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智慧林业方案

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2020年4月19日
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智慧林业解决方案

目录
一、 方案概述 3
1.1方案背景 3
1.2方案意义 3
1.3编制依据 4
二、 技术方案 5
2.1设计原则 5
2.2整体目标 6
2.3方案框架 7
2.3.1前端采集端 7
1.采集原理 7
2.核心部分框架 8
2.3.2传输系统 10
1. 无线网络传输系统 10
2 光纤网络传输系统 11
2.3.3主监控中心 12
1. 机房环境设计 12
2. 监控指挥中心存储控制和数据分析 15
三、 云计算平台 18
1、 平台构成 18
2、 主要功能 19
2.1林火监测预警与防控 19
2.2生态环境监测评估与预防 20

一、 方案概述
1.1方案背景
森林生态资源是支撑中国经济社会可持续发展的重要基础，林业既是一项重要的公益事业，也是一项重要的基础产业。党的十八大把建设生态文明纳入中国特色的社会主义事业“五位一体”总体布局，并提出“走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代道路”，这为新时代加强现代林业建设，着力保障和改进民生提供了重大机遇，具有重大的现实意义和历史意义。为此国家林业局专门颁布实施了《中国智慧林业发展指导意见》、《中国林业物联网发展行动计划》，为中国智慧林业发展指明了方向。
1.2方案意义
林业信息化变成林业现代化的基本要求，数字林业向着智慧业转型升级，即是新一代信息科技进步的必然趋势，也是林业现代化发展的必由之路。随着智慧林业的住不推进、深入，它能够为林业相关工作带来更多的便捷和实效，智慧林业系统不但提供了一个良好的学习和交流平台，而且能够将林业的整体状况经过信息化将终端显示在眼前，能够帮助我们更加准确的了解掌握更多的详尽的信息。
智慧林业是一种新型资源观、生态观和价值观的具体呈现，是落实中央一系列重大方针政策的重要措施，对发展林业和民生林业、建设生态文明和美丽城市具有重要现实意义和深远历史意义。
1.3编制依据
（1） 《关于进一步加快林业信息化发展的指导意见》（ .3）
（2） 《中国智慧林业发展指导意见》（ .8）
（3） 《中国林业物联网发展行动计划（ -2020）》（ .10）
（4） 《三北防护林的建设、指导原则意义和效益及问题》
（5） 《三北防护林体系建设五期工程规划技术手册》

二、 技术方案
2.1设计原则
根据需求结合智慧林业项目系统的实际需求，以智慧林业系统结构配置的合理性、科学性和经济型为原则，同时严格掌握以下原则进行设计：
u 先进性原则
无论是软件配置，还是硬件配置，力求做到技术先进，安全可靠防范严密。
u 兼容性原则
即系统设计合理，无论是硬件的匹配，还是系统与特定环境的适应性，都要求很好的兼容性。
u 安全保密原则
系统的设计和配置必须保证森林防火信息的安全，有较好的数据安全措施，有较强的数据备份和系统恢复供能。
u 可扩充性原则
系统充分考虑林火监控的需求和未来技术发展带来的系统扩充的需求，预留足够的接口空间，可满足以后的软件升级及设备扩充。
2.2整体目标
1） 视频联网联控、统一指挥调度
本方案实现所有林业站点资源和视屏的统一监控，同时可根据需要将所管辖视频资源共享给地区或国家林业部，并根据林业实际需求，采取自上而下逐层汇接的方式形成分层指挥管理架构。
2）林火监测预警与监控
森林火灾监测预警与防控，除利用微型遥感、航空遥感等天网系统大范围监控与防控外，重点在于建设与应用视屏监控、红外感应等地网系统，以及移动智能端（智能手机）、单兵设备等人网系统，当画面中有烟时，烟感测温智能摄像机会自动捕捉火灾迹象画面，并经过后台软件自动将该画面自动在监控大屏上弹出，同时引发声光报警器工作，提醒值班人员做出判断后进行处理。
3） 火点精确定位、林地查询分析
警情发生，经过卫星遥感观测的经纬度进行搜索定位，借助模糊查询及视频来进行火电准确定位，可自动探测出远距离火焰、车辆、人员等地热源目标，及时分析、及时报警。
4）长期生态监测与评估
林业生态环境的长效监测与评估，主要指对陆地生态系统的有关指标进行连续观测，进而评估生态系统的健康状况、生态服务功能和价值、并为森林等资源生态工程建设提供科学依据。
5） 档案管理录入、实现动态管理
本方案将森林管理纳入预警管理平台，提供了一套完整的、科学的、统一的森林档案管理软件，便于有针对性预防和警情发生， 自动形成历史记录，便于实施管理。
2.3方案框架
本方案充分利用云计算、物联网、大数据、移动物联网等新一代信息技术，经过感知化、物联化、智能化的手段，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。
本方案总体预算为1500万元。遵循国家林业局《行动计划》要求，本方案提出的智慧林业总体框架分为三个部分，即前端采集层、传输系统、主监控中心。
2.3.1前端采集端
前端采集层是智慧林业的基础，主要进行林业信息采集、简单处理及数据传输。由无线红外探测器、智能手持终端等智能硬件设备构成，形成区域性传感网络或大陆尺度分布物联网，具有长期稳定的位置感知、环境感知、火灾感知等功能。
本前端采集端预算资金为 万元。
1.采集原理
1） 监控点的选择，首先摄像机应该选择安装在森林制高点，要求视野宽、无障碍、监控面大，尽量少设监控点，并尽可能使得每个监控点位覆盖的森林面积最大，如有无法回避的监控死角，可增加监控点；
2） 监控点要求全天候工作，镜头应选用日夜两用型镜头，而且在5km内能够看清人物活动。为了减少远距离图像的抖动，摄像机的安装也要确保牢固稳定；
3） 考虑到自然界雷电的破坏力，其高达千瓦伏以上的电压会对野外架设的电子设备造成极大的破坏，因此野外防雷部分是系统安全可靠的关键。为了保证设备的正常工作，在监控点必须加入防雷避镭设备以保证设备安全。
2.核心部分框架
1） 红外传感网监测系统
利用红外感应、无线组网、野外供能等野外环境传感网核心技术，部署“无线红外火焰探测器”、“物联网网关”等物联网监控产品。经过短距离无线通信自组网，形成无线传感网火灾地网监测系统，替代人工巡护，实现对早期火灾现象的二十四小时全天候、全自动监控。
2） 无线环境探测器
无线环境探测器利用内部集成的多种要素环境传感器（大气温度、大气湿度、大气压、光照度等），对林业环境参数进行采集，经过将实时监测数据传输至智慧林业物联网平台。
3） 移动智能端手持终端

