廣東省龍眼洞林場(chǎng)5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳富強(qiáng) 何瑩泉 王巧天 郭勇 洪維

廣東省龍眼洞林場(chǎng)5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳富強(qiáng)1，何瑩泉2，王巧天3，郭勇1，洪維1

（1.廣東省龍眼洞林場(chǎng)，廣東 廣州? 510520；2.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州? 510520；

3.廣東遠(yuǎn)景信息科技有限公司，廣東 廣州? 510115）

摘? 要：為守護(hù)綠水青山，保障森林生態(tài)安全，做好森林火災(zāi)預(yù)防及撲救工作至關(guān)重要。合理利用水可有效防治森林火災(zāi)，憑借5G通信的超可靠、低時(shí)延技術(shù)優(yōu)勢(shì)，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧控制系統(tǒng)，對(duì)龍眼洞林場(chǎng)進(jìn)行了1 km智慧噴淋防滅火林帶設(shè)計(jì)、建設(shè)和試驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)林火的24 h全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)防及撲滅。該項(xiàng)試驗(yàn)將水滅火與智能技術(shù)相結(jié)合，為國(guó)有林場(chǎng)等森林防滅火重點(diǎn)地區(qū)的防滅火提供了可推廣、可借鑒、可復(fù)制的參考方案。

關(guān)鍵詞：5G；自動(dòng)噴淋防滅火林帶；自動(dòng)噴淋技術(shù)；森林智能防滅火

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5；S762.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）01-0119-05

Design of 5G Smart Spraying Fire Prevention and Extinguishing Forest Belt System in Longyandong Forest Farm of Guangdong Province

CHEN Fuqiang1， HE Yingquan2， WANG Qiaotian3， GUO Yong1， HONG Wei1

（1.Longyandong Forest Farm of Guangdong Province， Guangzhou? 510520， China; 2.Forestry Investigating and Planning Institute of Guangdong Province， Guangzhou? 510520， China; 3.Guangdong Infoview Technology Co.， Ltd.， Guangzhou? 510115， China）

Abstract： In order to protect green mountains and lucid waters and ensure forest ecological security， it is essential to do a good job in forest fire prevention and fighting. Rational use of water can effectively prevent and control forest fires. With the super reliable and low delay technology advantage of 5G communication， relying on the Internet of Things technology and intelligent control system， this paper has designed， built and tested a 1 km smart spraying fire prevention and extinguishing forest belt in Longyandong Forest Farm. Which has systematically realized 24-hour automatic monitoring， prevention and extinguishment of forest fires. This test combines water fire fighting with intelligent technology， providing a reference scheme that can be popularized， used for reference and replicated for fire fighting in key areas of forest fire fighting such as state-owned forest farms.

Keywords： 5G; automatic spraying fire prevention and extinguishing forest belt; automatic spraying technology; forest intelligent fire-fighting

0? 引? 言

森林火災(zāi)是突發(fā)性高、持續(xù)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。一旦發(fā)生，會(huì)對(duì)森林資源、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)帶來(lái)非常嚴(yán)重的危害和損失。全球每年森林火災(zāi)發(fā)生20多萬(wàn)次，造成森林資源損失上百萬(wàn)公頃（hm2），占世界森林總面積的1%[1]，森林火災(zāi)預(yù)防和處置是世界性難題[2]。目前，森林火災(zāi)的預(yù)防與撲救主要還是依靠提高群眾防火意識(shí)、建設(shè)林火阻隔系統(tǒng)和人工防滅等，這些傳統(tǒng)的手段難以應(yīng)對(duì)當(dāng)前森林防滅火工作要求。

