基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的中小型林場(chǎng)智慧化防火系統(tǒng)建設(shè)策略

花志芳，沈江林*

（1.涼山州喜德縣東西河國(guó)有林場(chǎng) 四川，涼山 616750；2.四川天藝致遠(yuǎn)物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司 四川，成都 610000）

1 緒論

林場(chǎng)火災(zāi)對(duì)國(guó)家及人民存在巨大的危害性，火災(zāi)一旦發(fā)生將會(huì)造成無可估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失以及對(duì)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重的破壞，更為嚴(yán)重時(shí)將會(huì)危及到人的生命。2019 年3月30 日18 時(shí)許四川省涼山州木里縣雅礱江鎮(zhèn)立爾村發(fā)生“3.30”木里縣森林火災(zāi)，死亡人數(shù)包括27 名森林消防隊(duì)員和3名地方干部群眾。第二年相同時(shí)間，四川省涼山州西昌市瀘山發(fā)生森林火災(zāi)，大火造成19人不幸遇難，包括18名涼山州寧南縣打火隊(duì)隊(duì)員，1名當(dāng)?shù)叵驅(qū)В^火面積超過1000 公頃，造成經(jīng)濟(jì)損失不計(jì)其數(shù)。悲劇發(fā)生暴露出我國(guó)對(duì)于林場(chǎng)防火的對(duì)策缺乏有效手段的問題，其實(shí)長(zhǎng)久以來，我國(guó)的研究者從未停止過對(duì)于林場(chǎng)防火的對(duì)策研究，例如王霓虹提出的基于WEB 與3S 技術(shù)的森林防火智能決策支持系統(tǒng)、溫小榮等提出的GIS與林業(yè)防火的結(jié)合以及魯紹偉等提出的根據(jù)林分因子分析及燃燒性分量等級(jí)制定森林健康經(jīng)營(yíng)實(shí)施方案等，但是這些研究成果應(yīng)用于大型林場(chǎng)或森林，相對(duì)較為高屋建瓴，針對(duì)中小型林場(chǎng)情況較難實(shí)現(xiàn)，而經(jīng)過50多年的建設(shè)，全國(guó)國(guó)有林場(chǎng)總數(shù)已達(dá)到4507 個(gè)，中小型林場(chǎng)占其中絕大多數(shù)，如何針對(duì)這些中小型林場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)有效的防火系統(tǒng)建立是當(dāng)下亟待解決的問題。2013 年8 月，國(guó)家林業(yè)局印發(fā)了《中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》，明確指出，智慧林業(yè)是指充分利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，通過感知化、物聯(lián)化、智能化等手段，形成林業(yè)立體感知、管理協(xié)同高效、生態(tài)價(jià)值凸顯、服務(wù)內(nèi)外一體的林業(yè)發(fā)展新模式。而目前，我國(guó)在十四五”規(guī)劃中明確要求要按照資源環(huán)境承載能力合理確定城市規(guī)模和空間結(jié)構(gòu)，統(tǒng)籌安排城市建設(shè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生態(tài)涵養(yǎng)等，同時(shí)要推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，將物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)施、通信系統(tǒng)等納入公共基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，推進(jìn)市政公用設(shè)施、建筑等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智能化改造，因此如何結(jié)合新型信息技術(shù)融入特殊的林場(chǎng)公共資源成為了亟待解決的問題。

