一种室外消火栓监控系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种室外消火栓监控系统及其检测方法。系统包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块。测量模块采用多个高精度传感器共同测量，尤其是采用的微型涡轮流量计，在误差精度小于1%的情况下，20元的成本实现大尺寸流量计的功能。采用的阀门开闭传感器即有效提供水资源安全保护，又能快速响应用水需求。通讯模块有效的将物联网终端设备报数时间均匀分配到报数周期的时段内，避免可能导致的网络拥塞。数据管理及数据分析模块基于机器学习的异常检测算法和聚类分析算法实现消火栓数据的特征直观解读、异常精准检测、分类统一管理。有效实现了消火栓的科学管理、全面及时监控，降低管理难度。

An outdoor fire hydrant monitoring system and its detection method

【技术实现步骤摘要】
一种室外消火栓监控系统及其检测方法
本专利技术涉及消火栓，尤其涉及一种室外消火栓监控系统及其检测方法。
技术介绍
消火栓作为一种固定式消防设施，主要是供消防车从市政给水管网或室外消防给水管网取水实施灭火，也可以直接连接水带、水枪出水灭火。发生火灾时，消火栓可迅速实施灭火救援，同时可给消防车补给水满足火场供水需求，提高灭火救援的成功率。当火灾险情发生时，消火栓系统对火情控制起到重要作用，是扑救火灾的重要消防设施之一。消火栓的优劣直接影响着灭火效率，事关群众的生命财产安全。目前市政消火栓现状主要表现为数量众多、分布广而散，许多室外消火栓设施陈旧且无人维护，并且由于社会中的一些不良行为，造成消火栓出现无水或者损坏问题，对灭火救援是一个巨大的打击。消火栓缺乏科学有效的管理措施，传统的消火栓监控手段依靠人工现场查验，耗时耗力，却无法及时有效地发现消火栓出现的问题并解决存在问题。因此，研究实现对消火栓的统一管理，并能实时监测消火栓的变化状况是当前的市场需求，更是消防救援工作的迫切需要。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的问题和缺陷，本专利技术的目的是提供一种室外消火栓监控系统及其检测方法，以解决消火栓管理困难的问题，实现对城市消火栓有效的状态监控、数据管理、行为预测、及时报警以及科学管理。本专利技术采取的技术方案是：一种室外消火栓监控系统，其特征在于，所述监控系统包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块；所述测量模块、控制模块、通讯模块及供电模块集成安装于消火栓终端设备本体；所述测量模块包括检测消防水压的压力传感器、检测及防止消火栓阀门异常开启的阀门开闭传感器、检测消防水用水的流量传感器、检测消火栓倾斜的倾角传感器、检测盖帽开闭的磁力传感器及检测消火栓被遮蔽状态的两个光敏传感器，以实现消火栓状态的全面准确监控；所述的控制模块包括单片机；通讯模块包括NB-IOT通讯设备；数据管理及数据分析模块包括云端服务器；终端访问模块包括WEB终端和APP终端；所述的供电模块分别与测量模块、控制模块、通讯模块连接；云端服务器与NB-IOT通讯设备远程通讯连接；同时云端服务器分别连接WEB终端和APP终端。本专利技术所述的流量传感器采用微型涡轮流量计，微型涡轮流量计安装于消火栓体内，位于整个消火栓管道的中游偏下游位置，并固定于消火栓体内芯杆周围。本专利技术所述阀门开闭传感器主体包括检测消火栓阀门开启的阀门微动传感器和防止消火栓阀门非法开启的智能电子锁。本专利技术所述一种采用室外消火栓监控系统进行检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：一、所述测量模块采用微型涡轮流量计对大口径的消火栓腔体管道截面部分区域进行测量，利用流量倍乘法原理，并基于区域面积与整个截面面积的比例，将测量结果进行流量倍乘，实现整个管道截面的流量测量计算。二、所述通讯模块采用物联网端口分散报数的方法实现消火栓物联网端口有序报数。三、所述数据管理及数据分析模块采用基于机器学习的异常检测算法和聚类分析算法对数据进行分析；建立用水统计模型、维修状况统计模型、人为因素破坏统计模型、救援维修时效统计模型，实现采集数据的直观分析。