5G技术在森林防火监控系统中的应用.pdf

Telecom Power Technology 191 Aug.25,2023,Vol.40 No.16 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期运营维护技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.16.0605G 技术在森林防火监控系统中的应用叶水文1，蚁泽纯1，张优训1，陈富强2（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）摘要：突发性强、危害性大以及处置难是森林火灾的 3 大特性。在现代森林防火、灭火工作中急需应用信息化手段进行有效的森林防火监控，及时准确地进行决策响应，从而降低灾情影响。利用 5G 技术大带宽、低时延的技术特性，结合高清视频监控、物联网以及边缘计算等技术，可提高森林防火检测的准确性和时效性。简要介绍 5G 技术、森林防火监控系统的传输需求及系统网络架构，并总结 5G 技术在森林防火视频监控领域的示范应用，以期助力智慧森林防火工作。关键词：5G 技术；森林防火；防火监控系统Application of 5G Technology in Forest Fire Prevention Monitoring SystemYE Shuiwen1,YI Zechun1,ZHANG Youxun1,CHEN Fuqiang2(1.Guangdong Telecom Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China;2.Longan Cave Forest Farm,Guangzhou 510520,China)Abstract:Sudden,harmful and difficult to handle are the three characteristics of forest fire.In modern forest fire prevention and extinguishing work,it is urgent to apply information technology to effectively monitor forest fire prevention and make timely and accurate decision making response,thus reducing the impact of disaster.Using the technical characteristics of large bandwidth and low delay of 5G technology,combined with high definition video surveillance,Internet of Things(IoT)and edge computing,the accuracy and timeliness of forest fire prevention detection are improved.This paper briefly introduces 5G technology,transmission requirements of forest fire prevention monitoring system and system network architecture,and summarizes the demonstration application of 5G technology in the field of forest fire prevention video monitoring,with a view to helping smart forest fire prevention work.Keywords:5G technology;forest fire prevention;fire prevention monitoring system0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。15G 及森林防火视频监控概述1.15G 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。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收稿日期：2023-06-13基金项目：广东省林业科技计划项目“基于 5G 通信技术的森林旅游地智慧防灭火关键技术研究”（2020-01）。作者简介：叶水文（1985），男，广东河源人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为通信及信息化规划。2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期Aug.25,2023,Vol.40 No.16Telecom Power Technology 192 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。25G 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。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。2.35G 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。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表 15G 与 4G 关键性能对比关键性能指标4G5G用户峰值速率/（Gb/s）120用户体验速率/（Gb/s）0.010.1 1.0时延/ms101连接数密度/（万/km2）10100流量密度/（Tb/s）/km20.110移动速度/（km/h）350500表 2高清/超高清视频对网络回传带宽的需求视频格式分辨率码率/（Mb/s）上行带宽/（Mb/s）1 080 P1 9201 0808 10 104K3 6402 18030 60 608K7 6804 32080 120 120 2023 年 8 月 25 日第 40 卷第 16 期 193 Telecom Power TechnologyAug.25,2023,Vol.40 No.16 叶水文，等：5G 技术在森林 防火监控系统中的应用策等功能。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 监控指挥中心5G CPE视频监控5G CPE视频监控5G CPE5G基站云平台计算机端手机端视频监控图 15G 森林防火视频监控系统架构图 2 5G 森林防火视频监控的示范应用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。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。参考文献：1 占夏莲.5G 在森林防火中的应用 J.数字技术与应用，2021，39（8）：10-12.2 蚁泽纯.5G 和物联网技术在森林防灭火中的应用 J.通讯世界，2022，29（5）：13-15.3 刘柯珍，舒立福，于泽蛟，等.森林防火视频监控技术应用与探讨 J.林业机械与木工设备，2018，46（2）：10-12.4 王波，钟志刚，刘化雪.5G 高清视频回传解决方案研究 J.邮电设计技术，2020（12）：1-3.5 王杨.基于 5G 技术的森林防火监控系统内在机理与应用分析 J.防护林科技，2020（6）：64-65