2 中小型林場(chǎng)森林火災(zāi)預(yù)防現(xiàn)狀及存在問題

2.1 預(yù)防現(xiàn)狀

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)火災(zāi)分為人為和自然災(zāi)害兩種起火原因，而中小型林場(chǎng)又由于多數(shù)接近居民生活區(qū)，常有人類在其中進(jìn)行活動(dòng)，因此主要由人為因素引發(fā)火災(zāi)，近年來，由于頻繁發(fā)生森林火災(zāi)，國(guó)家加大了對(duì)森林防火的制度建設(shè)，目前中小型林場(chǎng)中設(shè)置了相對(duì)比較完善的瞭望臺(tái)，瞭望臺(tái)必須配備專門的職工進(jìn)行不間斷輪班看護(hù)，尤其是在防火期，基本上做到了24小時(shí)值班，在目前林場(chǎng)火情的預(yù)報(bào)和預(yù)警中能夠起到比較重要的作用。在林場(chǎng)突發(fā)火災(zāi)時(shí)，為了能有足夠的防火機(jī)具進(jìn)行滅火工作，國(guó)家要求林場(chǎng)至少配備風(fēng)力滅火器、滅火彈、鐵鍬以及水桶和防火服等基本工具；同時(shí)為了確保中小型林場(chǎng)中的實(shí)時(shí)通信，國(guó)家規(guī)定林場(chǎng)必須配備固定電話、無線電話以及對(duì)講機(jī)等通訊設(shè)備，基本能夠保證整個(gè)林場(chǎng)在防火救火時(shí)的通訊需求。國(guó)家還要求當(dāng)?shù)卣块T加強(qiáng)與中小型林場(chǎng)之間的溝通與聯(lián)系，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，當(dāng)?shù)卣块T能夠快速協(xié)調(diào)、調(diào)動(dòng)周圍的鄉(xiāng)村、駐軍、機(jī)關(guān)單位以及社會(huì)力量進(jìn)入林場(chǎng)，及時(shí)進(jìn)行救火。每年的早春、秋冬季節(jié)是火災(zāi)高發(fā)期，中小型林場(chǎng)救火隊(duì)伍除了林場(chǎng)正常的值班外會(huì)分成幾個(gè)小組輪流進(jìn)行巡邏。

2.2 存在問題

2.2.1 防火設(shè)施裝備落后 護(hù)林防火其中的一個(gè)關(guān)鍵因素在于防火救火裝備，要建立起精良的防火隊(duì)伍，就必須要有相應(yīng)的資金、物資投入。近年來國(guó)家對(duì)林場(chǎng)保護(hù)意識(shí)逐漸加強(qiáng)，出臺(tái)了多項(xiàng)保護(hù)、扶持林場(chǎng)政策，但由于落實(shí)到中小型林場(chǎng)需要一定的時(shí)間，因此目前中小型林場(chǎng)面臨入不敷出的困境，普遍有以下幾種情況發(fā)生：

第一，中小型林區(qū)由于資金短缺，林區(qū)內(nèi)消防通道建設(shè)落后，在發(fā)生火情后護(hù)林員不能及時(shí)趕到火災(zāi)所在地，極易發(fā)生錯(cuò)過最佳救火時(shí)間的情況。

第二，護(hù)林員配備通訊設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)陋，一般中小型林場(chǎng)通訊信號(hào)不佳，護(hù)林員通訊設(shè)備直接決定了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的交流溝通效率，如果未能及時(shí)進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，護(hù)林員往往不能形成有效的救火力量，甚至可能會(huì)使個(gè)別人員出現(xiàn)危險(xiǎn)情況難以進(jìn)行有效救援。

2.2.2 人員活動(dòng)量大 由于中小型林場(chǎng)多數(shù)靠近居民活動(dòng)區(qū)，在實(shí)際防火工作中，由于宣傳力度不到位，以及護(hù)林防火人手匱乏問題，且群眾對(duì)林場(chǎng)防火缺乏必要的防火意識(shí)，因此林場(chǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)人群活動(dòng)的生活痕跡，而廣大群眾把護(hù)林防火歸為政府責(zé)任，比較缺乏自覺的防火意識(shí)，常常出現(xiàn)在林場(chǎng)中生火、亂扔火源等現(xiàn)象，繼而引發(fā)林場(chǎng)火災(zāi)，由此引發(fā)的森林火災(zāi)預(yù)見難度大，火災(zāi)的突發(fā)性、蔓延性極強(qiáng)，且此類引發(fā)火災(zāi)將會(huì)帶來更大的群眾安全隱患。

