王楊

(黑龍江省自然資源權(quán)益調(diào)查監(jiān)測(cè)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在過去的十幾年間，移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較快增長(zhǎng)，4G技術(shù)不斷成熟，在高清視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)等方面為森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行管理提供了重要保障。5G時(shí)代下，高清、智能依然是森林監(jiān)控發(fā)展的主旋律，并將廣泛應(yīng)用在生態(tài)建設(shè)與保護(hù)相關(guān)行業(yè)，促進(jìn)林業(yè)防火綜合監(jiān)控系統(tǒng)不斷升級(jí)。

1 5G技術(shù)及其特征

第1代移動(dòng)通信技術(shù)解決了電話通信問題，第2代移動(dòng)通信技術(shù)解決了短信發(fā)送問題，第3代移動(dòng)通信技術(shù)解決了移動(dòng)端上網(wǎng)和音頻傳輸問題，第4代移動(dòng)通信技術(shù)解決了視頻傳輸問題，5G則會(huì)突破時(shí)空限制，帶來超高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸和極致的現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)感。與4G相比，5G主要特征包括：(1)更高速率。5G峰值速率理論值可達(dá)20 G·s-1，靜值速率可達(dá)10 g·s-1，即不到1 s就可以傳輸10G的監(jiān)控視頻，極大滿足高清監(jiān)控視頻、AR/VR視頻傳輸?shù)男枰?2)更低延時(shí)。5G的空中接口延時(shí)水平理論值約1 ms，是4G的1/10，可以滿足對(duì)森林資源的自動(dòng)監(jiān)控、智能遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能噴淋系統(tǒng)、智能遙感技術(shù)以及其他多用戶、多點(diǎn)、多天線的系統(tǒng)協(xié)同。(3)更廣覆蓋。5G的網(wǎng)絡(luò)容量較大，具備連接千億設(shè)備的承載能力，可將信號(hào)覆蓋到邊遠(yuǎn)林區(qū)和更廣泛的區(qū)域，流量密度和連接數(shù)密度大幅提升。屆時(shí)，森林資源管理中心體驗(yàn)速率可達(dá)到100 Mbit·s-1。此外，5G技術(shù)還具有效率高、容量大、安全可靠性和靈活性較強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足各類森林資源安全防控需求。

2 5G技術(shù)在森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 5G技術(shù)在森林防火視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

傳統(tǒng)森林防火監(jiān)控多采用“防火視頻+人工監(jiān)控”方式，由防護(hù)人員24 h值守于森林監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控效率和監(jiān)控質(zhì)量不高。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為大勢(shì)所趨?；?G技術(shù)且兼容有線、無線網(wǎng)絡(luò)的智能化大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以做到智能監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警、智能傳輸、智能指揮，監(jiān)控人員能夠直接對(duì)所監(jiān)控的林區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，聽到報(bào)警后第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情，并在監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下組織開展救援，防止火情蔓延?；?G速率高的特點(diǎn)，在森林防火監(jiān)控過程中將會(huì)促進(jìn)畫面內(nèi)容傳輸?shù)牡脱舆t甚至無感遲延傳輸。通過實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)及其兩個(gè)子協(xié)議RTP和RTCP，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端傳送服務(wù)，使重大森林火情時(shí)時(shí)畫面延遲控制在1 s以內(nèi)，監(jiān)控中心人員將獲得火情的極速傳輸，為撲救森林火災(zāi)贏得寶貴時(shí)間。同時(shí)，基于5G帶寬容量大的特征，在森林防火監(jiān)控過程中將會(huì)傳輸超高清火情畫面，這些畫面還可被作為制作4K高清、VR、AR畫面的原始素材，以便于林業(yè)科研人員的研究使用。

2.2 5G技術(shù)在輸電線路防山火預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

森林需要防范山火，輸電線路引起的森林火災(zāi)也需要防范。由于火源、可燃物、火險(xiǎn)天氣等風(fēng)險(xiǎn)影響，跨越森林的輸電管線有許多火災(zāi)方面的不可測(cè)和不可控因素。尤其是我國南方地區(qū)空氣濕度較大，雷電天氣造成輸電線路起火事故頻發(fā)，導(dǎo)致高壓交流線路故障停運(yùn)事故。如涼州山火(雷擊火)事件，不僅損失了大量的林木資源，還造成30位消防員失去生命，損失慘重。目前森林山火主要采用人工定期巡檢，但由于林地情況復(fù)雜，巡查面積較大，單純通過人員巡查不能滿足及時(shí)、快速、安全防范的要求。也有運(yùn)用氣象雷達(dá)、衛(wèi)星紅外遙感等技術(shù)方式監(jiān)控森林火災(zāi)，但上述方式只適用于規(guī)模較大的山火，不適用于輸電線路上小規(guī)模雜草火和灌木火，而這些小規(guī)模山火也能夠引發(fā)輸電線路跳閘，存在安全隱患。因此，通過輸電線路防山火預(yù)警監(jiān)控中心系統(tǒng)與5G相結(jié)合，將會(huì)是森林火災(zāi)監(jiān)控的一項(xiàng)重要變革。

