基于5G的森林火灾防治系统研究设计

吴文浩 文旭桦 王忠勋

文章基于5G MEC边缘计算技术，融合AI图像识别算法，提出了一种全新的林火防治系统设计思路，能有效地提升了林火监测预警和应急处置的能力，并已在实际应急模拟演练中得到验证。

一、引言

森林火灾突发性强、破坏性大、危险性高，是全球发生最频繁、处置最困难、危害最严重的自然灾害之一。一旦有火警发生，就必须及时进行扑救。扑救是否及时，决策是否得当，关键取决于对火险火警的发现是否及时，分析是否准确，应急处置措施是否得当。因此，如何对林区火灾前的检测预警、火灾过程中的指挥调度以及火灾后的分析评估，是林火防治亟待解决的核心问题。

二、森林火灾防治现状分析

近年来，基于IoT、AI识别、卫星遥感、航空观测、移动互联网等先进科技的快速发展，森林火灾监测预警能力不断进步，林火应急处置能力显著增强。然而在实际调研中，也发现一些短板：

火险监控存在盲区：不少林区仍存在火情火险感知监测和林火视频监控的盲区，在一些山林入口也缺乏对进山车辆、人员的监控识别。

林火监控视频传输不稳：林火视频监控点一般都是在山区或者郊区，对有线线路的搭建和运维要求比较高；部分高清监控视频信号通过4G无线传输，但也存在视频不流畅、图像不清晰的情形，达不到高清监控的效果。

林火识别预警效果不佳：因前端监控视频采集的图像不够清晰，直接影响了火警的识别效果，容易误报、少报，耽误灭火的最佳时机。

现场应急保障支撑不足：火灾现场有应急指挥车、布控球、无人机、机器人、单兵等，需要实时交互音视频等数据，同时需要向后端指挥中心传输现场数据，实时带宽需求大，现有的有线和无线网络均难以支撑。

应急协同联动存在瓶颈：在遇到突发事件或信息高峰期时，单纯依靠无法高效支撑指挥调度、协同会商等业务开展，需要扩展无线网络。

三、5G林火应急优势分析

5G通信技术是新一代的无线通信技术，不再仅仅解决通信问题，而且构建了人和机器、机器和机器之间的生态信息系统。3GPP对5G应用定义了三大场景——eMBB（enhance Mobile Broadband，移动宽带增强）、mMTC（massive Machine Type of Communication，大规模物联网或海量机器通信）、uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，超高可靠超低时延通信）[1]。5G传感网络将是一个满足多场景的多层异构网络，能够容纳目前广泛应用的各种无线接入技术和5G新空口多种接入技术。

5G凭借其技术特性，可实现泛在感知设备接入、超高清图像传输，进一步提升应急抢险救援队伍远程可视化指挥能力和远程操控能力，提高突发事件的应急联动指挥处置能力，为火险监测预警、应急抢险救援、联动协同指挥、现场应急保障等提供强有力的支撑，实现森林火灾高效应急处置的需求。

四、系统设计

（一）逻辑框架

本系统将基于5G边缘云，提供森林火灾的感知监测、数据传输、视频汇聚、AI识别、预警预报、现场应急布控、联动指挥处置等全流程的端到端的业务逻辑。

5G边缘云：边缘云，又称为MEC（Multi-Access Edge Computing）。其优势在于出现险情时，火场周围各种抢险终端聚集，业务流量剧增，通过边缘云进行流量的统一汇聚及分发，有利于现场指挥人员及时全面了解火场状况，准确做出抢险决策。

5G接入和传输：实现林火高清视频和火险因子的采集接入和无线传输；

林火AI識别：实现对林火监控视频的智能分析、识别及预警预报；

现场应急布控：实现现场布控设备的协同联动以及现场信息的实时回传，实现前端现场和应急指挥中心的联动指挥；

对接指挥信息网：实现和指挥信息网对接，达到“有线应急”和“无线应急”的统一。

（二）技术架构

业务应用层：主要实现监测预警、视频汇聚、视频调度、林火视频智能分析和指挥联动；

应用支撑层：主要实现数据的接入和交换共享，并基于政务云实现数据治理，为平台应用提供给所需的通用服务；

基础设施层：主要实现5G边缘计算的能力支撑，包括边缘计算服务器、通用服务器和BBU等；

通信网络层：主要采用5G传输技术，并对接有线政务网络。

感知网络层：主要采集接入高清视频、指挥车、指挥船、无人机及其他传感器，同时接入应急现场保障感知数据。

（三）网络架构

建设5G MEC边缘云平面，实现有线通信和无线通信的“双平面”应急保障。有线平面主要指现有的指挥信息网，无线通信即为以5G网络和边缘云为核心的云平面，二者信息可以通过互通网关进行融通。

（四）功能架构

1、5G感知接入和传输

针对林火监控存在盲区的现状，通过部署中远程林火视频监控系统、林火因子采集器和5G CPE（移动信号接入设备），应用5G网络，可对高清终端依需布放而不受到传输线路限制。通过边缘云平台接收林火监控视频，并通过AI对视频进行环境解析。正常状况的视频流，边缘云平台可不回传至后端指挥平台；而对于AI解析出疑似的图像，边缘云系统能对火情火险进行可疑识别和预警预报，并及时回传至后端指挥平台进行应急处置。针对部分有线传输或者4G传输视频容易卡壳的情况，也可以通过部署5G CPE，借助5G网络来解决。

2、林火视频AI识别预警

通过5G网络采集到的实时超高清视频数据，应用先进的AI图像识别算法，根据火焰烟雾的行为特征，如颜色、颜色分布、形状、轮廓、纹理等，利用森林背景图像与火灾、烟雾图像在光谱特征、空间几何特征上的差异，运用图像处理方法和复杂的识别算法，进行精确的智能图像分析，进而可以实现林火智能预警、预报，为林火预处理提供技术支撑。

3、5G现场应急保障

在突发险情及抢险救灾过程中，临时应急布控需求较多，包括无人机、无人车、布控球、指挥车、单兵、巡逻机器人等，在各种终端分辨率日益提高的情况下，现场的数据流量也将呈指数型增长。借助5G网络传输，并在边缘云计算平台中部署应急指挥调度系统，可对所有布控终端进行统一接入管理，形成实时高效的临时应急切片。终端拍摄到的现场高清视频，通过5G网络回传至边缘云调度系统，由调度系统进行场景呈现和AI辅助，在本地即可实现全景态势感知和指挥调度，实现低时延高效率的临时布控。

4、5G+有线网络应急联动

现有的林火防治系统通常承载在电子政务网中（有线网络），基于网络安全方面考虑，电子政务网与移动公众网络之间物理隔离。本系统采用链路接入方式，通过防火墙或互通网关等安全设备，实现5G网络和政务外网的对接。通过内外网互通融合，实现有线网络和无线网络的“双平面”应急保障；此外，部署于边缘云的林火应急指挥调度系统也可作为事件现场与后端应急指挥中心交互和联动的统一接口，保证指挥决策的统一发布，有效提升林火应急处置能力。

五、结语

5G时代已经到来，它将深刻变革我们的社会。本文提出的基于5G的森林火灾防治系统已在某些林区开始试点部署，其应急效果也在模拟演练中得到验证。应该说借助5G技术，森林火灾防治工作将取得新的突破。

作者单位：联通（广东）产业互联网有限公司