旺业甸林区森林通信指挥网方案设计分析

2018-05-11马中冀伊伯乐王润军

森林防火 2018年1期

张恒，张鑫，马中冀，伊伯乐，王润军，周梅

（1.内蒙古农业大学林学院，内蒙古呼和浩特 010019；2.呼和浩特市森林防火办公室，内蒙古呼和浩特 010019）

森林资源是地球上最重要的资源之一，是维持生物多样化的基础，是维系人类生存环境的基础[1]。推广科学火灾防范手段，建设一套能够早期识别、定位森林火情的通信指挥系统，可以提高火灾早期监测能力，从而做到及时发现及时消灭，有效降低林火对人民生命财产造成损失[2]。

自20世纪80年代以来，一些发达国家高度重视森林通信指挥网的研究与开发。美国等欧美国家已经投入大量资金和人力，进行相关的研究和试验。我国作为一个发展中国家，随着经济的发展，森林通信指挥网所面临的问题越来越复杂。北斗一号卫星系统的出现，填补了我国卫星通信的空白。但是，我国原来对于国外卫星定位系统的依赖，导致北斗一号卫星系统的匹配产品严重不足，无法在全国实现全面覆盖。

森林通信指挥网中无线电通信系统仍然是主流的通信手段，所以如何将现行的无线通信系统与其他通信相结合成为目前我国森林通信指挥网研究重要课题[3]。本文以内蒙古赤峰市喀喇沁旗旺业甸林区为例，根据我国森林通信指挥系统的特点，利用3S技术、卫星监测技术等现代化信息技术，对旺业甸林区的森林通信指挥系统进行研究，使视频和语音信息可以实时地通过无线通信系统传输到指挥中心。同时，建立林区的数据资源库，实现林区的重要防火信息集中管理，便于指挥员制定防扑火措施，使森林防火指挥的辅助决策更直观、更准确。

1 设计区概况

1.1 旺业甸林区基本情况

旺业甸林区位于内蒙古自治区赤峰市旺业甸镇，与河北省隆化县、围场县相邻，是大兴安岭山脉和燕山山脉之间的过渡地带，距承德100 km，距赤峰55 km。位于喀喇沁旗西南部，森林总面积5 466.67 hm2，有林面积 4 066.67 hm2，具有松树（Pinaceae）、柏树（Cupressaceae）、桦树（Betulace⁃ae）、椴树（Tiliaceae）等20余种树种。境内有茅荆坝、玉女峰、韭菜楼、滴水壶等多处知名景点，有国家落叶松良种基地，还有著名的中日友好林。树苗是当年中日建交时日本首相田中角荣向周恩来总理赠送的，具有重要的历史价值和纪念意义。

1.2 森林防火工作及通信指挥网基本情况

旺业甸林区森林消防设备和通信指挥网经过多年的建设，在各级党委、政府及有关方面的重视和大力支持下，已取得较好的成果。在组织机构方面，已实现市、旗、乡三级森林防火指挥部机构的全面落实，并实现了层层有人管，山山有人防，人员高效精干，防火设备齐全；在防火宣传方面，通过多渠道、多形式的森林防火宣传，提高人们对防火和森林防火知识的认识；在防火设施方面，市政府在森林防火资金安排上比较重视，近年来购买了一大批扑火机具，配备森林消防指挥车2台，新建森林防火瞭望台4座；在通信网络方面，已建立了一套完整的无线通信网络，为每个防火单位按照要配备相应的对讲机等通信工具，实现无线通信网络的畅通无阻；在防火人员训练方面，每年都结合林区内多发的火灾情况，进行有针对性的森林扑火防火实战演练，并请经验丰富的专家进行指导培训，逐步提高森林消防队的专业性。

2 设计方法

本文所用的数据是由赤峰市喀喇沁旗林业局资料中心提供的旺业甸林区的资料，包括旺业甸目前的消防装备情况、无线通信配置情况，同时也收集了旺业甸林区周围森林部队消防装备和无线通信系统的通信情况。针对获得的资料与数据，对旺业甸林区的森林通信指挥网系统进行分析。对林场的现有通信装备进行研究，并调查不同年代旺业甸林场的林火记录和林火战斗总结，结合现有的通信技术，设计森林通信指挥网。

