一种用于船舶的消防监控的数字孪生系统的制作方法

本发明涉及消防术领域，特别涉及一种用于船舶的消防监控的数字孪生系统。

背景技术：

船舶火灾风险系数高、扑救难度大、人员逃生难度大。舱内复杂繁多得电气设备、管道等也给人员快速逃生造成阻碍。因此建立一套先进、完善的船舶消防监控系统，通过嵌入式火焰探测与多传感器数据融合实现火灾监测与识别，基于多传感器船舶数据监测、火灾早期识别、火灾后期引导逃生疏散，能够及时、准确的发现火灾并提供人员疏散、扑救等措施显得必不可少和尤为重要。

船舶消防监测系统的性能优劣在火灾发生的初期能够由消防监测系统及时准确地识别出火灾、预测火势与烟雾蔓延方向、蔓延速度等。当前消防系统通常是仪表式的，不具备火灾蔓延趋势预测、可视化信息差，也不能智能引导逃生。本发明基于物联网技术与3d可视化技术结合，通过火灾探测报警模块和3d可视化技术进行实时监控和智能预判，此外还包括消防逃生路径生成与引导疏散指示模块，可在最快的时间内，给被困人员指引出一条最安全、距离最短的逃生路径。

现有技术cn112562254a火灾监测方法、消防管控服务器、存储介质及监测系统中虽然公开了利用数字孪生技术控制火灾探测器的区域性移动，从而实现以最少设备提供全天24小时最大范围的自动监测区域火灾；但该申请中并没有考虑到火灾发生后，如何为火灾中人员提供最优的脱险路线，帮助人员迅速逃离火场，同时对火情未来的发展趋势进行有效判断的功能。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种用于船舶的消防监控的数字孪生系统，通过火灾探测数据与三维模型融合实现了环境数据监测、火灾报警、火源定位、火灾和烟雾蔓延预测、逃生路径智能生成等功能。结合物联网平台开发与数据可视化技术，实现船舶消防监测、火灾实时数据分析与人员逃生路径智能引导。

本发明通过如下技术方案实现：一种用于船舶消防监控的数字孪生系统，包括船舶消防环境监测模组、消防监测数据云平台模组、监测数据三维可视化显示模组、逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组四个功能模组；上述船舶消防环境监测模组包括：温湿度监测与预测模块、烟雾探测报警功能模块、火焰监测与报警功能模块、数据采集与集中处理模块组成；上述船舶消防环境监测模组通过wi-fi无线通讯方式，按照mqtt协议规则与消防监测数据云平台模组进行数据交互；上述消防监测数据云平台模组以多传感器物联网云平台为连接基础，采集数据，通过并联冗余通路完成数据传输，实时收集与处理船舶室内温湿度、烟雾、火焰等数据，实时显示船舶各个舱室传感器采集环境数据，并存储于云平台中；上述监测数据三维可视化显示模组，采用think.js数据接口与三维模型融合，实现消防三维可视化监测，实现在三维船舶模型上实时显示监测数据；上述逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组通过火灾探测数据模块与三维模型融合，同时包括了环境数据监测、火灾报警、火源定位、火灾和烟雾蔓延预测、逃生路径智能生成等模块，实现消防数据三维可视化与引导逃生功能。

进一步，上述船舶消防环境监测模块具体包括dht11温湿度传感器、ds18b20温度传感器、mq-2烟雾探测器、soc嵌入式火焰探测器、树莓派数据采集与集中处理模块，并设置有源蜂鸣器、pcf8591a/d转换器，共同配合检测环境信息。

进一步，上述逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组设置有嵌入式火焰传感器、温湿度传感器、烟雾探测器等多传感器；上述嵌入式火焰传感器，通过vxworks与树莓派实现数据实时传输与图像处理，辨识出火焰像素，识别火焰并报警；配合使用蜂鸣器，使得有火灾发生时蜂鸣器发出报警声。

进一步，上述逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组的三维模型由think.js三维可视化技术提供监测场景的三维模型及实时图像，同时能够实时引导逃生，具备立体消防疏散路径生成和指示功能。

进一步，上述监测数据三维可视化显示模组是将三维船舶模型转化为fbx格式后，导入到thingjs中；并通过campusbuilder与thingjs数据连接实现三维船舶模型与消防监测数据云平台模组获得的监测数据的对接。

进一步，上述船舶消防环境监测模组的数据实时可视化传输，通过云mqtt协议传输规则，树莓派数据采集与集中处理模块收集实时数据通过wi-fi方式传输给云平台进行三维可视化展示并存储，从而完成船舶消防数据监测传感器硬件系统与云服务器的数据存储系统之间建立传输关系。

