基于物联网平台的中小型林场智慧化防火系统建设策略

花志芳，沈江林*

（1.凉山州喜德县东西河国有林场 四川，凉山 616750；2.四川天艺致远物联网科技有限公司 四川，成都 610000）

1 绪论

林场火灾对国家及人民存在巨大的危害性，火灾一旦发生将会造成无可估计的经济损失以及对生态环境严重的破坏，更为严重时将会危及到人的生命。2019 年3月30 日18 时许四川省凉山州木里县雅砻江镇立尔村发生“3.30”木里县森林火灾，死亡人数包括27 名森林消防队员和3名地方干部群众。第二年相同时间，四川省凉山州西昌市泸山发生森林火灾，大火造成19人不幸遇难，包括18名凉山州宁南县打火队队员，1名当地向导，过火面积超过1000 公顷，造成经济损失不计其数。悲剧发生暴露出我国对于林场防火的对策缺乏有效手段的问题，其实长久以来，我国的研究者从未停止过对于林场防火的对策研究，例如王霓虹提出的基于WEB 与3S 技术的森林防火智能决策支持系统、温小荣等提出的GIS与林业防火的结合以及鲁绍伟等提出的根据林分因子分析及燃烧性分量等级制定森林健康经营实施方案等，但是这些研究成果应用于大型林场或森林，相对较为高屋建瓴，针对中小型林场情况较难实现，而经过50多年的建设，全国国有林场总数已达到4507 个，中小型林场占其中绝大多数，如何针对这些中小型林场进行持续有效的防火系统建立是当下亟待解决的问题。2013 年8 月，国家林业局印发了《中国智慧林业发展指导意见》，明确指出，智慧林业是指充分利用云计算、物联网、大数据、移动互联网等新一代信息技术，通过感知化、物联化、智能化等手段，形成林业立体感知、管理协同高效、生态价值凸显、服务内外一体的林业发展新模式。而目前，我国在十四五”规划中明确要求要按照资源环境承载能力合理确定城市规模和空间结构，统筹安排城市建设、产业发展、生态涵养等，同时要推进新型智慧城市建设，将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造，因此如何结合新型信息技术融入特殊的林场公共资源成为了亟待解决的问题。

2 中小型林场森林火灾预防现状及存在问题

2.1 预防现状

据有关数据统计，我国火灾分为人为和自然灾害两种起火原因，而中小型林场又由于多数接近居民生活区，常有人类在其中进行活动，因此主要由人为因素引发火灾，近年来，由于频繁发生森林火灾，国家加大了对森林防火的制度建设，目前中小型林场中设置了相对比较完善的瞭望台，瞭望台必须配备专门的职工进行不间断轮班看护，尤其是在防火期，基本上做到了24小时值班，在目前林场火情的预报和预警中能够起到比较重要的作用。在林场突发火灾时，为了能有足够的防火机具进行灭火工作，国家要求林场至少配备风力灭火器、灭火弹、铁锹以及水桶和防火服等基本工具；同时为了确保中小型林场中的实时通信，国家规定林场必须配备固定电话、无线电话以及对讲机等通讯设备，基本能够保证整个林场在防火救火时的通讯需求。国家还要求当地政府部门加强与中小型林场之间的沟通与联系，火灾发生时，当地政府部门能够快速协调、调动周围的乡村、驻军、机关单位以及社会力量进入林场，及时进行救火。每年的早春、秋冬季节是火灾高发期，中小型林场救火队伍除了林场正常的值班外会分成几个小组轮流进行巡逻。

2.2 存在问题

2.2.1 防火设施装备落后 护林防火其中的一个关键因素在于防火救火装备，要建立起精良的防火队伍，就必须要有相应的资金、物资投入。近年来国家对林场保护意识逐渐加强，出台了多项保护、扶持林场政策，但由于落实到中小型林场需要一定的时间，因此目前中小型林场面临入不敷出的困境，普遍有以下几种情况发生：

第一，中小型林区由于资金短缺，林区内消防通道建设落后，在发生火情后护林员不能及时赶到火灾所在地，极易发生错过最佳救火时间的情况。

第二，护林员配备通讯设备相对简陋，一般中小型林场通讯信号不佳，护林员通讯设备直接决定了火灾现场的交流沟通效率，如果未能及时进行沟通协调，护林员往往不能形成有效的救火力量，甚至可能会使个别人员出现危险情况难以进行有效救援。

2.2.2 人员活动量大 由于中小型林场多数靠近居民活动区，在实际防火工作中，由于宣传力度不到位，以及护林防火人手匮乏问题，且群众对林场防火缺乏必要的防火意识，因此林场中经常出现人群活动的生活痕迹，而广大群众把护林防火归为政府责任，比较缺乏自觉的防火意识，常常出现在林场中生火、乱扔火源等现象，继而引发林场火灾，由此引发的森林火灾预见难度大，火灾的突发性、蔓延性极强，且此类引发火灾将会带来更大的群众安全隐患。