四、所述测量模块采用阀门开闭传感器，其中智能电子锁处于常闭状态时，保证消火栓的消防水出口闭合，为水资源提供有效的安全保护；通过电子钥匙进行远程控制，控制方式如下：电子钥匙的授权用户通过终端访问模块查看电子锁状态，并发出开锁或关锁请求；请求数据经云平台验证审核处理后，发送至消防栓本体监控系统；请求数据由消火栓本体的控制模块处理后，控制智能电子锁，完成电子锁快速开启和关闭，实现阀门的快速操控，避免用水延误。本专利技术所述微型涡轮流量计测量区域面积为测量位置处消火栓管道截面积的1/n，基于微型流量计测量获得的区域流量值Ql，通过计算式：Qt＝n·Ql，计算得到整个消火栓管道内的水总流量Qt。本专利技术所述消火栓物联网端口有序报数是针对各消火栓终端设备，利用各个终端设备号N及所设定的报数周期T报数，消火栓设备的控制器通过计算式：t报数＝N％(60·T报数)，获得以分钟为单位的设备报数时间t报数，其中T报数为以小时为单位的报数周期，通过公式实现该设备与其他终端设备有效地均匀分散到报数周期上，实现消火栓物联网端口有序报数。本专利技术所述消火栓物联网端口有序报数执行以下操作：将接收到的新设定的报数周期数据和录入的设备号信息与原始数据进行对比；存在数据更改的情况下，将更改数据存档，并进行新的端口报数时间确定；将新的报数时间替换预设报数时间；以此完成报数时间的更新，并投入到设备报数过程中使用。本专利技术所述的基于机器学习的异常检测算法采用IsolationForest算法异常检测模型对测量模块采集的数据进行分析；测量模块的多个传感器在同一时刻获得的检测数据作为输入特征向量的多个特征维度，建立基于IsolationForest算法异常检测模型，实现对消火栓状态微小异常变化精准检测；IsolationForest异常检测模型将定期依据云端数据库异常样本的变化进行模型更新，实现异常检测精度快速有效提升。本专利技术所述基于聚类分析算法采用基于Kmeans的消火栓特征聚类分析方法对消火栓进行聚类；基于存储数据，利用统计模型对各消火栓行为进行分析。本专利技术的有益效果为：本专利技术设计基于消火栓本体、云端以及访问终端的室外消火栓监控系统，针对传感数据、用户行为数据等数据完成数据分析管理，实现消火栓运行特征的直观解读以及异常问题的及时报警，实现对消火栓状态的全面及时有效监控以及科学管理。本系统的技术优势在于：1、流量计测量准确、成本低：采用多个高精度传感器共同测量，实现消火栓状态的全面准确监控。尤其是采用的微型涡轮流量计，其安装位置的测量区域流体流动状态稳定，流速变化小，避免了入口水流不稳、出口空气旋柱等入口及出口效应影响。通过水流标定测量试验，本专利技术提出方法的误差精度小于1％。在与成本4千元以上的电磁流量计等大尺寸流量计精度比较无明显差异的情况下，微型涡轮流量计成本不足20元，同时产品小巧，便于嵌入消火栓腔体。2、水资源有效保护：本系统的阀门开闭传感器包括阀门微动传感器和智能电子锁，在有效监测消火栓阀门状态的同时，能够有效防止消火栓阀门非法开启。非授权开阀用户无法开关消火栓阀门，有效杜绝水源偷盗的行为，同时能防止消火栓为源头的水资源污染，如恶意水源投毒等恐怖袭击事件。同时，智能电子锁可实现快速的阀门开启，提供火场供水需求快速响应，不造成用水延误。3、分散报数避免网络拥塞，提高工作效率：本专利技术的消火栓设备报数时间的获得是基于终端设备对应的唯一身份编号——设备号，报数时间具有独有性，降低了重复性。面对未来物联网终端数量爆发式增长，该方法均能够有效得将所有的设备报数时间均匀分配到报数周期的时段内，避免可能导致的网络拥塞。当云端服务器设定的报数周期更新或终端设备更替时，所有涉及变化的消火栓设备能快速重新计算报数时间，迅速完成报数时间设定，提高工作效率，降低时间及人力成本。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种室外消火栓监控系统，其特征在于，所述监控系统包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块；所述测量模块、控制模块、通讯模块及供电模块集成安装于消火栓终端设备本体；所述测量模块包括检测消防水压的压力传感器、检测及防止消火栓阀门异常开启的阀门开闭传感器、检测消防水用水的流量传感器、检测消火栓倾斜的倾角传感器、检测盖帽开闭的磁力传感器及检测消火栓被遮蔽状态的两个光敏传感器，以实现消火栓状态的全面准确监控；/n所述的控制模块包括单片机；通讯模块包括NB-IOT通讯设备；数据管理及数据分析模块包括云端服务器；终端访问模块包括WEB终端和APP终端；所述的供电模块分别与测量模块、控制模块、通讯模块连接；云端服务器与NB-IOT通讯设备远程通讯连接；同时云端服务器分别连接WEB终端和APP终端。/n

