1、森林防火防护监控系统解决方案第1章概述1.1项目背景当前，森林火灾是世界性林业重要灾害之一，每年都有一定数量的发生，造成林业资源的重大损失和全球性环境污染。森林火灾具有突发性，灾害的发生的随机性，在较短的时间内能造成较大的损失的特点。所以一旦有火警发生，就必须以极快的速度釆取扑救措施，扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时，决策措施是否得当。如何实现森林防火工作的规范化，科学化，信息化，真正做到早发现，早解决火灾隐情。数字化森林监控已成为及早发觉，排除森林火灾隐情的必要手段。随着科技的发展，现在森林防火也开始实现智能化管理，工作人员只需坐在办公室拖动鼠标，就可观测
2、林区画面。并在发生紧急情况时，通过监测画面及语音广播对前端林区进行远端遥控，指挥抢险工作。1. 2需求分析1) 因为近几年林业工作开展顺利林区面积大量增加，现在林下植被和枯枝落叶越来越多，林下可燃物载量逐渐加大，发生森林火灾的机会在不断增加；2) 当前林区森林主要以桜林、松林为主，且多为幼中龄林，森林结构还丰富多样，火灾自控能力低，易燃性较强；3) 随着经济的发展和人民生活水平的提高，从事林业经营活动显著增多，林区内人员流动频繁，游玩用火、上坟祭祖等带来了大量的火灾隐患，使火源的管理难度加大；4) 在市场大环境下，动员群众扑火困难不断增加；5) 当前的森林火灾预警扑救综合机制尚未健全，指挥决策
3、信息化能力有待进一步提高，各区基础设施建设水平不平衡等；1.3现状描述1.3.1釆用地面巡护地面巡护，主要任务是向群众宣传，控制人为火源，深入瞭望台观测的死角进行巡逻。对来往人员及车辆，野外生产和生活用火进行检查和监督。存在的不足是巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时，常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；在交通不便、人烟稀少的偏远山区，无法进行地面巡护，需用各种交通工具费用及人员工资费用，只能用视频监测方法来补充。1.3.2釆用瞭望台监测瞭望台监测，是通过瞭望台来观测林火的发生，确定火灾发生的地点，报告火情，它的优点是覆盖面较大、效果较好。存在的不足：是无生活条件的偏远林区不能设瞭望台；
4、它的观察效果受地形地势的限制，覆盖面小，有死角和空白观察不到，对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察；雷电天气无法上塔观察；瞭望是一种依靠了望员的经验来观测的方法，准确率低，误差大。另外瞭望员人身安全受雷电、野生动物、森林脑炎等的威胁。1.3.3釆用航空巡护航空巡护，是利用巡护飞机进行林火的探测。它的优点是巡护视野宽、机动性大、速度快同时对火场周围及火势发展能做到全面观察，可及时釆取有效措施。但也存在着不足：夜间、大风天气、阴天能见度较低时难以起飞，同时巡视受航线、时间的限制，而且观察范围小，只能一天一次对某一林区进行观察，如错过观察时机，当日的森林火灾也观察不到，容易酿成大灾，固定
5、飞行费用2000元/小时，成本高，租用飞机费用昂贵，飞行费用严重不足，这就需要用定点视频监测来补充其不足。1.3.4釆用卫星遥感卫星遥感，利用极轨气象卫星、陆地资源卫星、地球静止卫星、低轨卫星探测林火。能够发现热点，监测火场蔓延的情况、及时提供火场信息，用遥感手段制作森林火险预报，用卫星数字资料估算过火面积。它探测范围广、搜集数据快、能得到连续性资料，反映火的动态变化，而且收集资料不受地形条件的影响，影像真切。存在的不足：准确率低，需要地面花费大量的人力、物力、财力进行核实，尤其是交通不便的地方，火情核实十分重要。在接到热点监测报告2小时内应反馈核查情况和结果。卫星遥感监控森林防火的其不足是：
