森林防火智能预警监测系统方案

目录

1.前言 (1)

2.需求分析 (3)

2.1.前端基站需求分析 (3)

2.2.传输网络需求分析 (8)

2.3.后端联网监控管理平台需求分析 (9)

3.建设目标 (10)

4.建设原则及标准 (11)

4.1.建设原则 (11)

4.2.建设依据及标准 (12)

5.森林防火智能监测系统总体构成 (13)

6.森林防火智能监测系统详细设计 (15)

6.1.前端智能监测基站详细设计 (15)

6.1.1.视频采集系统 (16)

6.1.2.智能烟火识别处理器 (22)

6.1.3.供电系统 (23)

6.1.4.防盗系统 (25)

6.1.5.基站控制设备 (26)

6.1.6.防雷接地系统 (28)

6.1.7.铁塔基建系统 (30)

6.2.传输网络详细设计 (33)

6.2.1.传输网络选型 (33)

6.2.2.传输网络配置 (35)

6.2.3.传输网络路由 (36)

6.3.后端监控管理平台系统详细设计 (39)

6.3.1.联网监控管理平台 (40)

6.3.2.GIS管理平台 (44)

6.3.3.大屏展示系统 (45)

6.3.4.综合布线系统 (49)

6.3.5.静电地板 (51)

6.3.6.防雷接地系统 (52)

1.前言

森林资源是林地及其所生长的森林有机体的总称，以林木资源为主，还包括林下植物、野生动物、土壤微生物等资源。森林资源是地球上最重要的资源之一，是生物多样化的基础，是人类赖以生存必备可少的资源之一。据2005年全球森林资源评估结果，2005年全球森林面积39.52亿公顷，占陆地面积的30.3%,人均森林面积0.62公顷，单位面积蓄积110立方米，有史以来全球森林已减少了一半，主要原因是人类活动，全球森林从1990年到2000年每年消失的森林近千万公顷。

我国资源匮乏，其中以森林资源最为紧缺，国土面积960万平方公里，约占世界总量的7%，人口13亿，约占世界总量的22%，而森林面积仅占世界的4.6%。我国森林总面积15894.1万公顷，林木总蓄积量不足世界总量的3%，森林蓄积量为112.7亿立方米，森林覆盖率为16.55%，排世界第142位，人均森林面积0.128公顷，只有世界平均水平的1/5，排世界120位，人均森林蓄积量9.048立方米，只有世界平均水平的1/8。

森林资源减少受诸多因素的影响，比如人口增加、当地环境因素、政府发展农业开发土地的政策等，此外，森林火灾损失亦不可低估，森林火灾是危害森林的大敌，一场火灾在旦夕之间就能把大片苍翠茂密的森林化为灰烬，给国家和集体造成严重损失，同时林地失去了森林的覆盖，容易造成水土流失，容易发生水旱风沙灾害，影响农业稳产高产。在居民点、农田、山林交错的山区发生了森林火灾，还会烧毁房舍、粮食、农具和耕畜，影响群众生产、生活。森林火灾还会烧死林中的大量益鸟、益兽和烧毁各种林副产品。发生森林火灾，必须动员大批人员去扑火，既耽误生产，又浪费人力物力，甚至造成人身伤亡事故，给国家人民带来损失。了解森林火灾的原因，是做好防火工作的前提。火灾原因不外乎自然的和人为的两类。自然原因中，有雷电触及林木引起树冠燃烧和在干旱季节，由于阳光的辐射强烈，使林地腐殖质层或泥炭层发生高热自然。这类性质的森林火灾是少数的。而最普遍、最大量的森林火灾，是由人为引起的。人为原因中又有生产性和非生产性火源之分。生产性火源如烧灰积肥、烧田埂草、炼山整地、

烧垦烧荒、烧牧场以及烧炭等用火不慎引起的。这种生产性火源引起的森林火灾占百分之七十以上。非生产性火源如在林中烧火取暖、煮饭、小孩玩火、夜间行路用火把照明、乱丢烟头等。

