基于物聯網平臺的中小型林場智慧化防火系統建設策略

花志芳，沈江林*

（1.涼山州喜德縣東西河國有林場 四川，涼山 616750；2.四川天藝致遠物聯網科技有限公司 四川，成都 610000）

1 緒論

林場火災對國家及人民存在巨大的危害性，火災一旦發生將會造成無可估計的經濟損失以及對生態環境嚴重的破壞，更為嚴重時將會危及到人的生命。2019 年3月30 日18 時許四川省涼山州木里縣雅礱江鎮立爾村發生“3.30”木里縣森林火災，死亡人數包括27 名森林消防隊員和3名地方干部群眾。第二年相同時間，四川省涼山州西昌市瀘山發生森林火災，大火造成19人不幸遇難，包括18名涼山州寧南縣打火隊隊員，1名當地向導，過火面積超過1000 公頃，造成經濟損失不計其數。悲劇發生暴露出我國對于林場防火的對策缺乏有效手段的問題，其實長久以來，我國的研究者從未停止過對于林場防火的對策研究，例如王霓虹提出的基于WEB 與3S 技術的森林防火智能決策支持系統、溫小榮等提出的GIS與林業防火的結合以及魯紹偉等提出的根據林分因子分析及燃燒性分量等級制定森林健康經營實施方案等，但是這些研究成果應用于大型林場或森林，相對較為高屋建瓴，針對中小型林場情況較難實現，而經過50多年的建設，全國國有林場總數已達到4507 個，中小型林場占其中絕大多數，如何針對這些中小型林場進行持續有效的防火系統建立是當下亟待解決的問題。2013 年8 月，國家林業局印發了《中國智慧林業發展指導意見》，明確指出，智慧林業是指充分利用云計算、物聯網、大數據、移動互聯網等新一代信息技術，通過感知化、物聯化、智能化等手段，形成林業立體感知、管理協同高效、生態價值凸顯、服務內外一體的林業發展新模式。而目前，我國在十四五”規劃中明確要求要按照資源環境承載能力合理確定城市規模和空間結構，統籌安排城市建設、產業發展、生態涵養等，同時要推進新型智慧城市建設，將物聯網感知設施、通信系統等納入公共基礎設施統一規劃建設，推進市政公用設施、建筑等物聯網應用和智能化改造，因此如何結合新型信息技術融入特殊的林場公共資源成為了亟待解決的問題。

2 中小型林場森林火災預防現狀及存在問題

2.1 預防現狀

據有關數據統計，我國火災分為人為和自然災害兩種起火原因，而中小型林場又由于多數接近居民生活區，常有人類在其中進行活動，因此主要由人為因素引發火災，近年來，由于頻繁發生森林火災，國家加大了對森林防火的制度建設，目前中小型林場中設置了相對比較完善的瞭望臺，瞭望臺必須配備專門的職工進行不間斷輪班看護，尤其是在防火期，基本上做到了24小時值班，在目前林場火情的預報和預警中能夠起到比較重要的作用。在林場突發火災時，為了能有足夠的防火機具進行滅火工作，國家要求林場至少配備風力滅火器、滅火彈、鐵鍬以及水桶和防火服等基本工具；同時為了確保中小型林場中的實時通信，國家規定林場必須配備固定電話、無線電話以及對講機等通訊設備，基本能夠保證整個林場在防火救火時的通訊需求。國家還要求當地政府部門加強與中小型林場之間的溝通與聯系，火災發生時，當地政府部門能夠快速協調、調動周圍的鄉村、駐軍、機關單位以及社會力量進入林場，及時進行救火。每年的早春、秋冬季節是火災高發期，中小型林場救火隊伍除了林場正常的值班外會分成幾個小組輪流進行巡邏。

2.2 存在問題

2.2.1 防火設施裝備落后 護林防火其中的一個關鍵因素在于防火救火裝備，要建立起精良的防火隊伍，就必須要有相應的資金、物資投入。近年來國家對林場保護意識逐漸加強，出臺了多項保護、扶持林場政策，但由于落實到中小型林場需要一定的時間，因此目前中小型林場面臨入不敷出的困境，普遍有以下幾種情況發生：

第一，中小型林區由于資金短缺，林區內消防通道建設落后，在發生火情后護林員不能及時趕到火災所在地，極易發生錯過最佳救火時間的情況。

第二，護林員配備通訊設備相對簡陋，一般中小型林場通訊信號不佳，護林員通訊設備直接決定了火災現場的交流溝通效率，如果未能及時進行溝通協調，護林員往往不能形成有效的救火力量，甚至可能會使個別人員出現危險情況難以進行有效救援。

2.2.2 人員活動量大 由于中小型林場多數靠近居民活動區，在實際防火工作中，由于宣傳力度不到位，以及護林防火人手匱乏問題，且群眾對林場防火缺乏必要的防火意識，因此林場中經常出現人群活動的生活痕跡，而廣大群眾把護林防火歸為政府責任，比較缺乏自覺的防火意識，常常出現在林場中生火、亂扔火源等現象，繼而引發林場火災，由此引發的森林火災預見難度大，火災的突發性、蔓延性極強，且此類引發火災將會帶來更大的群眾安全隱患。

