廣東省龍眼洞林場5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)設(shè)計

陳富強 何瑩泉 王巧天 郭勇 洪維

廣東省龍眼洞林場5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)設(shè)計

陳富強1，何瑩泉2，王巧天3，郭勇1，洪維1

（1.廣東省龍眼洞林場，廣東 廣州? 510520；2.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州? 510520；

3.廣東遠景信息科技有限公司，廣東 廣州? 510115）

摘? 要：為守護綠水青山，保障森林生態(tài)安全，做好森林火災(zāi)預(yù)防及撲救工作至關(guān)重要。合理利用水可有效防治森林火災(zāi)，憑借5G通信的超可靠、低時延技術(shù)優(yōu)勢，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧控制系統(tǒng)，對龍眼洞林場進行了1 km智慧噴淋防滅火林帶設(shè)計、建設(shè)和試驗，系統(tǒng)實現(xiàn)了對林火的24 h全天候自動監(jiān)測預(yù)防及撲滅。該項試驗將水滅火與智能技術(shù)相結(jié)合，為國有林場等森林防滅火重點地區(qū)的防滅火提供了可推廣、可借鑒、可復(fù)制的參考方案。

關(guān)鍵詞：5G；自動噴淋防滅火林帶；自動噴淋技術(shù)；森林智能防滅火

中圖分類號：TN929.5；S762.3 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）01-0119-05

Design of 5G Smart Spraying Fire Prevention and Extinguishing Forest Belt System in Longyandong Forest Farm of Guangdong Province

CHEN Fuqiang1， HE Yingquan2， WANG Qiaotian3， GUO Yong1， HONG Wei1

（1.Longyandong Forest Farm of Guangdong Province， Guangzhou? 510520， China; 2.Forestry Investigating and Planning Institute of Guangdong Province， Guangzhou? 510520， China; 3.Guangdong Infoview Technology Co.， Ltd.， Guangzhou? 510115， China）

Abstract： In order to protect green mountains and lucid waters and ensure forest ecological security， it is essential to do a good job in forest fire prevention and fighting. Rational use of water can effectively prevent and control forest fires. With the super reliable and low delay technology advantage of 5G communication， relying on the Internet of Things technology and intelligent control system， this paper has designed， built and tested a 1 km smart spraying fire prevention and extinguishing forest belt in Longyandong Forest Farm. Which has systematically realized 24-hour automatic monitoring， prevention and extinguishment of forest fires. This test combines water fire fighting with intelligent technology， providing a reference scheme that can be popularized， used for reference and replicated for fire fighting in key areas of forest fire fighting such as state-owned forest farms.

Keywords： 5G; automatic spraying fire prevention and extinguishing forest belt; automatic spraying technology; forest intelligent fire-fighting

0? 引? 言

森林火災(zāi)是突發(fā)性高、持續(xù)性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。一旦發(fā)生，會對森林資源、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來非常嚴重的危害和損失。全球每年森林火災(zāi)發(fā)生20多萬次，造成森林資源損失上百萬公頃（hm2），占世界森林總面積的1%[1]，森林火災(zāi)預(yù)防和處置是世界性難題[2]。目前，森林火災(zāi)的預(yù)防與撲救主要還是依靠提高群眾防火意識、建設(shè)林火阻隔系統(tǒng)和人工防滅等，這些傳統(tǒng)的手段難以應(yīng)對當(dāng)前森林防滅火工作要求。

5G智慧森林自動噴淋防滅火林帶技術(shù)則是廣東省森林生態(tài)旅游區(qū)森林防火系統(tǒng)集成研究在上述噴淋防火林帶技術(shù)的基礎(chǔ)上[3-5]，將5G通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和火警AI智能等高新技術(shù)與噴淋防火林帶技術(shù)融合，研究出基于5G的智慧自動噴淋防滅火林帶技術(shù)，實現(xiàn)對森林火險實時監(jiān)測與預(yù)警的自動識別，通過高效協(xié)同的5G智慧防滅火系統(tǒng)，實現(xiàn)森林火險防控“自動化”、滅火救援指揮“智能化”、日常森林防火及巡檢執(zhí)法“系統(tǒng)化”，進一步提升森林防火重點地區(qū)火災(zāi)預(yù)警效能及防滅火水平[6]。