我国现阶段的森林火灾防范大多数采取的措施是宣传教育、由森林防火指挥部安排护林员或其它人员对重点时段、重点区域野外火源进行人工巡查和管理、日常工作防范以护林员进入林区巡护为主、建立灭火扑救队等措施。根据大多数地方的实际情况分析，有限的护林员面对大范围的林区资源进行巡护时，很难做到较大范围的巡查覆盖，而且大多数林区的道路条件不好，到达每个瞭望塔需要花费较长的时间，无论是巡查覆盖范围还是时效性都不能满足现阶段日益增长的林区人员活动的监护巡查需要。往往实际情况是，每天都在巡护，而因人员活动引起的火灾却时有发生，造成这种情况的原因是基于人工方式林区巡护监看主要缺点有，一是人的眼睛可视的范围较小，即使通过瞭望塔能够达到的可视距离和范围是有限的无法对大面积的林区资源实现观看，二是护林员训查的路径所覆盖的林区是有限的，巡查路径和时间相对固定，而进取林区的人或者游客无论是路径还是时间都存在很多不确定，可能造成每天都在巡护，而因人员活动引起的火灾却时有发生的情况。

基于这些存在的问题进行分析，有效的手段是能够对林区的资源进行大范围、大视野的全天候24小时实时监测，能够对自动发现林区内的有火或者有烟的时候自动报警，并且能够将火点的位置能够定位，通过这种方式可以解决因人工护林造成的森林防火不足的情况。

一种有效的解决手段是利用视频监控技术结合智能化的烟火识别技术，对数公里范围内的森林资源进行监测的一种方式，通过智能化的森林防火预警手段，不仅可以实时监看和记录森林资源的情况，同时由于采用了智能化的监测机制，可以通过智能化设备自动完成对森林资源的火灾监测和报警，辅助森林防火监测人员完成对森林资源的自动监测，由传统的人工监测转变为由机器自动监测的智能化科技手段，一旦遇到火灾自动报警，及时通知相关的工作人员的一种先进合理的预警机制，采用这种预警机制可以为现阶段森林防火预警提供一种非常有效的解决方法。

2.需求分析

项目地理位置和植被情况（来自百度）。随着景（林）区内不断增长的游客活动，给**单位的森林防火带来了严重的考验，原有的人工看护方式已经不能满足森林防火要求，需要借助先进的信息技术对**地的宝贵的森林资源进行智能化、大范围、大视野、全天候的实时监控，采用烟火智能识别技术、GIS定位技术、视频监控技术为指挥中心提供**地大范围、全天候的实时视频监控图像、林火智能识别并报警、GIS快速定位现场等，为日常森林防火管理、遇到火灾及时报警，为决策层制定快速高效扑救方案提供可靠的依据和保障。

根据**项目的规划，以及公园结合实际情况，需要在**里部署N个智能化森林防火监控点，采用无线网络方式将视频监控图像及信号传回监控中心，监控中心需要采用联网监控管理平台管理，需要采用大屏显示前端监控视频图像等信息。

智能化的森林防火监控系统是由前端基站、智能烟火识别处理器、传输网络、后端联网监控管理平台构成，根据森林防火智能监控的系统特点结合**项目的需求进行部署的监控点具体分析如下：

2.1.前端基站需求分析

前端基站对于森林防火智能监控系统是非常重要的，是实现林区视频采集、烟火智能识别、GIS定位等森林防火中非常重要功能的设备站点。由于前段基站位于野外林区内，而且四周一般都有高达灌木林以及林区的地形地势条件等，森林防火智能监控需要考虑监控半径范围、野外供电、烟火智能识别，根据地势地形结合智能监控的特点需要进行基站选址，根据四周灌木林的高度以及所需监控的范围选择修建铁塔的高度，根据气候条件考虑设备是否需要保温措施等；在无人值守的环境需要考虑基站自身的防盗问题，以及野外环境必须要考虑的防雷接地，铁塔基站等问题。

