5G技術(shù)在森林防火監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

葉水文，蟻澤純，張優(yōu)訓(xùn)，陳富強(qiáng)

（1.廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省龍眼洞林場(chǎng)，廣東 廣州 510520）

0 引 言

根據(jù)應(yīng)急管理部通報(bào)數(shù)據(jù)，2022年全國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)709起，受害森林面積約46.895 km2。其中，3—4月和9—10月為森林火災(zāi)高發(fā)期，共發(fā)生521起，約占全年火災(zāi)的73%。受高溫干旱等因素影響，湖南省、廣西壯族自治區(qū)、江西省、湖北省、廣東省以及重慶市發(fā)生森林火災(zāi)共計(jì)503起，約占全國(guó)全年火災(zāi)的71%，形式相當(dāng)嚴(yán)峻。

應(yīng)用信息化的手段進(jìn)行科學(xué)有效的森林防火監(jiān)控，并及時(shí)準(zhǔn)確地做出決策響應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)森林防火“打早、打小、打了”的重要手段之一。受3G/4G數(shù)據(jù)傳輸能力的限制，目前的森林防火監(jiān)控系統(tǒng)無法傳輸高清（1 080 P）和超高清（4K/8K）視頻，回傳視頻存在清晰度不足的問題，且時(shí)延較大，無法達(dá)到森林防火管理的要求。

5G技術(shù)能為森林防火監(jiān)控系統(tǒng)提供大帶寬、低時(shí)延以及大連接的技術(shù)特性，具有良好的數(shù)據(jù)傳輸靈活性和安全性，為森林防火視頻監(jiān)控回傳提供了重要的技術(shù)支撐手段[1]。

1 5G及森林防火視頻監(jiān)控概述

1.1 5G技術(shù)

5G技術(shù)是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是基于4G技術(shù)的延伸和演進(jìn)。相比而言，5G技術(shù)在用戶峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、時(shí)延、連接數(shù)密度、流量密度以及移動(dòng)性等關(guān)鍵性能指標(biāo)均有大幅提升[2]。5G與4G關(guān)鍵性能對(duì)比如表1所示。

表1 5G與4G關(guān)鍵性能對(duì)比

2019年6月，5G商用牌照的發(fā)放標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入了5G商用元年。目前，我國(guó)已建成了全球最大的5G網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有5G基站總數(shù)已超264萬個(gè)，5G網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)深度覆蓋和按需覆蓋，為5G應(yīng)用提供了扎實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

1.2 森林防火視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)控一般采用“人工瞭望+人工巡檢”的方式，不僅工作量大、效率低，無法做到24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且容易受霧霾天氣的影響導(dǎo)致監(jiān)測(cè)效果較差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，森林防火監(jiān)控手段不斷進(jìn)步，主要包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、紅外線監(jiān)測(cè)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)以及視頻監(jiān)控等，明顯提升了森林防火綜合防控能力。目前，森林防火視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用主要包括4個(gè)方面。

（1）林區(qū)火情實(shí)時(shí)監(jiān)控。將視頻監(jiān)控前端設(shè)備安裝在森林視野寬闊的制高點(diǎn)，對(duì)森林情況進(jìn)行全天候檢測(cè)，并通過傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸至森林防火指揮中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)林內(nèi)火情的實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]。

（2）火警定位。結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)為每一個(gè)前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置獨(dú)立的地址編碼，并將監(jiān)控點(diǎn)的坐標(biāo)與電子地圖上的位置一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)前端監(jiān)控設(shè)備檢測(cè)到有火警時(shí)，GIS系統(tǒng)會(huì)根據(jù)前端監(jiān)控設(shè)備的地址編碼，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)火警定位。

（3）煙火智能識(shí)別。結(jié)合煙火檢測(cè)技術(shù)，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)回傳的圖像進(jìn)行智能化處理，分析識(shí)別林火煙霧和火光特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情并自動(dòng)告警，實(shí)現(xiàn)森林防火“打早、打小”的目標(biāo)。

