5G在森林防火中的應(yīng)用

占夏蓮

(海南中京南方信息工程有限公司,海南?？?570125)

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的過程中,移動通信技術(shù)發(fā)展速度迅猛,5G技術(shù)不斷成熟,在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸以及視頻監(jiān)控等方面發(fā)揮著重要的作用,成為森林防火工作順利開展的重要技術(shù)支撐。在構(gòu)建森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的過程中,利用5G技術(shù)來落實(shí)高效的防火管理工作,能夠顯著提高森林防火能力和效果。

1 5G技術(shù)概述

5G技術(shù)最顯著的優(yōu)勢是將人、物彼此間的通信變得更加高效化,將萬物互聯(lián)變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí),促進(jìn)了社會進(jìn)步。同4G相比,5G明顯要快,用戶體驗(yàn)速率達(dá)到10Gbps,支持用戶對3D電影觀看[1]。智慧家庭與物聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮5G技術(shù)的優(yōu)勢,不僅能夠連接各種設(shè)施進(jìn)行連接,使續(xù)航能力明顯提升,低功耗運(yùn)行,同時還具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量,使物聯(lián)網(wǎng)的高效通訊變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí),此外還增強(qiáng)了連接數(shù)以及流量的密度,能夠支持系統(tǒng)協(xié)同化運(yùn)行,使監(jiān)控及管理工作的智能化程度有效改善,所形成的協(xié)同組網(wǎng)具有多攝取、多天線、多點(diǎn)和多用戶的特征,支持靈活化的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

5G技術(shù)擺脫了時空因素的制約,網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快,顯著提升了用戶的體驗(yàn)。5G技術(shù)特點(diǎn)如下:首先,速率較高。理論角度看,5G通信技術(shù)的峰值速率為20G/s,靜值速率為10G/s,表示在一秒之內(nèi)能夠?qū)?0G監(jiān)控視頻進(jìn)行傳輸,所以非常適用于AR視頻、VR視頻和高清監(jiān)控視頻等的傳輸;其次,緩解了延時問題。5G技術(shù)下,理論程度上的空中接口延時在一毫秒左右,明顯比4G要小很多,所以可以自動化的監(jiān)控森林資源,還具備智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能;然后,覆蓋范圍更廣。5G技術(shù)具有非常大的網(wǎng)絡(luò)容量,能夠承載千億設(shè)備,極大的擴(kuò)展了覆蓋范圍及面積,能夠監(jiān)控更大面積的森林區(qū)域,擁有100Mbit/s的森林資源管理中心速率[2]。綜上所述,5G技術(shù)達(dá)到了森林防火管理的需要,具有良好的靈活性、安全性,且擁有較大容量和較高效率。

2 5G技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

2.1 森林防火視頻監(jiān)控中5G技術(shù)的應(yīng)用

以往在開展森林防火監(jiān)控工作過程中,采用人工監(jiān)控聯(lián)合防火視頻,需要工作人員時刻關(guān)注森林監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控效果不理想。集網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和現(xiàn)代化等特點(diǎn)于一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。而在提出和運(yùn)用5G技術(shù)之后,整合5G技術(shù)優(yōu)勢,打造出智能化大型視頻監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的有效整合,使森林防火指揮、視頻傳輸、預(yù)警及監(jiān)測等工作更加自動化,可以實(shí)時有效監(jiān)控森林資源,在預(yù)警和發(fā)現(xiàn)問題的情況下盡快做出處理,聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)的功能,將森林火災(zāi)影響降低到最小。森林防火監(jiān)控工作中,利用5G技術(shù)傳輸速率快的特征,能夠有效解決畫面?zhèn)鬏斞舆t問題。在5G技術(shù)下,依托RTCP協(xié)議、實(shí)時傳輸協(xié)議,森林防火視頻監(jiān)控可以對服務(wù)進(jìn)行端對端的有效傳輸,確保在出現(xiàn)森林火災(zāi)時監(jiān)控畫面延遲小于一秒,從而為森林火災(zāi)搶救和管理節(jié)約時間,快速傳出監(jiān)控信息[3]。由于5G技術(shù)具有較大的容量,所以可以在監(jiān)控時對清晰、及時的畫面進(jìn)行傳送,在AR畫面、4K高清畫面等的制作中發(fā)揮著重要作用,為森林管理工作者開展研究工作奠定了基礎(chǔ)。

