基于B／S的森林火灾预警与指挥系统设计

刘艳朋，杨宝祝，王元胜

（1.首都师范大学 信息工程学院，北京100048；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097；3.北京派得伟业科技发展有限公司，北京100097）

0 引 言

森林是人类宝贵的资源，也是农业生产和人民生活的重要保障。每年由于天气、人为等因素导致的火灾不计其数，由此带来的损失巨大。因此，对森林火灾做直接有效的监测，做到防患于未然，可以更好地进行森林火灾的预防、扑救等决策［1］。在森林火灾的预防和扑救方面的应用技术包含很多，如遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）无线传感技术、神经网络等。利用这些技术可以完成许多相关的应用系统，但是不同系统都存在自身的不足，如：3S技术成本高［2］；卫星遥感平台受轨道的限制［3］；文献［4］中说明的关于火灾报警硬件上的不兼容性。因此必须针对具体区域的森林情况，合理分析各种技术的优缺点，并最终选择出合适的技术来开发、完成整个系统的设计和实施。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮［5］。在物联网中可以应用更多的设备和技术，因此利用物联网概念设计防火系统可以使系统更加灵活。

1 总体设计

现有的系统有王春雷等设计的基于无线传感器网络的火灾监控系统［6］；新疆维吾尔自治区塔城地区额敏县林业局利用GPS对卫星监测到的林火热点数据进行预处理，然后基于Mapgis地理信息系统对预处理过的林火热点数据定位［7］；北京市房山区林业局利用3S技术建成的房山区林业信息管理系统［8］。移动网络在这其中应用也很广泛，如：马科等设计的基于移动平台的火灾短信报警系统［9］。

综合考察现有系统可以发现，现有系统比较偏重森林防火的某一个或其中几个方面，没有做到对森林防火的火前、火中和火后的集中管理，这样就不利于整个防火工作形成一个体系。因此，本系统将结合物联网相关概念，结合其他设备和技术构建。

1.1 整体布局

根据物联网相关概念，整个系统的设计模型如图1所示。

图1 设计模型

根据图1所示，需要增加关键点的高端视频设备、精密气象设备、GPS定位和GPRS通讯设备，以此构成整个系统外围的硬件设施，并以整套硬件设备作为数据来源，针对目标区域的森林进行系统的设计和实施。同时，这些外围设备通过物联网的概念整合到森林防火预警与指挥系统中，使之能够很好的支撑系统高效平稳的运行，在森林火灾预警和林火扑救中发挥作用。系统整体布局如图2所示。

从整体框架图可以发现，整个系统中涉及的各种设备，物理上彼此独立，功能上相互融合。从独立性上说，各种设备通过专用的线路进行连接，并分别增加独立的存储设备来存储相关的数据和资料，这样就可以保证设备及数据的复用和共享，并且当其中的某个模块发生问题时，可以把问题设备与系统分离进行检查，这样就减小了对整个系统性能的影响。从融合性上看，各种存储设备最终通过Web服务器合理的集成到了一起，方便各个模块发挥自己的作用，并结合其它模块对整个系统提供技术及数据支撑，保证系统平稳高效的运行。

1.2 系统架构

为了系统流程的清晰性、系统的健壮性及扩展性，将整个系统采用业界领先的多层架构设计，如图3所示。

图2 森林防火项目整体布局

图3 系统架构

在系统结构图中，整个系统以Web端作为系统管理接口，手机作为实时信息的获取端，两者的合理分工共同组成系统的应用终端，并借助手机网络和Internet网络为系统管理者提供管理接口，为防火人员提供防火信息获取的途径，保证信息的流畅和管理的方便。

在系统集成层，森林火灾预警和指挥系统将火灾预警、林火扑救和日常信息管理3个子系统整合，构建统一的平台，实现了对森林火灾的火前、火中和火后的统一调度和管理，最大限度的节约时间、降低损失。

底层技术支持作为整个系统的支撑，为系统提供了准确的数据和稳定的运行环境。其中，系统支撑层提供不同的模块，这些模块为系统集成层提供技术支持，同时完成与数据服务层的交互，利用数据库中的数据完成相关的分析并反馈给管理者，方便管理者做出决策。数据服务层根据不同的数据来源，将不同的数据分库存储来保证数据的独立和安全。

1.3 关键技术

1.3.1 物联网技术

“物联网”的概念于1999年由麻省理工学院的Auto－ID实验室提出，物联网主要解决物品到物品（thing to thing，T2T），人到物品（human to thing，H2T），人到人（hu－man to human，H2H）之间的互连［10］。

