物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)在廣西高峰森林公園的應(yīng)用評價

何 蕓

(廣西國有高峰林場，廣西 南寧 530001)

本研究以廣西高峰森林公園為例，探討物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)在園區(qū)的應(yīng)用評價，為城市森林公園森林火災(zāi)預警監(jiān)測能力建設(shè)提供有益參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)的需求分析

廣西高峰森林公園是廣西國有高峰林場的重點建設(shè)項目，是環(huán)綠城南寧森林旅游圈的重要支撐項目，被確定為國家AAAA級旅游景區(qū)、第五批全國林草科普基地。公園位于廣西南寧市興寧區(qū)和高新區(qū)，核心區(qū)面積1 200 hm2，地處南寧盆地西北緣，平均海拔200～220 m，坡度20 °左右，屬丘陵和淺切割的低山、商丘地形。土壤主要為赤紅壤，質(zhì)地為中壤，土壤厚度102～110 cm，成土母巖為砂巖，立地支數(shù)為16。園內(nèi)森林資源豐富，擁有松樹、杉木、紅椎、降香黃檀等各類樹種數(shù)百種，森林覆蓋率達91.2%，每立方厘米負氧離子含量超6 000 個，是集運動健身休閑、森林康養(yǎng)度假、科普文化體驗為一體的全國最大城市森林公園。公園園區(qū)在林場界牌分場和東升分場的林地上規(guī)劃設(shè)計，累計投資10.34 億元按“一心兩軸六區(qū)”規(guī)劃進行建設(shè)，建設(shè)有精靈河谷、星月湖、天空之城等26 個重要景點。高峰森林公園自開放以來，高峰時段入園人數(shù)超25 000 人。

目前，高峰森林公園在森林火災(zāi)防控面臨的主要問題是：一是園區(qū)內(nèi)存在多個森林火災(zāi)Ⅰ級高?；痣U區(qū)域，登峰棧道、星空營地、油茶工坊等區(qū)域由于植被豐富密集、人流高度匯集、地處山谷網(wǎng)絡(luò)信號難以覆蓋等原因被列為森林火災(zāi)重點防控區(qū)域，園區(qū)總體森林火災(zāi)防控難度較大。二是按照可燃物和燃燒部分從低到高可以將森林火災(zāi)分為地下火、地表火和樹冠火[1]。有研究指出，對世界各國的森林火災(zāi)進行統(tǒng)計，地表火最多，比重約占90%以上，其次是樹冠火，最少是地下火[2-3]。樹冠火通常是由地表火蔓延造成的[4]，地表火是引發(fā)樹冠火的必然條件[5]。高峰森林公園對森林火災(zāi)預警監(jiān)測主要方式是人工巡邏巡護和高空瞭望。樹冠火的發(fā)現(xiàn)主要依靠高空瞭望，地表火和林下火的發(fā)現(xiàn)主要依靠人工巡邏。園區(qū)地表火和林下火的預警監(jiān)測缺乏相對高效的信息化手段，難以對園區(qū)的重點片區(qū)森林火災(zāi)形成全時段、全覆蓋、不間斷的高效監(jiān)測，存在森林火災(zāi)“發(fā)現(xiàn)難、組網(wǎng)難”和森林火災(zāi)發(fā)現(xiàn)、信息傳遞、調(diào)度滯后等問題。

引入全天候、高覆蓋、高精度的森林火災(zāi)監(jiān)測預警系統(tǒng)已經(jīng)成為高峰森林公園森林防火工作的迫切需要。為提升森林火災(zāi)預警監(jiān)測能力，高峰林場使用中央財政林業(yè)科技推廣示范項目資金，運用重慶市林業(yè)科學研究院研發(fā)的林火監(jiān)測預警雙紅外火災(zāi)探測器科技成果（成果庫號：17090031），根據(jù)高峰森林公園實際工作需要，在高峰森林公園建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)。

系統(tǒng)建成后，能實現(xiàn)對高峰森林公園重點區(qū)域的地表火和林下火智能預警監(jiān)測、有效組網(wǎng)和調(diào)度指揮。能夠整合高峰森林公園的各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括森林防火數(shù)據(jù)、旅游數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及個人行為等多個數(shù)據(jù)，在充分利用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)基礎(chǔ)上，逐步形成信息化火災(zāi)防控及森林資源保護能力，從而為森林公園的森林防火指揮和森林資源保護等提供有理有據(jù)的決策支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)的主要架構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容是：在重點區(qū)域點位安裝162個地表火情探測器、10 個智能語音播報卡口，并建設(shè)與之配套的1 套云計算指揮調(diào)度平臺和1 個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等裝備。物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、設(shè)施層和物聯(lián)層共5 個層面構(gòu)成(見圖1)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)的主要架構(gòu)Fig.1 The main architecture of the Internet of Things forest fire infrared monitoring and warning system