2.2 輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)中5G技術(shù)的應(yīng)用

森林火災(zāi)危害較大,而其中輸電線路火災(zāi)是一個重要的原因,所以必須要強(qiáng)加防范和管控。受天氣、可燃物以及火源等風(fēng)險因素影響,輸電管線在跨森林的情況下會增大防火管控難度,出現(xiàn)雷電天氣時很容易出現(xiàn)輸電線路起火狀況,從而引發(fā)嚴(yán)重的森林火災(zāi),干擾高壓交流線路的正常運(yùn)行。由于森林地區(qū)地況相對復(fù)雜,而森林防火工作又需定期檢查,將5G技術(shù)融入到輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)中可以顯著改善森林火災(zāi)防控工作的整體水平和質(zhì)量。

3 5G技術(shù)下森林防火監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行原理

3.1 森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行原理

3G和4G技術(shù)下構(gòu)建森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過3G、4G以及微波傳輸,構(gòu)建無線鏈路傳輸圖像數(shù)據(jù)信息,利用無線微波鏈路設(shè)施,將所采集的信息傳輸至森林防火預(yù)警監(jiān)控中心,所傳輸?shù)男盘柨梢员粺嵩刺綔y系統(tǒng)指揮中心所接收,便于對森林火情進(jìn)行處理[4]。但是上述傳輸模式具有一定的弊端,會耗費(fèi)資金,無法有效傳輸720P視頻。在森林防火監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi),融入5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以顯著提升圖像信息資源傳輸速率,且頻譜更加寬廣。森林防火對處理速度有著較高的要求,5G技術(shù)能夠確保圖像實(shí)時傳輸至中心控制系統(tǒng)中,延遲時間控制在一毫秒之內(nèi),有效升級了森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng),明顯改善了森林火災(zāi)安全防控管理工作質(zhì)量,如圖1所示。

圖1 5G技術(shù)下的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行原理Fig.1 Operation principle of forest fire prevention video monitoring system under 5G technology

3.2 輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行原理

森林中生物會對電磁波、熱輻射進(jìn)行釋放,且森林植物表面溫度、符合紅外能量二者具有正相關(guān)的聯(lián)系。借助紅外線成像技術(shù)可以對較遠(yuǎn)距離的森林火災(zāi)進(jìn)行智能化和自動化的探測,還能夠二次準(zhǔn)確的識別、確定森林可見光煙火,精準(zhǔn)明確森林火災(zāi)發(fā)生位置。在發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)后,熱成像探測器組件可以充分發(fā)揮自身作用,精確的識別現(xiàn)場溫度狀況,發(fā)現(xiàn)同平時環(huán)境溫度的差異,從而對信號值的升高狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的采集、傳輸,在這個過程中還會對預(yù)警信號進(jìn)行發(fā)送,確保監(jiān)控中心收到相關(guān)信息[5]。5G技術(shù)下的輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行原理詳見圖2:

圖2 5G技術(shù)下的輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行原理Fig.2 Operation principle of the forest fire prevention early warning system for transmission lines under 5G technology

在輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)中,憑借5G技術(shù)的多天線特點(diǎn),聯(lián)合NFV、SDD以及動態(tài)TDD等多種技術(shù)的作用,構(gòu)建的5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建,這樣就能夠有效擴(kuò)大預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,更加靈活化的布局監(jiān)控中心、輸電線路。5G技術(shù)下的輸電線路防森林山火預(yù)警系統(tǒng)能夠存儲大量的視頻資料和畫面信息,支持實(shí)時的傳輸所采集的火災(zāi)信息,還可以多元化的呈現(xiàn)森林火災(zāi)的畫面,便于提前做好應(yīng)預(yù)警決策工作,改善了森林火災(zāi)管理指揮救援決策制定的科學(xué)性。

