Ứng dụng hệ thống giám sát cháy điện thông minh dựa trên khung EC-IoT trong các tòa nhà nhà ở cao tầng

Ứng dụng hệ thống giám sát cháy điện thông minh dựa trên khung EC-IoT trong các tòa nhà nhà ở cao tầng

Application of an intelligent electrical fire monitoring system based on the EC-IOT framework in high-rise residential buildings

SHARE COMMENTS

1 – GIỚI THIỆU

Trong bối cảnh hiện đại hóa nhanh chóng và sự phổ biến ngày càng sâu rộng của nhà thông minh, mối quan hệ cân bằng truyền thống giữa tiêu chuẩn thiết kế điện, hệ thống đường dây cung cấp điện và các cơ chế giám sát phòng cháy đã bị phá vỡ, làm gia tăng đáng kể các rủi ro về an toàn điện trong nhà ở, đe dọa trực tiếp đến tính mạng và tài sản của con người. Thực tế thống kê tại Trung Quốc cho thấy cháy do sự cố điện chiếm tỷ lệ cao nhất trong tổng số các vụ cháy nhà ở, đặc biệt nghiêm trọng tại các công trình nhà ở cao tầng, nơi có mật độ dân cư lớn, nguyên nhân gây cháy phức tạp, tốc độ lan truyền nhanh và công tác thoát nạn – cứu hộ gặp nhiều khó khăn.

Nguyên nhân chủ yếu của cháy điện thường xuất phát từ hiện tượng ngắn mạch, tiếp xúc kém giữa dây dẫn mang điện và vật tiếp địa, tạo ra tia lửa điện và hồ quang. Đây là những tín hiệu khó phát hiện bằng các mô hình điện truyền thống. Đồng thời, việc gia tăng các thiết bị điện công suất lớn và thiết bị thông minh hoạt động liên tục trong các hộ gia đình hiện đại khiến nguy cơ quá tải, phát nhiệt kéo dài và lão hóa đường dây trở nên nghiêm trọng hơn, đặc biệt đối với các khu chung cư cao tầng cũ vốn có hạ tầng điện không đáp ứng được tiêu chuẩn tải hiện nay.

Mặc dù các tiêu chuẩn thiết kế điện dân dụng mới đã được cập nhật nhằm nâng cao mức độ an toàn, song phần lớn các tòa nhà cao tầng hiện hữu vẫn tồn tại nhiều hạn chế về năng lực tải và tình trạng xuống cấp của hệ thống điện. Trên cơ sở đó, nghiên cứu này đề xuất một giải pháp giám sát cháy điện mới dựa trên khung Internet vạn vật điện toán biên (EC-IoT), kết hợp kiến trúc “đám mây – biên – thiết bị đầu cuối” với công nghệ mô phỏng số công trình, nhằm hiện thực hóa giám sát thời gian thực, cảnh báo sớm trước thảm họa và hỗ trợ ra quyết định thông minh sau thảm họa trong các tòa nhà nhà ở cao tầng.

2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG

Hệ thống giám sát cháy điện thông minh được đề xuất trong nghiên cứu này được xây dựng như một nền tảng tích hợp đa công nghệ, trong đó công nghệ Internet vạn vật (IoT), điện toán biên (Edge Computing) và mô phỏng số công trình (Digital Building Simulation/BIM) được kết hợp chặt chẽ trong một kiến trúc thống nhất. Trọng tâm của hệ thống là khung EC-IoT với mô hình cộng tác “đám mây – biên – thiết bị đầu cuối”, cho phép xử lý dữ liệu phân tán, ra quyết định cục bộ có độ trễ thấp và đồng bộ hóa thông tin ở quy mô toàn công trình.

Ở lớp cảm nhận hiện trường, hệ thống triển khai đồng bộ nhiều loại cảm biến và thiết bị điện thông minh nhằm thu thập các tham số điện cốt lõi có liên quan trực tiếp đến nguy cơ cháy điện. Các tham số này bao gồm dòng điện, điện áp, nhiệt độ đường dây, dòng rò, tín hiệu khói, nguồn lửa và hồ quang điện. Đặc biệt, hệ thống sử dụng aptomat thông minh tích hợp nhiều mô-đun cảm biến, vừa đảm nhiệm chức năng bảo vệ điện truyền thống vừa đóng vai trò là thiết bị thu thập dữ liệu thời gian thực, cho phép phản ánh liên tục trạng thái vận hành của từng hộ gia đình trong tòa nhà.