【技术特征摘要】
1.一种室外消火栓监控系统，其特征在于，所述监控系统包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块；所述测量模块、控制模块、通讯模块及供电模块集成安装于消火栓终端设备本体；所述测量模块包括检测消防水压的压力传感器、检测及防止消火栓阀门异常开启的阀门开闭传感器、检测消防水用水的流量传感器、检测消火栓倾斜的倾角传感器、检测盖帽开闭的磁力传感器及检测消火栓被遮蔽状态的两个光敏传感器，以实现消火栓状态的全面准确监控；
所述的控制模块包括单片机；通讯模块包括NB-IOT通讯设备；数据管理及数据分析模块包括云端服务器；终端访问模块包括WEB终端和APP终端；所述的供电模块分别与测量模块、控制模块、通讯模块连接；云端服务器与NB-IOT通讯设备远程通讯连接；同时云端服务器分别连接WEB终端和APP终端。


2.如权利要求1所述的一种室外消火栓监控系统，其特征在于，所述的流量传感器采用微型涡轮流量计，微型涡轮流量计安装于消火栓体内，位于整个消火栓管道的中游偏下游位置，并固定于消火栓体内芯杆周围。


3.如权利要求1所述的一种室外消火栓监控系统，其特征在于，所述阀门开闭传感器主体包括检测消火栓阀门开启的阀门微动传感器和防止消火栓阀门非法开启的智能电子锁。


4.一种采用如权利要求1至3中任一项所述的室外消火栓监控系统进行检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
一、所述测量模块采用微型涡轮流量计对大口径的消火栓腔体管道截面部分区域进行测量，利用流量倍乘法原理，并基于区域面积与整个截面面积的比例，将测量结果进行流量倍乘，实现整个管道截面的流量测量计算；
二、所述通讯模块采用物联网端口分散报数的方法实现消火栓物联网端口有序报数；
三、所述数据管理及数据分析模块采用基于机器学习的异常检测算法和聚类分析算法对数据进行分析；建立用水统计模型、维修状况统计模型、人为因素破坏统计模型、救援维修时效统计模型，实现采集数据的直观分析；
四、所述测量模块采用阀门开闭传感器，其中智能电子锁处于常闭状态时，保证消火栓的消防水出口闭合，为水资源提供有效的安全保护；通过电子钥匙进行远程控制，控制方式如下：电子钥匙的授权用户通过终端访问模块查看电子锁状态，并发出开锁或关...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继宝，何元生，卢政强，万子敬，冯旭，
申请(专利权)人：应急管理部天津消防研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12