利用移动互联网、GPS、GIS等技术，为林业管护人员配置移动智能终端单兵设备，安装“安全监管网格化管理系统”APP软件，形成火灾应急防控人网监测系统，实现对森林火灾管控的巡护、监管、应急、协同指挥。
4） 远距离热成像摄像机

能够根据温度的微小差异找出温度的异常点，将温度转换成实时视频图像显示出来。能够在极端天气下使用、可看穿雾雨烟等障碍，实现2km-5km以上昼夜全天视屏监控。
5） 防雷设备
在每个摄像机前端，分别安装一套多功能三合一防雷器（视频线、控制线、电源线），并做好接地。
2.3.2传输系统
传输系统主要包括网络布线、有线传输系统和无线传输系统。
本传输系统的预算为 万元。
传输系统传输系统是整个系统的神经中枢，它直接关系到整个系统的正常运行，传输的信号包括：正向传输彩色视频信号、气象信息数据、摄像头控制信号。传输系统大致分为两类：
1） 光纤网络传输系统
2） 无线网络传输系统

由于监控系统自身的特点，考虑到本项目跨度范围较大，因此考虑前端摄像监控图像数据传输模式需要有线与无线传输模式相结合，并首先考虑无线传输模式，无线传输模式施工方便，图像实时传输、清晰，并可考虑传输距离的远近、现场自然条件的不同（部分需要跨过铁路或公路），根据实际情况选择无线或有线传输方式。
1. 无线网络传输系统
技术方案需要在传输方式选择上进行分析和对比。无线网络传输有无线微波传输和网络传输。网络传输受网络宽带和速度的限制，每秒只能传输几到十几帧图像，动画效果十分明显并有延时，无法做到实时监控。
微波传输系统能够解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控传输的解决方式，采用调频调制的办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波在空中传播。其综合成本低，性能更加稳定，能够动态实时传输广播级图像，图像清晰度不错，而且完全实时，组网灵活，可扩展性好，即插即用，维护费用低。因此综合考虑能够选择微波传输系统。
2. 光纤网络传输系统
光纤网络传输是把视频及控制信号转换为激光信号在光纤中传输。光纤传输具有高带宽、传输距离远，一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用光纤传输数据，是非常理想的，且光纤在无中继情况下传输距离可达几十、甚至上百公里。信号串扰小，保密性能高。抗电磁干扰、传输质量佳。尺寸小，重量轻，便于运输。
综合以上对比条件，监控点位的传输技术方案选择，能够选择有线传输与无线传输相结合，总体要实现以下内容：
u 适应室外应用，IP防护等级高。
u 支持远距离和点对点大规模组网传输，提供足够高的链路带宽，同时支持带宽分配。
u 支持视频组播包的转发控制。
u 传输的高稳定性和可靠性。
u 安装线路简便、具有强大的管理功能、维护成本低。
2.3.3主监控中心
指挥中心是整个监控系统的中心，既是整个系统信号的传输、切换、分配中心，也是整个系统的控制中心。因此该系统质量的优劣，供能的配置是否完备和先进，将直接影响到整个系统的供能和影响质量。指挥中心主要包含：监视器、数字硬盘录像机、网络控制键盘、管理服务器、数据库服务器、应用服务器、双联操作台、交换机、机柜等设备。
本主监控中心的预算为 万元。
1. 机房环境设计
机房是各类网络精密设备运转场所，这些精密设备及设备的零配件对环境要求也相当高，为了保证各类设备能够持续正常的运转，不至于因环境影响而导致某个设备零配件的损坏，可能引起网络堵塞、系统瘫痪等重大事故。机房环境主要包括：机房温湿度、机房洁净度、机房内空气压强、机房内噪声等等。本设计对机房环境作如下设计：
机房依据国家标准GB50174-93中的A级标准设计。
开机时： 湿度 A级 20±2℃（冬季） 22±2℃（夏季）
相对温度 A级 45~65%
温度变化率 A级＜5℃/h，并不得结露
停机时： 温度 A级5~35℃
相对湿度 A级 40~70%
温度变化率 A级＜5℃/h，并不得结露
采取措施：在机房内配置1台精密空调
洁净度要求：
机房内空气含尘浓度，在静态时每升空气中大于或等于0.5μm的陈颗粒数应小于18000粒。
采取措施：机房地面、顶棚基层均刷防尘油漆
气压要求：
机房内气压相对外界压强为正压
采取措施：配置新风净化机
噪声要求：
机房内噪声在设备停止条件下工作位置处测量应小于68dB（A）。
采取措施：机房内所有窗户采用TK板封闭处理。
机房装饰设计：
作为一个信息化窗口，机房装饰除了体现美观舒服性外，最重要的是要考虑到机房的安全处和耐久性
机房电气设计：
机房的供配电及UPS配置，直接关系到机房设备运转的可持续性，
为了保证机房内所有设备的正常运转，不因为供配电设计不当而产生的故障引起设备的损坏和系统故障，因此需要对供配电进行科学合理的设计和施工。
