数字孪生预控：轨交消防新范式，再造能防会救的主动安全网

　　一、总体介绍

　　北京城建智控科技股份有限公司成立于2014年，是北京城建集团科技产业化板块的重要组成部分。公司致力于成为国内领先的“数字城市”综合解决方案服务商，重点服务国家“数字经济”战略，打造集“设计、研发、制造、集成、运维”为一体的数字技术一站式服务体系。作为轨道交通行业第一家拥有设计背景的智慧城轨综合解决方案提供商、中国第一家专注轨道交通云平台业务的国有控股公司，以设计引领和科技创新为双轮驱动，聚焦核心产品业务，创新产品研发，推动行业高质量发展。

　　北京城建设计发展集团股份有限公司是科技型工程公司，业务涵盖城市轨道交通、综合交通枢纽、地下空间开发、工业与民用建筑、市政工程、城市规划等领域，拥有设计咨询、工程建设、投融资、科技产业化、置业文旅、运营管理为一体的完整产业链。拥有城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心等14个政府授予的创新平台，省部级科技成果近800项、专利700余件、软件著作权400余件，多项创新技术达到国际领先水平。

　　重庆璧铜线轨道交通运营管理有限公司是重庆市铁路(集团)有限公司的全资子公司，成立于2024年4月7日，通过委托运营方式负责市郊铁路璧山至铜梁线行车组织、客运服务、设施设备维护、安全生产等运营管理工作。璧铜线是重庆高铁、市郊铁路、地铁“三铁”融合的示范线，也是重庆市首条最高速度达140公里/小时的运营轨道线路，于2025年1月2日开通初期运营。目前与已开通的轨道交通1号线在璧山站采用付费区换乘通道方式换乘，今后将与在建城轨快线27号线贯通运营。

　　消防安全作为城市管理的重要环节，在轨道交通领域的呈现还依然停留在传统火灾报警状态监视的水平。存在消防设施监督难，火灾预警提前难，火灾现场情况不明，指挥调度盲目等问题。现有的消防监控系统通过物联网监控管理平台接收多个监控中心的数据，以实现对多个监控中心所监管的消防场所进行监控协调，使得火灾发生时，不同监控中心的消防管理人员均能获知火灾发生所在位置，并根据火灾发生位置与本消防场所之间的关系以采取相应的防护措施，同时物联网监控管理平台能够获取其他监控中心所对应的消防情况，在需要的时候能够调动其他监控中心的消防物资进行灭火，加强消防辖区各个监控中心的通信，以提高对整体消防辖区内的消防监管以及消防物资的协调，通过设置隐患分析模块，对消防辖区内的消防数据进行分析，从而计算得出消防辖区的消防等级，以便于对消防等级高的消防场所进行隐患排查。

　　可见，现有的消防监控系统仅从消防报警和消防灭火系统获取数据并对消防数据进行分析，得出消防辖区的消防等级，且消防数据中缺少与建筑内基础数据的关联，导致火灾等级划分缺乏实际意义，火灾预测与分析存在局限。

　　本案例探讨一种城市轨道交通智慧消防的数据融合应用方法，旨在解决现有消防系统消防设施监督难，火灾预警提前难的问题。其中消防数据由火灾报警主机、感温光纤主机、消防电源主机、防火门监控主机等控制器级主机和电力监控系统、环控系统等系统获得;基于统一接口对外提供统一的数据访问方式，整合消防系统数据，建立消防数据模型，有效的整合消防各子系统及关联系统数据，以提高对现场消防隐患的发现能力。

　　二、主要做法

　　(一)建设目标

　　在基于各类火灾预警与报警控制器数据接入基础上，搭建电力监控系统、机电监控系统、视频监控系统等关联系统数据采集模块，采集房间耐火等级、装修材料、储存(含移动)物品等防火数据的基础数据采集模块，采集天气信息与非生产活动等数据的外部数据采集模块。将采集数据接入数据处理模块和数字孪生匹配模块，通过构建全量静态与动态消防数据融合模型，实现城市轨道交通消防安全的信息化、数字化、智慧化呈现，打造基于数据融合的城市轨道交通智慧消防系统。

　　智慧消防系统基于数据融合模型，通过构建全量消防静态与动态信息，进行全面且丰富的数据加工，实时在线监管消防安全，实时查询，快速响应，实现状态先知和趋势预判，实现消防安全的预警与报警功能，精准匹配警情，从而使灾害得到预警预防。

　　(二)建设方案

　　运用物联网和大数据技术实时智能评估消防安全风险，实现精准监管的方案已较为明确。为有效推动信息化系统落地、提升价值，需重点规划数据融合整体解决方案，深度融合数字技术与灾害应对流程，增强灾害态势感知与趋势预判能力，从而降低灾害损失。现阐述系统规划与设计的具体内容如下：

　　图  系统数据融合示意图

　　数据融合应用需整合环境活动、消防设备和基础静态三类数据。具体流程如下：

　　①获取并分析环境活动数据，得出环境风险特征;

　　②获取并分析当前区域的消防设施数据，评估消防系统状态;

　　③获取并分析当前区域的基础空间数据，构建区域物理模型;