前端基站选址分析

前端基站首先需要分析的是基站的选址，基站选址主要是根据林区的地形地貌结合智能化森林防火监控的特点进行选址，其选址原则如下：

1)根据地形选址原则：

?长条形山选址：一般选址在长条形山两侧向外的位置；可以获得

较大监控半径范围。

?起伏较大的山：一般选址在半山腰视野较为开阔的位置；

?起伏较小的山：一般选址在山顶制高点位置；

?长条形山沟：一般选址在半山腰的位置；

2)根据智能化监控烟火识别的特点选址原则：

?摄像机监控范围以平视为主、俯仰为辅的原则，这也是我们选址

基站铁塔高度的重要因素之一。

3)根据人群活动的情况选址原则：

?选址人群活动较为密集的地方

对于不符合以上选址原则的山形，可以根据实际的山形进行现场实地勘察进行选址。

基于以上分析，结合**项目的地形特点，具体的选址的地点情况如下：

**项目选点平面分布图如图所示（百度或google图即可）：

?监控范围分析

作为智能化监控系统需要涉及到摄像机、镜头、防护罩、云台，根据用户对

监控图像质量需求分析摄像机，根据监控的范围需要分析镜头和云台。

1)摄像机按分辨率可以分为：标清D1、高清：720P、全高清1080P；

2)根据监控半径的范围，一般采用长焦电动镜头，监控半径范围及长焦镜

头选择原则如下：

?3公里以内的监控范围：选择不低于200mm长焦镜头就可以满足

要求；

?3-5公里的监控范围：选择不低于300mm长焦镜头；

?5-8公里的监控范围：选择不低于500mm长焦镜头；

?8公里以上的监控范围：选择不低于700mm长焦镜头。

?考虑到野外恶劣的环境，需要采用野外大型防护罩对摄像机和镜头进行

保护，采用的野外大型防护罩需要配有温控系统，保障摄像机和镜头能够在全天候的高低温环境下正常工作，有特别针对北方，能够支持在零下45°环境下保障摄像机和镜头正常工作的保温性能。

?智能化森林防火监控需要采用云台实现对林区资源进行大范围、大视野

的监控，云台是森林防火智能化监控系统中非常重要的设备，因为森林防火的云台一般都安装在野外较高的位置，一般的普通云台在林区有风的情况下，非常容易发生抖动，从而导致监控图像抖动，对于森林防火智能监控系统需要采用重型数字云台才能满足野外森林防火监控的要求，针对森林防火智能监控系统需求的重型数字云台是：

?自重≥20kg以上，防止监控图像抖动；

?载重≥50kg以上，满足森林防火监控采用较重设备的承重需要；

?旋转范围：0-360°方位角，俯仰角：－45°～＋45°，实现对

林区资源大范围监控需要。

?集成数字云台接口，支持远程控制云台的角度回传，并联动控制

镜头焦距，支持实时采集云台的方位角和俯仰角以及镜头焦距等参

数；

?可维护性：云台控制电路板可以插拔，通过更换云台控制电路板

即可完成云台维护；

?耐低温性：特别针对北方，能够支持在零下45°环境下正常工

作的性能。

?前端基站供电分析

森林防火智能监控前端基站一般都位于野外，基站设备的供电是非常重要的环节，是保障前端基站设备正常工作的重要前提的条件，大多数情况下，野外前端基站都没有市/农电接入，接入市/农电的接入点距离一般都较远，长距离的接入市/农电到前端基站不仅导致到达基站的电压非常低容易造成设备损坏，而且沿途施工会对环境造成破坏，费用也非常高，所以针对野外森林防火智能监控前端基站优先考虑采用太阳能供电或者风能和太阳能互补供电。

采用太阳能或者风光互补发电系统，是根据当地的气候条件进行选择，其供电系统的选择原则如下：

1)基站附近有市/农电接入的情况下：

采用市/农电接入，由于野外电压不稳容易造成前端基站设备的损坏，须在市/农电接入到基站后加入稳压电源设备，通过稳压电源设备输出稳定的220V 电源为基站设备供电。

2)基站附近无市/农电接入的情况下：

采用太阳能或者风光互补发电系统；

?根据当地的气候条件，如果当地日照时间长的情况下，优先考虑采

用太阳能发电系统，如果当地日照一般，但是风能非常丰富，优先考虑

采用风光互补发电系统，风光发电系统发电功率配置一般为6：4；

?智能化森林防火监控系统前端基站均采用低功耗的设备，实际功率

为100W，峰值功率为150W；所以前端基站发电系统配置600W-1000W的

发电系统就可以满足要求，配置4只200ah的太阳能专用蓄电池即可满

足设备3天的供电要求。

?针对北方和南方冬天不同的低温环境，需要考虑采用不同的太阳能

专用蓄电池，在摄氏20°以下，需考虑采用胶体电池，并采用保温箱保

护电池，在摄氏20°以上，可以考虑采用深循环电池，并采用普通电池

箱即可。

?前端基站防盗系统分析

前端基站一般都处在无人值守的地方，为了预防基站设备被盗，需要考虑基站自身的防盗，前端基站防盗有多种方式，较为安全的方式是采用红外入侵探测加自动监控录像取证以及采用对讲系统进行喊话起到威慑作用。