1? 林場防火概況

廣東省龍眼洞林場總面積1 622.15 hm2，其中林業(yè)用地面積1 560.02 hm2。林業(yè)用地中被列入為國家級、省級生態(tài)公益林的林地面積1 172.10 hm2。林地分散分布在廣州市天河區(qū)、白云區(qū)和黃埔區(qū)，森林覆蓋率94.32%，是廣州市轄區(qū)內(nèi)唯一的省屬國有林場，是典型的城市型林場。主要植被類型有常綠闊葉林、針闊混交林和人工植被。林中占優(yōu)勢的科主要是大戟科、蝶形花科、茜草科、樟科、?？啤ざ房?、山茶科等[7]。

龍眼洞林場的林地碎片化嚴重，林地周邊有學(xué)校、居民社區(qū)和工業(yè)園區(qū)，林地內(nèi)還有廣州知名的火龍鳳、火帽線等多條經(jīng)典徒步路線及多個自然教育機構(gòu)營地，林區(qū)活動的人員眾多，火源管理難度大，稍有不慎極易引發(fā)森林火災(zāi)。此外，林火阻隔系統(tǒng)不完善，生物防火林帶主要在山脊線，而林區(qū)道路、山腳、居民區(qū)交界地等容易失火的地方并未設(shè)防火林帶，這給森林防火工作帶來很大隱患。近幾年來，龍眼洞林場在“以水滅火”和“技防”方面加大資金投入，建設(shè)了20個森林消防水池（體），總?cè)莘e量達到6 000 m3；建設(shè)了一套具有視頻遠程監(jiān)控、智能煙火識別和智能預(yù)警等功能的森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)。雖然在一定程度上提高了龍眼洞林場森林火災(zāi)預(yù)防和撲救能力，但無法實現(xiàn)自動防火和自動滅火。

2? 系統(tǒng)構(gòu)成

5G智慧自動噴淋防滅火林帶系統(tǒng)由取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)和智慧控制系統(tǒng)四個子系統(tǒng)組成。5G智慧噴淋防火林帶系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.1? 取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)

取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)是將溪流或雨水收集、過濾處理后匯集到高位和低位消防水池中儲存，再通過管道連接噴淋系統(tǒng)用于森林消防。高位水池缺水時，通過消防水泵可以將低位水池水抽到高位水池補水，也可由消防車直接給高位和低位水池補水，保證消防水池不會缺水，使噴淋系統(tǒng)一直處于戰(zhàn)備狀態(tài)。

2.2? 噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)由主管道、噴淋帶管道、93 ℃感溫噴頭、立式旋轉(zhuǎn)噴頭、雨淋閥、電磁閥、水壓檢測模塊和水位檢測模塊等組成。高位水池和低位水池由主管道聯(lián)通雨淋閥和噴淋帶管道，在噴淋帶管道上安裝立式旋轉(zhuǎn)噴頭，由雨淋閥和電磁閥控制噴淋動作。

2.3? 預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)

預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)由森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)以及土壤溫濕度檢測模塊、空氣溫濕度檢測模塊、風(fēng)向風(fēng)速檢測模塊等模塊組成。預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)將采集到的信息通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和5G通信技術(shù)傳輸?shù)街腔劭刂葡到y(tǒng)。

2.4? 智慧控制系統(tǒng)

智慧控制系統(tǒng)是根據(jù)5G超大帶寬（eMBB）、超低時延（uRLLC）、海量連接（mMTC）等技術(shù)特性[8]，將預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)探測到的各種數(shù)據(jù)和信號回傳匯集到服務(wù)器。智慧控制系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)對這些數(shù)據(jù)和信號整合、算法分析，生成操作指令通過5G信號傳輸對相應(yīng)的設(shè)備進行智能控制防滅火，或向管理人員提供預(yù)警信息，由管理人員根據(jù)情況進行人工控制防滅火。

3? 5G智慧自動噴淋防火林帶系統(tǒng)設(shè)計

本項目設(shè)在龍眼洞林場場部工區(qū)的二林班（地名：豬頭石），林地面積40 hm2，森林植被豐富，植被由喬木、灌木、草本和藤條組成，包括馬尾松（Pinus massoniana）、濕地松（Pinus elliottii）、木荷（Schima superba）、黃桐（Endospermum chinense）、黧蒴錐（Castanopsis fissa）、馬占相思（Acacia mangium）、山烏桕（Triadica cochinchinensis）、錫葉藤（Tetracera sarmentosa）、芒萁（Dicranopteris pedata）等植物。森林郁閉度0.6，植被蓋度98%，枯枝落葉多，可燃物載量大，屬省級森林生態(tài)綜合示范園和火爐山森林公園范圍，在公園內(nèi)徒步、游憩和鍛煉的群眾非常多，是森林火險重點防范區(qū)之一。

