5G技術在森林防火監控系統中的應用

葉水文，蟻澤純，張優訓，陳富強

（1.廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省龍眼洞林場，廣東 廣州 510520）

0 引 言

根據應急管理部通報數據，2022年全國共發生森林火災709起，受害森林面積約46.895 km2。其中，3—4月和9—10月為森林火災高發期，共發生521起，約占全年火災的73%。受高溫干旱等因素影響，湖南省、廣西壯族自治區、江西省、湖北省、廣東省以及重慶市發生森林火災共計503起，約占全國全年火災的71%，形式相當嚴峻。

應用信息化的手段進行科學有效的森林防火監控，并及時準確地做出決策響應，是實現森林防火“打早、打小、打了”的重要手段之一。受3G/4G數據傳輸能力的限制，目前的森林防火監控系統無法傳輸高清（1 080 P）和超高清（4K/8K）視頻，回傳視頻存在清晰度不足的問題，且時延較大，無法達到森林防火管理的要求。

5G技術能為森林防火監控系統提供大帶寬、低時延以及大連接的技術特性，具有良好的數據傳輸靈活性和安全性，為森林防火視頻監控回傳提供了重要的技術支撐手段[1]。

1 5G及森林防火視頻監控概述

1.1 5G技術

5G技術是第五代移動通信技術的簡稱，是基于4G技術的延伸和演進。相比而言，5G技術在用戶峰值速率、用戶體驗速率、時延、連接數密度、流量密度以及移動性等關鍵性能指標均有大幅提升[2]。5G與4G關鍵性能對比如表1所示。

表1 5G與4G關鍵性能對比

2019年6月，5G商用牌照的發放標志著我國正式進入了5G商用元年。目前，我國已建成了全球最大的5G網絡。根據工信部統計，我國現有5G基站總數已超264萬個，5G網絡基本實現深度覆蓋和按需覆蓋，為5G應用提供了扎實的網絡基礎。

1.2 森林防火視頻監控技術應用

傳統的森林防火監控一般采用“人工瞭望+人工巡檢”的方式，不僅工作量大、效率低，無法做到24 h實時監控，而且容易受霧霾天氣的影響導致監測效果較差。隨著科學技術的發展，森林防火監控手段不斷進步，主要包括衛星監測、紅外線監測、雷達監測以及視頻監控等，明顯提升了森林防火綜合防控能力。目前，森林防火視頻監控技術的應用主要包括4個方面。

（1）林區火情實時監控。將視頻監控前端設備安裝在森林視野寬闊的制高點，對森林情況進行全天候檢測，并通過傳輸系統實時傳輸至森林防火指揮中心，從而實現對林內火情的實時監控[3]。

（2）火警定位。結合地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術為每一個前端監測點設置獨立的地址編碼，并將監控點的坐標與電子地圖上的位置一一對應。當前端監控設備檢測到有火警時，GIS系統會根據前端監控設備的地址編碼，將其轉換為相應的位置數據，實現火警定位。

（3）煙火智能識別。結合煙火檢測技術，對視頻監控系統回傳的圖像進行智能化處理，分析識別林火煙霧和火光特征，及時發現火情并自動告警，實現森林防火“打早、打小”的目標。

（4）其他監控。對濫伐林木、私采亂挖林地以及獵殺野生動物等違法行為進行有效監控，并監控森林病蟲害，同時實現野生動物保護，為森林核查提供方便。

2 5G技術在森林防火監控系統中的應用

2.1 森林防火高清監控視頻回傳帶寬需求

森林防火視頻監控主要實現的功能包括實時圖像監控、煙火識別與報警等。為獲得完整、清晰的監控視頻，同時提升人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法對視頻圖像的分析的處理速度及精度，降低煙火識別的誤報率，森林防火監控前端設備建議采用高清（1 080 P）/超高清（4K/8K）設備[4]。高清/超高清視頻對網絡回傳帶寬的需求如表2所示。

表2 高清/超高清視頻對網絡回傳帶寬的需求

2.2 森林防火視頻監控系統回傳方式

森林防火監控回傳主要有有線傳輸和無線傳輸這種方式[5]。

2.2.1 有線傳輸

有線傳輸具有傳輸容量大、傳輸信號穩定以及不易被雷擊等優點，但在林區中存在施工難度大、成本高等問題，且線路的敷設會對沿途的植被造成破壞，既不環保也不經濟。一般在距離較近或可利舊原有的光纜情況下才選擇有線傳輸方式。

2.2.2 無線傳輸

無線傳輸施工簡單，無須挖溝布纜，可以利用運營商已有的網絡，成本低，是森林防火視頻監控系統回傳方式的首選。但目前主流的4G網絡帶寬小，不能滿足高清（1 080 P）和超高清（4K/8K）視頻回傳的帶寬需求。因此，有必要在森林防火視頻監控系統中引入5G網絡技術，在滿足高清/超高清傳輸速率的同時降低傳輸時延，保障前端實時火情通過5G基站回傳至監控指揮中心的視頻畫面間的時延小于1 ms，為森林防火指揮決策和快速撲救爭取寶貴時間。

2.3 5G森林防火視頻監控的示范應用

5G森林防火視頻監控系統架構如圖1所示。首先，在5G森林防火視頻監控系統的前端配置高清攝像機，通過客戶前置設備（Customer Premise Equipment，CPE）回傳至5G運營商基站；其次，通過5G基站將視頻回傳至云端云平臺，接入林場監控指揮中心；最后，通過權限配置，不同類型的管理人員可通過計算機端及手機端實現火警信息的接收、查看及其他操作，實現遠程智能化管控。

圖1 5G森林防火視頻監控系統架構

在林場中選取視野廣、障礙物少的監控點部署高清攝像頭，充分利用5G技術大帶寬、低時延的優勢，將林場內的實時情況傳送至林場監控指揮中心。通過云部署的森林防火監控平臺，實現實時監控、險情識別、險情定位、智能告警以及輔助決策等功能。由于5G技術具有低時延的特性，可保證現場實時火情與回傳后端視屏畫面間的時延低于1 s，為正確判斷火情并及時做出決策贏取寶貴時間。5G森林防火視頻監控的示范應用如圖2所示。

圖2 5G森林防火視頻監控的示范應用

3 結 論

對比4G技術，5G技術的網絡性能指標有極大的提升，5G網絡覆蓋率也可滿足各行業的深化應用。通過制定森林5G實時高清圖像/視頻回傳技術方案并開展示范驗證，實現監控視頻的實時高效傳輸，為提升森林消防效能開辟新的技術途徑和應用模式。通過運用5G技術實現森林防火高清視頻的回傳，可以實現森林火災實時監控、智能預警以及精準定位，有效提升森林火災的整體防控能力。