新型森林火情預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

楊燕麗 范 超 李 穎 張 威 張 烈 韓仁江

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

0 引言

火災(zāi)是破壞森林最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害。森林中出現(xiàn)火災(zāi)不僅會(huì)破壞植被，還會(huì)對(duì)其他生物造成危害，降低森林的再生能力。一般而言，森林火災(zāi)范圍廣，撲救難度大。因此，將火勢(shì)止于萌芽初期顯得尤為重要。隨著科技水平日益發(fā)展，利用信息技術(shù)預(yù)防森林火災(zāi)具有重要意義。

1 森林火災(zāi)現(xiàn)狀

目前，森林火災(zāi)已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)危害較大的自然災(zāi)害之一。我國(guó)因?yàn)榈匦螐?fù)雜，森林分布較廣，森林火災(zāi)也頻繁發(fā)生。近年來，人為活動(dòng)導(dǎo)致火災(zāi)的事情時(shí)常發(fā)生，人為因素森林起火約占95%。而全世界每年平均火災(zāi)將近20萬余次，燃燒的森林面積占總數(shù)的百分之一以上，而中國(guó)森林火災(zāi)面積約占5%以上。因此，如何防范森林火災(zāi)是全球面臨的主要問題之一。

2 國(guó)內(nèi)外森林火災(zāi)預(yù)警的主要方式

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)迅速發(fā)展，全世界范圍內(nèi)對(duì)森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)有了越來越多的預(yù)警系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外許多研究者就森林火災(zāi)預(yù)警問題，提出了途徑及方法，旨在獲得行之有效的可行性價(jià)值。

2.1 國(guó)外森林防火技術(shù)

國(guó)外森林防火技術(shù)種類繁多，其中林火預(yù)警包含火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)、林火發(fā)生預(yù)報(bào)以及林火行為預(yù)報(bào)三種。德國(guó)采用FIRE-WATCH自動(dòng)預(yù)警森林火災(zāi)系統(tǒng)。美國(guó)主要采用紅外遙感火災(zāi)預(yù)警飛機(jī)巡邏以及護(hù)林飛機(jī)對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警。利用衛(wèi)星可在距離地面八百千米的位置，圍繞地球探測(cè)森林范圍地面的溫度以及煙霧進(jìn)行檢測(cè)。無人駕駛的林火預(yù)警飛機(jī)能夠做到24小時(shí)適時(shí)監(jiān)測(cè)，雖然在森林火災(zāi)預(yù)警方面防范效果較好，但資金耗費(fèi)也相對(duì)較多。利用衛(wèi)星可通過發(fā)射電磁射線對(duì)森林地區(qū)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到某一地區(qū)的溫度上升超過150℃時(shí)，紅外線波長(zhǎng)就會(huì)達(dá)到3.7微米，預(yù)示著該地區(qū)火災(zāi)險(xiǎn)情。

2.2 國(guó)內(nèi)森林防火技術(shù)

2.2.1 地面巡護(hù)

地面巡護(hù)，主要任務(wù)是宣傳群眾，控制人為火源，深入瞭望臺(tái)觀測(cè)的死角進(jìn)行巡邏。對(duì)來往人員及車輛，野外生產(chǎn)和生活用火進(jìn)行檢查和監(jiān)督。存在的不足是巡護(hù)面積小、視野狹窄、確定著火位置時(shí)，常因地形地勢(shì)崎嶇、森林茂密而出現(xiàn)較大誤差；在交通不便、人煙稀少的偏遠(yuǎn)山區(qū)，無法進(jìn)行地面巡護(hù)，需用各種交通工具費(fèi)用及人員工資費(fèi)用，只能用視頻監(jiān)測(cè)方法來彌補(bǔ)。

2.2.2 瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)

瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)是指通過一個(gè)方向來監(jiān)測(cè)林火的發(fā)生情況，從而確定火災(zāi)發(fā)生的大致位置及火勢(shì)范圍，探測(cè)范圍較廣，且準(zhǔn)確性較高。倘若遇到偏遠(yuǎn)的森林地區(qū)就不能夠設(shè)置瞭望臺(tái)，由于該監(jiān)測(cè)設(shè)備觀察受到地勢(shì)限制，覆蓋面就小，容易出現(xiàn)空白、觀察不到的現(xiàn)象，甚至當(dāng)火場(chǎng)出現(xiàn)大面積燃燒時(shí)仍無法觀察。另外，瞭望臺(tái)需要依靠瞭望員的經(jīng)驗(yàn)以及專業(yè)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且準(zhǔn)確性較低。由于瞭望員觀測(cè)時(shí)所處位置較高，常常會(huì)面臨雷電擊、野生動(dòng)物攻擊的威脅。

2.2.3 航空巡護(hù)

