基于5G技術的森林防火監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)在機理與應用分析

王楊

(黑龍江省自然資源權益調(diào)查監(jiān)測院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著云存儲、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，在過去的十幾年間，移動通信技術實現(xiàn)了較快增長，4G技術不斷成熟，在高清視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與存儲等方面為森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的運行管理提供了重要保障。5G時代下，高清、智能依然是森林監(jiān)控發(fā)展的主旋律，并將廣泛應用在生態(tài)建設與保護相關行業(yè)，促進林業(yè)防火綜合監(jiān)控系統(tǒng)不斷升級。

1 5G技術及其特征

第1代移動通信技術解決了電話通信問題，第2代移動通信技術解決了短信發(fā)送問題，第3代移動通信技術解決了移動端上網(wǎng)和音頻傳輸問題，第4代移動通信技術解決了視頻傳輸問題，5G則會突破時空限制，帶來超高速的網(wǎng)絡傳輸和極致的現(xiàn)場體驗感。與4G相比，5G主要特征包括：(1)更高速率。5G峰值速率理論值可達20 G·s-1，靜值速率可達10 g·s-1，即不到1 s就可以傳輸10G的監(jiān)控視頻，極大滿足高清監(jiān)控視頻、AR/VR視頻傳輸?shù)男枰?2)更低延時。5G的空中接口延時水平理論值約1 ms，是4G的1/10，可以滿足對森林資源的自動監(jiān)控、智能遠程監(jiān)控、智能噴淋系統(tǒng)、智能遙感技術以及其他多用戶、多點、多天線的系統(tǒng)協(xié)同。(3)更廣覆蓋。5G的網(wǎng)絡容量較大，具備連接千億設備的承載能力，可將信號覆蓋到邊遠林區(qū)和更廣泛的區(qū)域，流量密度和連接數(shù)密度大幅提升。屆時，森林資源管理中心體驗速率可達到100 Mbit·s-1。此外，5G技術還具有效率高、容量大、安全可靠性和靈活性較強的特點，滿足各類森林資源安全防控需求。

2 5G技術在森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的應用場景

2.1 5G技術在森林防火視頻監(jiān)控中的應用

傳統(tǒng)森林防火監(jiān)控多采用“防火視頻+人工監(jiān)控”方式，由防護人員24 h值守于森林監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控效率和監(jiān)控質(zhì)量不高。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢所趨?；?G技術且兼容有線、無線網(wǎng)絡的智能化大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以做到智能監(jiān)測、智能預警、智能傳輸、智能指揮，監(jiān)控人員能夠直接對所監(jiān)控的林區(qū)進行實時監(jiān)控，聽到報警后第一時間發(fā)現(xiàn)火情，并在監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下組織開展救援，防止火情蔓延?；?G速率高的特點，在森林防火監(jiān)控過程中將會促進畫面內(nèi)容傳輸?shù)牡脱舆t甚至無感遲延傳輸。通過實時傳輸協(xié)議(RTP)及其兩個子協(xié)議RTP和RTCP，實現(xiàn)端對端傳送服務，使重大森林火情時時畫面延遲控制在1 s以內(nèi)，監(jiān)控中心人員將獲得火情的極速傳輸，為撲救森林火災贏得寶貴時間。同時，基于5G帶寬容量大的特征，在森林防火監(jiān)控過程中將會傳輸超高清火情畫面，這些畫面還可被作為制作4K高清、VR、AR畫面的原始素材，以便于林業(yè)科研人員的研究使用。

