劉艷朋,楊寶祝,王元?jiǎng)?/p>
(1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,北京100048;2.國(guó)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)
森林是人類(lèi)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(jì)其數(shù),由此帶來(lái)的損失巨大。因此,對(duì)森林火災(zāi)做直接有效的監(jiān)測(cè),做到防患于未然,可以更好地進(jìn)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(wú)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(tái)受軌道的限制[3];文獻(xiàn)[4]中說(shuō)明的關(guān)于火災(zāi)報(bào)警硬件上的不兼容性。因此必須針對(duì)具體區(qū)域的森林情況,合理分析各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),并最終選擇出合適的技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)、完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、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(jì)防火系統(tǒng)可以使系統(tǒng)更加靈活。
現(xiàn)有的系統(tǒng)有王春雷等設(shè)計(jì)的基于無(wú)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(duì)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的林火熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,然后基于Mapgis地理信息系統(tǒng)對(duì)預(yù)處理過(guò)的林火熱點(diǎn)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)在這其中應(yīng)用也很廣泛,如:馬科等設(shè)計(jì)的基于移動(dòng)平臺(tái)的火災(zāi)短信報(bào)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(gè)或其中幾個(gè)方面,沒(méi)有做到對(duì)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(gè)防火工作形成一個(gè)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。
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念,整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型如圖1所示。
圖1 設(shè)計(jì)模型
根據(jù)圖1所示,需要增加關(guān)鍵點(diǎn)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(gè)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(lái)源,針對(duì)目標(biāo)區(qū)域的森林進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。同時(shí),這些外圍設(shè)備通過(guò)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(yùn)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(gè)系統(tǒng)中涉及的各種設(shè)備,物理上彼此獨(dú)立,功能上相互融合。從獨(dú)立性上說(shuō),各種設(shè)備通過(guò)專(zhuān)用的線路進(jìn)行連接,并分別增加獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)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(gè)模塊發(fā)生問(wèn)題時(shí),可以把問(wèn)題設(shè)備與系統(tǒng)分離進(jìn)行檢查,這樣就減小了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。從融合性上看,各種存儲(chǔ)設(shè)備最終通過(guò)Web服務(wù)器合理的集成到了一起,方便各個(gè)模塊發(fā)揮自己的作用,并結(jié)合其它模塊對(duì)整個(gè)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(yùn)行。
為了系統(tǒng)流程的清晰性、系統(tǒng)的健壯性及擴(kuò)展性,將整個(gè)系統(tǒng)采用業(yè)界領(lǐng)先的多層架構(gòu)設(shè)計(jì),如圖3所示。
圖2 森林防火項(xiàng)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(gè)系統(tǒng)以Web端作為系統(tǒng)管理接口,手機(jī)作為實(shí)時(shí)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(jī)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(gè)子系統(tǒng)整合,構(gòu)建統(tǒng)一的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)間、降低損失。
底層技術(shù)支持作為整個(gè)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(yùn)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(shí)完成與數(shù)據(jù)服務(wù)層的交互,利用數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)源,將不同的數(shù)據(jù)分庫(kù)存儲(chǔ)來(lái)保證數(shù)據(jù)的獨(dú)立和安全。
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(shí)驗(yàn)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?yàn)榛贗P網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)之間提供多媒體信息的統(tǒng)一控制平臺(tái)。該項(xiàng)技術(shù)利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)多媒體信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和控制。該項(xiàng)技術(shù)集軟硬件于一體,涉及到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控設(shè)備、多媒體信息處理等技術(shù)。