2.2.3 預警機制差 火災的撲救預警技術是防火工作中的關鍵性因素。首先，需要建立森林火災阻隔設施和森林火災應急撲救隊伍，做好物資儲備以及相關撲救裝備、設施的完善工作，建立完善的林業管理機制，以及與省市縣各級別監管部門的防火網絡體系。其次，加強森林消防隊伍的建設，提高執行任務撲救隊伍的專業性，加強對各個撲救單位的合理配置，在科學建設撲救隊伍的基礎上，確保其專業能力能夠滿足實際的工作要求。

中小型林場由于森林火災應急撲救隊伍人員數量少，相關撲救裝備、設施不完善，以及未建立科學的森林火險監測預警系統，在林場火災發生時無法及時進行預警處理，因此需要建立一個適合中小型林場的科學、完善的火災防火預警機制。

3 基于物聯網平臺的中小型林場智慧化防火系統

為了實現對中小型林場森林火災的管理、預防、預測和有效控制等目標要求，收集林場氣象、地理數據等，布置物聯網監測網點，根據林場防火特性進行物聯網平臺系統功能設計，通過采集的數據集成到建立的物聯網平臺進行神經網絡模型訓練，得出火災對應的閾值和權值，通過實時的數據反饋及時對護林管理人員進行預警信息的傳遞，具體實施路線如圖1所示。

圖1 系統的開發路線

3.1 建立數據網點庫

數據網點庫是綜合了存儲、查詢、管理、訓練數據的基礎集合，是實現中小型林場火災智慧化防火系統所有功能的數據基礎，數據網點庫的建立需要將林場現有可用的信息，例如林場地理地形數據與林場布置的物聯網傳感器監測點監測的數據進行有機結合，方能發揮他的潛在價值。

中小型林場由于相對使用面積較大，所需的物聯網傳感器監測布置方式盡量使用無線傳感器網（WSN），該網絡能夠進行遠程、無線地實時監測、采集和處理節點分布區域內的各種環境或監測對象的數據信息，通過無線通信的方式將處理后的數據發送到特定的網絡位置，以實現對整個林場的物理或環境狀況的協作監測，并根據此類基礎信息進行相應的分析決策。為了獲取更為精確大量的數據，在林場通過需要部署大量傳感器節點，中小型林場可根據自身需要進行合理的組網布置。

3.2 開發電腦端WEB可視化物聯網系統

中小型林場智慧化防火物聯網平臺建設，主要依托GIS地理模型、物聯網、無線通訊網絡、虛擬引擎的發展基礎，構建一個全方位的可視化中小型智慧林場基礎監控平臺，是中小型林場實現智慧化管理的根本，包含了服務器設施層的建設、中小型林場網絡設施層建設及信息感知采集終端層建設三個部分。

服務器可采用MySQL 關系型數據庫進行服務器部署，適應廣泛應用場景，并且由于中小型林場智慧化防火物聯網平臺的數據需要保持高度的一致性，因此MySQL關系型數據庫是筆者認為最佳的選擇；林場網絡設施層建設主要是構建覆蓋林場各科室的內網（局域網）及外網（廣域網）建設；林場無線GPS網絡建設，實現林場林區范圍內無線信號全覆蓋；信息感知采集終端層建設主要通過在林場進行散布式安置各種傳感設備（土壤傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器、煙感傳感器等）、監控設備（攝像頭、追蹤器等）、移動設備（GNSS、平板電腦、手機等），同時在火災隱患點、易發點區域追加安裝更為密集的布控設施。

根據護林管理人員的需求，電腦端WEB物聯網系統需具備信息查詢、可視化預警信息顯示、林站設備調用和設置環境預警閾值等功能，信息查詢包含查詢時間、參數選擇、查詢結果顯示等基礎功能；可視化預警信息顯示及設置環境預警閾值是由傳感器采集到的環境監測參數達到閾值時就可根據林場GIS地理模型顯示三維預警位置，并同時向護林管理人員手機端發送警報信息，以便管理人員及時采取相應措施；林站設備調用則是將林場防火設備信息錄入，可根據系統顯示設備調用等信息（如圖2所示）。

圖2 中小型林場智慧化防火物聯網平臺結構圖

3.3 基于物聯網終端數據進行火災預測分析

通過搭建的物聯網可視化系統，實時監測中小型林場土壤溫濕度、空氣溫濕度、降雨量、光照強度等數據，通過數據庫進行數據分類調取，并通過卷積神經網絡進行計算機深度學習實現中小型林場動態的智能分析，自動識別出火情預警的危險性大小及發生位置，報警并提示相關工作人員，給予對于撲火救火的精準決策分析；同時根據系統收集二氧化硫、PM2.5、負氧離子等林場環境指數，分析計算并生成可量化的火災預警分析報告。

4 小結

中小型林場智慧化防火物聯網平臺，可以采用“地理信息數據庫+林業基礎數據庫+林業防火資源庫”的構架體系，通過建立中小型林場可視化物聯網數據監管平臺實現數據查詢、模擬分析、數據預警、視頻監控、應急指揮、快速決策等，同時能夠多方位多角度下進行森林火災預防管控，從而為森林火險的預測、火情的定位、火災的撲救、撲火的指揮以及災后的評估提供良好的技術支撐和決策依據，改進了傳統的中小型林場防火模式，同時也促進了林場信息化的進程，使得中小型林場智慧化監管成為可能。