2.2.3 預(yù)警機(jī)制差 火災(zāi)的撲救預(yù)警技術(shù)是防火工作中的關(guān)鍵性因素。首先，需要建立森林火災(zāi)阻隔設(shè)施和森林火災(zāi)應(yīng)急撲救隊(duì)伍，做好物資儲(chǔ)備以及相關(guān)撲救裝備、設(shè)施的完善工作，建立完善的林業(yè)管理機(jī)制，以及與省市縣各級(jí)別監(jiān)管部門的防火網(wǎng)絡(luò)體系。其次，加強(qiáng)森林消防隊(duì)伍的建設(shè)，提高執(zhí)行任務(wù)撲救隊(duì)伍的專業(yè)性，加強(qiáng)對(duì)各個(gè)撲救單位的合理配置，在科學(xué)建設(shè)撲救隊(duì)伍的基礎(chǔ)上，確保其專業(yè)能力能夠滿足實(shí)際的工作要求。

中小型林場(chǎng)由于森林火災(zāi)應(yīng)急撲救隊(duì)伍人員數(shù)量少，相關(guān)撲救裝備、設(shè)施不完善，以及未建立科學(xué)的森林火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，在林場(chǎng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)無法及時(shí)進(jìn)行預(yù)警處理，因此需要建立一個(gè)適合中小型林場(chǎng)的科學(xué)、完善的火災(zāi)防火預(yù)警機(jī)制。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的中小型林場(chǎng)智慧化防火系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型林場(chǎng)森林火災(zāi)的管理、預(yù)防、預(yù)測(cè)和有效控制等目標(biāo)要求，收集林場(chǎng)氣象、地理數(shù)據(jù)等，布置物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，根據(jù)林場(chǎng)防火特性進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，通過采集的數(shù)據(jù)集成到建立的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，得出火災(zāi)對(duì)應(yīng)的閾值和權(quán)值，通過實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)反饋及時(shí)對(duì)護(hù)林管理人員進(jìn)行預(yù)警信息的傳遞，具體實(shí)施路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的開發(fā)路線

3.1 建立數(shù)據(jù)網(wǎng)點(diǎn)庫(kù)

數(shù)據(jù)網(wǎng)點(diǎn)庫(kù)是綜合了存儲(chǔ)、查詢、管理、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)集合，是實(shí)現(xiàn)中小型林場(chǎng)火災(zāi)智慧化防火系統(tǒng)所有功能的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)網(wǎng)點(diǎn)庫(kù)的建立需要將林場(chǎng)現(xiàn)有可用的信息，例如林場(chǎng)地理地形數(shù)據(jù)與林場(chǎng)布置的物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，方能發(fā)揮他的潛在價(jià)值。

中小型林場(chǎng)由于相對(duì)使用面積較大，所需的物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)布置方式盡量使用無線傳感器網(wǎng)（WSN），該網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程、無線地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集和處理節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，通過無線通信的方式將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到特定的網(wǎng)絡(luò)位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)林場(chǎng)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)測(cè)，并根據(jù)此類基礎(chǔ)信息進(jìn)行相應(yīng)的分析決策。為了獲取更為精確大量的數(shù)據(jù)，在林場(chǎng)通過需要部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，中小型林場(chǎng)可根據(jù)自身需要進(jìn)行合理的組網(wǎng)布置。

3.2 開發(fā)電腦端WEB可視化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

中小型林場(chǎng)智慧化防火物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)，主要依托GIS地理模型、物聯(lián)網(wǎng)、無線通訊網(wǎng)絡(luò)、虛擬引擎的發(fā)展基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)全方位的可視化中小型智慧林場(chǎng)基礎(chǔ)監(jiān)控平臺(tái)，是中小型林場(chǎng)實(shí)現(xiàn)智慧化管理的根本，包含了服務(wù)器設(shè)施層的建設(shè)、中小型林場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層建設(shè)及信息感知采集終端層建設(shè)三個(gè)部分。