3 通信指挥网技术设计方案

3.1 智能通信指挥网的集成模式

森林指挥与通信网络应结合其他科技技术相互融合这一创新思想，进一步完善旺业甸森林通信指挥系统，建设先进的消防指挥中心硬软件设施，结合视频监控系统对旺业甸林区进行预测、监测和自动报警、决策支持、作战指挥，弥补人工防范的不足[4]。完成对林区大范围和全天候24小时的实时监测，实现现代化的森林火灾监测，使旺业甸林区的消防工作更加现代化，从而提高了林区消防工作的综合能力。

3.1.1 系统的硬件集成方案

系统硬件包括：GPS系统、无线传输系统硬件设备、卫星地面接收站、防火指挥中心的大屏幕、集成式服务器，以及建设相应的网络环境等。这些硬件的集成是系统完成数据传送的前提[5]。语音和视频信息传输分有线传输、无线传输、无线和有线结合3种方式。

无线和有线相结合是对前端数据采集无线传输的使用，然后通过光纤、DDN专线，或Internet网络的使用，数据传输给消防控制中心。系统硬件集成方案，如图1所示。

图1 系统硬件集成方案

3.1.2 系统的软件集成方案

在软件集成上，采用数据库进行管理系统数据，利用目前的无线通信系统和遥感服务技术，同时结合林火发生现场的无线传输系统传送的语音和视频信息。在指挥中心，通过各种硬软件的配合，使无线通信系统和遥感服务等技术在系统中各项功能无缝对结[6]。森林指挥系统中数据库系统管理的森林防火基本信息是森林防火建设的重点。将基础地理信息、林区覆盖情况、林区各消防机构的组成、各机构的消防装备情况、气象信息、历史火灾发生信息，以及危险品生产及储藏等重要林区信息上传到数据库，进行集中管理。软件系统结构，如图2所示。

图2 系统软件集成方案

4 森林通信指挥网实践方案

4.1 通信指挥网总体结构和技术路线

通信指挥系统是利用遥感、基本地理处理技术，实现对未来林火发展的预测[7]、着火点的定位与自动报警以及发布指挥中心对于火场的实时指挥决策等功能。系统功能需求子系统如下：

1）森林数据库管理系统。该子系统管理有关林区内消防的相关信息，包括林区地理信息、林区可燃物分布情况、气象信息、林区火灾历史以及危险品生产及储藏等森林基础信息的综合管理。

2）瞭望台无线视频子系统。利用瞭望台可以直观观察林区实际情况的特点，安装无线视频设施可以为指挥中心传播实时的火场信息，同时也可以进行火点的定位。

3）森林火灾预测预报子系统。实现森林火灾的预测预报，主要是利用林区天气、火灾历史、植物的含水率、林区内居民的人员活动等信息进行分析统计，从而开展防火期内对林内防火措施修改。

4）森林火灾指挥扑救子系统。通过指挥中心的大屏幕，利用林火发生地附近的视频系统，经过无线传输将火灾现场视频信息，基础地形、气象、风向、风速、防火设施等的基础数据以及专家知识库，利用GIS的三维模拟功能实现森林火灾未来蔓延方向、过火面积、火烧强度的模拟显示。为森林灭火作战计划的制定、调度和消防路径决策提供有力支持。

5）危险品及保密设施防火扑救子系统。在火灾发生时，对危险物品和安全设施进行特殊处理，并进行灭火救援预案。

6）信息服务子系统。实现林区政策，防火期内信息查询与发布，以及收集信息反馈及时修正政策等功能。

总体方案，如图3所示。

图3 系统总体方案

系统利用遥感技术、全球定位系统（GPS）等现代化手段及结合数据库已有的数据信息，采用多种通信方式相结合的体系结构，保证系统的可伸缩性、可扩展性和开放性，赋予不同的功能和信息。

4.2 通信指挥网详细设计

赤峰市旺业甸林区为重点火险区域，具有很高的林地价值，同时也是火灾易发区域。旺业甸林区原有3个中继站来完成日常的通信任务，线路畅通。现根据林区内现有的无线通信基站以及二级通信网，结合视频系统和视频传送信息，实现对森林火灾的实时监测、自动报警、指挥扑救、火灾现场三维模拟等工作，以便于指挥中心对火场情况实时掌握。具体站点分布，如图4所示。