一是應(yīng)用層包括森林防火監(jiān)測“一張圖系統(tǒng)”、地表火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)、森林防火信息管理系統(tǒng)、智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)、森林防火指揮調(diào)度系統(tǒng)、網(wǎng)格巡護管理系統(tǒng)、生態(tài)資源全民保護系統(tǒng)共7 大PC端子系統(tǒng)，面向系統(tǒng)各級管理用戶提供分級授權(quán)登錄訪問。二是應(yīng)用支撐層為應(yīng)用層提供森林防火相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支持服務(wù)，包括3D地圖引擎、中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫模型和數(shù)據(jù)通訊接口等四部分。三是數(shù)據(jù)層提供基于3D GIS專業(yè)電子地圖作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)層，建立起園區(qū)全區(qū)域公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、森林資源數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)格巡護監(jiān)管數(shù)據(jù)庫、災(zāi)害應(yīng)急指揮調(diào)度數(shù)據(jù)庫、森林防火數(shù)據(jù)庫、物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)庫。四是基礎(chǔ)層包括通訊網(wǎng)絡(luò)、計算存儲、信息安全和加密認證等計算存儲網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)設(shè)施。五是物聯(lián)層包括智能語音播報卡口、地表火探測器等應(yīng)用設(shè)備，安裝在高峰森林公園重點森林防火區(qū)域、人流密集區(qū)域，實現(xiàn)全時段、全天候預警監(jiān)測。

3 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由地表火探測器、智能語音播報卡口、云計算指揮調(diào)度平臺和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成（見圖2、3）。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of the Internet of Things forest fire infrared monitoring and warning system

圖3 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)覆蓋圖Fig.3 Coverage map of the Internet of Things forest fire infrared monitoring and warning system

3.1 地表火探測器

在人流密集和高火險區(qū)域4～6m高度位置安裝162個地表火探測器，自組網(wǎng)性地表火探測器，對探測器半徑200 m內(nèi)森林火災(zāi)進行全時段監(jiān)測預警。探測器突破傳統(tǒng)硅半導體太陽能電池過度依賴日照時間長、光照強度高、存儲器件壽命短等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，利用具有三色選光特性的敏感材料光能板搜集野外壞境高于200lux照度的微弱光能，轉(zhuǎn)化輸出可穩(wěn)定充電的電壓及電流，并利用超級電容控制電荷進行分級能量存儲管理。

該地表火探測器具有如下功能特征：一是火焰燃燒與報警。采用紅外傳感+紫外傳感+AI模式識別技術(shù)，對火光特定紅外光譜和紫外光譜進行實時檢測，并對火焰閃爍特征進行AI模式識別，能在15 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)火情并發(fā)出定位預警信息。二是防盜探測。內(nèi)置有幾何位置傳感器，實現(xiàn)監(jiān)測探測器幾何位置狀態(tài)。若探測器出現(xiàn)跌落或被人為盜取時幾何位置出現(xiàn)傾斜，則識別跌落或盜取現(xiàn)象并發(fā)出報警信息。三是預警抓拍。地表火探測器內(nèi)置可見光攝像頭，出現(xiàn)火情、防盜預警時啟動現(xiàn)場抓拍，利用NB-IoT無線通信網(wǎng)絡(luò)傳至云端服務(wù)器，從而實現(xiàn)現(xiàn)場火情、跌落事件的快速確認。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

在高峰森林公園建設(shè)了1 套物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是專用于森林防火傳感網(wǎng)的主機設(shè)備，可代替人工開展值守，實現(xiàn)自主預警。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信和快帶互聯(lián)通信管理功能，部署在林區(qū)野外環(huán)境，設(shè)備采用市電供電，采用低功耗窄帶無線通信，負責管理紅外傳感網(wǎng)絡(luò)中各探測器組網(wǎng)、路由及通信；同時通過移動通信接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，采用MSM或TCP/IP協(xié)議通信。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能自動監(jiān)測到森林防火無線傳感網(wǎng)中各探測器的火情火險預警、盜取行為預警、電池欠壓預警等信息，同時將預警信息遠程傳輸?shù)狡脚_，實現(xiàn)對森地表火險的早期預警和定位。針對林地偏遠，在野外環(huán)境組網(wǎng)困難的問題，物聯(lián)網(wǎng)智能終端利用短距離無線通信技術(shù)在低功耗狀況下的穿透和繞射能力，既可保證較強的山形繞射能力，也能保證較好的雨霧天氣穿透能力。

