山火监测与智能识别预警系统的应用

叶水勇，李亚茹，王文林，方 军，宋浩杰，洪海霞，汪 静

（1.国网黄山供电公司，安徽 黄山 245000；2.国网亳州供电公司，安徽 亳州 236800）

0 引言

为满足日益增长的用电需求， 我国建设了庞大的高压输电网络， 其中有大量的线路穿越山林等山火易发区域。传统的人力、飞机巡视方式已经不能满足电网对山火监测和报警及时性、准确性的要求［1］。

随着科学技术的进步和森林防火信息化需求的逐渐升级，新的火灾探测器不断出现。目前国内大多数的山火自动报警主要是基于传感器的检测， 例如感烟、感温、感光探测器，它们分别利用火焰的烟雾、温度、光的特性来对火灾进行探测，探测器性能的优劣直接影响山火自动报警的准确度和可靠性［2］。 在大面积森林应用中，上述传感器由于空间距离大，信号变得十分微弱。目前，已有的山火监测与识别预警系统存在的问题是无法迅速采集火灾发出的烟、温变化信息， 即使是高精度的传感器也会由于种种干扰而无法正常工作，导致火情误报或错报，无法满足山火及时、准确的监测需求。

1 系统结构及组成

山火监测与智能识别预警系统由山火监测分机和监控中心主站系统两部分组成［3］。 监测分机安装在输电线路杆塔上，中心主站部署在电网监控中心。

1.1 山火监测分机

山火监测分机由集成主机（山火智能处理单元、控制单元、通信模块）、山火探测仪（远红外热像仪、高清可见光一体摄像机、云台、激光测距仪）、微气象传感器、电源单元、通信单元等几部分组成。

1.2 监控中心主站系统

监控中心主站系统包括硬件和软件两部分［4］。硬件主要指应用服务器，根据具体情况，可以由一台或者多台服务器组成。 软件主要是指专为山火监测开发的山火智能在线监测管理分析软件，也称作山火专家系统。系统支持微气象数据、高清图片等数据接入电网一体化平台； 可以对传回的数据进行深度数据挖掘、分析，学习山火的发生规律，训练山火识别算法，使山火识别更加智能、准确；可以对监测分机软件远程升级，不断提升监测分机的防山火性能。下面重点介绍山火智能在线监测管理分析软件系统。

山火智能在线监测管理分析软件支持分布式部署，即支持多个运维分部和省网中心的多级部署。基于监控信息的安全性， 级别低的监控中心只能将监控的情况向上一级监控中心如实反应， 而不能向上一级监控中心实施监控数据的修改或删除等操作；上一级监控中心对低级别监控中心具有操作权限。监控中心主站系统结构如图1 所示。

图1 监控中心主站系统结构图

山火智能在线监测管理分析软件对监测点传回的数据进行处理，实时呈现监测状况，进行高效输电线路山火管控，提升电网管理智能化水平。

2 系统工作流程

山火监测与智能识别预警系统工作流程如图2所示。

2.1 山火监测

山火监测与智能识别预警系统使用山火探测仪进行山火探测， 使用山火智能处理单元进行山火识别和报警。

图2 山火监测与智能识别预警系统工作流程图

山火探测仪集成远红外热像仪、 高清可见光一体摄像机［5］，二者同步联动，同景监测同一个方向的山火火情。 山火探测仪可以全天候监测半径2 km／5 km／10 km 的现场，能够分别探测识别2 km 范围内1 m2的着火区域，5 km 范围内 4 m2的着火区域，以及10 km 范围内16 m2的着火区域。

