何 蕓

(廣西國(guó)有高峰林場(chǎng)，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(cè)預(yù)警系統(tǒng)在園區(qū)的應(yīng)用評(píng)價(jià)，為城市森林公園森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)能力建設(shè)提供有益參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的需求分析

廣西高峰森林公園是廣西國(guó)有高峰林場(chǎng)的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是環(huán)綠城南寧森林旅游圈的重要支撐項(xiàng)目，被確定為國(guó)家AAAA級(jí)旅游景區(qū)、第五批全國(guó)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(shù)、杉木、紅椎、降香黃檀等各類(lèi)樹(shù)種數(shù)百種，森林覆蓋率達(dá)91.2%，每立方厘米負(fù)氧離子含量超6 000 個(gè)，是集運(yùn)動(dòng)健身休閑、森林康養(yǎng)度假、科普文化體驗(yàn)為一體的全國(guó)最大城市森林公園。公園園區(qū)在林場(chǎng)界牌分場(chǎng)和東升分場(chǎng)的林地上規(guī)劃設(shè)計(jì)，累計(jì)投資10.34 億元按“一心兩軸六區(qū)”規(guī)劃進(jìn)行建設(shè)，建設(shè)有精靈河谷、星月湖、天空之城等26 個(gè)重要景點(diǎn)。高峰森林公園自開(kāi)放以來(lái)，高峰時(shí)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(wèn)題是：一是園區(qū)內(nèi)存在多個(gè)森林火災(zāi)Ⅰ級(jí)高危火險(xiǎn)區(qū)域，登峰棧道、星空營(yíng)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(hào)難以覆蓋等原因被列為森林火災(zāi)重點(diǎn)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(shù)冠火[1]。有研究指出，對(duì)世界各國(guó)的森林火災(zāi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，地表火最多，比重約占90%以上，其次是樹(shù)冠火，最少是地下火[2-3]。樹(shù)冠火通常是由地表火蔓延造成的[4]，地表火是引發(fā)樹(shù)冠火的必然條件[5]。高峰森林公園對(duì)森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)主要方式是人工巡邏巡護(hù)和高空瞭望。樹(shù)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(yù)警監(jiān)測(cè)缺乏相對(duì)高效的信息化手段，難以對(duì)園區(qū)的重點(diǎn)片區(qū)森林火災(zāi)形成全時(shí)段、全覆蓋、不間斷的高效監(jiān)測(cè)，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(wèn)題。

引入全天候、高覆蓋、高精度的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)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(yù)警監(jiān)測(cè)能力，高峰林場(chǎng)使用中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目資金，運(yùn)用重慶市林業(yè)科學(xué)研究院研發(fā)的林火監(jiān)測(cè)預(yù)警雙紅外火災(zāi)探測(cè)器科技成果（成果庫(kù)號(hào)：17090031），根據(jù)高峰森林公園實(shí)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(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

系統(tǒng)建成后，能實(shí)現(xiàn)對(duì)高峰森林公園重點(diǎn)區(qū)域的地表火和林下火智能預(yù)警監(jiān)測(cè)、有效組網(wǎng)和調(diào)度指揮。能夠整合高峰森林公園的各項(xiàng)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(gè)人行為等多個(gè)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(hù)能力，從而為森林公園的森林防火指揮和森林資源保護(hù)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(cè)預(yù)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(diǎn)區(qū)域點(diǎn)位安裝162個(gè)地表火情探測(cè)器、10 個(gè)智能語(yǔ)音播報(bào)卡口，并建設(shè)與之配套的1 套云計(jì)算指揮調(diào)度平臺(tái)和1 個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等裝備。物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)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(gè)層面構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)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(cè)“一張圖系統(tǒng)”、地表火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)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(hù)管理系統(tǒng)、生態(tài)資源全民保護(hù)系統(tǒng)共7 大PC端子系統(tǒng)，面向系統(tǒng)各級(jí)管理用戶(hù)提供分級(jí)授權(quán)登錄訪問(wèn)。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(kù)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(zhuān)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(kù)、森林資源數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)格巡護(hù)監(jiān)管數(shù)據(jù)庫(kù)、災(zāi)害應(yīng)急指揮調(diào)度數(shù)據(jù)庫(kù)、森林防火數(shù)據(jù)庫(kù)、物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。四是基礎(chǔ)層包括通訊網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算存儲(chǔ)、信息安全和加密認(rèn)證等計(jì)算存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)設(shè)施。五是物聯(lián)層包括智能語(yǔ)音播報(bào)卡口、地表火探測(cè)器等應(yīng)用設(shè)備，安裝在高峰森林公園重點(diǎn)森林防火區(qū)域、人流密集區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、全天候預(yù)警監(jiān)測(cè)。