进一步，上述dht11温湿度传感器的采集程序通过并联冗余通路总线方式与树莓派数据采集与集中处理模块进行数据采集与发送；具体步骤包括了：dht11采集控制程序通过并联冗余通路提高传输数据的可靠性，第一通路根据dht11工作原理编程采集数据，首先导入gpio接口及time函数模块，定义数据传输接口并初始化，接着设置gpio接口为读取数据模式获取高低电平信号，获得高电平信号后开始读取模块获取数据并打印显示，之后根据映射公式定义解析温湿度数据，得到十进制温湿度数据，最后打印结果结束进程并释放gpio引脚；第二种通路采用adafruit库读取数据，adafruit库读取dht11传感器数据，调用io函数直接获得dht11温湿度采集数据。

进一步，上述ds18b20温度传感器采用单总线控制；采集数据的具体步骤包括了：

1)修改配置文件，程序为：sudovi/boot/config.txt；

2)为树莓派添加单总线devicetree设备，即dtoverlay＝w1-gpio，管脚为25，即gpioin＝25；

3)采集到的温度数据存储在28-****开头的rom文件中，并进入28-****读取w1_slave文件就会返回当前温度值，输出的t值为一个五位数，将结果除以1000即可转换为十进制温度数据。

进一步，上述mq-2烟雾探测器采取的是双路信号同步输出，可同步输出模拟量及ttl电平，模拟量为5v电压，烟雾浓度越高电压值越大；ttl采用低电平为有效信号；使用pcf8591a/d转换器，为数据量进行显示，可直观显示出空气中烟雾浓度变化情况；pcf8591a/d转换器采用的是iic总线通信，启动树莓派的iic总线通信；通过vnc界面将其中spi和i2c置为通路。

进一步，上述系统中的各个设备接口数量的可扩充，将树莓派数据采集与集中处理模块gpio接口通过杜邦线与t型转接板相连再接入面包线，并通过映射表实现端口映射管理。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明通过逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组建立了三维空间立体消防疏散指示，在实时监测火灾萌生与蔓延情况的同时，由think.js三维可视化技术提供监测场景三维模型及实时图像，能够同时为船员提供实时逃生引导疏散通道指示。甚至可以在火情快速发展时建立预测火情预警，给出具体方位坐标，第一时间做出避险逃生路径预测，引导逃生，优化现场救援，为消防控制火情提供帮助与指导。

本发明通过消防监测数据云平台以多传感器物联网云平台为连接基础，通过并联冗余通路提高传输数据的可靠性，保障数据的处理和反馈的及时。

本发明通过将树莓派gpio接口通过杜邦线与t型转接板相连再接入面包线，并通过映射表实现端口映射管理，实现了系统中的各个设备接口数量的可扩充，可以根据实际情况设置相应的传感器设备，应用于不同面积的运用场景中。

附图说明

图1本发明的各模组之间的关系示意图；

图2本发明的各模组之间的数据传输流向示意图；

图3本发明的dht11温湿度采集程序流程示意图；

图4本发明的温度传感器采集程序流程图；

图5本发明的mq-2烟雾探测传感器程序流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

并且，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参阅说明书附图1-5，一种用于船舶消防监控的数字孪生系统主要是由四个功能模块组成：船舶消防环境监测模组、消防监测数据云平台模组、监测数据三维可视化显示模组、逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组。

其中船舶消防环境监测模组由温湿度监测与预测模块、烟雾探测报警功能模块、火焰监测与报警功能模块、数据采集与集中处理模块组成。利用温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器分别实现对船舶各舱室中温湿度、空气质量及火灾情况的监测，如检测到异常现象，如空气烟雾浓度过大、有火焰信号等，蜂鸣器触发产生报警信号。各类传感器均与树莓派实现搭载对接，通过python编写程序实现对传感器控制与数据接收、传送。船舶消防环境监测模块具体实施是选择火灾传感器来监测火灾发生情况，选择dht11温湿度传感器、ds18b20温度传感器、mq-2烟雾传感器、soc嵌入式火焰传感器，配合有源蜂鸣器、pcf8951数模转换传感器检测环境信息、以及树莓派数据采集与集中处理模块组成。采用树莓派作为现场采集数据与控制设备，并利用各类传感器模块实现环境监测、报警等功能，从而搭建构成该消防监测系统的硬件控制系统。树莓派控制端实现对所连接传感器进行实时控制与数据采集，因为本申请是对船舶火灾的监测，所以传感器都是选取与火灾传感器有关的，主要通过采集监测点的温度、湿度、烟雾、火焰等环境信号进行判断，监测点我们主要选取易于发生火灾的地点，例如：机舱、卧室、工作间等。当检测到火焰信号或空气烟雾浓度过高时，树莓派发出控制信号使得有源蜂鸣器发出报警提醒。soc嵌入式火焰传感器对火焰中红外线特别敏感，当监测到有火光时指示灯会亮，通过此来判断是否有火灾发生。火焰传感器内有设定阈值，当环境中红外光谱超过阈值时，数字量输出低电平信号，d2指示灯亮；未达到阈值输出高电平，d2不亮。配合使用蜂鸣器模块，使得有火灾发生时蜂鸣器发出报警声。