服務(wù)器可采用MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行服務(wù)器部署，適應(yīng)廣泛應(yīng)用場(chǎng)景，并且由于中小型林場(chǎng)智慧化防火物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)需要保持高度的一致性，因此MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)是筆者認(rèn)為最佳的選擇；林場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層建設(shè)主要是構(gòu)建覆蓋林場(chǎng)各科室的內(nèi)網(wǎng)（局域網(wǎng)）及外網(wǎng)（廣域網(wǎng)）建設(shè)；林場(chǎng)無線GPS網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)林場(chǎng)林區(qū)范圍內(nèi)無線信號(hào)全覆蓋；信息感知采集終端層建設(shè)主要通過在林場(chǎng)進(jìn)行散布式安置各種傳感設(shè)備（土壤傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器、煙感傳感器等）、監(jiān)控設(shè)備（攝像頭、追蹤器等）、移動(dòng)設(shè)備（GNSS、平板電腦、手機(jī)等），同時(shí)在火災(zāi)隱患點(diǎn)、易發(fā)點(diǎn)區(qū)域追加安裝更為密集的布控設(shè)施。

根據(jù)護(hù)林管理人員的需求，電腦端WEB物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需具備信息查詢、可視化預(yù)警信息顯示、林站設(shè)備調(diào)用和設(shè)置環(huán)境預(yù)警閾值等功能，信息查詢包含查詢時(shí)間、參數(shù)選擇、查詢結(jié)果顯示等基礎(chǔ)功能；可視化預(yù)警信息顯示及設(shè)置環(huán)境預(yù)警閾值是由傳感器采集到的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)達(dá)到閾值時(shí)就可根據(jù)林場(chǎng)GIS地理模型顯示三維預(yù)警位置，并同時(shí)向護(hù)林管理人員手機(jī)端發(fā)送警報(bào)信息，以便管理人員及時(shí)采取相應(yīng)措施；林站設(shè)備調(diào)用則是將林場(chǎng)防火設(shè)備信息錄入，可根據(jù)系統(tǒng)顯示設(shè)備調(diào)用等信息（如圖2所示）。

圖2 中小型林場(chǎng)智慧化防火物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)分析

通過搭建的物聯(lián)網(wǎng)可視化系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中小型林場(chǎng)土壤溫濕度、空氣溫濕度、降雨量、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類調(diào)取，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)中小型林場(chǎng)動(dòng)態(tài)的智能分析，自動(dòng)識(shí)別出火情預(yù)警的危險(xiǎn)性大小及發(fā)生位置，報(bào)警并提示相關(guān)工作人員，給予對(duì)于撲火救火的精準(zhǔn)決策分析；同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)收集二氧化硫、PM2.5、負(fù)氧離子等林場(chǎng)環(huán)境指數(shù)，分析計(jì)算并生成可量化的火災(zāi)預(yù)警分析報(bào)告。

4 小結(jié)

中小型林場(chǎng)智慧化防火物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以采用“地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)+林業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)+林業(yè)防火資源庫(kù)”的構(gòu)架體系，通過建立中小型林場(chǎng)可視化物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、模擬分析、數(shù)據(jù)預(yù)警、視頻監(jiān)控、應(yīng)急指揮、快速?zèng)Q策等，同時(shí)能夠多方位多角度下進(jìn)行森林火災(zāi)預(yù)防管控，從而為森林火險(xiǎn)的預(yù)測(cè)、火情的定位、火災(zāi)的撲救、撲火的指揮以及災(zāi)后的評(píng)估提供良好的技術(shù)支撐和決策依據(jù)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的中小型林場(chǎng)防火模式，同時(shí)也促進(jìn)了林場(chǎng)信息化的進(jìn)程，使得中小型林場(chǎng)智慧化監(jiān)管成為可能。