供电设计：
对电源的要求：
电压：380/220V±10%；
频率：50Hz±0.5Hz；
谐波失真≤5%；
相数：三相五线制/单向二线制
电源配置：
A. 市电分配柜中UPS电源主路和旁路分别采用独立开关控制，考虑UPS电池充电，采用100A开关，同时增加一个UPS的外部旁路开关，当UPS正常时，开关处于锁定状态。UPS处于故障时，采用外部旁路供电，完全隔离UPS，空调和其它市电负载采用100A作为主开关时，当有故障发生时，不影响UPS正常供电。
B. UPS输出柜采用100A的开关作UPS开关作为UPS输出开关，UPS在分配柜内部，以利于UPS输出接线盒UPS维护，由于本柜常带电，与其它柜完全隔离，应急照明采用市电和UPS一起供电，当市电断电时，转UPS供电。
C. 市电分配和UPS输出啊分配预留远期扩展功能，可随时增加配电柜的容量和开关的数量。
UPS的配置：在选用线式16KVA,关键设备后备时间为4小时。
机房接地系统
1．强弱电采用联合接地极时，接地电阻必须小于1Ω。
2．采用联合接地极时，弱电接地引出线和强电接地引出线不能从同一点引出，两者要相距3m以上。
3．对于抗干扰要求高的设备，例如电脑、消防控制室的接地干线应用截面积不小于25 mm2绝缘铜导线两根或固定在绝缘子上的接地排，避免和强电接地线相通。
空调系统
机房中的计算机及网络设备在运行中散热量大而且集中，散热量极小，散热量的95%是显热，热湿比较大。在这种情况下，需要空调来实现机房内部温湿度的平衡。可是机房的洁净度要达到以下要求：
1） 机房要密封、墙体围护结构要清洁；
2） 机房要保持正压，防止脏空气侵蚀，新风做到两级净化，即初效、亚高效过滤器，而从使输入机房的空气洁净度大大提高；
3） 空调机设中效过滤器并定期更换，从而保证机房内空气在不断循环中得以净化。
机房设备的容量及选型
机房的热负荷主要来自两个方面。机房内的计算机设备、照明设备、辅助设施及工作人员所产生的热；由机房外部进入的热，如：从墙壁、屋顶、隔断和地面传入机房的热；透过玻璃射入的太阳辐射热。为达到机房的环境要求，确保计算机房内系统设备在恒温、恒湿工作条件下的送风量以及使人感到舒服的送风量，必须计算出机房内的热负荷。因此综合考虑，选择机房最好在一楼位置，这样能够尽可能的减少太阳直射的热辐射，而且方便人员操作管理。
2. 监控指挥中心存储控制和数据分析
监控中心存储控制部分
该部分是整个监控系统的中心，既是整个系统信号的传输、切换、分配中心，也是整个系统的控制中心，因此该系统质量的优劣，功能的配置是否完备和先进。直接影响到整个控制系统的供能和运行质量。系统的控制中心建在林业局的主办公楼内。主要由接入层交换机、应用服务器、管理服务器、数据库服务器、客户端操作平台、地市联网控制系统、智能报警系统、数字存储系统等设备构成。
根据上述设备，经过合理的技术方案，将其集成为一个完整的系统控制中心。同时，其中的相关设备，还应支持本项目的各种软件系统的正常运行。主要功能和特点：
1） 图像显示切换功能
实时图像监控，能够在电视墙、普通监视器以及网络计算机终端上观看实时图像，并实现视频切换、前端控制、视频轮播等监控功能，经过矩阵宏命令，能够快速调用预案，当发生突发事件时，能够事先调用事先设置好的视频图像及预置位，为高效扑救提供有力保障。
2） 数模混合
数模混合的视频监控系统，同时支持多种模拟矩阵系统和视频编码设备，实现模拟视频和数字视频的无缝融合。
3） 用户权限管理
配置整个用户的用户权限，主要是针对林业局内部专网的用户制定权限，针对不同飞用户分配不同的视频点的视频观看、控制、录像回看权限。针对不同的用户定义不同的权限级别。
4） 图像存储和备份功能
图像能够按照规定格式实时记录、存储和备份。存储和备份的信息。可在网络系统中依据授权查看和回放。
5） 网络传输功能
图像信息在保证质量的标准下能够按照规定和流程在网络中向各级领导分控端传输。
6） 对讲功能
在护林及扑救过程中，工作人员经过视频监控可实现对重点部位情况的实时掌控，当突发事件或需要工作人员进行指挥调度时，能够经过无线对讲系统向护林员提出语音提示或者调度，从而及时实现对现场的控制、指挥和调度。
7） 存储功能
数字硬盘录像机能够实现24小时全天录像，15天无覆盖的数据保存，以实现远程录像查询与回放。
整个系统在服务器安装后，会有以下功能和特点：
u 传统的视频监控方式和林火自动识别、定位和报警软件相结合；
u 监控视频图像与地理信息、林业属性和业务管理等数据统一于结合；
u 集中处理与网络化应用相结合；
u 满足当前的基本需求与可实现今后可持续发展相结合；
u 突出智慧林业防火业务综合业务管理系统建设的“特点”、“亮点”、“实用性”和“可持续性”。