3 基于5G技術(shù)的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理

3.1 5G技術(shù)下森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

在當(dāng)前主流3G、4G技術(shù)下，對(duì)于林業(yè)防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在：(1)鋪設(shè)線纜。(2)采用微波或者3G、4G進(jìn)行傳輸，使用無線網(wǎng)橋或者 3G、4G 視頻服務(wù)器，傳輸信號(hào)的兩端及其傳輸管線利用無線網(wǎng)橋搭建無線鏈路，將設(shè)置在山林各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)前端的圖像捕捉設(shè)備拍攝到的火情畫面及控制數(shù)據(jù)，通過無線微波鏈路設(shè)備，向森林防火預(yù)警監(jiān)控中心進(jìn)行傳輸，熱源探測(cè)系統(tǒng)指揮中心接到信號(hào)后，采取必要的處理措施處置火情。

以上兩種傳輸模式，線纜架設(shè)費(fèi)用較大，視頻大小以720 P為主，而3G、4G 網(wǎng)絡(luò)不能實(shí)現(xiàn)更高的(1 080 P)視頻傳輸?shù)囊?。?G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)更高速率、更寬頻譜資源的需求。森林防火需要較高的速度要求，當(dāng)前前端攝像頭拍攝到的視頻傳輸至中心控制系統(tǒng)的時(shí)間如果有1 ms以上的延遲，都會(huì)造成防火響應(yīng)的延誤。相對(duì)于3G、4G 網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)的時(shí)延要求提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的全面升級(jí)和火情安全防控效率的提升有重要意義。

3.2 5G技術(shù)在輸電線路防山火預(yù)警系統(tǒng)中的工作原理

森林中的萬物每時(shí)每刻都在持續(xù)不斷向周圍釋放熱輻射與電磁波，其輻射的紅外能量與林木表面的溫度呈正相關(guān)關(guān)系。利用紅外熱成像技術(shù)，對(duì)數(shù)公里之內(nèi)的森林火源進(jìn)行全自動(dòng)探測(cè)，對(duì)可見光煙火進(jìn)行二次識(shí)別確認(rèn)。發(fā)生火情時(shí)，熱成像探測(cè)器組件可探測(cè)并識(shí)別出現(xiàn)場(chǎng)溫度高于日常環(huán)境溫度，采集并輸出的信號(hào)值升高，發(fā)出預(yù)警信號(hào)并將其反饋至監(jiān)控中心。其工作原理如圖 2 所示。

輸電線路防山火預(yù)警系統(tǒng)目前主要采用3G、4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋。不同于3G、4G 網(wǎng)絡(luò)，5G采用大規(guī)模多天線技術(shù)、動(dòng)態(tài)TDD、SDD、NFV等技術(shù)構(gòu)成了5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使輸電線路與監(jiān)控中心之間的網(wǎng)絡(luò)部署更靈活。將其應(yīng)用在防森林山火預(yù)警中，將解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、采集視頻的時(shí)時(shí)傳輸和火情視頻資料的海量存儲(chǔ)，還可以探索利用5G+VR、5G+4K高清技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火勢(shì)畫面的多元化展示，以更加有利于火情發(fā)生前的預(yù)警決策，火情發(fā)生時(shí)的指揮救援和火情發(fā)生后的科學(xué)研究。

4 結(jié)語

5G技術(shù)對(duì)森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局帶來了難得的發(fā)展機(jī)遇。林業(yè)規(guī)劃與管理部門要積極布局5G領(lǐng)域，不斷引進(jìn)新技術(shù)和新應(yīng)用，主動(dòng)推動(dòng)森林防火監(jiān)控系統(tǒng)與5G系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)集成，加強(qiáng)5G安防立體化布局。可以預(yù)見，5G將為林業(yè)安防工作的現(xiàn)代化和信息化注入更多活力。