6、1热点达到3个像素时，火已基本成灾。1从卫星过境到核查通知扑火队伍时间过长，起不到“打早、打小、打了”的作用。1.4现状解决1) 采用红外热成像摄像机利用热成像原理，探测林区热辐射，通过不同目标温差实时成像，搭配了测温模块可全天候对林区扫描检测，当测得温度及温差数据符合林火特征时，系统发生报警，及时让防火值班人员掌握林区火灾隐患，及时制定灾害扑救方案等。2) 釆用与环境信息相结合的综合监测，能够实时的了解当前监控点的风力、风向、温湿度、烟雾等数据，为森林防火指挥提供有力数据信息，满足当前森林防火的各种要求。3) 采用与地理信息系统(GIS)相结合，实现森林资源信息的可视化化管理，能够更加有效地
7、为森林防火提供信息支持。4) 釆用透雾成像技术，因为森林防火监控系统安装在林区的山上，山区经常浓雾弥漫，普通的镜头无法达到正常的监控效果，使用透雾镜头解决了山区雾大，成像难的问题。第2章系统总体设计2. 1森林防火组织架构图1组织架构图2.2系统拓扑图图2系统拓扑图2.3设计思路森森防火监控系统是集硬件、软件、网络于一体的联网系统，以森林防火平台软件iVMS-8800为核心，在主控中心能够实现对各个林区防火监控系统的全方位管理。前端视频监控点设定在移动基站的制高点，传输设备安装在移动基站内，通过移动传输网与监控中心网络点对点联接。每个视频监控点周围分布多个烟雾报警点、温度、湿度监控点，在监测到
8、有火灾信号时，系统会及时将报警信号传到对应的前端视频监控点同时将信号传递到主站监控中心。2.4设计目标1远程视频监控以直观、真实、有效而被广泛应用在很多重点防范地区。通过安装红外热成像、可见光摄像系统全天候监控林区，观测森林火情、对初发火情，做到及时发现、及时救护。使火灾隐患消亡在萌芽状态；1远程视频监控能在森林发生火灾时把现场的图像及当时环境信息传回指挥中心，指挥中心通过监视前端摄像机图像及环境信息指挥调度救火，最大限度的能减小火灾造成的损失；1远程视频监控能真实记录火灾发生前救火过程中以及救火以后现场的真实情况从而对火灾进行处理，提供有效真实的资料；1从瞭望塔至林区管理指挥中心通过无线传输
9、不受距离限制，不受遮挡，无线网络覆盖的地方就能够把前端图像传输至监控管理中心。森林防火消防中心可对火情及现场情况进行实时观察，以便及时了解现场情况协调调度指挥；1林区监控管理指挥中心通过无线网络远程对前端设备进行长焦，短焦控制，对云台进行上下，左右控制；1林区监控管理指挥中心能记录火情发生，发展和消灭的整个过程，对以后的火情的预防，治理提供真实有效的直观资料。1山上需要24小时不间断供电，满足所以设备用电需要，根据当前技术条件设计釆用风光互补供电系统，保证山上不具备布线条件的监控点设备不间断供电，正常工作。2.5系统组成森林防火监控系统由前端系统、传输网络、平台这三个相互衔接、缺一不可的部分
10、组成。2.5.1前端系统前端系统对林区现场的图像及环境信息等信息进行釆集、编码及上传，并根据制定的规则进行自动化联动。2.5.2传输网络传输网络可釆用无线传输网络，安装在几公里或上百公里以外的监控点上的无线传输设备，可将摄像机、镜头拍摄的现场图像、声音实时传输到监控中心。2.5.3平台主控中心平台可管理所辖林区的所有设备，接收由所林区上报的视音频及环境信息，同时能够满足平台用户视频、音频信息查看、林区设备控制的需求。第3章前端系统设计3.1系统概述前端系统主要以红外热成像摄像机为核心满足日常森林防火监控需求，同时整合信息地理系统、环境量信息、报警信息实现森林防火综合监控。3.2前端典型架构图3
