基于5G技术的森林防火监控系统内在机理与应用分析

王杨

(黑龙江省自然资源权益调查监测院，黑龙江 哈尔滨 150001)

随着云存储、大数据、互联网技术的不断发展，在过去的十几年间，移动通信技术实现了较快增长，4G技术不断成熟，在高清视频监控、数据传输与存储等方面为森林防火监控系统的运行管理提供了重要保障。5G时代下，高清、智能依然是森林监控发展的主旋律，并将广泛应用在生态建设与保护相关行业，促进林业防火综合监控系统不断升级。

1 5G技术及其特征

第1代移动通信技术解决了电话通信问题，第2代移动通信技术解决了短信发送问题，第3代移动通信技术解决了移动端上网和音频传输问题，第4代移动通信技术解决了视频传输问题，5G则会突破时空限制，带来超高速的网络传输和极致的现场体验感。与4G相比，5G主要特征包括：(1)更高速率。5G峰值速率理论值可达20 G·s-1，静值速率可达10 g·s-1，即不到1 s就可以传输10G的监控视频，极大满足高清监控视频、AR/VR视频传输的需要。(2)更低延时。5G的空中接口延时水平理论值约1 ms，是4G的1/10，可以满足对森林资源的自动监控、智能远程监控、智能喷淋系统、智能遥感技术以及其他多用户、多点、多天线的系统协同。(3)更广覆盖。5G的网络容量较大，具备连接千亿设备的承载能力，可将信号覆盖到边远林区和更广泛的区域，流量密度和连接数密度大幅提升。届时，森林资源管理中心体验速率可达到100 Mbit·s-1。此外，5G技术还具有效率高、容量大、安全可靠性和灵活性较强的特点，满足各类森林资源安全防控需求。

2 5G技术在森林防火监控系统的应用场景

2.1 5G技术在森林防火视频监控中的应用

传统森林防火监控多采用“防火视频+人工监控”方式，由防护人员24 h值守于森林监控系统，监控效率和监控质量不高。近年来，随着互联网+技术的不断发展，现代化、数字化、网络化的综合监控系统已经成为大势所趋。基于5G技术且兼容有线、无线网络的智能化大型视频监控系统可以做到智能监测、智能预警、智能传输、智能指挥，监控人员能够直接对所监控的林区进行实时监控，听到报警后第一时间发现火情，并在监控系统的辅助下组织开展救援，防止火情蔓延。基于5G速率高的特点，在森林防火监控过程中将会促进画面内容传输的低延迟甚至无感迟延传输。通过实时传输协议(RTP)及其两个子协议RTP和RTCP，实现端对端传送服务，使重大森林火情时时画面延迟控制在1 s以内，监控中心人员将获得火情的极速传输，为扑救森林火灾赢得宝贵时间。同时，基于5G带宽容量大的特征，在森林防火监控过程中将会传输超高清火情画面，这些画面还可被作为制作4K高清、VR、AR画面的原始素材，以便于林业科研人员的研究使用。

2.2 5G技术在输电线路防山火预警系统中的应用

森林需要防范山火，输电线路引起的森林火灾也需要防范。由于火源、可燃物、火险天气等风险影响，跨越森林的输电管线有许多火灾方面的不可测和不可控因素。尤其是我国南方地区空气湿度较大，雷电天气造成输电线路起火事故频发，导致高压交流线路故障停运事故。如凉州山火(雷击火)事件，不仅损失了大量的林木资源，还造成30位消防员失去生命，损失惨重。目前森林山火主要采用人工定期巡检，但由于林地情况复杂，巡查面积较大，单纯通过人员巡查不能满足及时、快速、安全防范的要求。也有运用气象雷达、卫星红外遥感等技术方式监控森林火灾，但上述方式只适用于规模较大的山火，不适用于输电线路上小规模杂草火和灌木火，而这些小规模山火也能够引发输电线路跳闸，存在安全隐患。因此，通过输电线路防山火预警监控中心系统与5G相结合，将会是森林火灾监控的一项重要变革。

3 基于5G技术的森林防火视频监控系统内在机理

3.1 5G技术下森林防火视频监控系统的工作原理

在当前主流3G、4G技术下，对于林业防火视频监控系统的技术应用主要体现在：(1)铺设线缆。(2)采用微波或者3G、4G进行传输，使用无线网桥或者 3G、4G 视频服务器，传输信号的两端及其传输管线利用无线网桥搭建无线链路，将设置在山林各个检测点前端的图像捕捉设备拍摄到的火情画面及控制数据，通过无线微波链路设备，向森林防火预警监控中心进行传输，热源探测系统指挥中心接到信号后，采取必要的处理措施处置火情。

以上两种传输模式，线缆架设费用较大，视频大小以720 P为主，而3G、4G 网络不能实现更高的(1 080 P)视频传输的要求。将5G网络应用于森林防火视频监控系统，可实现更高速率、更宽频谱资源的需求。森林防火需要较高的速度要求，当前前端摄像头拍摄到的视频传输至中心控制系统的时间如果有1 ms以上的延迟，都会造成防火响应的延误。相对于3G、4G 网络，5G网络毫秒级的时延要求提高了近两个数量级，对森林防火视频监控系统的全面升级和火情安全防控效率的提升有重要意义。

3.2 5G技术在输电线路防山火预警系统中的工作原理

森林中的万物每时每刻都在持续不断向周围释放热辐射与电磁波，其辐射的红外能量与林木表面的温度呈正相关关系。利用红外热成像技术，对数公里之内的森林火源进行全自动探测，对可见光烟火进行二次识别确认。发生火情时，热成像探测器组件可探测并识别出现场温度高于日常环境温度，采集并输出的信号值升高，发出预警信号并将其反馈至监控中心。其工作原理如图 2 所示。

输电线路防山火预警系统目前主要采用3G、4G 网络覆盖。不同于3G、4G 网络，5G采用大规模多天线技术、动态TDD、SDD、NFV等技术构成了5G核心网络架构，可以改善网络覆盖，使输电线路与监控中心之间的网络部署更灵活。将其应用在防森林山火预警中，将解决网络覆盖率、采集视频的时时传输和火情视频资料的海量存储，还可以探索利用5G+VR、5G+4K高清技术，实现火势画面的多元化展示，以更加有利于火情发生前的预警决策，火情发生时的指挥救援和火情发生后的科学研究。

4 结语

5G技术对森林防火监控系统的设计和布局带来了难得的发展机遇。林业规划与管理部门要积极布局5G领域，不断引进新技术和新应用，主动推动森林防火监控系统与5G系统进行技术集成，加强5G安防立体化布局。可以预见，5G将为林业安防工作的现代化和信息化注入更多活力。