通過飛機(jī)對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。飛機(jī)探測(cè)范圍較大且機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、速度較快，對(duì)火場(chǎng)范圍能夠做到實(shí)時(shí)觀察，并能及時(shí)采取相應(yīng)的撲救措施。但是當(dāng)遇到夜間、能見度較低的天氣時(shí)，由于時(shí)間范圍及航線的限制，觀察范圍就會(huì)明顯縮小。倘若由于天氣的原因錯(cuò)過觀察的最佳時(shí)機(jī)，又恰好火災(zāi)出現(xiàn)就會(huì)釀成大禍。另外飛機(jī)飛行成本較高，需要設(shè)置定點(diǎn)的視頻來監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)飛機(jī)受天氣影響的不足。

3 多層級(jí)多樣化的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)原理

森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)主要是通過溫度以及無線網(wǎng)絡(luò)模塊運(yùn)用到檢測(cè)系統(tǒng)中。利用信號(hào)傳遞，以數(shù)據(jù)的形式接收溫度以及無線網(wǎng)絡(luò)傳送到基站節(jié)點(diǎn)的每個(gè)子網(wǎng)上面。而每個(gè)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上由多個(gè)傳感器構(gòu)成，通過網(wǎng)絡(luò)連接的形式，實(shí)現(xiàn)通信的目的。首先，系統(tǒng)初始化時(shí)，GPS節(jié)點(diǎn)首先初始化自身位置信息，再加入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而形成一個(gè)完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)采集到火情預(yù)警數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)經(jīng)過多跳錄像基站節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。某一節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出火警預(yù)警信號(hào)時(shí)，這個(gè)過程大大節(jié)約了成本，提高了效率，使得預(yù)警設(shè)施為零的森林上鋪設(shè)傳感器監(jiān)測(cè)成為可能，還可以將發(fā)現(xiàn)火情的具體位置以及溫度通過多條路傳到相應(yīng)的基站節(jié)點(diǎn)。隨后基站節(jié)點(diǎn)再通過基站網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送火情消息，演成控制中心在接受到信息之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以確定火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)，從而為森林防火員提供重要的技術(shù)支持，在無需人多干涉的情況下，既能夠節(jié)約成本，又能夠提高火情發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性及監(jiān)控能力，為實(shí)現(xiàn)林業(yè)跨越式發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供有力保障。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的森林防火報(bào)警系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、傳輸以及監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)建設(shè)具有以下功能：

(1)連續(xù)不間斷：一整天不間歇，能夠?qū)崟r(shí)反映檢測(cè)區(qū)域情況，有問題可及時(shí)反饋。

(2)語音偵測(cè)系統(tǒng)：有異樣便會(huì)通過指示燈進(jìn)行警示，監(jiān)察員通過燈色(紅、黃、藍(lán)、綠)掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域火情狀況，并能通過系統(tǒng)語音播報(bào)掌握前方狀況。

(3)GIS管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)是GPS與地圖的結(jié)合，監(jiān)測(cè)員能夠通過GIS管理系統(tǒng)掌握起火地點(diǎn)位置以及火勢(shì)，并根據(jù)系統(tǒng)狀況組織人員及時(shí)擴(kuò)散，綜合信息做出相應(yīng)的決策。

(4)林火定位功能：該功能原理是，接借助前端采集數(shù)字的云臺(tái)對(duì)每個(gè)指定位置的監(jiān)控點(diǎn)的信息進(jìn)行編碼，并將具體位置信息坐標(biāo)直接綁到相應(yīng)的電子地圖，這樣指定位置就會(huì)向云臺(tái)傳送信息，通過數(shù)字坐標(biāo)模型，進(jìn)行定位及人工定位。

(5)太陽能供電：該供電設(shè)計(jì)，充分響應(yīng)了國(guó)家綠色、協(xié)調(diào)的理念，太陽能供電既節(jié)約環(huán)保，且在系統(tǒng)組建時(shí)期能夠大量節(jié)約人力、物力、財(cái)力的成本；值得一提的是組裝簡(jiǎn)單、小巧，且使用期限長(zhǎng)，由于是無電纜式，所以不用考慮距離問題。

(6)視頻采集圖像：該視頻界面簡(jiǎn)單易懂，美觀清晰且易被人操控。當(dāng)防火員登錄到某個(gè)系統(tǒng)權(quán)限時(shí)，就會(huì)自動(dòng)分配到相應(yīng)的模塊，而將菜單去除多余的版面。例如，當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)時(shí)，就會(huì)在視頻上演示火災(zāi)著火的動(dòng)畫，通過動(dòng)態(tài)的形式把著火的消息傳遞給終端，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播報(bào)的目的。這種特點(diǎn)能夠在科學(xué)上直觀的通過云平臺(tái)將圖像傳遞給防火員，并且能夠時(shí)時(shí)反復(fù)播放。