山火探测仪开始运行后， 远红外热像仪采集的包含环境温度数据的热成像和高清可见光一体摄像机采集的高清可见光图像， 通过传输线缆传输到山火智能处理单元， 处理单元对采集的原始数据进行标准化处理，山火识别算法对处理后的数据从温度、温度变化到运动轨迹、形状等方面进行判别，结合山火专家数据库，识别山火火情。山火探测仪支持监控中心远程实时高清视频浏览， 可采集山火区域高清图片、视频以及可见光／红外光图像，将其存储在监测分机本地的同时上传监控中心主站。 监控中心主站可对存储的山火监测数据、 微气象数据进行深度数据挖掘，深入学习山火发展全过程的特征，训练山火智能识别算法，使识别算法更高效、更准确地识别山火；可以及时对监测分机进行软件升级；其分析软件可根据监测点采集的图像、微气象数据，预测各监测点的山火发生概率，提前预警。

2.2 山火定位

山火的准确定位对山火的防治具有重大意义。山火监测与智能识别预警系统监测分机通过两个步骤完成对火源的精确定位。首先，监测分机通过集成的GPS 模块接收卫星信号， 计算出其所处的经度和纬度，获取监测点的精确定位。 然后，监测分机通过激光测距装置，获取与山火发生点间的精确距离，同时结合发现火情云台的转动角， 计算出山火发生点的精确位置（距离、方位角）。监测分机将山火发生地点和杆塔位置的详细信息传回主站系统， 由管理分析系统的电子地图模块实时进行标注， 并将所采集的微气象数据与山火专家数据库进行比对， 预测出山火蔓延的趋势。

监测分机传回的山火现场红外热成像和可见光图像，高清一体摄像机采集的现场高清视频［6］，以及管理分析系统的全景拼图显示功能， 便于监控中心运维人员实时全方位浏览监测点环境， 使山火定位更为立体、直观。

2.3 山火报警

山火监测与智能识别预警系统对火情的处理、判别和报警都在前端监测分机完成， 具有很高的实时性［7］。 山火报警发生后，监测分机自动启动现场声光报警器，进行现场火情报警，同时将报警信息和采集的可见光、红外光图像传输到监控中心。监控中心接到报警信息，以弹窗、闪烁等形式在软件客户端报警， 同时将报警信息和现场图像发送到相关人员的手机。

系统可根据山火距离线路的远近、微气象数据、用户操作历史等，对山火实现分级报警，可以手动划定监测区域， 自动屏蔽非山火物体， 有效消除由工厂、烟囱、农家、路灯、车辆等热源引起的虚警。 系统记录学习并深度分析用户的屏蔽操作特征， 将其引入山火智能识别算法中，从源头解决掉误报、虚警，提升山火报警的准确性和智能化水平。

系统具有山火提前预警功能［8］，根据监测数据及山火专家数据库，利用大数据分析技术，计算出每个监测点发生山火的概率， 当山火发生概率达到预设的阈值时，系统自动发出山火预报警。

2.4 系统通信

监测装置与后台管理分析系统之间的数据传输主要通过两种方式， 分别是GPRS+3G／4G 和WiFi+光纤（OPGW／ADSS 等），通信结构图如图3 所示。

2.4.1 GPRS+3G／4G 通信方式

GPRS+3G／4G 双通道通信方式适用于有运营商网络覆盖的地区。目前，国内三大运营商的网络基本可以覆盖输电线路经过的区域［9］。 使用该方式可以避免自己组网，但在运营商网络未覆盖的地区暂时无法使用，而且如果传输数据量超出套餐流量，通信费用支出比较高。总的来说，GPRS+3G／4G 双通道通信方式是一种实用的通信解决方案。

图3 通信结构图

2.4.2 WiFi+光纤通信方式

WiFi+光纤通信方式可以不受运营商网络覆盖的制约［10］。 这种通信方式使用电力专网，具有安全、高效、高带宽、低通信费用等优点。 根据OPGW 的铺设特点，一般情况下，杆塔每隔3～4 km 会有一个接线盒。 对于监控点所在杆塔本身已有OPGW 接线盒的情况， 可采用熔纤方式将传输设备连接在OPGW上，并安装监测设备；对于没有OPGW 接线盒的情况，可采用WiFi 无线网桥的方式进行监测信号的传输，其基本原理是将传送信息通过WiFi 无线接入电力数据网。

