基于森林火灾微波处理三级监控系统研发王治东

基于森林火灾微波处理三级监控系统研发王治东

王治东唐昌清易敏

西南科技大学城市学院四川省绵阳市621000

摘要：森林火灾在制约我国林业方面发展的同时也造成大量的人力、物力、财产损失，而大部分火灾均是由火情发现不及时导致，所以，在火灾未成燎原之势时发现火情并及时控制是保障森林火灾的有力措施。本系统分为火情报警、侦察、处理三级防控装置，通过三维遥感技术对森林进行全方位无死角防控，可对森林全方位监控的同时将经济成本最小化。

关键词：森林火灾；三级防控装置；经济成本

ResearchandDevelopmentofThree-levelMonitoringSystem

BasedonMicrowaveTreatmentofForestFire

WANGZhi-dong,TANGChang-qing,YLMin

citycollege,southwestuniversityofscienceandtechnologyMianyangcity,Sichuanprovince

Abstract：ForestfiresnotonlyrestrictthedevelopmentofChina'sforestry,butalsocausealotofhuman,materialandpropertylosses.Mostofthefiresarecausedbytheuntimelydiscoveryofthefire.Therefore,itisapowerfulmeasuretoprotectforestfirestodiscoverandcontrolthefireintimebeforeitstartsaprairiefire.Thesystemispidedintothreelevelsoffirealarm,reconnaissanceandtreatmentpreventionandcontroldevices.Throughthe3DRemotesensingtechnology,theforestcanbecomprehensivelycontrolledwithoutdeadcorners,andtheeconomiccostcanbeminimizedatthesametime.

Keywords：Forestfire；Three-levelpreventionandcontroldevice；Economiccost

一、设计理念

目前各国均已投入相应的高科技产品应用于森林火灾的防护监控中，但针对地域辽阔的森林，将高成本装置用于林各处，将产生高昂的成本费用，同时人工巡林存在较强的区域性，所以导致森林火灾依旧每年发生，如3·30凉山州森林火灾。在此基础上，归纳出森林火灾主要原因是火情发现不及时，未在其形成燎原之势时将之发现控制，导致大火迅速蔓延。所以，如何运用现有的科技将森林全方位监控，同时将成本经济最小化，使其大面积推广并实施，将森林火灾扼杀于初期。

二、系统介绍

（一）工作流程

本系统由火情报警装置、侦察装置、处理装置三部分组成，其中火情报警装置由微型烟雾报警装置组成，由于其生产成本低，可在森林里大面积安装，以网状形式对森林进行覆盖。在某一森林中，系统根据森林地貌面积将其三维数字化，同时根据实际情况将其区域化，并且在每个区域内建立相应的数据处理中心（即控制室）。若某一烟雾报警装置被触发，此时“北斗卫星”通过传送报警装置所发射的数据给数据处理中心，并触发控制室内警报铃。此时工作人员根据北斗数据派出无人机进行侦察，并派遣小部分人员前去处理火情，然后根据无人机反馈的信息确定是否派后续增援，以此达到对森林火灾的防护监护功能。

（二）系统结构

1.火情报警装置

火情报警装置主要由烟雾传感器MQ-2、数据传输模块、蓄电池、光伏发电板组成，并且采用防水组装技术，保证装置不会被雨水损坏,如图1所示。白天由光伏发电板给蓄电池供电，蓄电池将所储存的电能供给装置使用。当烟雾传感器被触发时，此时数据传输模块以“短报文”形式向北斗卫星传送数据“1”，正常工作传送数据“0”，装置故障不传送数据，每个检测装置每隔3min传送一次数据。数据处理中心根据北斗卫星反馈的数据判断检测装置此时的工作状态，并作出相应的处理措施。