数据传输端主要负责两个部分的数据传输工作。首先是树莓派与物联网云平台的数据传输，将树莓派通过程序采集得到的各类传感器数据通过无线方式传输给物联网云平台进行显示与存储；第二部分是物联网云平台与三维船舱可视化平台之间的数据传输，将云平台中得到的实时数据与三维模型相结合，在虚拟界面中动态展示现实环境中各监测点信息情况。同时，映射各传感器及树莓派各引脚功能，用杜邦线将传感器与树莓派相连，在树莓派程序开发界面使用python语言编写程序控制传感器运行。通过wi-fi无线通讯方式，按照mqtt协议规则与消防监测数据云平台进行数据交互。

消防监测数据云平台以多传感器物联网云平台为连接基础，采集数据通过并联冗余通路提高传输数据的可靠性，实时收集与处理船舶室内温湿度、烟雾、火焰等数据，实时显示船舶各个舱室传感器采集环境数据，并存储于云平台中。监测数据三维可视化显示模组，采用think.js数据接口与三维(3d)模型融合，实现消防3d可视化监测，实现在三维船舶模型上实时显示监测数据。在物联网开发平台上可以看到异常数据，使得监测者能够直观的看到异常情况发生的位置从而迅速做出处理。

逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组通过火灾探测数据与三维模型融合实现消防系统数字孪生模组，具体包含环境数据监测、火灾报警、火源定位、火灾和烟雾蔓延预测、逃生路径智能生成等模块，具备消防数据三维可视化与引导逃生功能。通过嵌入式火焰探测与温湿度、烟雾等多传感器数据融合，实现火灾监测、识别与预警，实现三维空间立体消防疏散指示功能，可实时监测火灾萌生与蔓延态势，为船员提供安全疏散通道指示功能。消防孪生数据实时监测与控制模组具备火灾探测报警、火灾蔓延预测和逃生路径智能引导功能，由think.js三维可视化技术提供监测场景三维模型及实时图像，同时能够实时引导逃生，具备立体消防疏散路径生成和指示功能。逃生路径预测与引导逃生数字孪生控制模组辅助引导逃生，用于发生火情快速给出具体方位坐标，第一时间做出逃生路径预测，并引导逃生。

船舶消防环境监测监测数据三维可视化显示模组用于监测数据的实时与三维可视化，具体是在三维制图软件3dmax中绘制船舶模型，转化为fbx格式后导入thingjs中，同时在campusbuilder中绘制船舶内部三维模型。对下载模型做出适当删减，将模型导出obj格式并压缩打包待用。直接导入到thingjs物联网可视化开发平台，在船模内部绘制简易船舶房间、机舱等；将阿里云平台实时数据通过数据信息关联方式，在thingjs模型当中动态显示，从而实现数据可视化开发；在thingjs开发脚本中使用javescrpt语言编程实现第一视角巡视等功能。数据连接实现船舶三维模型与消防监测数据云平台模组获得的监测数据的对接。

具体步骤如下：

(1)打开thingjs物联网平台，下载campusbuilder搭建工具，在绘图工具中选择个人-添加，将之前保存的船舶obj压缩包导入campusbuilder中

(2)船舶主体外形已经搭建完成，接下来是对内部船舱结构建模，主要分成生活区、工作区及机舱区三层进行绘制，通过campusbuilder右端模型库选择拖拽即可快速构建出船舱模型。

(3)数据关联：将阿里云与thingjs进行数据对接，实现整个消防监测系统的设计。船舶主体外形及内部船舱结构搭建完成后，将模型保存并导出thingjs场景包。最后将阿里云物联网平台数据与thingjs场景模型相结合关联。具体是将数据导入数据库或个人服务器再与thingjs场景对接，这些方法过程相对复杂，需要一些网页开发知识。经过深入了解，阿里云平台曾于thingjs有过技术合作，在阿里云空间数据可视化项目中三维可视化用到的场景搭建工具即是campusbuilder，在阿里云端的campusbuilder中构建的场景模型可通过数据对接直接与阿里云物联网数据相关联，非常简便快捷。所以只需将之前搭建的船舶thingjs场景包导入阿里云端即可。在阿里云空间数据可视化项目中三维可视化项目中点击创建场景，填写名称等信息，需要注意的是目标产品选择应与阿里云物联网开发平台数据采集产品相对应，场景模型选择本地创建-上传绘制的船舶thingjs场景包即可场景创建完成之后，进入界面在模型中有设备关联选项，点击进入即可将场景模型与所选择的阿里云物联网平台数据相关联，实现实时数据与场景模型的数据对接。