?防雷接地系统分析

前端基站所处位置一般都在野外林区内，无论是针对基站铁塔还是基站上的设备，都需要考虑防雷接地的安全措施，防雷接地措施是保障前段基站设备全天候安全正常工作的重要前提，为了防止基站铁塔和基站设备雷击造成破坏，需要采用接地系统将雷击大电流迅速导入大地，从而起到保护基站的作用，针对基站铁塔需要采用避雷针保护铁塔，需要采用防雷器保护基站设备的安全。

?铁塔基站系统分析

铁塔是森林防火智能监控为了实现对林区大范围、大视野进行全方位监控，需要将监控摄像机提高到一定高度才能符合要求的一项复杂系统工程，铁塔高度是由三个方面的条件决定的：

?监控点周围的植被高度；

?所需要的监控半径范围；

?智能烟火识别处理器的技术特点。

在确定好铁塔高度后，根据监控点的选址，结合选址点的地势条件进行铁塔基站系统设计、建设。

在进行铁塔基础建设时一般需要同步进行接地系统的设计和建设。

基于以上分析，结合**项目的地形特点，具体的铁塔基站系统情况如下：

2.2.传输网络需求分析

传输网络是构建森林防火智能远程监控系统重要组成部分，前端基站的监控视频图像、双向控制信号、报警信息、火点定位等重要信息都需要通过网络传回到监控中心，与普通监控不同，森林防火智能监控一般距离监控中心都较远，需要采用有线光缆或者无线网络才能够实现远距离传输。由于智能化的森林防火监控系统现在及未来需要通过传输网络承载更多的视频、图像、数据、语音等信息，所以传输网络需要采用基于IP技术的数字化网络。

传输网络选择有线光缆还是无线网络，需要根据实际情况决定，对于距离前端基站较近或者已有光缆的采用光缆，如果距离较远时需要考虑采用无线网络，无线网络根据工作频段划分有多种形式，350～850MHz频段专用于移动环境的无线微波网络系统，2.4G和5.8G用于民用无需申请的无线数字网络，10-13G专用于广电标准的无线微波网络，以及包括移动、电信的3G网络等，根据森林防火智能监控系统的特点以及无线网络的性价比综合分析，建议优先考虑采用性价比最高的5.8G无线数字网络，这是因为专用频段的无线网络设备价格昂贵，性价比低，而且与智能化监控系统兼容和匹配不好，5.8G无线网络相对于移动、电信的3G网络来说，3G网络的带宽目前还无法满足视频监控实时传输的需要。而采用5.8G无线网络，不仅费用低而且传输带宽高，不仅可以满足现有的需要，而且也可以满足未来多种应用的需要。

在采用无线网络的森林防火智能化监控系统中，由于无线微波的技术特点是在直线可视距离的范围内进行传输，所以需要将无线微波的天线架设到铁塔基站较高的位置，由于森林防火监控铁塔基站一般都处于起伏的山区内，特别是在山区内，无线微波之间很难实现直线传输到监控中心，这就需要采用无线微波中继站点，借助微波中继站将微波信号中继后在传输到监控中心。

对于涉及到多个前端基站监控点时，先需要根据已有的铁塔基站对微波传输路径（路由）进行优化，充分利用已有的铁塔将分布在山区的无线微波站点信号进行中继传输，最后将各路无线微波信号汇聚到监控中心。

2.3.后端联网监控管理平台需求分析

后端联网管理监控管理平台是森林防火智能监控系统重要的智能化监控存储、管理、控制、监视、展示、自动报警、火点自动定位及展示等综合功能需求。通过后端联网监控管理平台需要实现对前端基站监控视频图像的保存，以及需要通过大屏幕电视墙在指挥中心展示，需要通过联网监控管理平台实现远程操作和控制前端基站的重型数字云台等设备进行大范围、大视野的监控；需要通过网络实现与上、下级单位联网实现统一的联网智能监控管理系统。