4 5G在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用的展望

4.1 5G通信技術(shù)在森林消防展望

隨著5G技術(shù)廣泛應(yīng)用于森林防火領(lǐng)域中,不僅需要將有關(guān)森林火災(zāi)管控和救援資料提供給應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)、國務(wù)管理部門,從而加強(qiáng)對森林防火工作的重視,獲得充足的資金支持,制定出完善的森林防火區(qū)域5G公網(wǎng)基站規(guī)劃路線及實(shí)施方案,為更好的開展森林防火管理工作提供充足的保障。同時,面對不斷提升的森林防火現(xiàn)場應(yīng)急通信數(shù)據(jù)需要,要求森林防火管理工作者要全面整合多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),例如：短波通信、集群對講、衛(wèi)星、公網(wǎng)以及寬帶自組網(wǎng)等,基于整體角度有效的調(diào)度和運(yùn)用多源數(shù)據(jù),包括：短信、音視頻等,這樣就能夠確保防火網(wǎng)絡(luò)的適用性得到提升,而且能夠結(jié)合森林實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)整,形成立體化的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使森林防火管理工作效率得到增強(qiáng)。

在森林消防方面,5G通信技術(shù)還可以借助無人機(jī)、直升機(jī)開展高效化的通訊、滅火工作,其中無人機(jī)能夠?qū)?G通信開展有效的火災(zāi)勘察活動,評估森林火災(zāi)的災(zāi)情嚴(yán)重情況,擴(kuò)大救援工作范圍,充分發(fā)揮指揮調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的功能,提高森林火災(zāi)救援能力[6]。此外,也能夠基于5G通信技術(shù),利用森林應(yīng)急救援航空航天資源,對不同的接警處信息進(jìn)行搜集,使系統(tǒng)的多項(xiàng)功能能夠集合起來,形成功能完善的實(shí)戰(zhàn)智慧平臺,實(shí)現(xiàn)語音及圖像的有效互通,使森林防火工作的智能化程度變得更高。

4.2 對滅火救援現(xiàn)場實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸

在森林消防通信領(lǐng)域中,借助紅外線射頻技術(shù)以及無人機(jī)技術(shù),發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的作用,依托5G通信技術(shù)開展高效率傳輸工作,可以實(shí)時有效監(jiān)測森林現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)。5G技術(shù)的運(yùn)用,能夠傳輸詳細(xì)、真實(shí)的數(shù)據(jù)信息,對森林火災(zāi)位置的有毒氣體含量進(jìn)行測量,并監(jiān)控好森林火災(zāi)的發(fā)展態(tài)勢,對救援工作者的具體位置進(jìn)行呈現(xiàn),全方位的掌握森林火災(zāi)現(xiàn)場信息,便于準(zhǔn)確的分析火災(zāi)狀況,從而制定出合理的救援方案。5G技術(shù)通過獲取圖像信息,向指揮中心快速傳輸森林火災(zāi)現(xiàn)場溫度信息,并在較短的時間內(nèi)匯總處理相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,例如：濃度以及煙霧種類等,這樣便于了解實(shí)際狀況,科學(xué)的智慧調(diào)度森林火災(zāi)救援工作。相信在5G技術(shù)不斷發(fā)展和成熟過程中,其在森林防火和救援現(xiàn)場中發(fā)揮的作用會越來越重要,能夠支持指揮調(diào)度這結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)對全息投影進(jìn)行繪制,達(dá)到準(zhǔn)確化和直觀的對森林火災(zāi)進(jìn)行呈現(xiàn)的效果,方便滅火工作的開展。

5 結(jié)語

綜上所述,5G技術(shù)極大的促進(jìn)了森林防火通信管理工作的發(fā)展,依靠5G技術(shù)科學(xué)的布局、設(shè)計森林防火監(jiān)控系統(tǒng),可以使通信信號得到顯著提升,改善圖像的傳輸質(zhì)量,同時還使通信通道的穩(wěn)定程度得到增強(qiáng),便于更加高效的進(jìn)行調(diào)度管理、智慧以及監(jiān)控,有效降低了森林災(zāi)害,實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)同森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的有效整合,進(jìn)而推動森林防火工作的信息化及現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。