5G智慧森林自動(dòng)噴淋防滅火林帶技術(shù)則是廣東省森林生態(tài)旅游區(qū)森林防火系統(tǒng)集成研究在上述噴淋防火林帶技術(shù)的基礎(chǔ)上[3-5]，將5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和火警AI智能等高新技術(shù)與噴淋防火林帶技術(shù)融合，研究出基于5G的智慧自動(dòng)噴淋防滅火林帶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警的自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)高效協(xié)同的5G智慧防滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)森林火險(xiǎn)防控“自動(dòng)化”、滅火救援指揮“智能化”、日常森林防火及巡檢執(zhí)法“系統(tǒng)化”，進(jìn)一步提升森林防火重點(diǎn)地區(qū)火災(zāi)預(yù)警效能及防滅火水平[6]。

1? 林場(chǎng)防火概況

廣東省龍眼洞林場(chǎng)總面積1 622.15 hm2，其中林業(yè)用地面積1 560.02 hm2。林業(yè)用地中被列入為國(guó)家級(jí)、省級(jí)生態(tài)公益林的林地面積1 172.10 hm2。林地分散分布在廣州市天河區(qū)、白云區(qū)和黃埔區(qū)，森林覆蓋率94.32%，是廣州市轄區(qū)內(nèi)唯一的省屬?lài)?guó)有林場(chǎng)，是典型的城市型林場(chǎng)。主要植被類(lèi)型有常綠闊葉林、針闊混交林和人工植被。林中占優(yōu)勢(shì)的科主要是大戟科、蝶形花科、茜草科、樟科、桑科、殼斗科、山茶科等[7]。

龍眼洞林場(chǎng)的林地碎片化嚴(yán)重，林地周邊有學(xué)校、居民社區(qū)和工業(yè)園區(qū)，林地內(nèi)還有廣州知名的火龍鳳、火帽線等多條經(jīng)典徒步路線及多個(gè)自然教育機(jī)構(gòu)營(yíng)地，林區(qū)活動(dòng)的人員眾多，火源管理難度大，稍有不慎極易引發(fā)森林火災(zāi)。此外，林火阻隔系統(tǒng)不完善，生物防火林帶主要在山脊線，而林區(qū)道路、山腳、居民區(qū)交界地等容易失火的地方并未設(shè)防火林帶，這給森林防火工作帶來(lái)很大隱患。近幾年來(lái)，龍眼洞林場(chǎng)在“以水滅火”和“技防”方面加大資金投入，建設(shè)了20個(gè)森林消防水池（體），總?cè)莘e量達(dá)到6 000 m3；建設(shè)了一套具有視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能煙火識(shí)別和智能預(yù)警等功能的森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)。雖然在一定程度上提高了龍眼洞林場(chǎng)森林火災(zāi)預(yù)防和撲救能力，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防火和自動(dòng)滅火。

2? 系統(tǒng)構(gòu)成

5G智慧自動(dòng)噴淋防滅火林帶系統(tǒng)由取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和智慧控制系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)組成。5G智慧噴淋防火林帶系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.1? 取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)

取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)是將溪流或雨水收集、過(guò)濾處理后匯集到高位和低位消防水池中儲(chǔ)存，再通過(guò)管道連接噴淋系統(tǒng)用于森林消防。高位水池缺水時(shí)，通過(guò)消防水泵可以將低位水池水抽到高位水池補(bǔ)水，也可由消防車(chē)直接給高位和低位水池補(bǔ)水，保證消防水池不會(huì)缺水，使噴淋系統(tǒng)一直處于戰(zhàn)備狀態(tài)。

2.2? 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)由主管道、噴淋帶管道、93 ℃感溫噴頭、立式旋轉(zhuǎn)噴頭、雨淋閥、電磁閥、水壓檢測(cè)模塊和水位檢測(cè)模塊等組成。高位水池和低位水池由主管道聯(lián)通雨淋閥和噴淋帶管道，在噴淋帶管道上安裝立式旋轉(zhuǎn)噴頭，由雨淋閥和電磁閥控制噴淋動(dòng)作。

2.3? 預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)以及土壤溫濕度檢測(cè)模塊、空氣溫濕度檢測(cè)模塊、風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)模塊等模塊組成。預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將采集到的信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G通信技術(shù)傳輸?shù)街腔劭刂葡到y(tǒng)。

