劉艷朋，楊寶祝，王元勝

（1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京100048；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097；3.北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京100097）

0 引 言

森林是人類寶貴的資源，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的重要保障。每年由于天氣、人為等因素導(dǎo)致的火災(zāi)不計其數(shù)，由此帶來的損失巨大。因此，對森林火災(zāi)做直接有效的監(jiān)測，做到防患于未然，可以更好地進行森林火災(zāi)的預(yù)防、撲救等決策［1］。在森林火災(zāi)的預(yù)防和撲救方面的應(yīng)用技術(shù)包含很多，如遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）無線傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。利用這些技術(shù)可以完成許多相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)，但是不同系統(tǒng)都存在自身的不足，如：3S技術(shù)成本高［2］；衛(wèi)星遙感平臺受軌道的限制［3］；文獻［4］中說明的關(guān)于火災(zāi)報警硬件上的不兼容性。因此必須針對具體區(qū)域的森林情況，合理分析各種技術(shù)的優(yōu)缺點，并最終選擇出合適的技術(shù)來開發(fā)、完成整個系統(tǒng)的設(shè)計和實施。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮［5］。在物聯(lián)網(wǎng)中可以應(yīng)用更多的設(shè)備和技術(shù)，因此利用物聯(lián)網(wǎng)概念設(shè)計防火系統(tǒng)可以使系統(tǒng)更加靈活。

1 總體設(shè)計

現(xiàn)有的系統(tǒng)有王春雷等設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)［6］；新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)額敏縣林業(yè)局利用GPS對衛(wèi)星監(jiān)測到的林火熱點數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后基于Mapgis地理信息系統(tǒng)對預(yù)處理過的林火熱點數(shù)據(jù)定位［7］；北京市房山區(qū)林業(yè)局利用3S技術(shù)建成的房山區(qū)林業(yè)信息管理系統(tǒng)［8］。移動網(wǎng)絡(luò)在這其中應(yīng)用也很廣泛，如：馬科等設(shè)計的基于移動平臺的火災(zāi)短信報警系統(tǒng)［9］。

綜合考察現(xiàn)有系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有系統(tǒng)比較偏重森林防火的某一個或其中幾個方面，沒有做到對森林防火的火前、火中和火后的集中管理，這樣就不利于整個防火工作形成一個體系。因此，本系統(tǒng)將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念，結(jié)合其他設(shè)備和技術(shù)構(gòu)建。

1.1 整體布局

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念，整個系統(tǒng)的設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 設(shè)計模型

根據(jù)圖1所示，需要增加關(guān)鍵點的高端視頻設(shè)備、精密氣象設(shè)備、GPS定位和GPRS通訊設(shè)備，以此構(gòu)成整個系統(tǒng)外圍的硬件設(shè)施，并以整套硬件設(shè)備作為數(shù)據(jù)來源，針對目標(biāo)區(qū)域的森林進行系統(tǒng)的設(shè)計和實施。同時，這些外圍設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)的概念整合到森林防火預(yù)警與指揮系統(tǒng)中，使之能夠很好的支撐系統(tǒng)高效平穩(wěn)的運行，在森林火災(zāi)預(yù)警和林火撲救中發(fā)揮作用。系統(tǒng)整體布局如圖2所示。

從整體框架圖可以發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)中涉及的各種設(shè)備，物理上彼此獨立，功能上相互融合。從獨立性上說，各種設(shè)備通過專用的線路進行連接，并分別增加獨立的存儲設(shè)備來存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)和資料，這樣就可以保證設(shè)備及數(shù)據(jù)的復(fù)用和共享，并且當(dāng)其中的某個模塊發(fā)生問題時，可以把問題設(shè)備與系統(tǒng)分離進行檢查，這樣就減小了對整個系統(tǒng)性能的影響。從融合性上看，各種存儲設(shè)備最終通過Web服務(wù)器合理的集成到了一起，方便各個模塊發(fā)揮自己的作用，并結(jié)合其它模塊對整個系統(tǒng)提供技術(shù)及數(shù)據(jù)支撐，保證系統(tǒng)平穩(wěn)高效的運行。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了系統(tǒng)流程的清晰性、系統(tǒng)的健壯性及擴展性，將整個系統(tǒng)采用業(yè)界領(lǐng)先的多層架構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

圖2 森林防火項目整體布局

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，整個系統(tǒng)以Web端作為系統(tǒng)管理接口，手機作為實時信息的獲取端，兩者的合理分工共同組成系統(tǒng)的應(yīng)用終端，并借助手機網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)管理者提供管理接口，為防火人員提供防火信息獲取的途徑，保證信息的流暢和管理的方便。