2.2.3 预警机制差 火灾的扑救预警技术是防火工作中的关键性因素。首先，需要建立森林火灾阻隔设施和森林火灾应急扑救队伍，做好物资储备以及相关扑救装备、设施的完善工作，建立完善的林业管理机制，以及与省市县各级别监管部门的防火网络体系。其次，加强森林消防队伍的建设，提高执行任务扑救队伍的专业性，加强对各个扑救单位的合理配置，在科学建设扑救队伍的基础上，确保其专业能力能够满足实际的工作要求。

中小型林场由于森林火灾应急扑救队伍人员数量少，相关扑救装备、设施不完善，以及未建立科学的森林火险监测预警系统，在林场火灾发生时无法及时进行预警处理，因此需要建立一个适合中小型林场的科学、完善的火灾防火预警机制。

3 基于物联网平台的中小型林场智慧化防火系统

为了实现对中小型林场森林火灾的管理、预防、预测和有效控制等目标要求，收集林场气象、地理数据等，布置物联网监测网点，根据林场防火特性进行物联网平台系统功能设计，通过采集的数据集成到建立的物联网平台进行神经网络模型训练，得出火灾对应的阈值和权值，通过实时的数据反馈及时对护林管理人员进行预警信息的传递，具体实施路线如图1所示。

图1 系统的开发路线

3.1 建立数据网点库

数据网点库是综合了存储、查询、管理、训练数据的基础集合，是实现中小型林场火灾智慧化防火系统所有功能的数据基础，数据网点库的建立需要将林场现有可用的信息，例如林场地理地形数据与林场布置的物联网传感器监测点监测的数据进行有机结合，方能发挥他的潜在价值。

中小型林场由于相对使用面积较大，所需的物联网传感器监测布置方式尽量使用无线传感器网（WSN），该网络能够进行远程、无线地实时监测、采集和处理节点分布区域内的各种环境或监测对象的数据信息，通过无线通信的方式将处理后的数据发送到特定的网络位置，以实现对整个林场的物理或环境状况的协作监测，并根据此类基础信息进行相应的分析决策。为了获取更为精确大量的数据，在林场通过需要部署大量传感器节点，中小型林场可根据自身需要进行合理的组网布置。

3.2 开发电脑端WEB可视化物联网系统

中小型林场智慧化防火物联网平台建设，主要依托GIS地理模型、物联网、无线通讯网络、虚拟引擎的发展基础，构建一个全方位的可视化中小型智慧林场基础监控平台，是中小型林场实现智慧化管理的根本，包含了服务器设施层的建设、中小型林场网络设施层建设及信息感知采集终端层建设三个部分。

服务器可采用MySQL 关系型数据库进行服务器部署，适应广泛应用场景，并且由于中小型林场智慧化防火物联网平台的数据需要保持高度的一致性，因此MySQL关系型数据库是笔者认为最佳的选择；林场网络设施层建设主要是构建覆盖林场各科室的内网（局域网）及外网（广域网）建设；林场无线GPS网络建设，实现林场林区范围内无线信号全覆盖；信息感知采集终端层建设主要通过在林场进行散布式安置各种传感设备（土壤传感器、温湿度传感器、CO传感器、烟感传感器等）、监控设备（摄像头、追踪器等）、移动设备（GNSS、平板电脑、手机等），同时在火灾隐患点、易发点区域追加安装更为密集的布控设施。

根据护林管理人员的需求，电脑端WEB物联网系统需具备信息查询、可视化预警信息显示、林站设备调用和设置环境预警阈值等功能，信息查询包含查询时间、参数选择、查询结果显示等基础功能；可视化预警信息显示及设置环境预警阈值是由传感器采集到的环境监测参数达到阈值时就可根据林场GIS地理模型显示三维预警位置，并同时向护林管理人员手机端发送警报信息，以便管理人员及时采取相应措施；林站设备调用则是将林场防火设备信息录入，可根据系统显示设备调用等信息（如图2所示）。

图2 中小型林场智慧化防火物联网平台结构图

3.3 基于物联网终端数据进行火灾预测分析

通过搭建的物联网可视化系统，实时监测中小型林场土壤温湿度、空气温湿度、降雨量、光照强度等数据，通过数据库进行数据分类调取，并通过卷积神经网络进行计算机深度学习实现中小型林场动态的智能分析，自动识别出火情预警的危险性大小及发生位置，报警并提示相关工作人员，给予对于扑火救火的精准决策分析；同时根据系统收集二氧化硫、PM2.5、负氧离子等林场环境指数，分析计算并生成可量化的火灾预警分析报告。

4 小结

中小型林场智慧化防火物联网平台，可以采用“地理信息数据库+林业基础数据库+林业防火资源库”的构架体系，通过建立中小型林场可视化物联网数据监管平台实现数据查询、模拟分析、数据预警、视频监控、应急指挥、快速决策等，同时能够多方位多角度下进行森林火灾预防管控，从而为森林火险的预测、火情的定位、火灾的扑救、扑火的指挥以及灾后的评估提供良好的技术支撑和决策依据，改进了传统的中小型林场防火模式，同时也促进了林场信息化的进程，使得中小型林场智慧化监管成为可能。