孙旋：我国消防科技发展现状及展望
[摘要]
科技是推动消防工作现代化的重要力量。本文从消防科研机构布局、消防科技成就与前沿热点、消防科技标准化等方面阐述我国消防科技发展现状，并提出我国消防科技当前存在的不足。在此基础上，对我国消防科技未来发展方向进行展望，提出定制消防、智慧消防和绿色消防的理念和发展思路。
[关键词]
消防科技；定制消防；智慧消防；绿色消防
0 引言
火的发现和应用推动了人类文明的进步，然而，失控的火——火灾，也是人类始终无可回避的重大威胁。在与火灾的长期斗争中，人们总结了很多经验、教训，创造了一系列设备、设施,形成了一整套体制、机制，合而总之，谓之消防。“消防”一词原为近代从日本引进，“消”指灭火，“防”指防火,分别从2个阶段对火灾进行人为干预和及时处置，以期尽量减少火灾发生、减轻火灾损失。总体而言，消防工作主要涵盖2个方面的举措：其一是依法治火。通过立法手段约束人们行为，出台相关技术标准、规范，指导人们在生产、生活中科学有效地防火、灭火，建立强大的消防救援力量和完善的应急服务网络，并通过加强宣传引导，提高全民的消防安全意识；其二是依技治火。利用先进的科技手段不断提高消防工作的自动化、标准化、智能化水平，科学研判，梢准施策，从源头降低火灾发生风险，增强防控主体的主动、被动防火性能，提高灭火救援能力和效率，减轻人员伤亡和财产损失。“法”和“技"并非孤立，而是一体两面、互为支撑。科学技术是第一生产力，消防水平的进步也必然离不开现代科技的支撑。本文聚焦于我国消防科技的发展现状及前沿热点，对所涉及的新材料、新技术、新工艺、新方法进行总结概述，有利于更清楚地掌握当前我国消防科技存在的优势和不足，进而对其未来发展方向做出展望和预测。
1 我国消防科技基本局面
新中国成立以来，特别是改革开放以来，我国的消防科技经历了从无到有、从引进模仿到自主创新、从填补国内空白到追赶国际先进水平的巨大跨越，基本改变了我国原有消防科技基础薄弱的状态，形成了人才队伍成熟、平台设施先进、科研成果丰硕的良好局面。在火灾预防、灭火救援、评估规划、产品检测、训练演习等各个领域，消防科技都发挥着重要作用，引领着这一传统行业实现历史性变革。
经过长期的发展和布局，我国目前已形成了以应急管理部直属的天津消防研究所、上海消防研究所、沈阳消防研究所、四川消防研究所，以及中国建筑科学研究院建筑防火研究所、中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室、中国人民警察大学消防工程系等重点科研机构为主体，相关教育单位和大中型消防产品企业为补充的消防科技综合研发力量。我国的消防科技工作也受到了国际社会的广泛关注，以笔者所在的中国建筑科学研究院建筑防火研究所为例，其成立于1985年，是由联合国开发计划署和中华人民共和国建设部联合投资组建的建筑行业最大的专门从事建筑防火研究的机构。历经多年发展壮大，各个消防科研机构逐渐形成了自己的技术专长和品牌特色，输出了大量科研成果和人才，极大地推动了我国消防科研工作的进步。
2 我国消防科技成就与前沿
新中国成立后，特别是上世纪90年代以来，我国在火灾动力学基础理论、防灭火技术、火灾模化技术及消防标准化等方面开展了大量研究工作，取得了一系列突破性进展，显著地提高了我国消防工作的整体科技水平。此外，针对经济社会发展中凸显的新问题，如高层建筑、地下建筑、大空间建筑与重大化学火灾事故防范与控制技术等，经过我国消防科技工作者多年的不懈努力，也取得了较为丰硕的成果。消防科技分支庞大、内容丰富，且往往跨专业、跨学科，本文限于篇幅，仅选取我国消防科技的若干重点成就和前沿热点进行概述。
(1)探测报警技术。该项技术目前已经成为及早发现火情、减轻火灾损失的最有效工具之一。一方面，基于不同探测原理和识别判据的火灾探测器不断被研发并投入商用，包括感烟、感温、火焰成像、燃烧产物等，全而覆盖了各种常见火灾类型及火灾发展的各个阶段；另一方面，随着基础元器件的升级和判别算法的优化，各种火灾探测技术也朝着高精度、低误报、广适应的方向纵深发展。以当前应用最为广泛的光电型感烟火灾探测器为例，其最新技术基于前后双向散射和双波段光源的Mie散射原理，配合自学习智能化算法，不仅可排除背景噪声干扰，也能够有效区分真实火灾烟雾颗粒和灰尘、液滴等干扰因素。如进一步复合感温、CO检测等功能，可在实现极早期报警的基础上，显着降低误报率。与此同时，分形编码图像快速提取技术、激光多普勒粒径测址技术、模糊逻辑和人工神经网络算法、小波变换信号分析等先进科技在火灾探测中的应用，也极大地促进了各类火灾探测器性能的改进。在报警系统组网方面，伴随着物联网时代的到来，我国尝试以LoRa、ZigBee等低功耗、高可靠性的无线通信方式部分替代有线联网方式，有效节约了安装施工成本，并在文物建筑等特定场合中具有优良的适用性。此外，基于地理信息系统和空间信息技术的广域火灾探测技术研究也在稳步推进中，预期将在森林、草原等火情的侦查、监测中发挥积极的作用。