2.4? 智慧控制系統(tǒng)

智慧控制系統(tǒng)是根據(jù)5G超大帶寬（eMBB）、超低時(shí)延（uRLLC）、海量連接（mMTC）等技術(shù)特性[8]，將預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到的各種數(shù)據(jù)和信號(hào)回傳匯集到服務(wù)器。智慧控制系統(tǒng)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)和信號(hào)整合、算法分析，生成操作指令通過(guò)5G信號(hào)傳輸對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行智能控制防滅火，或向管理人員提供預(yù)警信息，由管理人員根據(jù)情況進(jìn)行人工控制防滅火。

3? 5G智慧自動(dòng)噴淋防火林帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)在龍眼洞林場(chǎng)場(chǎng)部工區(qū)的二林班（地名：豬頭石），林地面積40 hm2，森林植被豐富，植被由喬木、灌木、草本和藤條組成，包括馬尾松（Pinus massoniana）、濕地松（Pinus elliottii）、木荷（Schima superba）、黃桐（Endospermum chinense）、黧蒴錐（Castanopsis fissa）、馬占相思（Acacia mangium）、山烏桕（Triadica cochinchinensis）、錫葉藤（Tetracera sarmentosa）、芒萁（Dicranopteris pedata）等植物。森林郁閉度0.6，植被蓋度98%，枯枝落葉多，可燃物載量大，屬省級(jí)森林生態(tài)綜合示范園和火爐山森林公園范圍，在公園內(nèi)徒步、游憩和鍛煉的群眾非常多，是森林火險(xiǎn)重點(diǎn)防范區(qū)之一。

5G智慧自動(dòng)噴淋防火林帶系統(tǒng)由1套取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)、1套噴淋防火林帶系統(tǒng)、1套預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和1套智慧控制系統(tǒng)組成。

3.1? 取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消防水池是林場(chǎng)原已建成使用的兩個(gè)消防水池，其中高位水池容積48 m3，低位水池容積126 m3，兩水池高程差90 m。兩個(gè)消防水池前端安裝由何瑩泉等發(fā)明的“一種用于森林公園地面徑流水源水質(zhì)優(yōu)化的處理系統(tǒng)”[9]，可有效去除地面徑流水源內(nèi)泥沙顆粒、天然落葉及懸浮物、生物和浮游動(dòng)植物，達(dá)到消防用水和衛(wèi)生器具用水水質(zhì)和水量需求。通過(guò)該系統(tǒng)可以源源不斷地向消防水池提供符合標(biāo)準(zhǔn)的噴淋用水。在低位水池安裝兩臺(tái)型號(hào)為200QJW60-93-25的臥式不銹鋼潛水泵，消防泵主要參數(shù)：Q=60 m3/h，H=93 m，W=25 kW。用管徑150 mm的熱浸鋅鋼管作為主管，將兩個(gè)水池、雨淋閥和噴淋帶聯(lián)通。

3.2? 噴淋防滅火林帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在低位消防水池上方10 m沿登山道呈“Y”字型布置一組噴淋防滅火林帶，主管為DN40-150熱浸鋅鋼管，長(zhǎng)度1 km。每20 m安裝一個(gè)高度1.6 m，射程21 m，噴水量2.6 m3/h，噴頭尺寸7.14 mm/3.18 mm的旋轉(zhuǎn)噴頭。一組噴淋帶安裝噴頭50個(gè)，合計(jì)可噴淋面積達(dá)到40 000 m2。噴淋帶下方布設(shè)93 ℃感溫閉式噴頭，間距40 m按“W”型布設(shè)，共布設(shè)25個(gè)，管道型號(hào)為DN25。雨淋閥為消防隔膜式雨淋報(bào)警閥ZSFM。如圖2所示。