（4）其他監(jiān)控。對(duì)濫伐林木、私采亂挖林地以及獵殺野生動(dòng)物等違法行為進(jìn)行有效監(jiān)控，并監(jiān)控森林病蟲害，同時(shí)實(shí)現(xiàn)野生動(dòng)物保護(hù)，為森林核查提供方便。

2 5G技術(shù)在森林防火監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 森林防火高清監(jiān)控視頻回傳帶寬需求

森林防火視頻監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)的功能包括實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控、煙火識(shí)別與報(bào)警等。為獲得完整、清晰的監(jiān)控視頻，同時(shí)提升人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法對(duì)視頻圖像的分析的處理速度及精度，降低煙火識(shí)別的誤報(bào)率，森林防火監(jiān)控前端設(shè)備建議采用高清（1 080 P）/超高清（4K/8K）設(shè)備[4]。高清/超高清視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的需求如表2所示。

表2 高清/超高清視頻對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的需求

2.2 森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)回傳方式

森林防火監(jiān)控回傳主要有有線傳輸和無線傳輸這種方式[5]。

2.2.1 有線傳輸

有線傳輸具有傳輸容量大、傳輸信號(hào)穩(wěn)定以及不易被雷擊等優(yōu)點(diǎn)，但在林區(qū)中存在施工難度大、成本高等問題，且線路的敷設(shè)會(huì)對(duì)沿途的植被造成破壞，既不環(huán)保也不經(jīng)濟(jì)。一般在距離較近或可利舊原有的光纜情況下才選擇有線傳輸方式。

2.2.2 無線傳輸

無線傳輸施工簡(jiǎn)單，無須挖溝布纜，可以利用運(yùn)營(yíng)商已有的網(wǎng)絡(luò)，成本低，是森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)回傳方式的首選。但目前主流的4G網(wǎng)絡(luò)帶寬小，不能滿足高清（1 080 P）和超高清（4K/8K）視頻回傳的帶寬需求。因此，有必要在森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)中引入5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在滿足高清/超高清傳輸速率的同時(shí)降低傳輸時(shí)延，保障前端實(shí)時(shí)火情通過5G基站回傳至監(jiān)控指揮中心的視頻畫面間的時(shí)延小于1 ms，為森林防火指揮決策和快速撲救爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

2.3 5G森林防火視頻監(jiān)控的示范應(yīng)用

5G森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。首先，在5G森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端配置高清攝像機(jī)，通過客戶前置設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）回傳至5G運(yùn)營(yíng)商基站；其次，通過5G基站將視頻回傳至云端云平臺(tái)，接入林場(chǎng)監(jiān)控指揮中心；最后，通過權(quán)限配置，不同類型的管理人員可通過計(jì)算機(jī)端及手機(jī)端實(shí)現(xiàn)火警信息的接收、查看及其他操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化管控。

圖1 5G森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

在林場(chǎng)中選取視野廣、障礙物少的監(jiān)控點(diǎn)部署高清攝像頭，充分利用5G技術(shù)大帶寬、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，將林場(chǎng)內(nèi)的實(shí)時(shí)情況傳送至林場(chǎng)監(jiān)控指揮中心。通過云部署的森林防火監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、險(xiǎn)情識(shí)別、險(xiǎn)情定位、智能告警以及輔助決策等功能。由于5G技術(shù)具有低時(shí)延的特性，可保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)火情與回傳后端視屏畫面間的時(shí)延低于1 s，為正確判斷火情并及時(shí)做出決策贏取寶貴時(shí)間。5G森林防火視頻監(jiān)控的示范應(yīng)用如圖2所示。

圖2 5G森林防火視頻監(jiān)控的示范應(yīng)用

3 結(jié) 論

對(duì)比4G技術(shù)，5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)有極大的提升，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率也可滿足各行業(yè)的深化應(yīng)用。通過制定森林5G實(shí)時(shí)高清圖像/視頻回傳技術(shù)方案并開展示范驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)高效傳輸，為提升森林消防效能開辟新的技術(shù)途徑和應(yīng)用模式。通過運(yùn)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)森林防火高清視頻的回傳，可以實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能預(yù)警以及精準(zhǔn)定位，有效提升森林火災(zāi)的整體防控能力。