемая система может быть безопасной и использоваться только по назначению (т. е. для информирования о пожарной обстановке, планирования эвакуации или руководства эвакуацией).

Преимущества предлагаемой системы можно обобщить следующим образом:

1. Технология IoT обеспечивает возможный подход к связыванию кибер- и физической среды вместе в управлении эвакуацией при пожаре в здании. По сравнению с традиционной эвакуацией при пожаре, эвакуация при пожаре с помощью IoT значительно улучшает сбор и обновление информации на месте, обеспечивая безопасность эвакуации. Более того, собранная информация о количестве людей также полезна для управления энергопотреблением здания. Поэтому ее можно применять для внедрения такой системы в зданиях.
2. 3D-визуализация информации о здании. Обмениваясь данными мониторинга с различных датчиков и устройств через Интернет, IoT позволяет объединить всю информацию в одном месте. Таким образом, в сочетании с BIM можно добиться визуализации и управления различным эвакуационным оборудованием и объектами в рамках модели BIM. С помощью модели BIM, показывающей расположение различных эвакуационных объектов и опасных зон, можно построить прямую связь между геометрией здания и пожарной обстановкой, что упрощает руководство эвакуацией.
3. Планирование стратегий эвакуации на системном уровне. Благодаря интеграции устройств IoT, данных IoT и платформ IoT система IoT обеспечивает передачу данных и взаимодействие для поддержки приложений. Поэтому используются модуль оценки пожарного риска и модуль поддержки принятия решений об эвакуации. По сравнению с традиционным заранее определенным планом эвакуации при пожаре предлагаемая система позволяет динамически корректировать стратегию эвакуации в соответствии с развитием пожара и расположением людей. В результате может быть достигнуто более эффективное и действенное управление эвакуацией при пожаре в высотных зданиях.

Из предлагаемой системы управления эвакуации из зданий при пожаре с помощью IoT очевидно, что основным типом коммуникации в системе управления пожарной эвакуацией является коммуникация «машина-машина» (M2M). M2M передает небольшой объем данных, но соединяет большое количество устройств, поэтому в основном используется для автоматизированной передачи данных и измерений между механическими или электронными устройствами, такими как измерение температуры, мониторинг состояния, подсчет людей по инфракрасным датчикам и т. д.

Преимущества использования IoT в управлении эвакуацией при пожаре можно суммировать следующим образом:

1. Обширное покрытие внутри и снаружи помещений;
2. Доступность для массового подключения;
3. Низкое энергопотребление;
4. Высокая надежность и безопасность;
5. Бюджетность.

Таким образом, эвакуация из здания с помощью IoT-помощи при пожаре предоставляет возможный подход к превращению традиционной эвакуации из здания в интеллектуальную. Интегрируя перспективные технологии в реагировании на чрезвычайные ситуации при пожаре и эвакуации из здания, можно достичь более эффективного режима эвакуации из здания при пожаре и спасти больше жизней. Тем не менее при развертывании такой системы на практике все еще могут возникнуть некоторые трудности. Необходимо убедиться в том, что эффективность и надежность беспроводных датчиков (например, пожарных извещателей, пожарной сигнализации) могут быть обеспечены и соответствовать требованиям действующих правил обнаружения пожара и систем пожарной сигнализации с точки зрения различных пожарных ситуаций. Кроме того, взаимодействие устройств IoT между различными поставщиками также является проблемой. В настоящее время в отрасли IoT нет общепринятых стандартов данных. Кроме того, положение о строительстве систем эвакуации из зданий с помощью IoT должно охватывать весь жизненный цикл, включая проектирование системы вместе с проектированием здания, внедрение системы на этапе строительства здания и конкретные требования к эксплуатации системы и управлению данными на этапе эксплуатации.