基于以上功能需求，具体的后端联网监控管理平台主要需求如下：?联网监控管理平台软件：需要采用联网监控管理平台软件实现对前

端基站智能监控点进行管理必须的系统平台软件；

?联网监控管理服务器：运行联网监控管理平台软件；

?监控管理客户端PC机：运行客户端软件；

?操作台：安装管理服务器或PC机，便于管理人员日常管理和维护；

?大屏幕展示系统：需要采用DLP大屏进行拼接组成大尺寸的电视墙

用于显示视频监控图像等各种信息；

?监视器：需要采用监视器对单路图像进行监视，嵌入电视墙，是电

视墙大尺寸屏幕辅助显示部分；

?LED屏：需要采用LED屏安装在电视墙上端用于辅助显示文字信息；

?视频解码器：需要采用视频解码器将监控视频图像解码至电视墙；

?交换机：需要采用交换机连接服务器、PC机、网络设备、监控设备

等；

?综合布线：需要对指挥中心进行综合布线实现设备联网，语音通讯、

设备供电线路等；

?静电地板：需要采用静电地板保护机房内的电子设备，防止电子设

备自身和人体产生静电损坏电子设备；

?防雷接地：需要采用至少小于4Ω的接地系统，将机房的防雷器、静

电地板等设备接入接地系统。

3.建设目标

根据以上需求分析，本次项目的系统建设目标是：

?建设成森林防火智能监测系统，是一套集视频监控、智能预警、指挥调度、防盗报警为一体的智能森林防火信息系统，系统能够为指挥中心提供准确、及时的现场信息，并且能够实现对森林资源、森林病虫害及野生动物实施监控，对动植物保护和树木监护，通过视频监测记录发现非法伐木者，监控视频资料可以作为处罚依据

?建设成以GIS管理软件为平台配合地面数字模型（DEM）实现智能火点自动定位，为指挥中心提供快速准确定位信息；

?建设成节能环保、安全高效的前端基站系统，采用低能耗的基站设备和先进环保的太阳能供电系统以及高安全性的防雷接地措施，为用户提供长时间无需人工维护的自适应系统。

?建设成基于IP网络的5.8G无线数字微波或者光缆传输链路系统，高性能的IP的网络（5.8G无线数字微波支持54M/108m带宽，光缆支持100M/1000M带宽）不仅能为用户提供高质量的视频监测图像（支持D1、高清（720P）、全高清（1080P））和双向云镜信号控制，而且还能够为用户提供未来需要的气息信息采集、语音对讲、数据等多种网络业务带宽及性能，充分保护用户投资；

?建设成以指挥中心决策为核心，以智能监测系统为支撑平台的森林防火信息应急指挥系统，为决策层提供监测图像及分析、林火自动识别报警系统和GIS自动定位系统，指挥调度防火灭火措施、GIS定位等信息；

?建设成开放式的系统平台，提供标准的软硬件接口，为用户以后系统升级提供保护。

4.建设原则及标准

4.1.建设原则

根据需求分析结合森林防火项目智能监测系统实际情况，以森林防火监测指挥系统结构配置的合理性、科学性和经济性为原则，同时严格掌握以下原则进行设计：

?规范性原则

本系统是一个严谨的综合性系统，在系统的设计与施工过程中应严格执行各方面的标准与规范，并遵从各项技术规定，做好系统的标准化设计与施工。各配套设备的性能和技术要求稳定可靠，所有的器材应符合国家标准和行业规范。

?先进性原则

无论是软件配置，还是硬件选型，力求做到技术先进，安全可靠防范严密。

?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，都要求有很好的兼容性。硬件方面，要求将来系统升级时对既有硬件设备能上下兼容，节省投资。

?前瞻性原则

即系统的设计能充分考虑森林防火监测指挥系统的发展需要，能充分适应科技的快速进步，对系统的扩展性预留可持续发展的接口和技术空间。

?易用性原则

系统在设计时能充分考虑林业系统的行业特点和管理人员的操作习惯，运行过程简单易行，人工操作易学易用，监测管理快捷高效，应急指挥科学可行，灾后评估快速准确。能做到开机即可工作，通电即可运行的程度。

?安全与保密原则