(2)自动灭火技术。在传统的消火栓、灭火器等灭火设备设施的基础上，近年来各种自动化灭火技术，如自动喷水灭火(含细水雾)、自动泡沫灭火、自动气体灭火、自动干粉灭火等不断引入，并已在各自的适用场合获得了充分应用。在自动喷水灭火方面，我国学者运用激光全息和电子测重技术进行了细水雾水粒流场特性的实验研究，分析了具成雾原理、灭火机理、灭火效能及雾束耐电压性能，提出了细水雾灭火系统的典型保护对象及工程设计方法；在自动泡沫灭火方面，以压缩空气泡沫灭火系统(Compressed Air Foam System,CAES)为载体，主要研究泡沫的扩增机理及其在可燃液体表面的动态覆盖过程，进而研发具有物理一化学耦合作用的泡沫灭火剂配方，并综合评估、改进具环保性能，以实现对石油化工厂区的重点防护；在自动气体灭火方面，现有研究力量集中于对卤代烷烧替代灭火剂的研发，并从气源、阀门、管道、控制逻辑等方面综合提高系统可靠性，尽量避免发生人身伤害；在自动干粉灭火方面，目前以局部应用的超细干粉居多，而对粉剂成分和粒径的优化是当前研究的热点，以期在提高灭火效率的同时，降低干粉热分解速率和次生污染物产量。此外，在家用灭火领域，也相继研发了如投掷式灭火器、气溶胶灭火器等操作简单、效果优良的新型灭火器，充实了灭火器的家族序列。
(3)火灾模化技术。上世纪80年代中期以来，随着建筑体圮的扩大和复杂程度增加，高大空间建筑、异形建筑的层出不穷导致传统的“处方式”防火设计存在闲难，因此性能化消防设计作为一种先进的工程设计方法得到了迅速发展。通过对人员疏散特性、火灾蔓延规律、烟气流动特性等进行深入研究，依托于计算机仿真模拟技术，逐步建立了一系列实用的模型和方法。受“十二五”国家科技支撑计划资助，中国建筑科学研究院建筑防火研究所自主研发了基于社会力模型的人员疏散软件Evacuator，可准确计算并反映应急疏散过程中人与人、人与建筑、人与坏境之间的相互作用；后期开发的UC-W1N/ROAD插件则能将Evacuator仿真数据导入，通过坐标对齐与3Dmax制作的模型进行合并，可直观动态地反映火灾疏散过程，对疏散设计的评估及疏散预案的制定具有重要的指导意义。国内多家消防科研机构与英国奥雅纳工程顾问公司、美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)、美国罗尔夫杰森消防技术咨询公(Rolf Jensen & Associates ,RJA)及香港理工大学等单位深度合作，提出并发展了“场一区一网”模拟理论，建立了涵盖浮升力、炭黑生成与输运、湍流尺度涡旋及热辐射相耦介的综合理论模型，并对边界条件处理进行了优化。目前，火灾模化技术已在全国数百个大型建设工程项目中得以应用。
(4)区域风险评估。随着城市公共安全日益受到重视，我国相继开展了区域火灾风险评估、区域消防规划及其关键技术等方面的研究。区域火灾风险评估是分析区域消防安全状况、査找消防工作薄弱环节的有效手段，是公众和消防员的生命、财产的预期风险水平与消防安全设施以及应急救援量的种类和部署达到最佳平衡的基本前提。近年来，通过对北京、广州等一线城市的应用研究，中国建筑科学研究院建筑防火研究所在区域火灾风险评估技术体系中提出了基于抽样理论的火灾高危场所样本量计算方法、基于仿真技术嵌合离散定位模型的火灾风险分析法和基于变权重理论的区域消防安全评估指标体系，发展了区域地图粘准处理及分析技术、现场检查数据智能采集技术等。