　　融合上述三类数据的分析结果，通过数字孪生平台进行集成处理，最终输出火灾风险预测结果。

　　环境活动数据(外部数据)作为第一数据分析结果，判断环境活动数据中的参数与相应参数阈值，环境活动数据包括：湿度、温度、风速、降水、参观和施工等信息。

　　消防设备数据(控制器、关联系统)得到第二数据分析结果，判断消防数据中的参数与相应参数阈值。消防数据包括：烟雾浓度、环境温度、剩余电流和回路电流等。

　　基础静态数据(耐火等级、装修材料、储存物品等防火数据的基础数据)得到第三数据分析结果。

　　为实现上述目的还需要依托数据中台，获取消防系统在轨道交通全业务线生产的数据，构成智慧消防软件平台;构建数据融合的数据中台，数据中台从智慧消防软件平台获取数据，数据中台提供数据服务;根据消防生产经营业务，构建数据融合的智慧业务应用。

　　智慧消防软件平台架构与数据中台设计

　　1.平台整体架构

　　智慧消防软件平台采用三层架构，处理消防业务线上采集的环境活动数据、消防数据和基础数据：

　　①. 数据总线模块： 提供核心数据处理与服务，包括：数据接收与处理功能服务、报警引擎服务、数据推送服务、联动引擎服务;

　　②. 消防业务模块： 实现核心消防应用，包括：火灾预警服务、

　　单点控制服务、消防演练服务、扑救辅助服务、设备状态感知服务;

　　③. 终端展示模块： 提供用户交互界面，包括：实时监测、数据分析、网络管理。

　　2.数据中台架构

　　为支撑平台运行，构建五层数据中台：

　　①.数据接入层： 负责数据采集与接入，包含数据源管理、ETL工具等。

　　②.数据存储层： 存储平台各类数据(结构化、非结构化、系统数据)。

　　③.数据治理层： 提供元数据管理、数据资产目录编目、公共数据定义与维护。

　　④.接口服务层： 为呈现层提供产品功能接口和数据资产服务接口。

　　⑤.呈现层： 提供产品功能的操作与展示界面。

　　3、数据中台核心模块与服务

　　数据中台由以下独立容器化部署的模块组成，共同提供数据服务：

　　①.数据源管理模块：

　　服务： 数据源的添加、删除、编辑、查找。

　　接口： 以 Restful API 方式对外提供服务(基于前后端分离架构设计，提升开发效率与质量)。

　　②.ETL 工具模块：

　　服务： ETL作业的列表展示、管理(启动/停止/移动/删除)、模板管理、处理器及服务管理。提供作业状态与配置的实时查看。

　　③.数据交换模块：

　　服务： 对外共享数据服务API的列表展示、调用方式查询。支持按关键字搜索API。

　　④.元数据管理模块：

　　服务：

　　技术元数据管理： 自动采集、订阅、版本管理(管理接入数据源及平台内部数据源的元数据)。

　　业务元数据管理： 业务元数据的定义、描述、变更管理。

　　功能： 元数据列表展示、按名称/标签搜索、元数据新增与更新规则编辑。

　　⑤.公共数据管理模块：

　　服务：公共数据的查找、管理(增删改)、数据集编辑、多维度查找及数据预览。

　　⑥.资产目录管理模块：

　　服务：资产目录分组管理、资产数据预览与查找。

　　目标：统一编目管理平台数据资产，提供全局视图与统一索引，实现数据资产的统一规划、共享、治理与运营支撑。

　　(三)实施应用：城市轨道交通车控室案例验证

　　为具体说明智慧消防数据融合应用方法，本方案依托智慧消防软件平台，结合城市轨道交通场景，以地下车站车控室为例进行阐述。

　　依托于智慧消防软件平台，结合城市轨道交通智慧消防的数据融合应用方法，以城市轨道交通地下车站车控室房间为例，对本方案的城市轨道交通智慧消防的数据融合应用方法做进一步的说明。

　　1.消防设备数据融合：

　　・火灾自动报警系统： 提供空气温度、烟雾浓度实时数据。

　　・电气火灾监控系统： 提供用电回路剩余电流、回路温度数据。

　　・电力监控系统： 提供用电回路有功功率、回路电流数据。

　　・机电监控系统： 提供房间温度、风机挡位及转速数据。

　　・分析方法： 应用 融合叠加算法 与 时序突变算法 处理上述数据，生成 消防数据分析结果。

　　2.环境活动数据分析：

　　数据来源： 外部天气信息、房间预设的非生产活动信息。

　　分析方法： 应用 活动分析算法，生成 环境数据分析结果。

　　3.基础静态数据分析：

　　数据来源： 房间耐火等级、装修材料、储存物品风险值及比例等信息。

　　分析方法： 应用 专家预置算法，生成 基础数据分析结果。

　　三、取得成效

　　(1)2023年取得智慧消防系统控制器CCC证书，作为核心设备，集数据处理、传输等功能于一体，可就地管理，上下分别接入外设终端、消防及综合监控系统。

　　(2)2024年开展璧铜项目落地，在接口方面优化通讯协议和接口设计，保障系统智慧化与生产可靠性，融合多源数据应用，提升端级设备数据颗粒度助力业务与运维，简化日常运维，降低灾害风险。

　　(3)在经济效益方面，通过城市轨道交通智慧消防系统的应用，将数字技术与灾害过程体系深度融合，提高灾害的处置效率，降低灾害损失，缩短抢险时间。另一方面系统整合了消防安全相关设备与物资信息，可同步降低运维系统和物资管理系统的建设成本。

　　(4)在社会效益方面，系统将消防安全预防关口前移，构建了以防为主，防消结合的新一代信息化消防防控体系，从减少了消防安全事故出发，提高了消防安全性，提升了城市轨道交通的安全运营能力。系统的应用也迎合了智慧城轨建设需要，提升了城市轨道交通的现代化，为城市的可持续发展贡献了力量。