Lớp điện toán biên được thiết kế theo nguyên tắc phân bố tinh, trong đó mỗi tầng hoặc mỗi miền phân phối điện được gán cho một nút biên độc lập. Cách tiếp cận này giúp rút ngắn đáng kể khoảng cách logic giữa nguồn dữ liệu và nơi xử lý, từ đó giảm độ trễ truyền thông và tránh phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối đám mây. Các nút biên không chỉ thực hiện chức năng tổng hợp dữ liệu mà còn đảm nhiệm vai trò phân tích cục bộ, đánh giá ngưỡng cảnh báo và ra quyết định tức thời trong các tình huống nguy cấp, chẳng hạn như tự động ngắt điện khi phát hiện nguy cơ cháy ở mức cao.

Lớp truyền thông đóng vai trò kết nối linh hoạt giữa các thành phần của hệ thống, cho phép sử dụng đồng thời nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau nhằm thích ứng với điều kiện hạ tầng của cả công trình mới và công trình cũ. Trong khi các tòa nhà mới có thể tận dụng hệ thống cáp quang hoặc Ethernet, các khu chung cư cũ được hỗ trợ thông qua các công nghệ không dây và truyền dẫn trên đường dây điện như 4G/5G, NB-IoT và PLC, giúp giảm thiểu chi phí cải tạo và can thiệp kết cấu.

Ở lớp nền tảng và ứng dụng, hệ thống được triển khai trên kiến trúc microservices, cho phép mở rộng linh hoạt và tích hợp nhiều chức năng nghiệp vụ khác nhau, từ quản lý thiết bị, phân tích tiêu thụ điện, phân cấp cảnh báo đến định vị sự cố cháy và trực quan hóa dữ liệu. Việc tích hợp mô hình thông tin công trình (BIM) tạo ra một không gian số ba chiều phản ánh chính xác cấu trúc, mặt bằng và lối thoát hiểm của tòa nhà, đóng vai trò nền tảng cho các chức năng hỗ trợ thoát nạn và cứu hộ sau thảm họa.

3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được triển khai theo phương pháp tiếp cận liên ngành, kết hợp giữa thiết kế hệ thống kỹ thuật, mô hình hóa toán học và thử nghiệm thực nghiệm trong môi trường thực tế. Trước hết, nhóm tác giả xây dựng mô hình tính toán độ trễ phản hồi của hệ thống tại lớp điện toán biên dựa trên giao thức truyền thông Modbus RTU. Mô hình này xem xét toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian phản ứng của cảnh báo chủ động, bao gồm số lượng thiết bị đầu cuối, số lượng tham số cần thu thập, tốc độ truyền dữ liệu, thời gian phản hồi của thiết bị và chu kỳ quét của nút biên.

Thông qua mô hình toán học, nhóm nghiên cứu xác định được khoảng giá trị lý thuyết của thời gian phản hồi cảnh báo trong từng miền tính toán biên, từ đó làm cơ sở để tối ưu hóa cấu trúc mạng và phạm vi dịch vụ của các nút biên. Việc này cho phép cân bằng giữa yêu cầu độ trễ thấp của cảnh báo sớm và khả năng chịu tải của hạ tầng truyền thông và thiết bị xử lý.

Trên cơ sở mô hình lý thuyết, hệ thống được triển khai thí điểm tại nhiều khu nhà ở cao tầng cũ ở thành phố Trùng Khánh, nơi có đặc điểm hạ tầng điện phức tạp và nguy cơ cháy điện cao. Trong giai đoạn thí điểm, hàng chục nghìn cảm biến và thiết bị giám sát được lắp đặt, kết nối với hơn một nghìn cổng điện toán biên. Dữ liệu điện được thu thập theo chu kỳ ngắn ở lớp thiết bị, lưu trữ cục bộ trong cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian tại nút biên và định kỳ gửi lên nền tảng đám mây để phục vụ phân tích lịch sử và hỗ trợ ra quyết định ở cấp quản lý.

Nghiên cứu tiến hành các thử nghiệm có kiểm soát đối với các tham số điện chính như dòng điện, điện áp, nhiệt độ và dòng rò trong nhiều kịch bản khác nhau, đồng thời so sánh thời gian phản hồi thực tế của hệ thống với khoảng giá trị lý thuyết do mô hình dự báo. Bên cạnh đó, các kịch bản cháy và thoát nạn được mô phỏng trên nền mô hình BIM nhằm đánh giá khả năng liên kết dữ liệu giám sát với định hướng thoát hiểm và hỗ trợ cứu hộ trong điều kiện thực tế.