3 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由地表火探測(cè)器、智能語(yǔ)音播報(bào)卡口、云計(jì)算指揮調(diào)度平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成（見(jiàn)圖2、3）。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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(cè)預(yù)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(cè)器

在人流密集和高火險(xiǎn)區(qū)域4～6m高度位置安裝162個(gè)地表火探測(cè)器，自組網(wǎng)性地表火探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器半徑200 m內(nèi)森林火災(zāi)進(jìn)行全時(shí)段監(jiān)測(cè)預(yù)警。探測(cè)器突破傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池過(guò)度依賴(lài)日照時(shí)間長(zhǎng)、光照強(qiáng)度高、存儲(chǔ)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(jí)電容控制電荷進(jìn)行分級(jí)能量存儲(chǔ)管理。

該地表火探測(cè)器具有如下功能特征：一是火焰燃燒與報(bào)警。采用紅外傳感+紫外傳感+AI模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)火光特定紅外光譜和紫外光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)火焰閃爍特征進(jìn)行AI模式識(shí)別，能在15 s內(nèi)發(fā)現(xiàn)火情并發(fā)出定位預(yù)警信息。二是防盜探測(cè)。內(nèi)置有幾何位置傳感器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)探測(cè)器幾何位置狀態(tài)。若探測(cè)器出現(xiàn)跌落或被人為盜取時(shí)幾何位置出現(xiàn)傾斜，則識(shí)別跌落或盜取現(xiàn)象并發(fā)出報(bào)警信息。三是預(yù)警抓拍。地表火探測(cè)器內(nèi)置可見(jiàn)光攝像頭，出現(xiàn)火情、防盜預(yù)警時(shí)啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)抓拍，利用NB-IoT無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳至云端服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)火情、跌落事件的快速確認(rèn)。

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(zhuān)用于森林防火傳感網(wǎng)的主機(jī)設(shè)備，可代替人工開(kāi)展值守，實(shí)現(xiàn)自主預(yù)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(wú)線通信，負(fù)責(zé)管理紅外傳感網(wǎng)絡(luò)中各探測(cè)器組網(wǎng)、路由及通信；同時(shí)通過(guò)移動(dòng)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(dòng)監(jiān)測(cè)到森林防火無(wú)線傳感網(wǎng)中各探測(cè)器的火情火險(xiǎn)預(yù)警、盜取行為預(yù)警、電池欠壓預(yù)警等信息，同時(shí)將預(yù)警信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)狡脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森地表火險(xiǎn)的早期預(yù)警和定位。針對(duì)林地偏遠(yuǎn)，在野外環(huán)境組網(wǎng)困難的問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)智能終端利用短距離無(wú)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(qiáng)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(yǔ)音播報(bào)卡口

在高峰森林公園重點(diǎn)防火區(qū)域安裝了10 個(gè)智能語(yǔ)音播報(bào)卡口，其內(nèi)置紅外感應(yīng)器、攝像頭、麥克風(fēng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝備，采取低能耗設(shè)計(jì)，使用220 V市電供能。智能語(yǔ)音播報(bào)卡口能紅外感應(yīng)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域人員，通過(guò)視頻和語(yǔ)音喊話制止野外違規(guī)用火行為，并通過(guò)視頻和拍照記錄突發(fā)事件。智能語(yǔ)音播報(bào)卡口使用220 V市電供應(yīng)，以10 d為周期覆蓋式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人流量監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)報(bào)警事件后，可通過(guò)云臺(tái)指揮中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)喊話和循環(huán)播報(bào)宣傳標(biāo)語(yǔ)，進(jìn)行威懾提醒。

