森林火災防控仿真系統的研究與設計*

從俊杰 王釗 張一康 常光杰 鞏秀鋼通訊作者)

山東理工大學計算機科學與技術學院 山東 淄博 255030

引言

森林防火對保護森林資源具有重要意義，當森林火災發生時，及時掌握火災實況和救火資源的分布情況，根據火災準確位置及時有效調動各處消防力量撲滅林火、減少損失，對森林消防工作至關重要，也是當下國內外的一個研究熱點。本系統綜合運用了GPRS無線組網技術和GIS系統，將高速數據處理與GIS地圖有機結合起來，用單片機實時采集數據，根據接收的數據判斷火情，制定合理的撲救方案，并通過GPRS網絡實時指揮救火，為林業部門及時指揮救災工作提供了強有力的技術支持。

1 系統框架

1.1 系統目標

本文旨在研究并設計一套低虛警率的森林火災防控仿真系統。主要功能是采集、傳遞、分析、顯示火災信息，實現對森林火災的實時監測和預警。

1.2 具體實現過程

1.2.1 建立火災識別模型：基于RS-SVM的火災識別算法，建立RS與SVM的復合火災識別模型，用以判斷火災是否發生。

1.2.2 實時監測火災信息與預警：利用安裝在森林中的傳感器和北斗模塊獲得林區溫度、氣體濃度、位置等信息，這些信息將通過GPRS無線組網實時傳輸至RS-SVM火災識別模型，判斷火災是否發生，若發生火災則立即預警，并顯示火災程度信息。

1.2.3 直觀顯示火場情況：在GPRS無線組網中傳輸的林區環境信息同樣送至消防指揮中心及消防車載終端的PC機，結合GIS系統，將林區火情實時顯示在大屏上。

1.2.4 高效指揮撲救：每輛消防車配備有北斗定位器，消防指揮人員能夠實時掌握消防車的地理分布，并與滅火人員通過GPRS網絡實時通信，更高效地統籌規劃滅火工作[1]。

1.3 系統框架

仿真系統由火災信息監測節點、服務器、火災救援節點與救援指揮節點構成，實現了對森林火災的實時監測、事故預警、撲救指揮等功能。系統結構如圖1所示：

圖1 系統結構示意圖

2 各節點的設計與實現

2.1 火災信息監測節點

火災信息監測節點由環境信息參數采集傳感器、北斗定位模塊、單片機和GPRS無線傳輸網絡組成。其中不同的傳感器用于采集不同的環境信息參數（包括溫度、濕度、氣壓、CO2濃度、CO濃度、SO2濃度），北斗定位模塊用于確定地理位置，GPRS模塊用于傳輸信息，這些傳感器和模塊都安裝在單片機上。單片機通過GPRS無線網絡傳輸這些信息至RS-SVM火災識別模型，判斷火災是否發生，實現預警。傳輸的林區信息同樣送至消防指揮中心，存入林區歷史信息數據庫中，作為林區未來火災防控的依據。

2.2 服務器

Web服務器節點由RS-SVM火災識別模型、用戶管理部分、檔案管理部分與數據庫管理部分構成。其中RS-SVM火災識別模型是利用基于粗糙集-支持向量機(Rough Set Support Vector Machine ，RS-SVM)的火災識別算法建立的復合火災識別模型，服務器從網絡中獲取來自火災信息監測節點的林區環境信息，利用LIBSVM建立的火災識別模型判斷火災的發生情況，若火災發生，則立即預警，并將火災信息發送給火災救援節點，實現對林區環境的監測與火災預警。用戶管理部分用來增刪用戶和設置用戶權限，檔案管理部分用于預案管理、監測數據歸檔和火災歷史信息維護，數據庫管理部分對實時信息數據管理進行管理和維護。

2.3 火災救援節點（消防車節點）

消防車節點由車載PC機與瀏覽器、北斗定位器和GPRS無線組網構成。其中PC機借助無線網接收火災信息，綜合分析火災數據并結合GIS系統將火災發生情況直觀地顯示在屏幕上，使火場狀況一目了然。同時，車載北斗定位器記錄車輛位置信息并通過GPRS網絡傳送到消防指揮中心，指揮中心與消防一線人員也可利用無線網進行實時數據交流和通信應答，由此，指揮中心可以直觀地掌握消防力量分布，高效統籌規劃消防具體工作，減少滅火時間，提高滅火效率[2]。

2.4 救援指揮節點

救援指揮節點主要由瀏覽器和GPRS無線傳輸網絡構成。其中PC機通過GPRS無線網絡接收從火災識別與預警節點和火災救援節點傳輸而來的消防車信息與火災信息，對這些信息進行綜合分析處理，通過無線網連接到地理信息系統（GIS），對所監測區域中有關地理分布的數據進行儲存和顯示，最終在顯示屏山顯示林區火災發生指定地區的實時圖像。

3 系統功能的設計與實現

系統按照功能劃分為幾個主要部分，如圖2所示：

圖2 系統功能圖

3.1 火災信息監測子系統

火災信息監測子系統對獲取到的地理位置信息進行處理和校正后，將傳感器采集的溫度、濕度、氣壓等信息，共同傳遞到GPRS無線組網中去，實現對整個林區或林區火災發生位置的實時監測[3]。

3.2 火災識別與預警子系統

通過建立的RS-SVM火災識別模型對GPRS無線組網中傳輸的林區環境信息進行實時監測，若符合火災發生時的溫濕度、氣壓、氣體濃度等條件，則立即發出警報，并將火災信息實時傳輸到消防點，實現了對森林火災的監測和預警。

3.3 火災救援子系統

消防車載終端接收到無線組網中傳播的火情信息，使消防人員能及時掌握火災實況，聽從總部指揮。同樣，指揮中心也能實時監控消防力量分布，正確指揮救火。

指揮中心的PC機結合GIS地圖和火場周邊及車載終端的GPS終端定位，根據火災識別模型識別的火災信息確定起火位置和火災發生范圍，將火災狀況和消防車隊的地理分布情況直觀地顯示在屏幕上[4]。

消防一線人員與指揮人員實時通信交互，確保對消防工作的高效統籌規劃。

3.4 檔案管理子系統

檔案管理子系統包括預案管理、監測數據歸檔和火災歷史信息維護三部分，各部分實現的主要功能為：①預案管理部分：實現對各種處置預案的管理和維護；②監測數據歸檔部分：將系統收到的實時信息歸檔到數據庫。③火災歷史信息維護：將本次火災的情況錄入系統，作為以后再次發生火災時的防火撲救參考與依據。

3.5 數據庫管理和用戶管理

數據庫管理主要是對實時信息數據，地貌地形、地理位置坐標、防火專題數據、救火歷史業務數據進行管理和維護。用戶管理主要是用于增刪用戶和設置用戶權限[5]。

4 結束語

本文提供了一種基于GPRS和GIS技術的森林火災防控仿真系統的研究與設計方案，并詳細描述了系統各組成部分的功能和設計思路。首先建立森林火災識別模型，然后實時采集森林火災發生的溫濕度、氣壓等信息，實際使用時使用模型判斷火災是否發生，并將森林環境參數信息和地理位置信息發送給消防點，結合GIS系統直觀顯示給消防工作人員，使得消防工作更加高效有序地進行。