在系統(tǒng)集成層，森林火災(zāi)預(yù)警和指揮系統(tǒng)將火災(zāi)預(yù)警、林火撲救和日常信息管理3個子系統(tǒng)整合，構(gòu)建統(tǒng)一的平臺，實現(xiàn)了對森林火災(zāi)的火前、火中和火后的統(tǒng)一調(diào)度和管理，最大限度的節(jié)約時間、降低損失。

底層技術(shù)支持作為整個系統(tǒng)的支撐，為系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和穩(wěn)定的運行環(huán)境。其中，系統(tǒng)支撐層提供不同的模塊，這些模塊為系統(tǒng)集成層提供技術(shù)支持，同時完成與數(shù)據(jù)服務(wù)層的交互，利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)完成相關(guān)的分析并反饋給管理者，方便管理者做出決策。數(shù)據(jù)服務(wù)層根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源，將不同的數(shù)據(jù)分庫存儲來保證數(shù)據(jù)的獨立和安全。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念于1999年由麻省理工學(xué)院的Auto－ID實驗室提出，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品到物品（thing to thing，T2T），人到物品（human to thing，H2T），人到人（hu－man to human，H2H）之間的互連［10］。

1.3.2 智能視頻監(jiān)控技術(shù)（intelligent video surveillance）

智能視頻監(jiān)控技術(shù)能夠為基于IP網(wǎng)絡(luò)的主機之間提供多媒體信息的統(tǒng)一控制平臺。該項技術(shù)利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，實現(xiàn)多媒體信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和控制。該項技術(shù)集軟硬件于一體，涉及到計算機網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控設(shè)備、多媒體信息處理等技術(shù)。

項目通過為林區(qū)內(nèi)所有視頻監(jiān)控設(shè)備分配IP地址，然后利用此項技術(shù)，以插件形式將視頻信息導(dǎo)入到森林火災(zāi)預(yù)警與指揮系統(tǒng)，完成視頻監(jiān)控設(shè)備的視頻信息與系統(tǒng)的整合。

1.3.3 位置服務(wù)（LBS）技術(shù)

針對撲火隊伍在調(diào)度過程中撲火力量行進位置不能及時掌控，延誤最佳撲救火戰(zhàn)機的情況，研究建立一個集全球衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）、地理信息技術(shù)（GIS）和衛(wèi)星通信技術(shù)于一體的位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)④囕v的動態(tài)位置（經(jīng)度與緯度）、時間和狀態(tài)等信息，實時地通過無線通信鏈路傳送至指揮中心，而后在具有地理信息查詢功能的電子地圖上進行移動車輛運動軌跡的顯示，并對車輛位置、速度、運動方向和車輛狀態(tài)等參數(shù)進行監(jiān)控和查詢，解決現(xiàn)有的指揮調(diào)度系統(tǒng)無法覆蓋山區(qū)及林區(qū)的問題，為指揮撲救車輛調(diào)度、警用車輛及防火車輛的日常監(jiān)管、林區(qū)內(nèi)防火道路的勾繪及其它林業(yè)調(diào)查業(yè)務(wù)提供空間信息服務(wù)。

此項技術(shù)主要通過Flex框架以及地圖API接口集成到系統(tǒng)中。

1.3.4 森林火險監(jiān)測與林火蔓延監(jiān)控技術(shù)

氣象信息與森林火災(zāi)密切相關(guān)，氣象設(shè)備能夠?qū)崟r采集風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、降雨量等數(shù)據(jù)，并能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并存儲到指定的數(shù)據(jù)庫。基于氣象數(shù)據(jù)及以前火災(zāi)的記錄，建立用于森林火險預(yù)報的模型，這樣就能夠根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的氣象信息，計算每天的森林防火等級，以此來判斷發(fā)生火災(zāi)的可能性。此外，火險等級的高低還與下墊面植被等因素存在較大關(guān)系。因此需要根據(jù)目標(biāo)區(qū)域氣候及地表可燃物類型和狀態(tài)等區(qū)域特點，通過遙感數(shù)據(jù)反映地表可燃物狀態(tài)類型及含水量等狀態(tài)信息，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進行森林火險等級預(yù)報，研究適用于目標(biāo)區(qū)域?qū)嶋H情況的綜合多源數(shù)據(jù)的森林火險等級預(yù)報模型。