2.5 系统供电

因监测设备多布置在野外， 系统只能依靠自身配置的电池供电， 所以供电难题一直制约着监测设备的应用。 地线取电供电方案有针对地解决了这一难题，其突破了传统供电方案对设备功耗、工作时长等的限制，支持设计指标内的所有接入设备全天候、长时间工作， 极大地提高智能电网在线监测领域的发展水平。

地线取电设备配置有充放电控制器， 当蓄电池容量低于设定值时， 启动地线取电装置对蓄电池进行充能，充满后取电装置停止充能。地线取电方案有效解决了塔上设备长时间、稳定工作的难题，对智能电网的发展意义重大。

3 安装方案

监测分机及山火探测仪塔上安装位置如图4 所示。

图4 设备安装简图

3.1 集成主机的安装

在杆塔横担上距离边相绝缘子串水平距离约15 m的地方找一向上角钢，将机箱挂到角钢边上拧紧，将保险匝带卡在角钢上拧紧即可。 要求机箱挂板螺丝务必拧紧，保证分机固定可靠；分机螺丝与杆塔紧密接触，保证分机接地可靠。

3.2 山火探测仪的安装

在杆塔最高处用钢材构建一个平台， 火灾探测仪安置在平台上，扣上安装附件，牢固固定。 注意将探测仪安装在杆塔最高处，且摄像头不能正对阳光。

3.3 太阳能板的安装

直线塔将太阳能电池板安装于铁塔的横担上，耐张塔将太阳能电池板安装于塔身中相挂点横担处水平角钢上。上塔前将太阳能电池板与支架安装好，其余均处于松连接，上塔后确定安装位置，注意太阳能板采光面朝太阳方向，保证电池板采光的饱和度，调整好太阳能电池板角度后统一紧固。 由于太阳能电池板重量较轻，受风面较大，可通过支架螺丝和铁丝固定，确保电池板固定可靠，如图5 所示。

3.4 地线取电装置的安装

取电装置需要安装于普通地线上， 图6 右边三角形表示当前段地线的接地点， 在N+n 号塔的地方安装有放电绝缘子。为了获得较大的取电功率，在不改变普通地线接地点的条件下， 可将取电装置按图6 位置安装， 如果必须将取电装置安装于与接地点较近的塔位上，就需要将接地点进行换塔，必须保证取电装置与地线接地点之间有1 km 以上的距离。

图5 太阳能板安装示意图

在安装取电装置时， 将取电装置的长引出线与地线牢固连接，短引出线与铁塔进行牢固连接。装置配套的3 芯连接线通过航空接头将取电装置与电池箱进行连接。

3.5 微气象传感器的安装

使用配套的支架将传感器固定在杆塔横材上，使用专用航空连接线将传感器同主机连接。 传感器上的箭头方向指向正北方。

图6 地线取电装置安装示意图

3.6 整机接线

各传感器电缆线按照机箱标志插入相应插座即可。 在电缆插接过程中，应确保连接正确到位。 每个插头连接后， 须验证是否插接可靠 （可以用手往下拔，拔不掉表明插牢）。应确保各机箱门盖关牢。安装人员整理工具，确认无遗漏后，方可下塔。

特别注意分机外壳接地。 接地与屏蔽是高压强磁场微弱信号采集中的两大重要保护措施。 为保证监测分机采集信号的准确性， 必须将分机与金属杆塔可靠连接。

4 结束语

某公司的山火监测与智能识别预警系统采用远红外热成像与可见光视频结合的双光谱山火探测技术， 结合山火前置智能处理与预警技术和数据深度挖掘技术，能够在野外广阔的森林中快速、准确地探测山火并发出预警， 彻底消除了以往山火监测与识别预警系统存在的无法迅速采集火灾发出的烟、温变化信息，导致火情误报或错报等各类问题。同时系统通过无线数据传输等通信手段， 实现监控后台对山火的全天候在线监测和预警。 山火监测与智能识别预警系统可以有效协助电网运维部门做到火情早发现、早扑灭，保障电网安全运行。