從俊杰 王釗 張一康 常光杰 鞏秀鋼通訊作者)

山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 淄博 255030

引言

森林防火對(duì)保護(hù)森林資源具有重要意義，當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)掌握火災(zāi)實(shí)況和救火資源的分布情況，根據(jù)火災(zāi)準(zhǔn)確位置及時(shí)有效調(diào)動(dòng)各處消防力量撲滅林火、減少損失，對(duì)森林消防工作至關(guān)重要，也是當(dāng)下國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本系統(tǒng)綜合運(yùn)用了GPRS無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)和GIS系統(tǒng)，將高速數(shù)據(jù)處理與GIS地圖有機(jī)結(jié)合起來(lái)，用單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷火情，制定合理的撲救方案，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)指揮救火，為林業(yè)部門(mén)及時(shí)指揮救災(zāi)工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)框架

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

本文旨在研究并設(shè)計(jì)一套低虛警率的森林火災(zāi)防控仿真系統(tǒng)。主要功能是采集、傳遞、分析、顯示火災(zāi)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

1.2 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1.2.1 建立火災(zāi)識(shí)別模型：基于RS-SVM的火災(zāi)識(shí)別算法，建立RS與SVM的復(fù)合火災(zāi)識(shí)別模型，用以判斷火災(zāi)是否發(fā)生。

1.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)信息與預(yù)警：利用安裝在森林中的傳感器和北斗模塊獲得林區(qū)溫度、氣體濃度、位置等信息，這些信息將通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至RS-SVM火災(zāi)識(shí)別模型，判斷火災(zāi)是否發(fā)生，若發(fā)生火災(zāi)則立即預(yù)警，并顯示火災(zāi)程度信息。

1.2.3 直觀顯示火場(chǎng)情況：在GPRS無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)中傳輸?shù)牧謪^(qū)環(huán)境信息同樣送至消防指揮中心及消防車(chē)載終端的PC機(jī)，結(jié)合GIS系統(tǒng)，將林區(qū)火情實(shí)時(shí)顯示在大屏上。

1.2.4 高效指揮撲救：每輛消防車(chē)配備有北斗定位器，消防指揮人員能夠?qū)崟r(shí)掌握消防車(chē)的地理分布，并與滅火人員通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，更高效地統(tǒng)籌規(guī)劃滅火工作[1]。

1.3 系統(tǒng)框架

仿真系統(tǒng)由火災(zāi)信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、火災(zāi)救援節(jié)點(diǎn)與救援指揮節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)森林火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、事故預(yù)警、撲救指揮等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 火災(zāi)信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

火災(zāi)信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由環(huán)境信息參數(shù)采集傳感器、北斗定位模塊、單片機(jī)和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。其中不同的傳感器用于采集不同的環(huán)境信息參數(shù)（包括溫度、濕度、氣壓、CO2濃度、CO濃度、SO2濃度），北斗定位模塊用于確定地理位置，GPRS模塊用于傳輸信息，這些傳感器和模塊都安裝在單片機(jī)上。單片機(jī)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸這些信息至RS-SVM火災(zāi)識(shí)別模型，判斷火災(zāi)是否發(fā)生，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。傳輸?shù)牧謪^(qū)信息同樣送至消防指揮中心，存入林區(qū)歷史信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為林區(qū)未來(lái)火災(zāi)防控的依據(jù)。

2.2 服務(wù)器

Web服務(wù)器節(jié)點(diǎn)由RS-SVM火災(zāi)識(shí)別模型、用戶(hù)管理部分、檔案管理部分與數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分構(gòu)成。其中RS-SVM火災(zāi)識(shí)別模型是利用基于粗糙集-支持向量機(jī)(Rough Set Support Vector Machine ，RS-SVM)的火災(zāi)識(shí)別算法建立的復(fù)合火災(zāi)識(shí)別模型，服務(wù)器從網(wǎng)絡(luò)中獲取來(lái)自火災(zāi)信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的林區(qū)環(huán)境信息，利用LIBSVM建立的火災(zāi)識(shí)別模型判斷火災(zāi)的發(fā)生情況，若火災(zāi)發(fā)生，則立即預(yù)警，并將火災(zāi)信息發(fā)送給火災(zāi)救援節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與火災(zāi)預(yù)警。用戶(hù)管理部分用來(lái)增刪用戶(hù)和設(shè)置用戶(hù)權(quán)限，檔案管理部分用于預(yù)案管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸檔和火災(zāi)歷史信息維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分對(duì)實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)管理進(jìn)行管理和維護(hù)。