(5)消防员装备与培训。各种消防装备是保证消防员人身安全、提高灭火作业效率的重要依托,主要包括基本防护装备和特种防护装备，品种门类包括头盔、防护靴、呼吸器、防护服、通讯器材等。我国科研机构和相关生产厂商投入大量精力，积极采用新材料、新工艺、新技术,助力消防员装备的提档升级。比如，采用芳香族聚酰胺纤维和PTFE防水透气功能膜生产的灭火防护服，具有良好的阻燃隔热和防水透气性能;采用新型阻燃耐酸碱橡胶和隔热材料的防护胶靴，可实现阻燃、防割、防滑、防砸、耐酸碱等复合功能。同时，在消防员实战能力培训方面,虚拟现实(Virtual Reality,VR)、增强现实(Augmented Reality,AR)等技术也开始得到应用，其对于消防员适应复杂火场环境、研究灭火战例、制定救援预案等具有积极的作用，远期也将推广至全民消防科普工作中，从而提高消防安全宣传中的体验感和参与度。
3 我国消防科技标准化工作
标准化是消防的基础性工作，也是“法”和“技”的高度统一,通过将产品、技术或管理中的普遍性要求以具有约束力乃至法律效力的条文形式固定下来，以规范消防市场,指导消防行业,促进全社会消防安全水平的提升。全国消防标准化技术委员会作为全国性的消防标准化工作机构，于1987年经国家质量技术监督局批准成立,囊括了全国消防行业的大部分顶尖专家。历经几十年发展，中国的消防标准化工作有了长足的进步，形成了较为全面的消防标准化体系，涵盖火灾报警系统、电气防火设备、固定灭火系统、阻燃材料、防火涂料、消防车、消防炮、消防管理等各个细分技术和产品领域。
同时，我国消防标准的制定也大量借鉴利采用国际标准，主动与国际标准化组织(International Standards Organization,ISO)、欧洲标准化委员会(Comite Europ^en de Normalisation,CEN)、美国消防协会(National Fire Protection Association,NFPA)等世界知名的标准规范制定组织开展合作对接如，有效提升了我国消防标准国际化水平，形成了我国消防标准化工作“引进来、走出去”的新局面。
4 我国消防科技当前存在的不足
经过几代消防科研工作者的不懈努力，我国在消防科技的各个方面都取得了长足的进步。然而，面对人民群众对消防安全的更高要求和层出不穷的消防新问题、新难点，我国当今消防科技的发展仍然存在着全局层面缺乏整合、高科技手段应用偏弱、环境友好度不高等问题，针对一些特殊且重要场所的消防安全策略尚不完善，智能化转型升级有待实现突破，因此需要更加深入践行“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念，实现行业整体的高质量发展。同时，我国消防科技标准化的系统性仍有所不足，存在着一定“头痛医头、脚痛医脚”的现象，不同规范条文之间有所重叠甚至出现矛盾。有鉴于此，本文将在后续论述中对我因未来消防科技发展提出若干展望。
5 我国消防科技展望
5.1定制消防
常规建筑的消防工作历经多年发展，现已形成一套较为成熟完整的防火设计、施工、验收、管理规范体系和监管流程。然而，针对一此形式特殊且十分重要的建筑或工程类型，如文物建筑、高铁、地铁、城市地下空间等，一方面现有的标准规范体系尚存在一定盲区；另一方面其自身又存在较多的消防难点，因此有必要开展针对性的深入研究，以对此类建筑实施“定制消防”策略。
（1）文物建筑。文物建筑是无法复刻的珍贵文化遗产。然而我国文物建筑大多为砖木结构，火灾荷载大，耐火等级低，且消防设施缺乏，灭火救援困难。我国现行消防标准规范在文物建筑中缺乏适用性，导致文物建筑消防工作还存在一定盲区。近年来我因正逐步完善文物建筑消防标准规范及相关制度文件，如国家文物局委托中国建筑科学研究院建筑防火研究所主编《文物建筑防火设计导则》，使得文物建筑消防保护更加有据可依。同时，结合文物建筑特点，考虑引进诸如无线火灾探测报警、消防设施监控云平台等先进技术手段，也必将有效提高文物建筑的消防安全水平。
（2）高速铁路。中国高铁已成为中国制造的一张闪亮名片，而消防安全是高铁运营的基石。针对其自身特点，铁路系统日前编制了一系列涵盖消防的标准规范，如《铁路工程设计防火规范》（TB10063-2016）、《城际铁路设计规范》（TB10623-2014）等，但其覆盖面仍然有限。诸如疏散距离超长、站房大空问烟气控制闲难、结构抗火性能不足等问题，尚无法得到有效解决。因此，有必要开展基于性能目标的特殊消防设计，进而总结共性规律。