11、前端典型系统拓扑图3.3功能设计1实时视频监视利用建立分布在各野外监控点，获取覆盖范围内的监控红外及可见光视频图像，实现全天候不间断监控。在正常情况下摄像头工作在自动巡航扫描方式，观测人员在监控中心可观测到一定范围内的林木地貌、道路、人员等红外及可见光视频图像，系统可进行全程录像，若遇异常情况，工作人员可及时将红外及可见摄像头从自动状态下转为手动状态，并对相关目标进行跟踪、定位、放大（可见光），以便仔细全面地进行观测分析。1环境数据监测林区自然条件等因素可在一定程度为森林防火提供参考依据，高温、雷雨、干旱等天气林区火灾发生率普便较高，监控人员为全面地掌握林区实时环境状况，需对温度、湿度、风力、
12、烟雾浓度等环境信息进行釆集、处理和上传，生成曲线和报表，方便实时监控、历史查询、统计分析。同时火灾发生时现场环境数据可为中心人员制定灭火方案提供相对应决策依据。1远程控制主控中心通过客户端和浏览器可对所辖林区的任一摄像机进行控制，实现遥控云台的上/下/左/右和镜头的变倍/聚焦，并对摄像机的预置位和巡航进行设置控制应具有唯一性和权限性，同一时间只允许一个高权限用户操作。1语音对讲在瞭望台配置语音对讲设备，通过对讲设备中心工作人员可指导日常林区巡检员巡检工作及应急抢险灭火工作。1录像回放对监控视频进行实时存储，记录事故前后的现场情况，记录事故抢险过程；通过网络调用回放录像，提供事故发生时的资料，为
13、事故分析和事故处理提供帮助，并为事故处理和标准化作业教学提供宝贵的资料。1配置维护能对林区摄像机进行校时、重新启动、修改参数、软件升级、远程维护等功能。管理员不必到达设备现场，就可修改设备的各项参数，提高的设备维护效率。1与GIS系统相结合监控系统与GIS相结合，以电子地图为基础，实现地图基本操作功能，实现对森林火灾的分析预报，森林防火工作的可视化管理，为防火提供直观的规划和决策支持。3.4红外热成像摄像机红外热成像视频是远红外热图像，经过一系列的处理，可形成物体表面的热图像，并进行相关部位的温度测量。且克服雨雪雾的能力较高，所以在夜间以及较恶劣气候条件下，采用红外热成像监控设备能够对各种目标
14、进行可靠监控及预警。为使热成像探测火灾的准确性更高，能够搭配可见光摄像设备做为热成像火灾探测的补充，当热成像发现火灾点时，由控制人员通过可见光摄像画面进行核实，确认无误即可实现林火的准确预警。红外热成像摄像机可实时自动测量视场中物体的最高温度，如发现温度超过系统设置的报警温升，可自动报警。所以，可提供森林防火早期预警。在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的。这是毁灭性火灾的根源，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头。釆用红外热成像仪，则能够快速有效地发现这些隐火，把火灾消灭在最初。3.5环境监控报警主机环境监控报警主机能够通过4-20mA模拟量接口、开关量接口、RS-485串口
15、与各子系统连接，对各种数据进行汇集，处理成数字信号，并能够提供向上的接口供主站访问、管理。3.5.1温湿度传感器温湿度传感器，釆用传感、变送一体化设计，釆集温湿度数据，进行数据校正转换，转换成4-20mA电流环信号连接至环境监控报警主机，温湿度模拟量能实时上传主控中心，控制中心能随时查阅林区的环境温湿度，并做岀相对应的处理。3.5.2风速传感器风速传感器顾名思义是测量空气流速的仪器，仪器内的转速传感器能把风速转换成4-20mA电流环信号上传连接至环境监控报警主机，能把现场风速实时上传主控中心，控制中心能随时查阅林区的风速，并做出相对应的处理。3.5.3烟感传感器现场配置有不同数量的烟感等火灾探