图4 喀嘞沁旗旺业甸林区中转站点分布

4.2.1 森林防火基础数据库管理子系统

森林防火基础数据库管理子系统管理有关森林防火的基础信息，是森林防火信息系统各子系统实现的基础[8]。系统采用林场、区、县林业局空间划分，形成自下而上的分布管理的数据管理。管理具体的、详细的数据，实现数据库的建库、更新、维护。数据包括：森林资源基础数据、各区域防火人员及设施信息、森林基础地形信息、林火发生历史等信息，如图5所示。

4.2.2 瞭望台防火子系统

瞭望台、防火设施规划子系统是以基础地理数据、瞭望台、防火设施数据为基础，利用GIS的空间分析功能，对瞭望台和防火设施的布局进行优化，降低防火成本，提高瞭望台、防火设施的利用效率，使瞭望台、防火设施的布置科学化、合理化。同时，利用安装在瞭望台系统上的远红外摄像头进行观测，消除由于林木密集造成无法观测带林内着火点的问题。

图5 数据库体系

4.2.3 森林火灾预测预报子系统[9]

森林火险预测模块主要根据森林火灾发生历史因素、气候气象因素、林分结构因素、遥感卫星因素，结合GIS地图数据处理分析功能，及时将每个林区的火险预测结果以图像及表格的形式直观地表现出来，通过对森林火险等级区域进行划分，制作相应的火险等级分布图，便于指挥中心做出准确的火险预报信息发布和防火措施决策。森林火灾预测预报包括林火历史分析、林火发生原因分析以及易发生林火天气预测预报。

4.2.4 森林火灾监测与自动报警

森林火灾监测是指一切人为或自然引起的森林火源的发现和报警过程。森林火灾监测与报警有3种方式，即气象卫星遥感森林火灾监测与自动报警、瞭望台森林火灾监测与报警以及地面巡护员和公众森林火灾报警[10]。

旺业甸地区一般的森林火源可通过群众汇报、护林巡逻及时发现，在一些边远的森林地区和晚上的森林火灾发生情况就比较难以发现。我们运用遥感卫星与瞭望台瞭望员监测结合，并将森林火源信息反映到防火指挥中心的大屏幕上，达到森林火灾发生实时监测的效果。

气象卫星遥感森林火灾监测主要是运用极轨气象卫星获取卫星遥感影像，通过图像判读提取火点信息（异常热源点）。结合基础地理信息、土地利用信息、森林调查信息对异常热源点进行判断，对火点进行自动报警。气象卫星以及林内的测量仪器，主要用于大范围的森林火灾检测，可作为旺业甸林区森林火灾监测的辅助手段。

根据目前旺业甸林区森林防火设施的建设情况，瞭望台的建设基本上是采用瞭望员瞭望观察的方式。瞭望员根据经验判断是否是森林火灾，以及森林火灾的等级和可能的趋势；在指挥中心同其他瞭望台的瞭望员确认后，向林区主管部门报警，同时部署消防专业人员进行扑救。

在通信指挥网中可在瞭望台上安装自动火灾红外线探测器和摄像头，运用无线网络通信方式，将探测信息传回防火指挥中心中，显示在监控大屏幕上。另外，通过远程信号控制方式，控制红外线探测器的运作方式，根据两点或多点瞭望台位置和观测角度，测出准确的火点位置。相应还可以通过图像处理技术提取火行为因子等数据，提高森林火灾行为预测的准确度。

旺业甸林区在白天发生的大部分森林火情，公众和地面护林员可以及时通过各种方式往各有关管理部门上报情况，其中最常见的是119火灾报警电话，但火情报告方法多样和信息传输渠道比较混乱。根据现有的报告方法和通信方式，设计一个快速、集中和直观的火情报告方案，将森林火灾发生信息反映到林区森林防火指挥中心。

4.2.5 森林火灾指挥扑救子系统

森林火灾指挥扑救子系统是对正在发生的林火进行报警、指挥扑救。指挥扑救子系统可以实现：起火点定位、森林林火蔓延预测、林区着火部分三维模拟系统、专家决策、指挥扑救、森林火灾火场及周边地区的监控等功能。