項(xiàng)目通過(guò)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(xiàng)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(duì)撲火隊(duì)伍在調(diào)度過(guò)程中撲火力量行進(jìn)位置不能及時(shí)掌控,延誤最佳撲救火戰(zhàn)機(jī)的情況,研究建立一個(gè)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?chē)輛的動(dòng)態(tài)位置(經(jīng)度與緯度)、時(shí)間和狀態(tài)等信息,實(shí)時(shí)地通過(guò)無(wú)線通信鏈路傳送至指揮中心,而后在具有地理信息查詢(xún)功能的電子地圖上進(jìn)行移動(dòng)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示,并對(duì)車(chē)輛位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向和車(chē)輛狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢(xún),解決現(xiàn)有的指揮調(diào)度系統(tǒng)無(wú)法覆蓋山區(qū)及林區(qū)的問(wèn)題,為指揮撲救車(chē)輛調(diào)度、警用車(chē)輛及防火車(chē)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(xiàng)技術(shù)主要通過(guò)Flex框架以及地圖API接口集成到系統(tǒng)中。
1.3.4 森林火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)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(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸并存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)?;跉庀髷?shù)據(jù)及以前火災(zāi)的記錄,建立用于森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的模型,這樣就能夠根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的氣象信息,計(jì)算每天的森林防火等級(jí),以此來(lái)判斷發(fā)生火災(zāi)的可能性。此外,火險(xiǎn)等級(jí)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(lèi)型和狀態(tài)等區(qū)域特點(diǎn),通過(guò)遙感數(shù)據(jù)反映地表可燃物狀態(tài)類(lèi)型及含水量等狀態(tài)信息,結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào),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(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型。
通過(guò)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(kù),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(shí)現(xiàn)火點(diǎn)準(zhǔn)確位置快速定位。另外,在信息平臺(tái)中通過(guò)讀取兩個(gè)以上塔樓中云臺(tái)方位角,也可實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)的快速定位?;瘘c(diǎn)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(shí),利用實(shí)時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與火場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù),在火行為預(yù)報(bào)模型支持下,描繪林火的動(dòng)態(tài)形狀。并通過(guò)相關(guān)的公式預(yù)算出林火初始蔓延速度、火線強(qiáng)度、火焰高度、火場(chǎng)面積、有效可燃物數(shù)量等火行為參數(shù),迅速地掌握火點(diǎn)周?chē)纳仲Y源及消防隊(duì)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(duì)間協(xié)同指揮作戰(zhàn)。
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程選用Windows 2003操作系統(tǒng),并且利用MyEclipse開(kāi)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(kù)部分采用Oracle 9i。
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(gè)子系統(tǒng),如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)功能
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(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)。其中視頻監(jiān)控負(fù)責(zé)整個(gè)區(qū)域的森林監(jiān)控,可以查看各個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)已存儲(chǔ)視頻和實(shí)時(shí)視頻的信息,發(fā)現(xiàn)異常動(dòng)向可以上報(bào)并做出決策。
火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)通過(guò)自動(dòng)讀取和手工錄入兩種方式對(duì)氣象信息進(jìn)行存儲(chǔ),這樣就可以最大限度的保證系統(tǒng)的健壯性。同時(shí),根據(jù)上報(bào)的天氣情況計(jì)算防火等級(jí),當(dāng)防火等級(jí)到達(dá)設(shè)定值時(shí),可以發(fā)出預(yù)警警報(bào)。
森林火災(zāi)撲救子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)林火撲救過(guò)程中的決策及調(diào)度工作,包括火行為預(yù)報(bào)、林火撲救、GPS定位和實(shí)時(shí)信息發(fā)布。其中火行為預(yù)報(bào)根據(jù)溫度(攝氏度)、風(fēng)速(米/秒)、可燃物類(lèi)型、坡度(度)、山火類(lèi)型、火蔓延時(shí)間(分鐘)和齡組來(lái)預(yù)測(cè)火的初期蔓延速度、火線火強(qiáng)度、火焰高度、火場(chǎng)面積和火場(chǎng)周邊長(zhǎng)。并且根據(jù)預(yù)測(cè)信息計(jì)算所需的防火兵力。這樣就可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí),及時(shí)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(cè)點(diǎn)及視頻信息定位著火點(diǎn),根據(jù)具體的地形,計(jì)算能夠在最快時(shí)間趕到的撲火隊(duì),并及時(shí)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(diǎn)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(jìn)路線,指導(dǎo)下一步的撲救工作。