用于船舶消防监控的数字孪生系统实现船舶消防环境监测数据实时可视化传输，通过云mqtt协议传输规则，树莓派收集实时数据通过wi-fi方式传输给云平台进行三维可视化展示并存储，从而完成船舶消防数据监测传感器硬件系统与云服务器的数据存储系统之间建立传输关系。具体实施是：物联网平台监测端展示三维船舶模型以及接收数据传输点传送过来数据并实时刷新，同时在后台脚本中可以编程实现第一视角游历、逃生路径规划等功能。通过mqtt协议传输方式，在树莓派端编写程序循环上传实时环境数据给阿里云物联网平台。具体是通过编程将树莓派收集实时数据通过wi-fi方式传输给阿里云平台进行展示并存储，从而完成本地硬件系统与云服务器的数据传输。

dht11温湿度传感器的采集程序通过并联冗余通路总线方式与树莓派数据采集与集中处理模块进行数据采集与发送。具体是dht11采集控制程序通过并联冗余通路提高传输数据的可靠性，第一通路根据dht11工作原理编程采集数据，首先导入gpio接口及time函数模块，定义数据传输接口并初始化，接着设置gpio接口为读取数据模式获取高低电平信号，获得高电平信号后开始读取模块获取数据并打印显示，之后根据映射公式定义解析温湿度数据，得到十进制温湿度数据，最后打印结果结束进程并释放gpio引脚。第二种通路采用adafruit库读取数据，adafruit库读取dht11传感器数据，调用io函数直接获得dht11温湿度采集数据。

用于船舶消防监控的数字孪生系统中ds18b20温度传感器采用单总线控制。采集数据的具体步骤是：

1)修改配置文件，程序为：sudovi/boot/config.txt

2)为树莓派添加单总线devicetree设备，即dtoverlay＝w1-gpio，管脚为25，即gpioin＝25。

3)采集到的温度数据存储在28-****开头的rom文件中，并进入28-****读取w1_slave文件就会返回当前温度值，输出的t值为一个五位数，将结果除以1000即可转换为十进制温度数据。

用于船舶消防监控的数字孪生系统中mq-2烟雾传感器采取的是双路信号同步输出，可同步输出模拟量及ttl电平，模拟量输出为5v以下电压，烟雾浓度越高电压值越大；ttl输出低电平为有效信号。因此设计烟雾传感器采集程序时需要配合使用pcf8591a/d转换器转换为数据量进行显示，这样能直观显示出空气中烟雾浓度变化情况。

pcf8591a/d转换器采用的是iic总线通信，因为树莓派官方镜像中默认是关闭的，所以我们首先要允许iic总线通信。具体方式是通过vnc界面菜单-首选项-raspberrypiconfiguration-interfaces，将其中spi和i2c选择enable即可。具体工作通过电路将非电信号转化为电信号，对比基准电压(pcf8591基准电压为5v)判断电信号的高低，得到一个0-255的比值。转化程序设计流程可以分为四个步骤：

(1)发送写设备地址，选择i2c总线上的pcf8591元器件；

(2)发送控制字节命令，选择模拟量输入模式及通道；

(3)发送读设备地址，选择i2c总线上的pcf8591元器件；

(4)读取目标通道中的数据信息。

烟雾探测器就是通过与pcf8951a/d转换器配合，将采集烟雾模拟量转化为数字量传输给树莓派屏幕打印。

用于船舶消防监控的数字孪生系统中是采用嵌入式火焰传感器，嵌入式火焰传感器通过vxworks与树莓派数据采集与集中处理模块实现数据实时传输与图像处理，辨识出火焰像素，识别火焰并报警。当监测到有火光时指示灯会亮，通过此来判断是否有火灾发生。火焰传感器内有设定阈值，当环境中红外光谱超过阈值时，数字量输出低电平信号，d2指示灯亮；未达到阈值输出高电平，d2不亮。配合使用蜂鸣器模块，使得有火灾发生时蜂鸣器发出报警声。

用于船舶消防监控的数字孪生系统中的各个设备的接口数量均可扩充，将树莓派gpio接口通过杜邦线与t型转接板相连再接入面包线，并通过映射表实现端口映射管理。由于树莓派gpio接口数量有限，无法一次性接入全部传感器，具体实施是根据消防监测系统硬件终端的总体接线需求，因此将树莓派gpio接口通过杜邦线与t型转接板相连再接入面包线。对于消防监测系统硬件终端的总体接线情况，由于树莓派gpio接口数量有限，无法一次性接入全部传感器，因此本申请将树莓派gpio接口通过杜邦线与t型转接板相连再接入面包线。系统硬件终端接线情况如下表：

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。