3.3? 預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是林場(chǎng)原有建成使用的項(xiàng)目，在林場(chǎng)辦公樓頂有1個(gè)視頻監(jiān)控?cái)z像頭，24 h不間斷對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行監(jiān)控，該系統(tǒng)具有視頻監(jiān)控、智能煙火識(shí)別和智能預(yù)警等功能，將其接入本項(xiàng)目的智慧控制系統(tǒng)即可使用。噴淋帶內(nèi)安裝土壤溫濕度檢測(cè)模塊和小型氣象站安裝空氣溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向檢測(cè)模塊（氣象實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)傳感器），型號(hào)為ZK-ZD11A，其中土壤溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備埋在林地地下10～50 cm處各埋設(shè)1個(gè)，共安裝4個(gè)。在管網(wǎng)相應(yīng)位置安裝水壓檢測(cè)模塊，以便監(jiān)測(cè)各管道內(nèi)的水壓，數(shù)顯遠(yuǎn)傳壓力表參數(shù)：FULLKON/豐控，F(xiàn)K-YC180，4～20 mA；。在兩個(gè)消防水池各安裝一個(gè)超聲波水位檢測(cè)模塊，監(jiān)測(cè)消防水池的儲(chǔ)水情況，超聲波水位計(jì)型號(hào)參數(shù)：MIK-RP；品牌：米科MEACON；量程：0～5 m；信號(hào)輸出：4限制，4～20 mA。數(shù)據(jù)采集模塊2塊，型號(hào)為ADAM4117，各種傳感器通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的信息傳輸?shù)街腔劭刂葡到y(tǒng)。

3.4? 智慧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧控制系統(tǒng)是本項(xiàng)目的大腦，由項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的基于火災(zāi)多因子綜合預(yù)警模型及算法建立的一套智慧控制系統(tǒng)，主機(jī)機(jī)房設(shè)在低位水池附近。智慧控制系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)軟件、可編程序控制器控制軟件，通過(guò)5G多網(wǎng)口工業(yè)路由器（規(guī)格型號(hào)USR-G810-FR），連接可編程序控制器PLC3個(gè)（FX5U-32MR/DS型號(hào)1個(gè)，F(xiàn)X-16EX/ES型號(hào)2個(gè)）、交換機(jī)（型號(hào)：華為S1700-80AC）1個(gè)、串口服務(wù)器（型號(hào)：MOXA NPort5232）1個(gè)、數(shù)據(jù)采集模塊（型號(hào)：ADAM4117）2塊、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)1對(duì)（型號(hào)：RS232/485/422-LORA，頻率：433 MHz）等軟硬件。

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)485協(xié)議與多個(gè)傳感器互聯(lián)，連接的傳感器包括水池水位、管網(wǎng)水壓等。編程序控制器PLC連接管道各水閥，通過(guò)PLC控制水閥開(kāi)關(guān)操作以及獲取開(kāi)關(guān)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊和PLC通過(guò)Socket通信的方式與前置機(jī)進(jìn)行交互。

前置機(jī)采用Friendly Arm系統(tǒng)，部署前端控制服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與前端設(shè)備和云端服務(wù)器的連接。前端設(shè)備對(duì)接上，前置機(jī)通過(guò)Socket通信的方式與PLC、數(shù)據(jù)采集器交互，前端控制服務(wù)針對(duì)各個(gè)對(duì)接設(shè)備PLC進(jìn)行設(shè)備輪詢(xún)，獲取各設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并轉(zhuǎn)換為應(yīng)用內(nèi)部通信統(tǒng)一格式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前端服務(wù)側(cè)的存儲(chǔ)、緩存、轉(zhuǎn)發(fā)。云端服務(wù)器對(duì)接上，前置機(jī)上通過(guò)應(yīng)用內(nèi)部通信協(xié)議與云端服務(wù)的連接服務(wù)器互聯(lián)，前端服務(wù)實(shí)現(xiàn)發(fā)送本地格式化數(shù)據(jù)到云端，同時(shí)接收云端下發(fā)的指令，并做協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送到PLC上，進(jìn)行設(shè)備控制。上傳的數(shù)據(jù)包括傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，接收云端下發(fā)的數(shù)據(jù)為操作指令，可觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的操作。