2.3 火災(zāi)救援節(jié)點(diǎn)（消防車(chē)節(jié)點(diǎn)）

消防車(chē)節(jié)點(diǎn)由車(chē)載PC機(jī)與瀏覽器、北斗定位器和GPRS無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)構(gòu)成。其中PC機(jī)借助無(wú)線(xiàn)網(wǎng)接收火災(zāi)信息，綜合分析火災(zāi)數(shù)據(jù)并結(jié)合GIS系統(tǒng)將火災(zāi)發(fā)生情況直觀地顯示在屏幕上，使火場(chǎng)狀況一目了然。同時(shí)，車(chē)載北斗定位器記錄車(chē)輛位置信息并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到消防指揮中心，指揮中心與消防一線(xiàn)人員也可利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流和通信應(yīng)答，由此，指揮中心可以直觀地掌握消防力量分布，高效統(tǒng)籌規(guī)劃消防具體工作，減少滅火時(shí)間，提高滅火效率[2]。

2.4 救援指揮節(jié)點(diǎn)

救援指揮節(jié)點(diǎn)主要由瀏覽器和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中PC機(jī)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收從火災(zāi)識(shí)別與預(yù)警節(jié)點(diǎn)和火災(zāi)救援節(jié)點(diǎn)傳輸而來(lái)的消防車(chē)信息與火災(zāi)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行綜合分析處理，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)連接到地理信息系統(tǒng)（GIS），對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域中有關(guān)地理分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和顯示，最終在顯示屏山顯示林區(qū)火災(zāi)發(fā)生指定地區(qū)的實(shí)時(shí)圖像。

3 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)按照功能劃分為幾個(gè)主要部分，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)功能圖

3.1 火災(zāi)信息監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

火災(zāi)信息監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)獲取到的地理位置信息進(jìn)行處理和校正后，將傳感器采集的溫度、濕度、氣壓等信息，共同傳遞到GPRS無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)中去，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)林區(qū)或林區(qū)火災(zāi)發(fā)生位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

3.2 火災(zāi)識(shí)別與預(yù)警子系統(tǒng)

通過(guò)建立的RS-SVM火災(zāi)識(shí)別模型對(duì)GPRS無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)中傳輸?shù)牧謪^(qū)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若符合火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫濕度、氣壓、氣體濃度等條件，則立即發(fā)出警報(bào)，并將火災(zāi)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)较傈c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

3.3 火災(zāi)救援子系統(tǒng)

消防車(chē)載終端接收到無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)中傳播的火情信息，使消防人員能及時(shí)掌握火災(zāi)實(shí)況，聽(tīng)從總部指揮。同樣，指揮中心也能實(shí)時(shí)監(jiān)控消防力量分布，正確指揮救火。

指揮中心的PC機(jī)結(jié)合GIS地圖和火場(chǎng)周邊及車(chē)載終端的GPS終端定位，根據(jù)火災(zāi)識(shí)別模型識(shí)別的火災(zāi)信息確定起火位置和火災(zāi)發(fā)生范圍，將火災(zāi)狀況和消防車(chē)隊(duì)的地理分布情況直觀地顯示在屏幕上[4]。

消防一線(xiàn)人員與指揮人員實(shí)時(shí)通信交互，確保對(duì)消防工作的高效統(tǒng)籌規(guī)劃。

3.4 檔案管理子系統(tǒng)

檔案管理子系統(tǒng)包括預(yù)案管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸檔和火災(zāi)歷史信息維護(hù)三部分，各部分實(shí)現(xiàn)的主要功能為：①預(yù)案管理部分：實(shí)現(xiàn)對(duì)各種處置預(yù)案的管理和維護(hù)；②監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸檔部分：將系統(tǒng)收到的實(shí)時(shí)信息歸檔到數(shù)據(jù)庫(kù)。③火災(zāi)歷史信息維護(hù)：將本次火災(zāi)的情況錄入系統(tǒng)，作為以后再次發(fā)生火災(zāi)時(shí)的防火撲救參考與依據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)庫(kù)管理和用戶(hù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要是對(duì)實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，地貌地形、地理位置坐標(biāo)、防火專(zhuān)題數(shù)據(jù)、救火歷史業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)。用戶(hù)管理主要是用于增刪用戶(hù)和設(shè)置用戶(hù)權(quán)限[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種基于GPRS和GIS技術(shù)的森林火災(zāi)防控仿真系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)描述了系統(tǒng)各組成部分的功能和設(shè)計(jì)思路。首先建立森林火災(zāi)識(shí)別模型，然后實(shí)時(shí)采集森林火災(zāi)發(fā)生的溫濕度、氣壓等信息，實(shí)際使用時(shí)使用模型判斷火災(zāi)是否發(fā)生，并將森林環(huán)境參數(shù)信息和地理位置信息發(fā)送給消防點(diǎn)，結(jié)合GIS系統(tǒng)直觀顯示給消防工作人員，使得消防工作更加高效有序地進(jìn)行。