16、测器，来监测烟雾报警情况。可通过开关量连接至环境监控报警主机，当检测烟雾时能自动发出报警信号，提醒控制中心工作人员，并可联动摄像机预置位查看现场实际情况。3.6森林防火专用平台软件海康威视森林防火专用平台软件iVMS-8800,是我们根据森林防火系统的特点开发而成。软件能够支持超大规模的部署，能满足多级管理的应用需求。软件釆用模块化构建方式，可应需裁剪；釆用WebService作为对外的服务接口协议，方便二次开发商集成；方便的增值业务集成；统一的平台内部协议；统一的部署和管理。3.7与林区自动气象站系统对接可与林区气象站系统进行对接，将气象站监测的风向、风速、温度、湿度等各种环境量数据与监视系
17、统进行整合，以求最大程度挖掘系统潜力，最大程度提升管理品质，为客户创造最大价值。3.8保障系统3.8. 1供电系统监控中心釆用普通办公用电，为防止意外停电，中心使用UPS电源，以保证最低8小时持续供电。前端基站供电前端基站的供电方式主要是太阳能以及风能，釆取“风光互补”方式发电，利用风能和太阳能同时供电。3.8. 1.1太阳能供电选择太阳能方式之前要考虑安装的地方是否真的合适安装与使用太阳能，例如某些地区的日照时间短，或者比较阴暗，都有可能并不适合安装使用太阳能。太阳能供电具备以下特点：1配合无线传输方式能够彻底无线化；1无缆式独立供电，组件灵活、小巧，方便安装与组网；1全低压直流供电方式，能
18、源利用效率高安全性好；1维护费用少造价低；1传输不受距离和地形限制。选择过程中还需要考虑太阳能蓄电池的功率，在功率不足的情况下通常结合风能发电使用，这种方式即称为“风光互补”。3.8. 1.2风能供电选择风能方式之前要考虑安装的地方是否具备使用风能的条件，是否处于大风比较多的地区，选择什么类型的风能发电机组。风能发电的特点即蕴量巨大、能够再生、分布广泛、没有污染。三大弱点是：密度低、不稳定、地区差异大。3.8. 1.3UPS或蓄电池UPS就是不间断电源，它是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压、稳频输出的电源保护设备，它能够解决电力的断电、低电压、高电压、突波、杂讯等现象。UPS还有个优
19、点是反应迅速（响应时间短），如果釆用后备式，而且蓄电池配置合理的话，能够有效延长用电设备的“续航”时间。普通蓄电池大致可分为铅酸式、胶体式和锂电池三大类。铅酸式：其容量较大，充电时间短，放电电流大；但是体积较大，酸液容易泄露，充电时产生的氢气和硫对周边的设备有一定的危害性。胶体式：体积小，能够以任何角度或体位放置，充电时间较短；缺点是容量不是很大。锂电池：锂电池综合了上述两种电池的优点，而且放电电压平稳，持续放电时间较长，但是价格较高。在工程选择时主要考虑输岀电压，响应时间以及续航时间等因素。3.8. 1.4农电供电在工程中前端基站大都在森山老林中，附近并没有农电线路。但在少部分地区还是使用农
20、电供电的。这种方式能够部分替代风光互补方式供电。在农电的选择上主要考虑电压稳定性、搭线难度、价格等因素。3.8.2防雷系统为确保监控系统可靠、稳定地运行，系统需进行合理、优化的防雷设计，具体从以下方面考虑：1避雷针对于支架安装的摄像机，因为位置较高，可能会受到直击雷的危害，所以需安装避雷针，釆用扁钢或其他等效导体作为引下线，泄放雷击放电电流。避雷针的架设需要综合考虑周边环境进行设计，确保林区设备（摄像机、终端盒）处于直击雷防护范围内。1接地摄像机外壳、摄像机支架及场地终端盒等应进行可靠接地，接入接地系统。1线缆防雷器为进一步提高系统的抗雷击能力，除设备需具备防雷功能外，电源线应满足三级防雷要求
21、弱电线路应釆取防浪涌措施。各类可能引入雷击的线缆应加装各种防雷器。对于模拟摄像机，建议釆用三合一（电源、视频、485线缆）防雷器；对于网络摄像机，建议釆用单相电源防雷器及机架式网络信号防雷器。第4章传输网络设计森林防火监控系统具有特殊的地理环境，传输方式不可能釆用有线或光缆。所以应首先考虑无线微波传输方式，无线微波传输方式施工方便，造价低廉，图像实时传输、清晰，并且可根据传输距离的远近、现场自然条件的不同，其功率的大小能够按要求配制，在遇障碍物阻挡的情况下，可釆用微波中继（图像/数据）系统。4.1专网在我国电子政务的指导性文件中详细提出了电子政务网由电子政务内网与电子政务外网组成。党政机关业
