何 芸

(广西国有高峰林场，广西 南宁 530001)

本研究以广西高峰森林公园为例，探讨物联网林火红外监测预警系统在园区的应用评价，为城市森林公园森林火灾预警监测能力建设提供有益参考。

1 物联网林火红外监测预警系统的需求分析

广西高峰森林公园是广西国有高峰林场的重点建设项目，是环绿城南宁森林旅游圈的重要支撑项目，被确定为国家AAAA级旅游景区、第五批全国林草科普基地。公园位于广西南宁市兴宁区和高新区，核心区面积1 200 hm2，地处南宁盆地西北缘，平均海拔200～220 m，坡度20 °左右，属丘陵和浅切割的低山、商丘地形。土壤主要为赤红壤，质地为中壤，土壤厚度102～110 cm，成土母岩为砂岩，立地支数为16。园内森林资源丰富，拥有松树、杉木、红椎、降香黄檀等各类树种数百种，森林覆盖率达91.2%，每立方厘米负氧离子含量超6 000 个，是集运动健身休闲、森林康养度假、科普文化体验为一体的全国最大城市森林公园。公园园区在林场界牌分场和东升分场的林地上规划设计，累计投资10.34 亿元按“一心两轴六区”规划进行建设，建设有精灵河谷、星月湖、天空之城等26 个重要景点。高峰森林公园自开放以来，高峰时段入园人数超25 000 人。

目前，高峰森林公园在森林火灾防控面临的主要问题是：一是园区内存在多个森林火灾Ⅰ级高危火险区域，登峰栈道、星空营地、油茶工坊等区域由于植被丰富密集、人流高度汇集、地处山谷网络信号难以覆盖等原因被列为森林火灾重点防控区域，园区总体森林火灾防控难度较大。二是按照可燃物和燃烧部分从低到高可以将森林火灾分为地下火、地表火和树冠火[1]。有研究指出，对世界各国的森林火灾进行统计，地表火最多，比重约占90%以上，其次是树冠火，最少是地下火[2-3]。树冠火通常是由地表火蔓延造成的[4]，地表火是引发树冠火的必然条件[5]。高峰森林公园对森林火灾预警监测主要方式是人工巡逻巡护和高空瞭望。树冠火的发现主要依靠高空瞭望，地表火和林下火的发现主要依靠人工巡逻。园区地表火和林下火的预警监测缺乏相对高效的信息化手段，难以对园区的重点片区森林火灾形成全时段、全覆盖、不间断的高效监测，存在森林火灾“发现难、组网难”和森林火灾发现、信息传递、调度滞后等问题。

引入全天候、高覆盖、高精度的森林火灾监测预警系统已经成为高峰森林公园森林防火工作的迫切需要。为提升森林火灾预警监测能力，高峰林场使用中央财政林业科技推广示范项目资金，运用重庆市林业科学研究院研发的林火监测预警双红外火灾探测器科技成果（成果库号：17090031），根据高峰森林公园实际工作需要，在高峰森林公园建设物联网林火红外监测预警系统。

系统建成后，能实现对高峰森林公园重点区域的地表火和林下火智能预警监测、有效组网和调度指挥。能够整合高峰森林公园的各项基础数据，包括森林防火数据、旅游数据、气象数据及个人行为等多个数据，在充分利用大数据智能技术基础上，逐步形成信息化火灾防控及森林资源保护能力，从而为森林公园的森林防火指挥和森林资源保护等提供有理有据的决策支撑。

2 物联网林火红外监测预警系统的主要架构

系统建设的主要内容是：在重点区域点位安装162个地表火情探测器、10 个智能语音播报卡口，并建设与之配套的1 套云计算指挥调度平台和1 个物联网网关等装备。物联网林火红外监测预警系统主要由应用层、支撑层、数据层、设施层和物联层共5 个层面构成(见图1)。

图1 物联网林火红外监测预警系统的主要架构Fig.1 The main architecture of the Internet of Things forest fire infrared monitoring and warning system

一是应用层包括森林防火监测“一张图系统”、地表火红外监测预警系统、森林防火信息管理系统、智能视频监控系统、森林防火指挥调度系统、网格巡护管理系统、生态资源全民保护系统共7 大PC端子系统，面向系统各级管理用户提供分级授权登录访问。二是应用支撑层为应用层提供森林防火相关业务应用的支持服务，包括3D地图引擎、中间件技术、数据库模型和数据通讯接口等四部分。三是数据层提供基于3D GIS专业电子地图作为基础地理数据层，建立起园区全区域公共基础数据库、森林资源数据库、网格巡护监管数据库、灾害应急指挥调度数据库、森林防火数据库、物联设备数据库。四是基础层包括通讯网络、计算存储、信息安全和加密认证等计算存储网络安全基础设施。五是物联层包括智能语音播报卡口、地表火探测器等应用设备，安装在高峰森林公园重点森林防火区域、人流密集区域，实现全时段、全天候预警监测。

3 物联网林火红外监测预警系统的系统组成

物联网林火红外监测预警系统主要由地表火探测器、智能语音播报卡口、云计算指挥调度平台和物联网网关构成（见图2、3）。

图2 物联网林火红外监测预警系统的拓扑结构Fig.2 Topological structure of the Internet of Things forest fire infrared monitoring and warning system

图3 物联网林火红外监测预警系统覆盖图Fig.3 Coverage map of the Internet of Things forest fire infrared monitoring and warning system

3.1 地表火探测器

在人流密集和高火险区域4～6m高度位置安装162个地表火探测器，自组网性地表火探测器，对探测器半径200 m内森林火灾进行全时段监测预警。探测器突破传统硅半导体太阳能电池过度依赖日照时间长、光照强度高、存储器件寿命短等关键技术瓶颈，利用具有三色选光特性的敏感材料光能板搜集野外坏境高于200lux照度的微弱光能，转化输出可稳定充电的电压及电流，并利用超级电容控制电荷进行分级能量存储管理。