通過調(diào)查目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的塔樓位置分布，建立塔樓地理數(shù)據(jù)庫，一旦發(fā)生火警或者火災(zāi)，可基于塔樓采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)火點準(zhǔn)確位置快速定位。另外，在信息平臺中通過讀取兩個以上塔樓中云臺方位角，也可實現(xiàn)火點的快速定位。火點定位后，可結(jié)合系統(tǒng)中的相關(guān)模塊，并根據(jù)森林燃燒理論、氣象學(xué)與森林學(xué)知識，利用實時氣象觀測數(shù)據(jù)與火場環(huán)境數(shù)據(jù)，在火行為預(yù)報模型支持下，描繪林火的動態(tài)形狀。并通過相關(guān)的公式預(yù)算出林火初始蔓延速度、火線強度、火焰高度、火場面積、有效可燃物數(shù)量等火行為參數(shù)，迅速地掌握火點周圍的森林資源及消防隊伍分布等情況，為林火撲救提供準(zhǔn)確的信息，方便各撲火隊間協(xié)同指揮作戰(zhàn)。

1.4 技術(shù)路線

系統(tǒng)開發(fā)過程選用Windows 2003操作系統(tǒng)，并且利用MyEclipse開發(fā)軟件，采用JavaEE中十分成熟的SSH框架和Adobe Flex框架搭建，數(shù)據(jù)庫部分采用Oracle 9i。

2 功能模塊設(shè)計

將系統(tǒng)功能細(xì)化后，分成森林火災(zāi)預(yù)警、森林火災(zāi)撲救、日常管理3個子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能

2.1 森林火災(zāi)預(yù)警子系統(tǒng)

森林火災(zāi)預(yù)警子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)防火預(yù)警職能，包括視頻監(jiān)控和火險天氣預(yù)報。其中視頻監(jiān)控負(fù)責(zé)整個區(qū)域的森林監(jiān)控，可以查看各個視頻監(jiān)控點已存儲視頻和實時視頻的信息，發(fā)現(xiàn)異常動向可以上報并做出決策。

火險天氣預(yù)報通過自動讀取和手工錄入兩種方式對氣象信息進行存儲，這樣就可以最大限度的保證系統(tǒng)的健壯性。同時，根據(jù)上報的天氣情況計算防火等級，當(dāng)防火等級到達(dá)設(shè)定值時，可以發(fā)出預(yù)警警報。

2.2 森林火災(zāi)撲救子系統(tǒng)

森林火災(zāi)撲救子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)林火撲救過程中的決策及調(diào)度工作，包括火行為預(yù)報、林火撲救、GPS定位和實時信息發(fā)布。其中火行為預(yù)報根據(jù)溫度（攝氏度）、風(fēng)速（米／秒）、可燃物類型、坡度（度）、山火類型、火蔓延時間（分鐘）和齡組來預(yù)測火的初期蔓延速度、火線火強度、火焰高度、火場面積和火場周邊長。并且根據(jù)預(yù)測信息計算所需的防火兵力。這樣就可以對火災(zāi)發(fā)生時，及時獲取林火信息，并能夠有效的組織防火人員撲救。

林火撲救模塊根據(jù)觀測點及視頻信息定位著火點，根據(jù)具體的地形，計算能夠在最快時間趕到的撲火隊，并及時通知具體的防火人員投入林火撲救工作中，然后根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)做下一步的決策。

GPS定位模塊能夠有效的記錄相關(guān)GPS點的經(jīng)緯度以及行駛路徑，這樣就能夠根據(jù)所在位置確定最佳行進路線，指導(dǎo)下一步的撲救工作。

實時信息發(fā)布則完成了對防火預(yù)警信息、林火撲救信息等的防火信息的實時發(fā)布，這些信息的發(fā)布能夠有效指導(dǎo)林火預(yù)防及撲救工作。

這幾個功能模塊相互交叉，彼此補充，從而保證了在林火發(fā)生時能夠更加有效的組織林火撲救，而不至于引文某個模塊由于地形及其它原因?qū)е鹿收蠌亩⒄`了林火的撲救工作。

2.3 日常管理子系統(tǒng)

日常管理子系統(tǒng)主要完成對防火相關(guān)信息的維護，包括損失評估、歷史預(yù)報、物資管理、塔樓管理、消防隊管理和防火人員管理模塊。其中損失評估模塊根據(jù)林火特征、林木類型、損害類型等信息確定由于火災(zāi)所造成的損失。文獻［10］給出了相關(guān)計算方法。

歷史預(yù)報模塊對以前發(fā)生的火災(zāi)進行詳細(xì)的記錄，這樣就可以逐步的建造一個火災(zāi)發(fā)生知識庫，對于以后系統(tǒng)的擴展，及數(shù)據(jù)挖掘模式的引入奠定基礎(chǔ)。