22、务网络与国际网物理隔离。随着电子政务应用的不断发展需要打开越来越多的网络设备端口，从而降低了安全性，让越来越多的政府部门不敢使用其承载业务信息。基于上述考虑，国家在两网的基础上增加了政务专网。政务专网是党政机关非涉密的内部办公网，主要用于非涉密信息的传递。实际工程项目中，专网的带宽根据实际需要而定，从2M-10M不等。4.2无线传输当前主要的无线传输方式分为模拟微波无线传输方式以及数字无线视频传输方式。对于模拟无线微波传输这种方式釆用不同的波段直接传输监控摄象机釆集来的模拟信号。优点是信号损失度较数字方式要小的多，适合高质量视频传输的需要。数字无线视频传输与模拟相比，设备造价低，延迟较大，图象
23、质量相比下较差。其运做原理是将监控摄象机输出的模拟信号，经过编码后转变为数字信号，在无线网络上传输，所以在中心接设备的时候一般是通过网线接入的，无法直接接入模拟终端，比如监视器之类的设备。当然如果进行解码器的还原处理后还是能够接的，但是因为视频信号经过了模拟转数字的质量损失后，再进行数字到模拟的还原。所以画质的损失比较严重。当前比较流行的数字无线微波有GSM,CDMA,WI-FI,WIMAX,3G等形式。常见的设备有无线网桥，无线视频服务器，视频编解码设备等。下面是主要釆用的传输方式：4.2.1微波传输微波是一种频率超过1GHz的电磁波，波长范围在毫米厘米数量级，其波长比普通无线电波更短。微波
24、传输类似光线直线传输，是一种视距范围内的接力传输。因为微波的波长很短，所以它不能像中波那样能够沿着地球表面传输，因为地面很快就把它吸收掉了；它也不能像短波那样能够通过电离层反射传输到地面很远的地方，因为它能够穿过电离层逸入太空。因为地球表面是一个曲面，所以微波只能在视距范围内作直线传输，所以决定了两个微波站之间的传输距离不能很远，一般在5Okm左右，否则将不能获得较稳定的传输特性。当前使用的频率是2.45G赫兹波段（民用波段）。4.2.23G传输3G,其全称为3rdGeneration,中文含义就是指第三代数字通信第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，且更多考虑对无线数据业
25、务的支持。3G同样是一种微波传输的一种，因为3G本身仅仅一个概念，对于频段并没有统一的划分。当前中国电信现在拥有800MHzC网，而其它运营商的3G是2000MHz频段。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆字节/每秒）、384kbps（千字节/每秒）以及144kbps的传输速度。3G的技术标准，国际电信联盟(ITU)在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指
26、导性文2000年国际移动通讯计划WCDMA全称为WidebandCDMA,这是基于GSM网发展岀来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，当前正在进一步融合。该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。GPRS是GeneralPacketRadioService(通用分组无线业务)的简称，EDGE是EnhancedDatarateforGSMEvolution(增强数据速率的GSM演进)的简称，这两种技术被称为2。5代移动通信技术。CDMA2000CDMA2000是由窄带CDMA(CDMAIS95)技术发展而来的宽