（3）地铁。地铁是超大型城市现代化公共交通体系的核心。地铁空间封闭、结构复杂、人流量大，一旦发生火灾，造成的后果往往极为严重。现行《地铁设计规范》（GB50157-2013）、《地铁设计防火标准》（CB51298-2018）等尽管对当前地铁消防设计具有较强的指导性，但随着地铁工程型式、材料、功能的多样化和复杂化，亟需开展针对性的消防安全评估、特殊消防设计、消防设施检测等工作。
（4）地下空间。随着我国城市中心区地面空间资源的日趋紧张，对地下空间的开发利用需求迅速上升。同时，城市地下空问的功能也逐渐丰富，由最初的地下通道、停车场转型为市政、商业、娱乐等多业态聚合的形式，这也对消防安全提出了更大的挑战。然而，我国在地下空间消防安全方面的研究尚处于起步阶段，特别是对工程应用的指导存在明显不足。城市地下空间火灾风险、结构型式、功能设置均具有其独特性，在防火分隔、人员疏散、火灾探测、灭火救援等诸多方面需开展专题研究，以形成适用于城市地下空间的消防保护技术方案和标准规范体系。
5.2智慧消防
智慧将是未来社会的一个关键词。智慧消防技术近年来方兴未艾，从政府层面，到学会、协会、科研机构层面，再到产品供应商层面，都以此作为今后发展重点，并已取得一定突破。然而，我国目前的智慧消防普遍停留在数据的实时采集、监控阶段，存在平台规模偏小、产品兼容性较差、数据挖掘深度不足、智慧核心能力欠缺等问题。此外，目前智慧消防平台的研发往往由软件公司主导，其对消防业务需求的理解和传统消防技术的掌握不够深入，在应用场景创建和事故处置流程等方面的整合优化尚不充分，一定程度上制约了智慧消防技术的发展。
部分发达国家的智慧消防起步较早，有若干先进经验值得我们借鉴。如英国利用数据库对大数据的有效管理、分析，基于对风险指标参数的快速采集和判别最化，实现了城市火灾风险的动态评估，从而尽早发现、排查火灾隐患。美国NIST智慧消防研究项目，关注于前端智能消防设备的研发测试，并构建楼宇、社区、城市等多级智慧消防体系。从消防技术的发展趋势看，智慧消防是未来消防产业升级的必然方向。如何从战略的高度看待智慧消防建设，实现智慧消防的弯道超车和创新引领，是摆在我国消防科技发展面前的一个重大课题，需要消防工作者为此付出不懈的努力。
5.3绿色消防
绿色发展是新发展理念中的重要组成部分，绿色消防作为未来消防科技的发展方向也是应有之义。绿色消防是一项综合性的技术，其核心自理念是指在防火灭火的过程中，减少、降低各种材料、工艺、作业等对环境、生态、人等负而影响，规避二次污染的发生。
以灭火剂为例，在相当长一段时间内，哈龙都是一种主要的灭火剂。此类灭火剂在灭火的过程中，具有效果快、适用范围广等优点，但其会对大气层、特别是臭氧层产生一定的破坏作用因此，有必要积极研发新型灭火剂，兼顾灭火性能和环保性能。纵观国际市场，现有如HFCs族的FM-200(HFC-227ea，美国大湖化学公司开发）、FE-13(HFC-23，美国杜邦邦公司开发）以及PFCs族的CEA-308（美国3M公司开发）等，均具有毒性低、灭火效能高、灭火分解物少、几乎无残留物、对人体无害等优点。然而，此类灭火剂的国产化率很低，我国自主研发、生产力量十分薄弱，造成其价格居高不下，制约了其在我国的推广应用。再如，绿色消防还体现在阻燃材料的改良和优化等方面。在建筑中使用此类低污染、阻燃效果好的阻燃材料，既能够降低火灾发生的频率，也能在火灾时减少有毒物质的生成，保障人员的生命安全。
以上仅选取灭火剂和阻燃材料的绿色升级作为例证，说明绿色消防是我国消防科研发展的重要方向之一。更应指出的是，绿色消防不仅是一项具体的技术，也是一种思维理念，须始终贯穿在消防工作的全过程。
6 结论
历经几代科研工作者的赓续努力，我国的消防科研工作取得了有目共睹的进步，极大地改变了传统消防的形象面貌。本文首先对我国当前消防科研机构布局、消防科技成就与前沿热点、消防科技标准化现状进行综述，然后从3个方面对我国今后消防科技工作的发展方向进行展望。针对以文物建筑、高铁、地铁、城市地下空间为典型代表的特殊场所，提出定制消防的概念，并提出相应的发展思路；针对当前我国智慧消防存在的不足，借鉴国外先进经验，指明其未来的发展方向；针对消防中存在的二次污染问题，践行绿色发展理念，提出绿色消防的解决方案。希望本文的一些建议能为我国消防科技的发展提供一个较为系统、实用的参考或思路。
转自公众号@安全编辑部