3.3 智能語音播報卡口

在高峰森林公園重點防火區(qū)域安裝了10 個智能語音播報卡口，其內(nèi)置紅外感應(yīng)器、攝像頭、麥克風和數(shù)據(jù)存儲裝備，采取低能耗設(shè)計，使用220 V市電供能。智能語音播報卡口能紅外感應(yīng)進入監(jiān)控區(qū)域人員，通過視頻和語音喊話制止野外違規(guī)用火行為，并通過視頻和拍照記錄突發(fā)事件。智能語音播報卡口使用220 V市電供應(yīng)，以10 d為周期覆蓋式存儲數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)人流量監(jiān)測和統(tǒng)計。發(fā)現(xiàn)報警事件后，可通過云臺指揮中心對現(xiàn)場進行實時喊話和循環(huán)播報宣傳標語，進行威懾提醒。

4 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 地表火和林下火預警監(jiān)測

該系統(tǒng)填補高峰林場對林區(qū)地表火和林下火智能預警監(jiān)測的空白，能對林區(qū)地表火、林下火進行全天候、全時段的主動監(jiān)測、精確監(jiān)測和精準定位預警，提升森林火災(zāi)發(fā)現(xiàn)和報警速率，強化園區(qū)森林火災(zāi)預警監(jiān)測能力。通過監(jiān)測預警系統(tǒng)應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)、GPS和GIS系統(tǒng)，可實現(xiàn)監(jiān)測、預警和對現(xiàn)場撲火人員進行合成指揮的有機統(tǒng)一，能部分替代人工巡護，減輕撲救人員工作強度，提高預防、指揮、撲救森林火災(zāi)工作的科技化水平和效率。

4.2 園區(qū)森林防火宣傳

研究表明，森林火災(zāi)的主要火源是人為因素的不慎用火[6-9]。該系統(tǒng)可通過紅外感應(yīng)人體自動播報森林火災(zāi)宣傳材料，并通過視頻和語音對野外違規(guī)用火、偷盜設(shè)備等行為進行威懾，實現(xiàn)對重點區(qū)域全天候智能警戒，改善園區(qū)在高火險時期和節(jié)假日期間森林防火宣傳力度薄弱的狀況，提升園區(qū)游客的森林防火工作參與度，強化高峰森林公園森林防火宣傳力度和密度。

4.3 賦能智慧林場建設(shè)

系統(tǒng)對各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行同一整合，能對接網(wǎng)格巡查管理系統(tǒng)、生態(tài)資源全民保護子系統(tǒng)等不同系統(tǒng)平臺，在充分利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)地理信息、監(jiān)測、指揮、調(diào)度于一體，不斷探索和積累高峰森林公園數(shù)字智慧建設(shè)經(jīng)驗，促進智慧林場建設(shè)的發(fā)展[10-12]。

5 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

目前，物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)已經(jīng)完成建設(shè)并全面投入使用。根據(jù)使用情況分析，該系統(tǒng)能較為準確識別高峰森林公園重點區(qū)域內(nèi)的林下火和地表火。系統(tǒng)使用期間，地表火探測器共發(fā)現(xiàn)警報82 起，其中火情60 起，盜情22 起。發(fā)現(xiàn)警報的地表火探測器30 個，占比為18.52%。出現(xiàn)火情的區(qū)域主要是北門游客中心向內(nèi)100 m、生命河谷南站240 m、拾青棧道入口800 m、嘉年華車站。經(jīng)核實，警報情況均屬實，系統(tǒng)使用期間預警率100%，誤報率為0。該系統(tǒng)能對安裝地表火探測器的區(qū)域內(nèi)的森林火災(zāi)和突發(fā)事件預警效果良好[13-15]。

6 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測預警系統(tǒng)全面投入應(yīng)用以來，一是該系統(tǒng)的建設(shè)和運用填補了高峰林場對林區(qū)地表火和林下火智能預警監(jiān)測的空白，提高了高峰森林公園森林火災(zāi)預警監(jiān)測能力。二是有效強化園區(qū)森林防火宣傳力度，提高宣傳的覆蓋面和針對性，能通過喊話有效制止野外違法違規(guī)用火，形成較強的威懾力。三是實現(xiàn)對園區(qū)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效組網(wǎng)，提高森林防火工作信息化和聯(lián)動化，推進森林防火“撲、救、防”一體化建設(shè)。四是該系統(tǒng)集成生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)星林火監(jiān)測、衛(wèi)星資源監(jiān)測、全民生態(tài)保護等各類子系統(tǒng)，積極賦能智慧林場建設(shè)。

系統(tǒng)建成后，要根據(jù)當前使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題不斷進行優(yōu)化：一是加強園區(qū)管理和巡護人員的培訓考核，特別要加強系統(tǒng)手機端的操作技能學習，熟悉地表火探測器位置。二是根據(jù)園區(qū)工作實際需要，通盤考慮森林防火重點區(qū)域、人流密集區(qū)和新建設(shè)的廣西森林博物館、火車風情園等景點，補充地表火探測器，提高森林火災(zāi)預警監(jiān)控覆蓋面。