實(shí)時(shí)信息發(fā)布則完成了對(duì)防火預(yù)警信息、林火撲救信息等的防火信息的實(shí)時(shí)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(gè)功能模塊相互交叉,彼此補(bǔ)充,從而保證了在林火發(fā)生時(shí)能夠更加有效的組織林火撲救,而不至于引文某個(gè)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。
日常管理子系統(tǒng)主要完成對(duì)防火相關(guān)信息的維護(hù),包括損失評(píng)估、歷史預(yù)報(bào)、物資管理、塔樓管理、消防隊(duì)管理和防火人員管理模塊。其中損失評(píng)估模塊根據(jù)林火特征、林木類(lèi)型、損害類(lèi)型等信息確定由于火災(zāi)所造成的損失。文獻(xiàn)[10]給出了相關(guān)計(jì)算方法。
歷史預(yù)報(bào)模塊對(duì)以前發(fā)生的火災(zāi)進(jìn)行詳細(xì)的記錄,這樣就可以逐步的建造一個(gè)火災(zāi)發(fā)生知識(shí)庫(kù),對(duì)于以后系統(tǒng)的擴(kuò)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(duì)管理和防火人員管理是對(duì)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(shí)更新,這樣才能夠做到有備無(wú)患,在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠有條不紊的調(diào)用相關(guān)的物資及防火隊(duì)進(jìn)行林火撲救。
在系統(tǒng)中使用的氣象數(shù)據(jù)說(shuō)明見(jiàn)表1。
表1 氣象數(shù)據(jù)
利用黑龍江森林保護(hù)研究所設(shè)計(jì)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(lái)完成森林火險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)測(cè),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(shí)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(gè)時(shí)間段的平均降雨量。此模型預(yù)測(cè)中采用的是前一天的平均降雨量。
另一個(gè)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(kù)中的風(fēng)速根據(jù)轉(zhuǎn)化表轉(zhuǎn)化成風(fēng)力等級(jí)。
火災(zāi)預(yù)測(cè)模型接手的數(shù)據(jù)來(lái)源有兩種:一是自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù),得到不同傳感器的數(shù)據(jù);二是通過(guò)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(duì)傳感器感知精度的問(wèn)題而設(shè)立的,這樣就能做到對(duì)任何區(qū)域通過(guò)其他方式得到數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
圖5 森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)
自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)方式利用不同傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè),首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,當(dāng)對(duì)固定地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),需要根據(jù) “站點(diǎn)編號(hào)”屏蔽其他傳感器的數(shù)據(jù),利用單站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè);當(dāng)對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)則要綜合考量各個(gè)傳感器數(shù)據(jù),根據(jù)傳感器與區(qū)域中心點(diǎn)的距離,賦予不同傳感器不同的權(quán)值,然后根據(jù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)與站點(diǎn)權(quán)值的乘積得到本站點(diǎn)的數(shù)據(jù),然后加和即可得到預(yù)測(cè)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(jiàn)表2。
表2 預(yù)測(cè)結(jié)果
從上表可以看出,通過(guò)火災(zāi)預(yù)測(cè)模型得到的火險(xiǎn)等級(jí)與中央氣象臺(tái)的發(fā)布結(jié)果一致。但是通過(guò)系統(tǒng)中的火災(zāi)預(yù)測(cè)模型可以針對(duì)不同時(shí)段不同地域進(jìn)行預(yù)測(cè),這樣就可以非常方便的得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),方便監(jiān)測(cè)。
目前,系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)完成,并已經(jīng)部署運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖6所示。
利用前述的理論及其框架,編寫(xiě)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(zhǎng)城景區(qū)附近森林為目標(biāo)區(qū)域,以 “預(yù)警機(jī)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(yùn)行。
圖6 成型系統(tǒng)
在此系統(tǒng)中實(shí)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(yùn)用了計(jì)算機(jī)主流信息技術(shù),整合了氣象觀測(cè)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。
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(lái)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(yùn)行故障給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的影響。最大限度的保證系統(tǒng)的健壯。同時(shí),系統(tǒng)實(shí)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(gè)系統(tǒng)中。
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