森林火灾防控仿真系统的研究与设计*

从俊杰 王钊 张一康 常光杰 巩秀钢通讯作者)

山东理工大学计算机科学与技术学院 山东 淄博 255030

引言

森林防火对保护森林资源具有重要意义，当森林火灾发生时，及时掌握火灾实况和救火资源的分布情况，根据火灾准确位置及时有效调动各处消防力量扑灭林火、减少损失，对森林消防工作至关重要，也是当下国内外的一个研究热点。本系统综合运用了GPRS无线组网技术和GIS系统，将高速数据处理与GIS地图有机结合起来，用单片机实时采集数据，根据接收的数据判断火情，制定合理的扑救方案，并通过GPRS网络实时指挥救火，为林业部门及时指挥救灾工作提供了强有力的技术支持。

1 系统框架

1.1 系统目标

本文旨在研究并设计一套低虚警率的森林火灾防控仿真系统。主要功能是采集、传递、分析、显示火灾信息，实现对森林火灾的实时监测和预警。

1.2 具体实现过程

1.2.1 建立火灾识别模型：基于RS-SVM的火灾识别算法，建立RS与SVM的复合火灾识别模型，用以判断火灾是否发生。

1.2.2 实时监测火灾信息与预警：利用安装在森林中的传感器和北斗模块获得林区温度、气体浓度、位置等信息，这些信息将通过GPRS无线组网实时传输至RS-SVM火灾识别模型，判断火灾是否发生，若发生火灾则立即预警，并显示火灾程度信息。

1.2.3 直观显示火场情况：在GPRS无线组网中传输的林区环境信息同样送至消防指挥中心及消防车载终端的PC机，结合GIS系统，将林区火情实时显示在大屏上。

1.2.4 高效指挥扑救：每辆消防车配备有北斗定位器，消防指挥人员能够实时掌握消防车的地理分布，并与灭火人员通过GPRS网络实时通信，更高效地统筹规划灭火工作[1]。

1.3 系统框架

仿真系统由火灾信息监测节点、服务器、火灾救援节点与救援指挥节点构成，实现了对森林火灾的实时监测、事故预警、扑救指挥等功能。系统结构如图1所示：

图1 系统结构示意图

2 各节点的设计与实现

2.1 火灾信息监测节点

火灾信息监测节点由环境信息参数采集传感器、北斗定位模块、单片机和GPRS无线传输网络组成。其中不同的传感器用于采集不同的环境信息参数（包括温度、湿度、气压、CO2浓度、CO浓度、SO2浓度），北斗定位模块用于确定地理位置，GPRS模块用于传输信息，这些传感器和模块都安装在单片机上。单片机通过GPRS无线网络传输这些信息至RS-SVM火灾识别模型，判断火灾是否发生，实现预警。传输的林区信息同样送至消防指挥中心，存入林区历史信息数据库中，作为林区未来火灾防控的依据。

2.2 服务器

Web服务器节点由RS-SVM火灾识别模型、用户管理部分、档案管理部分与数据库管理部分构成。其中RS-SVM火灾识别模型是利用基于粗糙集-支持向量机(Rough Set Support Vector Machine ，RS-SVM)的火灾识别算法建立的复合火灾识别模型，服务器从网络中获取来自火灾信息监测节点的林区环境信息，利用LIBSVM建立的火灾识别模型判断火灾的发生情况，若火灾发生，则立即预警，并将火灾信息发送给火灾救援节点，实现对林区环境的监测与火灾预警。用户管理部分用来增删用户和设置用户权限，档案管理部分用于预案管理、监测数据归档和火灾历史信息维护，数据库管理部分对实时信息数据管理进行管理和维护。

2.3 火灾救援节点（消防车节点）

消防车节点由车载PC机与浏览器、北斗定位器和GPRS无线组网构成。其中PC机借助无线网接收火灾信息，综合分析火灾数据并结合GIS系统将火灾发生情况直观地显示在屏幕上，使火场状况一目了然。同时，车载北斗定位器记录车辆位置信息并通过GPRS网络传送到消防指挥中心，指挥中心与消防一线人员也可利用无线网进行实时数据交流和通信应答，由此，指挥中心可以直观地掌握消防力量分布，高效统筹规划消防具体工作，减少灭火时间，提高灭火效率[2]。

2.4 救援指挥节点

救援指挥节点主要由浏览器和GPRS无线传输网络构成。其中PC机通过GPRS无线网络接收从火灾识别与预警节点和火灾救援节点传输而来的消防车信息与火灾信息，对这些信息进行综合分析处理，通过无线网连接到地理信息系统（GIS），对所监测区域中有关地理分布的数据进行储存和显示，最终在显示屏山显示林区火灾发生指定地区的实时图像。

3 系统功能的设计与实现

系统按照功能划分为几个主要部分，如图2所示：

图2 系统功能图

3.1 火灾信息监测子系统

火灾信息监测子系统对获取到的地理位置信息进行处理和校正后，将传感器采集的温度、湿度、气压等信息，共同传递到GPRS无线组网中去，实现对整个林区或林区火灾发生位置的实时监测[3]。

3.2 火灾识别与预警子系统

通过建立的RS-SVM火灾识别模型对GPRS无线组网中传输的林区环境信息进行实时监测，若符合火灾发生时的温湿度、气压、气体浓度等条件，则立即发出警报，并将火灾信息实时传输到消防点，实现了对森林火灾的监测和预警。

3.3 火灾救援子系统

消防车载终端接收到无线组网中传播的火情信息，使消防人员能及时掌握火灾实况，听从总部指挥。同样，指挥中心也能实时监控消防力量分布，正确指挥救火。

指挥中心的PC机结合GIS地图和火场周边及车载终端的GPS终端定位，根据火灾识别模型识别的火灾信息确定起火位置和火灾发生范围，将火灾状况和消防车队的地理分布情况直观地显示在屏幕上[4]。

消防一线人员与指挥人员实时通信交互，确保对消防工作的高效统筹规划。

3.4 档案管理子系统

档案管理子系统包括预案管理、监测数据归档和火灾历史信息维护三部分，各部分实现的主要功能为：①预案管理部分：实现对各种处置预案的管理和维护；②监测数据归档部分：将系统收到的实时信息归档到数据库。③火灾历史信息维护：将本次火灾的情况录入系统，作为以后再次发生火灾时的防火扑救参考与依据。

3.5 数据库管理和用户管理

数据库管理主要是对实时信息数据，地貌地形、地理位置坐标、防火专题数据、救火历史业务数据进行管理和维护。用户管理主要是用于增删用户和设置用户权限[5]。

4 结束语

本文提供了一种基于GPRS和GIS技术的森林火灾防控仿真系统的研究与设计方案，并详细描述了系统各组成部分的功能和设计思路。首先建立森林火灾识别模型，然后实时采集森林火灾发生的温湿度、气压等信息，实际使用时使用模型判断火灾是否发生，并将森林环境参数信息和地理位置信息发送给消防点，结合GIS系统直观显示给消防工作人员，使得消防工作更加高效有序地进行。