1.3.2 智能视频监控技术（intelligent video surveillance）

智能视频监控技术能够为基于IP网络的主机之间提供多媒体信息的统一控制平台。该项技术利用网络的优势，实现多媒体信息在网络中的传输和控制。该项技术集软硬件于一体，涉及到计算机网络、监控设备、多媒体信息处理等技术。

项目通过为林区内所有视频监控设备分配IP地址，然后利用此项技术，以插件形式将视频信息导入到森林火灾预警与指挥系统，完成视频监控设备的视频信息与系统的整合。

1.3.3 位置服务（LBS）技术

针对扑火队伍在调度过程中扑火力量行进位置不能及时掌控，延误最佳扑救火战机的情况，研究建立一个集全球卫星定位技术（GPS）、地理信息技术（GIS）和卫星通信技术于一体的位置服务网络，能够将车辆的动态位置（经度与纬度）、时间和状态等信息，实时地通过无线通信链路传送至指挥中心，而后在具有地理信息查询功能的电子地图上进行移动车辆运动轨迹的显示，并对车辆位置、速度、运动方向和车辆状态等参数进行监控和查询，解决现有的指挥调度系统无法覆盖山区及林区的问题，为指挥扑救车辆调度、警用车辆及防火车辆的日常监管、林区内防火道路的勾绘及其它林业调查业务提供空间信息服务。

此项技术主要通过Flex框架以及地图API接口集成到系统中。

1.3.4 森林火险监测与林火蔓延监控技术

气象信息与森林火灾密切相关，气象设备能够实时采集风速、风向、温度、湿度、降雨量等数据，并能够通过网络传输并存储到指定的数据库。基于气象数据及以前火灾的记录，建立用于森林火险预报的模型，这样就能够根据目标区域的气象信息，计算每天的森林防火等级，以此来判断发生火灾的可能性。此外，火险等级的高低还与下垫面植被等因素存在较大关系。因此需要根据目标区域气候及地表可燃物类型和状态等区域特点，通过遥感数据反映地表可燃物状态类型及含水量等状态信息，结合气象数据进行森林火险等级预报，研究适用于目标区域实际情况的综合多源数据的森林火险等级预报模型。

通过调查目标区域内的塔楼位置分布，建立塔楼地理数据库，一旦发生火警或者火灾，可基于塔楼采集的数据实现火点准确位置快速定位。另外，在信息平台中通过读取两个以上塔楼中云台方位角，也可实现火点的快速定位。火点定位后，可结合系统中的相关模块，并根据森林燃烧理论、气象学与森林学知识，利用实时气象观测数据与火场环境数据，在火行为预报模型支持下，描绘林火的动态形状。并通过相关的公式预算出林火初始蔓延速度、火线强度、火焰高度、火场面积、有效可燃物数量等火行为参数，迅速地掌握火点周围的森林资源及消防队伍分布等情况，为林火扑救提供准确的信息，方便各扑火队间协同指挥作战。

1.4 技术路线

系统开发过程选用Windows 2003操作系统，并且利用MyEclipse开发软件，采用JavaEE中十分成熟的SSH框架和Adobe Flex框架搭建，数据库部分采用Oracle 9i。

2 功能模块设计

将系统功能细化后，分成森林火灾预警、森林火灾扑救、日常管理3个子系统，如图4所示。

图4 系统功能

2.1 森林火灾预警子系统

森林火灾预警子系统主要负责防火预警职能，包括视频监控和火险天气预报。其中视频监控负责整个区域的森林监控，可以查看各个视频监控点已存储视频和实时视频的信息，发现异常动向可以上报并做出决策。

火险天气预报通过自动读取和手工录入两种方式对气象信息进行存储，这样就可以最大限度的保证系统的健壮性。同时，根据上报的天气情况计算防火等级，当防火等级到达设定值时，可以发出预警警报。

2.2 森林火灾扑救子系统

森林火灾扑救子系统主要负责林火扑救过程中的决策及调度工作，包括火行为预报、林火扑救、GPS定位和实时信息发布。其中火行为预报根据温度（摄氏度）、风速（米／秒）、可燃物类型、坡度（度）、山火类型、火蔓延时间（分钟）和龄组来预测火的初期蔓延速度、火线火强度、火焰高度、火场面积和火场周边长。并且根据预测信息计算所需的防火兵力。这样就可以对火灾发生时，及时获取林火信息，并能够有效的组织防火人员扑救。

