基于5G技術的森林防火監控系統內在機理與應用分析

王楊

(黑龍江省自然資源權益調查監測院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著云存儲、大數據、互聯網技術的不斷發展，在過去的十幾年間，移動通信技術實現了較快增長，4G技術不斷成熟，在高清視頻監控、數據傳輸與存儲等方面為森林防火監控系統的運行管理提供了重要保障。5G時代下，高清、智能依然是森林監控發展的主旋律，并將廣泛應用在生態建設與保護相關行業，促進林業防火綜合監控系統不斷升級。

1 5G技術及其特征

第1代移動通信技術解決了電話通信問題，第2代移動通信技術解決了短信發送問題，第3代移動通信技術解決了移動端上網和音頻傳輸問題，第4代移動通信技術解決了視頻傳輸問題，5G則會突破時空限制，帶來超高速的網絡傳輸和極致的現場體驗感。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20 G·s-1，靜值速率可達10 g·s-1，即不到1 s就可以傳輸10G的監控視頻，極大滿足高清監控視頻、AR/VR視頻傳輸的需要。(2)更低延時。5G的空中接口延時水平理論值約1 ms，是4G的1/10，可以滿足對森林資源的自動監控、智能遠程監控、智能噴淋系統、智能遙感技術以及其他多用戶、多點、多天線的系統協同。(3)更廣覆蓋。5G的網絡容量較大，具備連接千億設備的承載能力，可將信號覆蓋到邊遠林區和更廣泛的區域，流量密度和連接數密度大幅提升。屆時，森林資源管理中心體驗速率可達到100 Mbit·s-1。此外，5G技術還具有效率高、容量大、安全可靠性和靈活性較強的特點，滿足各類森林資源安全防控需求。

2 5G技術在森林防火監控系統的應用場景

2.1 5G技術在森林防火視頻監控中的應用

傳統森林防火監控多采用“防火視頻+人工監控”方式，由防護人員24 h值守于森林監控系統，監控效率和監控質量不高。近年來，隨著互聯網+技術的不斷發展，現代化、數字化、網絡化的綜合監控系統已經成為大勢所趨。基于5G技術且兼容有線、無線網絡的智能化大型視頻監控系統可以做到智能監測、智能預警、智能傳輸、智能指揮，監控人員能夠直接對所監控的林區進行實時監控，聽到報警后第一時間發現火情，并在監控系統的輔助下組織開展救援，防止火情蔓延。基于5G速率高的特點，在森林防火監控過程中將會促進畫面內容傳輸的低延遲甚至無感遲延傳輸。通過實時傳輸協議(RTP)及其兩個子協議RTP和RTCP，實現端對端傳送服務，使重大森林火情時時畫面延遲控制在1 s以內，監控中心人員將獲得火情的極速傳輸，為撲救森林火災贏得寶貴時間。同時，基于5G帶寬容量大的特征，在森林防火監控過程中將會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，以便于林業科研人員的研究使用。

2.2 5G技術在輸電線路防山火預警系統中的應用

森林需要防范山火，輸電線路引起的森林火災也需要防范。由于火源、可燃物、火險天氣等風險影響，跨越森林的輸電管線有許多火災方面的不可測和不可控因素。尤其是我國南方地區空氣濕度較大，雷電天氣造成輸電線路起火事故頻發，導致高壓交流線路故障停運事故。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，但由于林地情況復雜，巡查面積較大，單純通過人員巡查不能滿足及時、快速、安全防范的要求。也有運用氣象雷達、衛星紅外遙感等技術方式監控森林火災，但上述方式只適用于規模較大的山火，不適用于輸電線路上小規模雜草火和灌木火，而這些小規模山火也能夠引發輸電線路跳閘，存在安全隱患。因此，通過輸電線路防山火預警監控中心系統與5G相結合，將會是森林火災監控的一項重要變革。

3 基于5G技術的森林防火視頻監控系統內在機理

3.1 5G技術下森林防火視頻監控系統的工作原理

在當前主流3G、4G技術下，對于林業防火視頻監控系統的技術應用主要體現在：(1)鋪設線纜。(2)采用微波或者3G、4G進行傳輸，使用無線網橋或者 3G、4G 視頻服務器，傳輸信號的兩端及其傳輸管線利用無線網橋搭建無線鏈路，將設置在山林各個檢測點前端的圖像捕捉設備拍攝到的火情畫面及控制數據，通過無線微波鏈路設備，向森林防火預警監控中心進行傳輸，熱源探測系統指揮中心接到信號后，采取必要的處理措施處置火情。

以上兩種傳輸模式，線纜架設費用較大，視頻大小以720 P為主，而3G、4G 網絡不能實現更高的(1 080 P)視頻傳輸的要求。將5G網絡應用于森林防火視頻監控系統，可實現更高速率、更寬頻譜資源的需求。森林防火需要較高的速度要求，當前前端攝像頭拍攝到的視頻傳輸至中心控制系統的時間如果有1 ms以上的延遲，都會造成防火響應的延誤。相對于3G、4G 網絡，5G網絡毫秒級的時延要求提高了近兩個數量級，對森林防火視頻監控系統的全面升級和火情安全防控效率的提升有重要意義。

3.2 5G技術在輸電線路防山火預警系統中的工作原理

森林中的萬物每時每刻都在持續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關系。利用紅外熱成像技術，對數公里之內的森林火源進行全自動探測，對可見光煙火進行二次識別確認。發生火情時，熱成像探測器組件可探測并識別出現場溫度高于日常環境溫度，采集并輸出的信號值升高，發出預警信號并將其反饋至監控中心。其工作原理如圖 2 所示。

輸電線路防山火預警系統目前主要采用3G、4G 網絡覆蓋。不同于3G、4G 網絡，5G采用大規模多天線技術、動態TDD、SDD、NFV等技術構成了5G核心網絡架構，可以改善網絡覆蓋，使輸電線路與監控中心之間的網絡部署更靈活。將其應用在防森林山火預警中，將解決網絡覆蓋率、采集視頻的時時傳輸和火情視頻資料的海量存儲，還可以探索利用5G+VR、5G+4K高清技術，實現火勢畫面的多元化展示，以更加有利于火情發生前的預警決策，火情發生時的指揮救援和火情發生后的科學研究。

4 結語

5G技術對森林防火監控系統的設計和布局帶來了難得的發展機遇。林業規劃與管理部門要積極布局5G領域，不斷引進新技術和新應用，主動推動森林防火監控系統與5G系統進行技術集成，加強5G安防立體化布局。可以預見，5G將為林業安防工作的現代化和信息化注入更多活力。