(7)資源管理：該系統(tǒng)能夠整合資源，將撲火車數(shù)量、人員以及物資等多個(gè)方面數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

(8)防雷接地系統(tǒng)：該裝置具備防電防雷功能，即便遇到雷雨天氣也可以起到接地保護(hù)作用，使得裝置正常使用。

(9)提供協(xié)助信息：該軟件能夠通過以往火情發(fā)生情況，根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r、保護(hù)對(duì)象以及現(xiàn)有資源為決策者提供輔助信息。

(10)達(dá)到緊急指揮服務(wù)：通過數(shù)據(jù)分析判斷當(dāng)?shù)鼗鹎椋⒏鶕?jù)定位調(diào)撥附近區(qū)域的人員、車間，從而做好實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(11)評(píng)估火災(zāi)：在火災(zāi)發(fā)生后，進(jìn)行火情備案處理，并對(duì)火災(zāi)造成的損失進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估內(nèi)容包含：①通過視頻或圖片查看要保護(hù)的對(duì)象，根據(jù)視頻或圖片估算火災(zāi)造成的各項(xiàng)損失；②火情識(shí)別報(bào)警：監(jiān)測(cè)區(qū)域一旦出現(xiàn)火點(diǎn)，就會(huì)通過系統(tǒng)識(shí)別判斷，從而提醒觀看視頻的監(jiān)測(cè)員及時(shí)掌握火點(diǎn)情況以采取相應(yīng)措施。

(12)三維電子沙盤功能：包含三維林火標(biāo)繪、地圖瀏覽、檢索、圖例控制、三維標(biāo)注控制、三維飛行模擬、維地圖輸出、圖層控制、三維林火定位、三維最佳路徑、三維地圖上矢量信息疊加以及同步顯示等。

(13)其他特點(diǎn)：能夠防震動(dòng)、抗壓且防塵，不會(huì)受到天氣的影響，專門為露天、偏遠(yuǎn)地區(qū)及高寒地段設(shè)計(jì)。

3.3 系統(tǒng)任務(wù)

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

該項(xiàng)目主要是通過GPRS鏈路為無人機(jī)站與服務(wù)器之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸速率較高，但無人機(jī)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)，就會(huì)通過GPRS系統(tǒng)發(fā)到無人機(jī)站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，隨后將火情信息發(fā)送到相關(guān)服務(wù)器并能在管理人員的手機(jī)上面形成畫面。此時(shí)管理人員就能夠適時(shí)了解到附近發(fā)生的著火點(diǎn)，而后臺(tái)的管理人員就能夠通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)準(zhǔn)確掌握整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行，從而達(dá)到遠(yuǎn)程發(fā)出控制指令的目的。

3.3.2 無人機(jī)自動(dòng)巡航技術(shù)

該項(xiàng)目在借鑒已有森林火災(zāi)預(yù)警的基礎(chǔ)之上，采用攜帶火焰?zhèn)鞲衅饕约凹t外傳感器對(duì)所覆蓋的森林區(qū)域定時(shí)巡航，通過反復(fù)不斷地實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無人巡航技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自主起飛、降落、規(guī)避障礙，從而實(shí)現(xiàn)全智能化。

3.3.3 煙霧及火焰信號(hào)檢測(cè)

煙霧信號(hào)監(jiān)測(cè)是指當(dāng)森林某一區(qū)域出現(xiàn)煙霧時(shí)，對(duì)煙霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，氣敏傳感器與CCD圖像處理系統(tǒng)相互協(xié)同，能夠準(zhǔn)確判斷煙霧在無人機(jī)站安裝煙霧信號(hào)傳感器能夠通過云平臺(tái)進(jìn)行觀察。而火焰信號(hào)是指將紫外光譜信號(hào)以及紅外熱信號(hào)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)反復(fù)檢測(cè)。該方案的靈敏度較高且抗干擾能力強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別火源達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

通過了解森林的火災(zāi)現(xiàn)狀，掌握國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的火災(zāi)防控技術(shù)，突破原有的森林火災(zāi)檢測(cè)、撲救技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上為其設(shè)計(jì)合理的火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)彌補(bǔ)傳統(tǒng)系統(tǒng)不足。驗(yàn)證了溫度傳感器與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合運(yùn)用到森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)具有可行性。系統(tǒng)將視頻軟件、語音系統(tǒng)、錄像識(shí)別系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)功能相結(jié)合的方式通過無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳遞的形式，形成數(shù)據(jù)報(bào)表發(fā)送到防火員所轄的系統(tǒng)平臺(tái)上，以提高實(shí)用性，從而對(duì)森林實(shí)現(xiàn)防護(hù)作用。