林火扑救模块根据观测点及视频信息定位着火点，根据具体的地形，计算能够在最快时间赶到的扑火队，并及时通知具体的防火人员投入林火扑救工作中，然后根据现有数据做下一步的决策。

GPS定位模块能够有效的记录相关GPS点的经纬度以及行驶路径，这样就能够根据所在位置确定最佳行进路线，指导下一步的扑救工作。

实时信息发布则完成了对防火预警信息、林火扑救信息等的防火信息的实时发布，这些信息的发布能够有效指导林火预防及扑救工作。

这几个功能模块相互交叉，彼此补充，从而保证了在林火发生时能够更加有效的组织林火扑救，而不至于引文某个模块由于地形及其它原因导致故障从而耽误了林火的扑救工作。

2.3 日常管理子系统

日常管理子系统主要完成对防火相关信息的维护，包括损失评估、历史预报、物资管理、塔楼管理、消防队管理和防火人员管理模块。其中损失评估模块根据林火特征、林木类型、损害类型等信息确定由于火灾所造成的损失。文献［10］给出了相关计算方法。

历史预报模块对以前发生的火灾进行详细的记录，这样就可以逐步的建造一个火灾发生知识库，对于以后系统的扩展，及数据挖掘模式的引入奠定基础。

物资管理、塔楼管理、消防队管理和防火人员管理是对森林区域内防火工具及其人员的管理模块，并要做到数据的及时更新，这样才能够做到有备无患，在火灾发生时能够有条不紊的调用相关的物资及防火队进行林火扑救。

3 火险等级预测及分析

在系统中使用的气象数据说明见表1。

表1 气象数据

利用黑龙江森林保护研究所设计的801火灾预警模型，使用空气温度、空气湿度、风力、降雨量以及前一天降雨量数据来完成森林火险等级的预测，如图5所示。

其中，前一天降雨量的得到方法有4种情况：一是得到前一天此时的降雨量；二是得到前一天的平均降雨量；三是获得前一天的最大降雨量；四是获得前一天一个时间段的平均降雨量。此模型预测中采用的是前一天的平均降雨量。

另一个数据转化涉及到风速，模型接受数据前，先将数据库中的风速根据转化表转化成风力等级。

火灾预测模型接手的数据来源有两种：一是自动读取数据库，得到不同传感器的数据；二是通过手工输入的方式得到数据。

手工输入方式主要是为了能够针对传感器感知精度的问题而设立的，这样就能做到对任何区域通过其他方式得到数据来进行预测。

图5 森林火险等级预测

自动读取数据库方式利用不同传感器的数据来进行预测，首先需要对数据进行预处理，当对固定地点进行预测时，需要根据 “站点编号”屏蔽其他传感器的数据，利用单站点数据进行预测；当对整个区域进行预测时则要综合考量各个传感器数据，根据传感器与区域中心点的距离，赋予不同传感器不同的权值，然后根据站点数据与站点权值的乘积得到本站点的数据，然后加和即可得到预测输入值。如：风速数据得到公式如下所示

其他数据的得到与此方法相同。

利用此模型的到的部分数据见表2。

表2 预测结果

从上表可以看出，通过火灾预测模型得到的火险等级与中央气象台的发布结果一致。但是通过系统中的火灾预测模型可以针对不同时段不同地域进行预测，这样就可以非常方便的得到实时数据，方便监测。

4 系统实现及讨论

目前，系统的开发工作已经完成，并已经部署运行。系统实现如图6所示。

利用前述的理论及其框架，编写了 “怀柔区沟域森林火灾预警与应急指挥系统”。此系统以怀柔慕田峪长城景区附近森林为目标区域，以 “预警机制为向导、林火扑救为核心、日常信息做辅助”为指导思想，并不断完善景区能森林防火工作，保证人员不受伤害，森林资源不受损失。目前此系统已在怀柔慕田峪景区部署并运行。

图6 成型系统

在此系统中实现了主流信息技术与森林防火决策及林业资源管理的集成创新。在网络环境中，充分的运用了计算机主流信息技术，整合了气象观测系统、视频监控系统及卫星导航系统等硬件资源。

5 结束语

系统充分利用了物联网的相关概念，以网络为基础，整合气象设备、视频设备、GPS设备和GPRS通信设备，利用不同数据来完成森林火灾的预警与指挥。不同设备与系统的整合能很好的减少单一设备的运行故障给系统运行带来的影响。最大限度的保证系统的健壮。同时，系统实现了将森林火灾的预防、扑救、灾后处理及日常数据管理集中到了同一个系统中。

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