4 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 地表火和林下火預(yù)警監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)填補(bǔ)高峰林場(chǎng)對(duì)林區(qū)地表火和林下火智能預(yù)警監(jiān)測(cè)的空白，能對(duì)林區(qū)地表火、林下火進(jìn)行全天候、全時(shí)段的主動(dòng)監(jiān)測(cè)、精確監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)定位預(yù)警，提升森林火災(zāi)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警速率，強(qiáng)化園區(qū)森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)能力。通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)、GPS和GIS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)撲火人員進(jìn)行合成指揮的有機(jī)統(tǒng)一，能部分替代人工巡護(hù)，減輕撲救人員工作強(qiáng)度，提高預(yù)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(guò)紅外感應(yīng)人體自動(dòng)播報(bào)森林火災(zāi)宣傳材料，并通過(guò)視頻和語(yǔ)音對(duì)野外違規(guī)用火、偷盜設(shè)備等行為進(jìn)行威懾，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域全天候智能警戒，改善園區(qū)在高火險(xiǎn)時(shí)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(qiáng)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(chǎng)建設(shè)

系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行同一整合，能對(duì)接網(wǎng)格巡查管理系統(tǒng)、生態(tài)資源全民保護(hù)子系統(tǒng)等不同系統(tǒng)平臺(tái)，在充分利用云計(jì)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(shí)現(xiàn)地理信息、監(jiān)測(cè)、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(yàn)，促進(jìn)智慧林場(chǎng)建設(shè)的發(fā)展[10-12]。

5 物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)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(cè)預(yù)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(zhǔn)確識(shí)別高峰森林公園重點(diǎn)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(cè)器共發(fā)現(xiàn)警報(bào)82 起，其中火情60 起，盜情22 起。發(fā)現(xiàn)警報(bào)的地表火探測(cè)器30 個(gè)，占比為18.52%。出現(xiàn)火情的區(qū)域主要是北門(mén)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(chē)站。經(jīng)核實(shí)，警報(bào)情況均屬實(shí)，系統(tǒng)使用期間預(yù)警率100%，誤報(bào)率為0。該系統(tǒng)能對(duì)安裝地表火探測(cè)器的區(qū)域內(nèi)的森林火災(zāi)和突發(fā)事件預(yù)警效果良好[13-15]。

6 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)林火紅外監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)全面投入應(yīng)用以來(lái)，一是該系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)用填補(bǔ)了高峰林場(chǎng)對(duì)林區(qū)地表火和林下火智能預(yù)警監(jiān)測(cè)的空白，提高了高峰森林公園森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)能力。二是有效強(qiáng)化園區(qū)森林防火宣傳力度，提高宣傳的覆蓋面和針對(duì)性，能通過(guò)喊話有效制止野外違法違規(guī)用火，形成較強(qiáng)的威懾力。三是實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)各類(lèi)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(dòng)化，推進(jìn)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(cè)、衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星資源監(jiān)測(cè)、全民生態(tài)保護(hù)等各類(lèi)子系統(tǒng)，積極賦能智慧林場(chǎng)建設(shè)。

系統(tǒng)建成后，要根據(jù)當(dāng)前使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題不斷進(jìn)行優(yōu)化：一是加強(qiáng)園區(qū)管理和巡護(hù)人員的培訓(xùn)考核，特別要加強(qiáng)系統(tǒng)手機(jī)端的操作技能學(xué)習(xí)，熟悉地表火探測(cè)器位置。二是根據(jù)園區(qū)工作實(shí)際需要，通盤(pán)考慮森林防火重點(diǎn)區(qū)域、人流密集區(qū)和新建設(shè)的廣西森林博物館、火車(chē)風(fēng)情園等景點(diǎn)，補(bǔ)充地表火探測(cè)器，提高森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)控覆蓋面。