三、 云计算平台
1、 平台构成
由短信网、通信网关、业务系统、专题数据库、知识数据库、模型数据库其中：
1） 短信网关和通信网关：主要用于与智能感应等智能硬件互联通信，支持多种国际主流的物联网数据传输协议及技术规范；
2） 业务系统：由森林防火、环境监测、分析评估、事件报告等业务子系统构成；
3） 专题数据库：由林火地网监测、环境地网监测、业务参数等组成；
4） 知识数据库：由森林火险、气象灾害、环境评估、安全事件等组成；
5） 模型数据库：由各类事件因素树、算法模型、模型参数等组成。
2、 主要功能
包括林火监测预警与防控和生态环境监测评估与防控两大方面，主要功能如下：
2.1林火监测预警与防控
1） 气象火险等级预警修正与预警：每日采集存储气象网预报监测系统的核心生态环境参数，利用森林气象火险等级算法模型，计算被防控的气象火灾等级，并向预定人员发送预测预警信息，以便加强林区火灾防控；
2） 实时火灾监测与定位预警：7*24小时全天候，全自动监测火险区域及周界，代替人工巡护，及时发现林火现象，并经过智慧林业平台，并向预定人员发送预测预警信息，以便组织相关人员及时组织扑救；
3） 火灾应急与指挥：一旦发生火灾现象，将自动启动预警，并经过APP，微信等工具实现现场与平台之间的互动，以及平台与外部之间的互动，以最大的效率响应与指挥；
4） 设备远程监测与管理：7*24小时实时监控前端设备的工作状态，及时发现设备异常及故障设备，以便能够有预见、有计划，主动的维护、管理设备。
2.2生态环境监测评估与预防
1）局部范围环境监测评估：经过融合相关设备信息，对局部区域生态环境进行动态分析与评估，参考专家知识做出决策支持评估结论，并经过GIS可视化呈现生态环境状况变化历程；
2）大陆尺度环境监测评估：经过融合地网分布信息，对大陆范围区域生态环境进行动态分析与评估，参考专家知识作出决策支持评估结论，并经过GIS可视化呈现生态环境状况变化历程。