5G智慧自動噴淋防火林帶系統(tǒng)由1套取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)、1套噴淋防火林帶系統(tǒng)、1套預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)和1套智慧控制系統(tǒng)組成。

3.1? 取水和水質(zhì)優(yōu)化處理系統(tǒng)設(shè)計

消防水池是林場原已建成使用的兩個消防水池，其中高位水池容積48 m3，低位水池容積126 m3，兩水池高程差90 m。兩個消防水池前端安裝由何瑩泉等發(fā)明的“一種用于森林公園地面徑流水源水質(zhì)優(yōu)化的處理系統(tǒng)”[9]，可有效去除地面徑流水源內(nèi)泥沙顆粒、天然落葉及懸浮物、生物和浮游動植物，達到消防用水和衛(wèi)生器具用水水質(zhì)和水量需求。通過該系統(tǒng)可以源源不斷地向消防水池提供符合標準的噴淋用水。在低位水池安裝兩臺型號為200QJW60-93-25的臥式不銹鋼潛水泵，消防泵主要參數(shù)：Q=60 m3/h，H=93 m，W=25 kW。用管徑150 mm的熱浸鋅鋼管作為主管，將兩個水池、雨淋閥和噴淋帶聯(lián)通。

3.2? 噴淋防滅火林帶系統(tǒng)設(shè)計

在低位消防水池上方10 m沿登山道呈“Y”字型布置一組噴淋防滅火林帶，主管為DN40-150熱浸鋅鋼管，長度1 km。每20 m安裝一個高度1.6 m，射程21 m，噴水量2.6 m3/h，噴頭尺寸7.14 mm/3.18 mm的旋轉(zhuǎn)噴頭。一組噴淋帶安裝噴頭50個，合計可噴淋面積達到40 000 m2。噴淋帶下方布設(shè)93 ℃感溫閉式噴頭，間距40 m按“W”型布設(shè)，共布設(shè)25個，管道型號為DN25。雨淋閥為消防隔膜式雨淋報警閥ZSFM。如圖2所示。

3.3? 預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是林場原有建成使用的項目，在林場辦公樓頂有1個視頻監(jiān)控攝像頭，24 h不間斷對試驗地進行監(jiān)控，該系統(tǒng)具有視頻監(jiān)控、智能煙火識別和智能預(yù)警等功能，將其接入本項目的智慧控制系統(tǒng)即可使用。噴淋帶內(nèi)安裝土壤溫濕度檢測模塊和小型氣象站安裝空氣溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向檢測模塊（氣象實時采集系統(tǒng)傳感器），型號為ZK-ZD11A，其中土壤溫濕度監(jiān)測設(shè)備埋在林地地下10～50 cm處各埋設(shè)1個，共安裝4個。在管網(wǎng)相應(yīng)位置安裝水壓檢測模塊，以便監(jiān)測各管道內(nèi)的水壓，數(shù)顯遠傳壓力表參數(shù)：FULLKON/豐控，F(xiàn)K-YC180，4～20 mA；。在兩個消防水池各安裝一個超聲波水位檢測模塊，監(jiān)測消防水池的儲水情況，超聲波水位計型號參數(shù)：MIK-RP；品牌：米科MEACON；量程：0～5 m；信號輸出：4限制，4～20 mA。數(shù)據(jù)采集模塊2塊，型號為ADAM4117，各種傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集到的信息傳輸?shù)街腔劭刂葡到y(tǒng)。

3.4? 智慧控制系統(tǒng)設(shè)計

智慧控制系統(tǒng)是本項目的大腦，由項目團隊自主開發(fā)的基于火災(zāi)多因子綜合預(yù)警模型及算法建立的一套智慧控制系統(tǒng)，主機機房設(shè)在低位水池附近。智慧控制系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)軟件、可編程序控制器控制軟件，通過5G多網(wǎng)口工業(yè)路由器（規(guī)格型號USR-G810-FR），連接可編程序控制器PLC3個（FX5U-32MR/DS型號1個，F(xiàn)X-16EX/ES型號2個）、交換機（型號：華為S1700-80AC）1個、串口服務(wù)器（型號：MOXA NPort5232）1個、數(shù)據(jù)采集模塊（型號：ADAM4117）2塊、無線數(shù)傳電臺1對（型號：RS232/485/422-LORA，頻率：433 MHz）等軟硬件。