功能特制镜头普通镜头

远程切换镜头内置转盘使滤色片中心始终与主光轴保持一致，并且支持远程切换滤色片从而达到透雾成像功能不支持远程切换滤色片，无透雾功能

滤色片多栅格滤光片无滤色片

配套摄像机专门配套双电路CCD芯片摄像机，防火专用一般无专用配套摄像机

图1火情报警装置

2火情侦察装置

本装置主要由远航无人机搭载“低照度透雾摄像机”担任侦察，在第三级防控系统发现火情时，此时通过北斗卫星提供的位置信息使无人机准确到达起火点，完成侦察任务。

特制摄像机在高温浓烟环境下侦察必须要求装置具有耐温和透视度强的特点，此处本装置采用“低照度透雾摄像机”。该摄像机与普通摄像机的比较如下表所示：

表2制镜头特功能对比

3.火情处理装置

该装置作为系统的终端处理系统，主要由人工和数据处理器负责。数据处理中心主要负责前两级防控装置的监管以及信息终端处理，在森林的每个区域内设立一处总监控室，并派专业工作人员全天居住，主要负责火情的处理以及无人机的起飞和维护。数据处理中心主要由电脑和LED显示屏组成。当收到北斗卫星传送的火情信号时，此时通过电脑处理后通过显示屏显示，同时触发监控室内火铃，引起工作人员注意。

三、系统实际应用

由于森林监控范围庞大，同时地形复杂，若对森林高密度安装烟雾报警装置，将会产生高昂的成本费用，同时会增加数据传送量。间距过大会使检测效果不明显，增加森林资源损失。所以每个森林应根据所占面积和所处环境合理设置报警装置安装密度。同时根据所用无人机实际续航能力确定控制室的防控范围。此处根据森林火灾分类[3]确定一报警装置监控方圆200m区域，如图2所示

：烟雾报警装置：监控室：D=100m

图2系统安放效果图

由《森林防火条例》可知，烧毁面积在1公顷内可视为一般森林火灾，所以，烟雾报警装置必须保证在烧毁面积未达1公顷时触发报警，以半径100m的圆形区域为一报警装置监控范围，可使森林任意一起火点均在报警装置100m范围内，同时由于烟雾的扩散和风力影响，可大幅度减少报警装置触发时间，减少森林损失。

四、创新特色

本系统与传统森林火灾防护措施相比，具有范围性广、作用性强、经济效益突出等特点。可弥补人工巡林的区域性和无人机巡林的阶段性，同时还可避免因成本问题导致防护区域不全等问题。

五、应用前景

目前大部分森林防火装置主要靠人工和无人机巡查，该种防护措施存在较大的资源浪费，不能同时监控整片森林。在此基础上，本系统充分发挥经济效益，同时完善现有防火方式的缺点。

近几年，森林火灾接连发生，每次火灾都会耗费大量政府物资和财产，同时政府也加大了认为火灾惩罚力度，可见目前森林火灾越来越被重视，所以，政府急需一套低成本高回报并且实用效果突出的防火系。

2019年3月29日，应急管理部召开冬春火灾防控新闻发布会，据统计，从去年11月到今年3月底，全国共发生森林火灾354起，受灾森林面积约为731公顷，财产损失11.7亿元[4]。本装置主要成本费用为无人机和烟雾报警装置，在研发中充分考虑成本问题，将其单个装置成本控制在25元内，如表3所示。若按每装置检测半径为100m圆形区域，对于一个占地1000公顷的森林，只需安装318个报警装置，总费用为7950元（所有数据均是按理想化算出）。通过市场对系统各装置成本调研发现，若不考虑前期工人安装费用，在1000公顷的森林中安装本体统仅需成本费50000元。是目前所有森林防控措施中成本最低的方案，所以本系统具有充足的市场空间和发展潜力。

表3烟雾报警器装置成本

名称单价数据来源

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六、结论

本系统的大力实施，一方面可对我国各地区森林进行全方位火情监控。大幅度减少巡林员的工作量，同时，当火情发生时，本系统能将受灾面积控制在1公顷内，使火灾未成形时将之发现并扑灭。另一方面可提高我国在林业方面的监管科技水平，间接提高我国综合实力。

参考文献：

[1]李玉坤.2018年全国共发生森林火灾2478起[N].新京报快讯.2019.1.25

[2]赵娜.美国森林火灾防范措施[D].中国网.2019

[3]《森林防火条例》法第四十条.2009

[4]应急管理部就冬春火灾防控情况举行新闻发布会[N].中国网.2019