27、带。CDMA20001X被称为2。5代移动通信技术。CDMA20003X与CDMA20001X的主要区别在于应用了多路载波技术，通过釆用三载波使带宽提高。当前中国联通正在釆用这个方案向3G过渡，并己建成了CDMAIS95网络。TD-SCDMA全称为TimeDivisionSynchronousCDMA(时分同步CDMA),是由我国大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。在使用的过程中主要参考运营商在项目区域的网络覆盖以及质量情况。第5章监控中心设计5.1监控中心典型架构图4中心典型系统拓扑图5.2硬件设备组成地区级平台通过
28、森林防火专网与林区监控系统连接，对前端监控资源进行整合，对前端设备进行集中维护和管理；省级平台通过森林防火专网与地区级平台的级联服务器通信，级联服务器把命令转发至其他应用服务器实现对前端资源的监控。平台主要由应用服务器、客户端、存储设备、解码设备、网络交换机、防火墙、大屏显示设备等组成。为保障前端系统的监控质量，平台需具备完善的机房基础保障和先进的网络设备、丰富的网络带宽和光纤资源；为保障平台的稳定运行，平台的网络采取双网配置，所有设备都冗余配置在两个不同的网络中。5.2.1服务器主站系统的服务器能够分布式部署、独立运行，各服务器都能够支持应用集群的方式冗余进行配置和在线扩充，具备彼此的应用服
29、务器接管能力。服务器统一釆用PC服务器；服务器应具备多CPU系统、高带宽系统总线、I/O总线，具有高速运算和联机事务处理(OLTP)能力，具备集群技术和系统容错能力；服务器应支持双路独立电源输入，釆用机架式安装。主站系统主要有以下服务器：中心管理服务器、流媒体服务器、级联服务器、存储管理服务器等。其他软件模块可安装在这些服务器实现功能。5.2. 1.1管理服务器管理服务器是综合监控主站系统的核心单元，应实现前端设备、后端设备、各单元的信令转发控制处理，报警信息的接受和处理以及业务支撑信息管理，同时也需要提供用户的认证、授权业务以及提供网络设备管理的应用支持，包括配置管理、安全管理、计费管理、故
30、障管理、性能管理等等。地区级主站的管理服务器应能满足对全地区林区视频资源接入及主站设备的管理需求。5.2. 1.2流媒体服务器流媒体服务器是综合监控系统省级主站的媒体处理单元，实现客户端对音视频的请求、接受、分发，流媒体服务器仅接受本域管理服务器的管辖，在管理服务器的控制下为用户或其他域提供服务。流媒体服务器可实现集群部署，可实现分布式部署，即可向前端或其他流媒体服务器发起会话请求，也能够接受客户端设备或其他流媒体服务器的会话请求。流媒体服务器能接受并缓存媒体流，进行媒体流分发，将一路音视频流复制成多路。5.2. 1.3存储服务器存储服务器是网络存储的管理者，集中配置以海量存储方式实现录像计划，并按计划执行录像任务。存储管理服务器通过虚拟存储管理技术，支持DAS、NAS、IP-SAN各种存储设备；支持集中存储管理模式，也支持站端控制主机分布式存储方式；支持PB级海量音视频数据存储、快速检索；支持灵活的备份策略；支持数据自动修复技术（数据补录），支持报警集中存储和重要事件集中备份管理。5.2.1.4级联服务器级联服务器主要用于平台与平台之间的互联互通，它将本平台需要向其他平台传输的信令、音视频流转换成标准的协议，发往其他平台的通信服务器，同时将收到的采用标准协议的信令、音视频流转换成本平台所能解析的协议语言，送往其他服务器进行分析操作，由此实现平台与平台之间的互联互通。
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