4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống giám sát cháy điện thông minh dựa trên khung EC-IoT có khả năng nâng cao rõ rệt năng lực cảnh báo sớm và phản ứng nhanh trước các nguy cơ cháy điện trong nhà ở cao tầng. Các thử nghiệm thực nghiệm cho thấy thời gian phản hồi của cảnh báo chủ động đối với các tham số điện đều nằm trong khoảng giá trị lý thuyết do mô hình độ trễ biên xác định, chứng minh tính đúng đắn của phương pháp mô hình hóa và thiết kế kiến trúc hệ thống.

Đặc biệt, khi chu kỳ quét của nút biên được tối ưu ở mức thấp, hệ thống có thể phát hiện và phản ứng với các dấu hiệu bất thường trong thời gian ngắn hơn nhiều so với các hệ thống giám sát cháy điện truyền thống, đáp ứng yêu cầu cảnh báo sớm dưới 5 giây trong nhiều kịch bản thử nghiệm. Việc trao quyền ra quyết định cục bộ cho các nút biên giúp hệ thống có thể thực hiện các hành động khẩn cấp như ngắt điện ngay tại hiện trường, đồng thời báo cáo sự kiện lên nền tảng đám mây, từ đó giảm thiểu rủi ro do độ trễ truyền thông nhiều tầng.

Trong giai đoạn sau thảm họa, sự tích hợp giữa dữ liệu giám sát cháy điện và mô hình BIM cho phép xác định chính xác vị trí cháy, đánh giá hướng lan truyền của khói và lửa, cũng như đề xuất các lộ trình thoát nạn và phương án cứu hộ phù hợp với từng tình huống cụ thể. Các kịch bản mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng hỗ trợ hiệu quả việc điều phối sơ tán cư dân, ưu tiên các nhóm đối tượng theo vị trí và điều kiện thực tế, đồng thời cung cấp thông tin trực quan và kịp thời cho lực lượng cứu hỏa.

Nhìn chung, kết quả vận hành thí điểm chứng minh rằng hệ thống không chỉ cải thiện hiệu quả phòng ngừa cháy điện mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản thông qua hỗ trợ ra quyết định thông minh trong cả giai đoạn trước và sau thảm họa.

5 – KẾT LUẬN

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống giám sát cháy điện thông minh dựa trên khung EC-IoT trong bối cảnh nhà ở cao tầng, đặc biệt là đối với các công trình hiện hữu có hạ tầng điện cũ và năng lực tải hạn chế. Việc áp dụng kiến trúc cộng tác đám mây – biên – đầu cuối cùng với mô hình phân bố nút biên tinh đã giúp hệ thống đạt được năng lực cảnh báo sớm có độ trễ thấp, đồng thời duy trì tính linh hoạt và khả năng mở rộng trong triển khai thực tế.

Đóng góp quan trọng của nghiên cứu nằm ở việc xây dựng mô hình tính toán độ trễ phản hồi tại lớp biên dựa trên giao thức Modbus, cho phép tối ưu hóa mối quan hệ giữa số lượng thiết bị, phạm vi dịch vụ và hiệu năng phản ứng của hệ thống. Bên cạnh đó, sự tích hợp sâu giữa công nghệ giám sát cháy điện, Internet vạn vật và mô phỏng số công trình đã hình thành một chuỗi giải pháp toàn diện, bao phủ từ cảnh báo sớm trước thảm họa đến hỗ trợ thoát nạn và cứu hộ sau thảm họa.

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống có giá trị ứng dụng thực tiễn cao và tiềm năng mở rộng lớn trong các đô thị có mật độ nhà ở cao tầng ngày càng gia tăng. Trong tương lai, việc kết hợp thêm dữ liệu đa nguồn như môi trường, hành vi người dùng và lịch sử vận hành, cùng với các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo, đồ thị tri thức và mô hình ngôn ngữ lớn, được kỳ vọng sẽ tiếp tục nâng cao khả năng suy luận, dự báo và hỗ trợ ra quyết định của hệ thống, góp phần nâng cao mức độ thông minh và hiệu quả của công tác phòng chống cháy điện trong đô thị hiện đại.