2.2 5G技術在輸電線路防山火預警系統(tǒng)中的應用

森林需要防范山火，輸電線路引起的森林火災也需要防范。由于火源、可燃物、火險天氣等風險影響，跨越森林的輸電管線有許多火災方面的不可測和不可控因素。尤其是我國南方地區(qū)空氣濕度較大，雷電天氣造成輸電線路起火事故頻發(fā)，導致高壓交流線路故障停運事故。如涼州山火(雷擊火)事件，不僅損失了大量的林木資源，還造成30位消防員失去生命，損失慘重。目前森林山火主要采用人工定期巡檢，但由于林地情況復雜，巡查面積較大，單純通過人員巡查不能滿足及時、快速、安全防范的要求。也有運用氣象雷達、衛(wèi)星紅外遙感等技術方式監(jiān)控森林火災，但上述方式只適用于規(guī)模較大的山火，不適用于輸電線路上小規(guī)模雜草火和灌木火，而這些小規(guī)模山火也能夠引發(fā)輸電線路跳閘，存在安全隱患。因此，通過輸電線路防山火預警監(jiān)控中心系統(tǒng)與5G相結(jié)合，將會是森林火災監(jiān)控的一項重要變革。

3 基于5G技術的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)在機理

3.1 5G技術下森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

在當前主流3G、4G技術下，對于林業(yè)防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術應用主要體現(xiàn)在：(1)鋪設線纜。(2)采用微波或者3G、4G進行傳輸，使用無線網(wǎng)橋或者 3G、4G 視頻服務器，傳輸信號的兩端及其傳輸管線利用無線網(wǎng)橋搭建無線鏈路，將設置在山林各個檢測點前端的圖像捕捉設備拍攝到的火情畫面及控制數(shù)據(jù)，通過無線微波鏈路設備，向森林防火預警監(jiān)控中心進行傳輸，熱源探測系統(tǒng)指揮中心接到信號后，采取必要的處理措施處置火情。

以上兩種傳輸模式，線纜架設費用較大，視頻大小以720 P為主，而3G、4G 網(wǎng)絡不能實現(xiàn)更高的(1 080 P)視頻傳輸?shù)囊?。?G網(wǎng)絡應用于森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)更高速率、更寬頻譜資源的需求。森林防火需要較高的速度要求，當前前端攝像頭拍攝到的視頻傳輸至中心控制系統(tǒng)的時間如果有1 ms以上的延遲，都會造成防火響應的延誤。相對于3G、4G 網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡毫秒級的時延要求提高了近兩個數(shù)量級，對森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全面升級和火情安全防控效率的提升有重要意義。

3.2 5G技術在輸電線路防山火預警系統(tǒng)中的工作原理

森林中的萬物每時每刻都在持續(xù)不斷向周圍釋放熱輻射與電磁波，其輻射的紅外能量與林木表面的溫度呈正相關關系。利用紅外熱成像技術，對數(shù)公里之內(nèi)的森林火源進行全自動探測，對可見光煙火進行二次識別確認。發(fā)生火情時，熱成像探測器組件可探測并識別出現(xiàn)場溫度高于日常環(huán)境溫度，采集并輸出的信號值升高，發(fā)出預警信號并將其反饋至監(jiān)控中心。其工作原理如圖 2 所示。

輸電線路防山火預警系統(tǒng)目前主要采用3G、4G 網(wǎng)絡覆蓋。不同于3G、4G 網(wǎng)絡，5G采用大規(guī)模多天線技術、動態(tài)TDD、SDD、NFV等技術構(gòu)成了5G核心網(wǎng)絡架構(gòu)，可以改善網(wǎng)絡覆蓋，使輸電線路與監(jiān)控中心之間的網(wǎng)絡部署更靈活。將其應用在防森林山火預警中，將解決網(wǎng)絡覆蓋率、采集視頻的時時傳輸和火情視頻資料的海量存儲，還可以探索利用5G+VR、5G+4K高清技術，實現(xiàn)火勢畫面的多元化展示，以更加有利于火情發(fā)生前的預警決策，火情發(fā)生時的指揮救援和火情發(fā)生后的科學研究。

4 結(jié)語

5G技術對森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的設計和布局帶來了難得的發(fā)展機遇。林業(yè)規(guī)劃與管理部門要積極布局5G領域，不斷引進新技術和新應用，主動推動森林防火監(jiān)控系統(tǒng)與5G系統(tǒng)進行技術集成，加強5G安防立體化布局?？梢灶A見，5G將為林業(yè)安防工作的現(xiàn)代化和信息化注入更多活力。