物資管理、塔樓管理、消防隊管理和防火人員管理是對森林區(qū)域內(nèi)防火工具及其人員的管理模塊，并要做到數(shù)據(jù)的及時更新，這樣才能夠做到有備無患，在火災(zāi)發(fā)生時能夠有條不紊的調(diào)用相關(guān)的物資及防火隊進行林火撲救。

3 火險等級預(yù)測及分析

在系統(tǒng)中使用的氣象數(shù)據(jù)說明見表1。

表1 氣象數(shù)據(jù)

利用黑龍江森林保護研究所設(shè)計的801火災(zāi)預(yù)警模型，使用空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)力、降雨量以及前一天降雨量數(shù)據(jù)來完成森林火險等級的預(yù)測，如圖5所示。

其中，前一天降雨量的得到方法有4種情況：一是得到前一天此時的降雨量；二是得到前一天的平均降雨量；三是獲得前一天的最大降雨量；四是獲得前一天一個時間段的平均降雨量。此模型預(yù)測中采用的是前一天的平均降雨量。

另一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化涉及到風(fēng)速，模型接受數(shù)據(jù)前，先將數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)速根據(jù)轉(zhuǎn)化表轉(zhuǎn)化成風(fēng)力等級。

火災(zāi)預(yù)測模型接手的數(shù)據(jù)來源有兩種：一是自動讀取數(shù)據(jù)庫，得到不同傳感器的數(shù)據(jù)；二是通過手工輸入的方式得到數(shù)據(jù)。

手工輸入方式主要是為了能夠針對傳感器感知精度的問題而設(shè)立的，這樣就能做到對任何區(qū)域通過其他方式得到數(shù)據(jù)來進行預(yù)測。

圖5 森林火險等級預(yù)測

自動讀取數(shù)據(jù)庫方式利用不同傳感器的數(shù)據(jù)來進行預(yù)測，首先需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，當(dāng)對固定地點進行預(yù)測時，需要根據(jù) “站點編號”屏蔽其他傳感器的數(shù)據(jù)，利用單站點數(shù)據(jù)進行預(yù)測；當(dāng)對整個區(qū)域進行預(yù)測時則要綜合考量各個傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器與區(qū)域中心點的距離，賦予不同傳感器不同的權(quán)值，然后根據(jù)站點數(shù)據(jù)與站點權(quán)值的乘積得到本站點的數(shù)據(jù)，然后加和即可得到預(yù)測輸入值。如：風(fēng)速數(shù)據(jù)得到公式如下所示

其他數(shù)據(jù)的得到與此方法相同。

利用此模型的到的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

表2 預(yù)測結(jié)果

從上表可以看出，通過火災(zāi)預(yù)測模型得到的火險等級與中央氣象臺的發(fā)布結(jié)果一致。但是通過系統(tǒng)中的火災(zāi)預(yù)測模型可以針對不同時段不同地域進行預(yù)測，這樣就可以非常方便的得到實時數(shù)據(jù)，方便監(jiān)測。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及討論

目前，系統(tǒng)的開發(fā)工作已經(jīng)完成，并已經(jīng)部署運行。系統(tǒng)實現(xiàn)如圖6所示。

利用前述的理論及其框架，編寫了 “懷柔區(qū)溝域森林火災(zāi)預(yù)警與應(yīng)急指揮系統(tǒng)”。此系統(tǒng)以懷柔慕田峪長城景區(qū)附近森林為目標(biāo)區(qū)域，以 “預(yù)警機制為向?qū)?、林火撲救為核心、日常信息做輔助”為指導(dǎo)思想，并不斷完善景區(qū)能森林防火工作，保證人員不受傷害，森林資源不受損失。目前此系統(tǒng)已在懷柔慕田峪景區(qū)部署并運行。

圖6 成型系統(tǒng)

在此系統(tǒng)中實現(xiàn)了主流信息技術(shù)與森林防火決策及林業(yè)資源管理的集成創(chuàng)新。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，充分的運用了計算機主流信息技術(shù)，整合了氣象觀測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等硬件資源。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)充分利用了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，整合氣象設(shè)備、視頻設(shè)備、GPS設(shè)備和GPRS通信設(shè)備，利用不同數(shù)據(jù)來完成森林火災(zāi)的預(yù)警與指揮。不同設(shè)備與系統(tǒng)的整合能很好的減少單一設(shè)備的運行故障給系統(tǒng)運行帶來的影響。最大限度的保證系統(tǒng)的健壯。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了將森林火災(zāi)的預(yù)防、撲救、災(zāi)后處理及日常數(shù)據(jù)管理集中到了同一個系統(tǒng)中。

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