服務(wù)器端部署在云端，包括前端應(yīng)用服務(wù)器、后端服務(wù)器、連接服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。連接服務(wù)器與噴淋的前置機(jī)互聯(lián)，獲取前置機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，記錄原始數(shù)據(jù)記錄并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器，后端服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的業(yè)務(wù)邏輯處理。連接服務(wù)器接收后端服務(wù)器發(fā)起的下發(fā)指令，轉(zhuǎn)發(fā)到前置機(jī)進(jìn)行下一步控制操作。后端服務(wù)器提供業(yè)務(wù)邏輯處理，接收連接服務(wù)器的設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)報(bào)表、控制方案等，接收前端應(yīng)用服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的用戶(hù)操作命令，進(jìn)行操作狀態(tài)確認(rèn)，通過(guò)確認(rèn)后轉(zhuǎn)發(fā)到連接服務(wù)器，下發(fā)到前置機(jī)。前端應(yīng)用服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示，接收用戶(hù)操作等，展示數(shù)據(jù)由后端服務(wù)產(chǎn)生。提供電腦、手機(jī)、平板操作界面，用戶(hù)可訪問(wèn)查看各個(gè)傳感器和系統(tǒng)的狀態(tài)，也可以人工控制噴淋和補(bǔ)水等動(dòng)作。應(yīng)用操作界面如圖3、圖4所示。

4? 結(jié)? 論

項(xiàng)目建成一年來(lái)，項(xiàng)目組模擬多種天氣情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

本項(xiàng)目的消防水池是林場(chǎng)原來(lái)建設(shè)好的水池，上位消防水池容積僅48 m3，雖然可以滿足一次的噴淋作業(yè)，但在秋冬干旱季節(jié)或森林防火特別期，顯然不能滿足需要。南方降雨量較大，雨水充足，有必要建設(shè)大容量的消防水池，特別是上位水池儲(chǔ)備更多的水，項(xiàng)目使用的能效就更少，更環(huán)保。

噴淋防火林帶的適用條件除了有水源保障的森林環(huán)境，沒(méi)有特別的要求，但是5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)需要在林地環(huán)境布設(shè)傳感設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備等，需要解決長(zhǎng)效供電、低能耗無(wú)線組網(wǎng)、可靠信息感知、安全信息傳輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸問(wèn)題。

南方的春季和夏季是雷雨季節(jié)，項(xiàng)目所在地地勢(shì)較高屬雷區(qū)范圍，電源、電器和設(shè)備容易受到雷擊影響，有必要安裝避雷設(shè)施和防雷接地，以防止被雷擊，保證系統(tǒng)時(shí)刻處于戰(zhàn)備狀態(tài)。此外，在野外供電線路和網(wǎng)絡(luò)線路也容易被老鼠等動(dòng)物咬斷或被樹(shù)枝壓斷，甚至人為破壞，加強(qiáng)線路巡查必不可少。

項(xiàng)目通過(guò)針對(duì)森林旅游地防火重點(diǎn)地區(qū)開(kāi)展5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，實(shí)現(xiàn)森林防滅火重點(diǎn)地區(qū)火災(zāi)的智能探測(cè)、智能預(yù)警、智能滅火、輔助決策等目的，進(jìn)一步提升森林旅游地火災(zāi)的智能防控能力。項(xiàng)目成果能達(dá)到保證森林資源和人員人身安全，對(duì)保障森林生態(tài)安全和保護(hù)綠水青山具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：陳富強(qiáng)（1967—），男，漢族，廣東梅縣人，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：林業(yè)監(jiān)測(cè)、森林防火工作；通訊作者：洪維（1971—），男，漢族，廣東梅縣人，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：自然教育、森林防火工作。

收稿日期：2022-08-05

基金項(xiàng)目：廣東省林業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020-01）