5G技术在森林防火监控系统中的应用

叶水文，蚁泽纯，张优训，陈富强

（1.广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630；2.广东省龙眼洞林场，广东 广州 510520）

0 引 言

根据应急管理部通报数据，2022年全国共发生森林火灾709起，受害森林面积约46.895 km2。其中，3—4月和9—10月为森林火灾高发期，共发生521起，约占全年火灾的73%。受高温干旱等因素影响，湖南省、广西壮族自治区、江西省、湖北省、广东省以及重庆市发生森林火灾共计503起，约占全国全年火灾的71%，形式相当严峻。

应用信息化的手段进行科学有效的森林防火监控，并及时准确地做出决策响应，是实现森林防火“打早、打小、打了”的重要手段之一。受3G/4G数据传输能力的限制，目前的森林防火监控系统无法传输高清（1 080 P）和超高清（4K/8K）视频，回传视频存在清晰度不足的问题，且时延较大，无法达到森林防火管理的要求。

5G技术能为森林防火监控系统提供大带宽、低时延以及大连接的技术特性，具有良好的数据传输灵活性和安全性，为森林防火视频监控回传提供了重要的技术支撑手段[1]。

1 5G及森林防火视频监控概述

1.1 5G技术

5G技术是第五代移动通信技术的简称，是基于4G技术的延伸和演进。相比而言，5G技术在用户峰值速率、用户体验速率、时延、连接数密度、流量密度以及移动性等关键性能指标均有大幅提升[2]。5G与4G关键性能对比如表1所示。

表1 5G与4G关键性能对比

2019年6月，5G商用牌照的发放标志着我国正式进入了5G商用元年。目前，我国已建成了全球最大的5G网络。根据工信部统计，我国现有5G基站总数已超264万个，5G网络基本实现深度覆盖和按需覆盖，为5G应用提供了扎实的网络基础。

1.2 森林防火视频监控技术应用

传统的森林防火监控一般采用“人工瞭望+人工巡检”的方式，不仅工作量大、效率低，无法做到24 h实时监控，而且容易受雾霾天气的影响导致监测效果较差。随着科学技术的发展，森林防火监控手段不断进步，主要包括卫星监测、红外线监测、雷达监测以及视频监控等，明显提升了森林防火综合防控能力。目前，森林防火视频监控技术的应用主要包括4个方面。

（1）林区火情实时监控。将视频监控前端设备安装在森林视野宽阔的制高点，对森林情况进行全天候检测，并通过传输系统实时传输至森林防火指挥中心，从而实现对林内火情的实时监控[3]。

（2）火警定位。结合地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术为每一个前端监测点设置独立的地址编码，并将监控点的坐标与电子地图上的位置一一对应。当前端监控设备检测到有火警时，GIS系统会根据前端监控设备的地址编码，将其转换为相应的位置数据，实现火警定位。

（3）烟火智能识别。结合烟火检测技术，对视频监控系统回传的图像进行智能化处理，分析识别林火烟雾和火光特征，及时发现火情并自动告警，实现森林防火“打早、打小”的目标。

（4）其他监控。对滥伐林木、私采乱挖林地以及猎杀野生动物等违法行为进行有效监控，并监控森林病虫害，同时实现野生动物保护，为森林核查提供方便。

2 5G技术在森林防火监控系统中的应用

2.1 森林防火高清监控视频回传带宽需求

森林防火视频监控主要实现的功能包括实时图像监控、烟火识别与报警等。为获得完整、清晰的监控视频，同时提升人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法对视频图像的分析的处理速度及精度，降低烟火识别的误报率，森林防火监控前端设备建议采用高清（1 080 P）/超高清（4K/8K）设备[4]。高清/超高清视频对网络回传带宽的需求如表2所示。

表2 高清/超高清视频对网络回传带宽的需求

2.2 森林防火视频监控系统回传方式

森林防火监控回传主要有有线传输和无线传输这种方式[5]。

2.2.1 有线传输

有线传输具有传输容量大、传输信号稳定以及不易被雷击等优点，但在林区中存在施工难度大、成本高等问题，且线路的敷设会对沿途的植被造成破坏，既不环保也不经济。一般在距离较近或可利旧原有的光缆情况下才选择有线传输方式。

2.2.2 无线传输

无线传输施工简单，无须挖沟布缆，可以利用运营商已有的网络，成本低，是森林防火视频监控系统回传方式的首选。但目前主流的4G网络带宽小，不能满足高清（1 080 P）和超高清（4K/8K）视频回传的带宽需求。因此，有必要在森林防火视频监控系统中引入5G网络技术，在满足高清/超高清传输速率的同时降低传输时延，保障前端实时火情通过5G基站回传至监控指挥中心的视频画面间的时延小于1 ms，为森林防火指挥决策和快速扑救争取宝贵时间。

2.3 5G森林防火视频监控的示范应用

5G森林防火视频监控系统架构如图1所示。首先，在5G森林防火视频监控系统的前端配置高清摄像机，通过客户前置设备（Customer Premise Equipment，CPE）回传至5G运营商基站；其次，通过5G基站将视频回传至云端云平台，接入林场监控指挥中心；最后，通过权限配置，不同类型的管理人员可通过计算机端及手机端实现火警信息的接收、查看及其他操作，实现远程智能化管控。

图1 5G森林防火视频监控系统架构

在林场中选取视野广、障碍物少的监控点部署高清摄像头，充分利用5G技术大带宽、低时延的优势，将林场内的实时情况传送至林场监控指挥中心。通过云部署的森林防火监控平台，实现实时监控、险情识别、险情定位、智能告警以及辅助决策等功能。由于5G技术具有低时延的特性，可保证现场实时火情与回传后端视屏画面间的时延低于1 s，为正确判断火情并及时做出决策赢取宝贵时间。5G森林防火视频监控的示范应用如图2所示。

图2 5G森林防火视频监控的示范应用

3 结 论

对比4G技术，5G技术的网络性能指标有极大的提升，5G网络覆盖率也可满足各行业的深化应用。通过制定森林5G实时高清图像/视频回传技术方案并开展示范验证，实现监控视频的实时高效传输，为提升森林消防效能开辟新的技术途径和应用模式。通过运用5G技术实现森林防火高清视频的回传，可以实现森林火灾实时监控、智能预警以及精准定位，有效提升森林火灾的整体防控能力。