该地表火探测器具有如下功能特征：一是火焰燃烧与报警。采用红外传感+紫外传感+AI模式识别技术，对火光特定红外光谱和紫外光谱进行实时检测，并对火焰闪烁特征进行AI模式识别，能在15 s内发现火情并发出定位预警信息。二是防盗探测。内置有几何位置传感器，实现监测探测器几何位置状态。若探测器出现跌落或被人为盗取时几何位置出现倾斜，则识别跌落或盗取现象并发出报警信息。三是预警抓拍。地表火探测器内置可见光摄像头，出现火情、防盗预警时启动现场抓拍，利用NB-IoT无线通信网络传至云端服务器，从而实现现场火情、跌落事件的快速确认。

3.2 物联网网关

在高峰森林公园建设了1 套物联网网关。物联网网关是专用于森林防火传感网的主机设备，可代替人工开展值守，实现自主预警。物联网网关具有窄带物联网通信和快带互联通信管理功能，部署在林区野外环境，设备采用市电供电，采用低功耗窄带无线通信，负责管理红外传感网络中各探测器组网、路由及通信；同时通过移动通信接入互联网络，采用MSM或TCP/IP协议通信。物联网网关能自动监测到森林防火无线传感网中各探测器的火情火险预警、盗取行为预警、电池欠压预警等信息，同时将预警信息远程传输到平台，实现对森地表火险的早期预警和定位。针对林地偏远，在野外环境组网困难的问题，物联网智能终端利用短距离无线通信技术在低功耗状况下的穿透和绕射能力，既可保证较强的山形绕射能力，也能保证较好的雨雾天气穿透能力。

3.3 智能语音播报卡口

在高峰森林公园重点防火区域安装了10 个智能语音播报卡口，其内置红外感应器、摄像头、麦克风和数据存储装备，采取低能耗设计，使用220 V市电供能。智能语音播报卡口能红外感应进入监控区域人员，通过视频和语音喊话制止野外违规用火行为，并通过视频和拍照记录突发事件。智能语音播报卡口使用220 V市电供应，以10 d为周期覆盖式存储数据，同时实现人流量监测和统计。发现报警事件后，可通过云台指挥中心对现场进行实时喊话和循环播报宣传标语，进行威慑提醒。

4 物联网林火红外监测预警系统功能设计

4.1 地表火和林下火预警监测

该系统填补高峰林场对林区地表火和林下火智能预警监测的空白，能对林区地表火、林下火进行全天候、全时段的主动监测、精确监测和精准定位预警，提升森林火灾发现和报警速率，强化园区森林火灾预警监测能力。通过监测预警系统应急指挥调度系统、GPS和GIS系统，可实现监测、预警和对现场扑火人员进行合成指挥的有机统一，能部分替代人工巡护，减轻扑救人员工作强度，提高预防、指挥、扑救森林火灾工作的科技化水平和效率。

4.2 园区森林防火宣传

研究表明，森林火灾的主要火源是人为因素的不慎用火[6-9]。该系统可通过红外感应人体自动播报森林火灾宣传材料，并通过视频和语音对野外违规用火、偷盗设备等行为进行威慑，实现对重点区域全天候智能警戒，改善园区在高火险时期和节假日期间森林防火宣传力度薄弱的状况，提升园区游客的森林防火工作参与度，强化高峰森林公园森林防火宣传力度和密度。

4.3 赋能智慧林场建设

系统对各类基础数据进行同一整合，能对接网格巡查管理系统、生态资源全民保护子系统等不同系统平台，在充分利用云计算、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术基础上，实现地理信息、监测、指挥、调度于一体，不断探索和积累高峰森林公园数字智慧建设经验，促进智慧林场建设的发展[10-12]。

5 物联网林火红外监测预警系统应用情况分析

目前，物联网林火红外监测预警系统已经完成建设并全面投入使用。根据使用情况分析，该系统能较为准确识别高峰森林公园重点区域内的林下火和地表火。系统使用期间，地表火探测器共发现警报82 起，其中火情60 起，盗情22 起。发现警报的地表火探测器30 个，占比为18.52%。出现火情的区域主要是北门游客中心向内100 m、生命河谷南站240 m、拾青栈道入口800 m、嘉年华车站。经核实，警报情况均属实，系统使用期间预警率100%，误报率为0。该系统能对安装地表火探测器的区域内的森林火灾和突发事件预警效果良好[13-15]。

6 结语

物联网林火红外监测预警系统全面投入应用以来，一是该系统的建设和运用填补了高峰林场对林区地表火和林下火智能预警监测的空白，提高了高峰森林公园森林火灾预警监测能力。二是有效强化园区森林防火宣传力度，提高宣传的覆盖面和针对性，能通过喊话有效制止野外违法违规用火，形成较强的威慑力。三是实现对园区各类基础数据的有效组网，提高森林防火工作信息化和联动化，推进森林防火“扑、救、防”一体化建设。四是该系统集成生态环境监测、卫星林火监测、卫星资源监测、全民生态保护等各类子系统，积极赋能智慧林场建设。

系统建成后，要根据当前使用过程中发现的问题不断进行优化：一是加强园区管理和巡护人员的培训考核，特别要加强系统手机端的操作技能学习，熟悉地表火探测器位置。二是根据园区工作实际需要，通盘考虑森林防火重点区域、人流密集区和新建设的广西森林博物馆、火车风情园等景点，补充地表火探测器，提高森林火灾预警监控覆盖面。