在发现火警信号后，可首先确定火点地理位置，进行火点定位。火点定位包括无线视频遥感图像火点定位、瞭望台火点定位以及现场巡护森林火灾定位3种方式。

然后对森林火灾行为进行预测，确定森林特征、林火强度、林火发展速度、火头、火翼、火尾方位，火场面积、火线长度、火场周围可燃物类型、火区风向、风速等。这对于扑火指挥决策是非常重要的。只有对未来的火场做出较正确的估计，才能合理地组织人力、物力，并采取恰当的措施进行扑救。森林火灾行为预测流程，如图6所示。

森林火灾行为预测输出的结果包括林火蔓延速度、蔓延方向和火强度，最终获取火场蔓延趋势图[11]。通过三维模拟模块，直观地显示出火灾发生地的地形、森林因子、阻滞因子的分布状况，一段时间内林火蔓延情况。同时，要根据防火设施、参战人数、部队战斗力的强弱、火场的地理位置及周围环境，做出合理分析。

指挥调度可利用火场周边的视频信息和火灾现场视频信息，以及卫星系统和扑救系统的模拟成像进行直观了解林火发展，综合专家系统的辅助决策信息为参考，然后将指令通过无线电设备传到火灾现场扑火指挥员，指挥森林火灾扑救。同时根据现场传回的视频图像信息，及时调整森林火灾扑救方案，并再通过卫星电话或其他无线电设备反馈给火灾现场扑火指挥员，从而实现防火指挥中心“现场指挥”扑救。

信息服务系统向外展示旺业甸林区防火指挥中心、森林防火各级机构的组成信息，除了对外发布各种与森林防火有关政策法规及森林防火的知识外，还可以发布火险天气预报、热源点的监测情况和一些辅助决策信息。

图6 森林火灾行为预测过程流程

信息服务子系统发布的信息包括：林区简介（包括历史、现状、业绩、人员结构等非机密图文资料）；火灾报告部门及电话号码，林业防火常识的通俗图文介绍；林区内防火重点时间与阶段的防火注意事项以及林区内消防意识的宣传（通过漫画的形式进行宣传，便于林区出入人员的了解）；林区内目前的防火机构的建设以及各级森林防火部队的人员及其装备情况；火险天气预报、森林火险等级预报（从预测预报模块中长期、短期火灾天气预报和高火灾危险天气预报、森林火灾危险等级预报信息）；森林火灾信息（森林火灾监测模块得到热源点信息，包括正常热源点和异常热源点信息）；火灾现场对于部队指挥扑救情况、火势动态情况、森林火灾烧毁面积情况；灾后评估信息（森林火灾面积、经济损失）等。

4.2.6 危险品及保密设施扑救子系统

在森林防火信息系统建设过程中，必须考虑对生产储存易燃易爆化学品和剧毒物质的场所进行有针对性的防火规划设计和林火重点预测、预报。一旦出现森林火灾危及特殊危险品与保密设施情况时，系统做到迅速响应，并提供有效的扑救和减灾辅助决策方案。

4.3 指挥中心建设

建设一个周边森林智能防火指挥中心，便于就近现场指挥调度。周边前端视频采集系统采集的视频信息经由无线视频传输系统传送到指挥中心，指挥中心部署一套信息收集系统，是整个周边森林视频和语音信息的综合处理中心，所有前端的视频监控图像、报警信息、监控前端基站的远程控制、输出展示等均在后端监控管理中心完成[12-14]。后端监控管理中心主要包括：联网监控管理软件、GIS管理软件以及支撑软件的硬件服务器、视频管理装置、报警相关的软硬件、显示系统及相关控制器、LED显示屏、控制台、综合布线等[14]。指挥中心配置1台用于站点的日常监控与管理的显示器，一台管理终端。

5 结论

本系统以旺业甸林区为例，结合目前现有的无线通信系统，结合视频通信系统对图像和语音等信息进行传输，可便于指挥中心实时了解火场上林火的动态，同时可以实时掌握部队扑救的实时情况，便于指挥员进行决策。这有利于以下几个方面的通信指挥工作：首先是全面提升森林防火工作水平和森林消防综合能力，大大改善森林防火的信息化建设状况；其次能够使森林防火指挥的辅助决策更直观、更准确；最后是做到森林火灾早发现、早报告，最大限度地减少森林火灾造成的损失。

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