數(shù)據(jù)采集模塊通過485協(xié)議與多個傳感器互聯(lián)，連接的傳感器包括水池水位、管網(wǎng)水壓等。編程序控制器PLC連接管道各水閥，通過PLC控制水閥開關(guān)操作以及獲取開關(guān)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊和PLC通過Socket通信的方式與前置機進行交互。

前置機采用Friendly Arm系統(tǒng)，部署前端控制服務(wù)，實現(xiàn)與前端設(shè)備和云端服務(wù)器的連接。前端設(shè)備對接上，前置機通過Socket通信的方式與PLC、數(shù)據(jù)采集器交互，前端控制服務(wù)針對各個對接設(shè)備PLC進行設(shè)備輪詢，獲取各設(shè)備數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解析，并轉(zhuǎn)換為應(yīng)用內(nèi)部通信統(tǒng)一格式，對數(shù)據(jù)進行前端服務(wù)側(cè)的存儲、緩存、轉(zhuǎn)發(fā)。云端服務(wù)器對接上，前置機上通過應(yīng)用內(nèi)部通信協(xié)議與云端服務(wù)的連接服務(wù)器互聯(lián)，前端服務(wù)實現(xiàn)發(fā)送本地格式化數(shù)據(jù)到云端，同時接收云端下發(fā)的指令，并做協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)送到PLC上，進行設(shè)備控制。上傳的數(shù)據(jù)包括傳感器數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，接收云端下發(fā)的數(shù)據(jù)為操作指令，可觸發(fā)現(xiàn)場控制設(shè)備的操作。

服務(wù)器端部署在云端，包括前端應(yīng)用服務(wù)器、后端服務(wù)器、連接服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。連接服務(wù)器與噴淋的前置機互聯(lián)，獲取前置機上傳的數(shù)據(jù)，記錄原始數(shù)據(jù)記錄并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器，后端服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行下一步的業(yè)務(wù)邏輯處理。連接服務(wù)器接收后端服務(wù)器發(fā)起的下發(fā)指令，轉(zhuǎn)發(fā)到前置機進行下一步控制操作。后端服務(wù)器提供業(yè)務(wù)邏輯處理，接收連接服務(wù)器的設(shè)備數(shù)據(jù)，對各項數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計，產(chǎn)生統(tǒng)計報表、控制方案等，接收前端應(yīng)用服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的用戶操作命令，進行操作狀態(tài)確認，通過確認后轉(zhuǎn)發(fā)到連接服務(wù)器，下發(fā)到前置機。前端應(yīng)用服務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示，接收用戶操作等，展示數(shù)據(jù)由后端服務(wù)產(chǎn)生。提供電腦、手機、平板操作界面，用戶可訪問查看各個傳感器和系統(tǒng)的狀態(tài)，也可以人工控制噴淋和補水等動作。應(yīng)用操作界面如圖3、圖4所示。

4? 結(jié)? 論

項目建成一年來，項目組模擬多種天氣情況對系統(tǒng)進行測試，各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)運行正常。

本項目的消防水池是林場原來建設(shè)好的水池，上位消防水池容積僅48 m3，雖然可以滿足一次的噴淋作業(yè)，但在秋冬干旱季節(jié)或森林防火特別期，顯然不能滿足需要。南方降雨量較大，雨水充足，有必要建設(shè)大容量的消防水池，特別是上位水池儲備更多的水，項目使用的能效就更少，更環(huán)保。

噴淋防火林帶的適用條件除了有水源保障的森林環(huán)境，沒有特別的要求，但是5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)需要在林地環(huán)境布設(shè)傳感設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備等，需要解決長效供電、低能耗無線組網(wǎng)、可靠信息感知、安全信息傳輸?shù)燃夹g(shù)瓶頸問題。

南方的春季和夏季是雷雨季節(jié)，項目所在地地勢較高屬雷區(qū)范圍，電源、電器和設(shè)備容易受到雷擊影響，有必要安裝避雷設(shè)施和防雷接地，以防止被雷擊，保證系統(tǒng)時刻處于戰(zhàn)備狀態(tài)。此外，在野外供電線路和網(wǎng)絡(luò)線路也容易被老鼠等動物咬斷或被樹枝壓斷，甚至人為破壞，加強線路巡查必不可少。

項目通過針對森林旅游地防火重點地區(qū)開展5G智慧噴淋防滅火林帶系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，實現(xiàn)森林防滅火重點地區(qū)火災(zāi)的智能探測、智能預(yù)警、智能滅火、輔助決策等目的，進一步提升森林旅游地火災(zāi)的智能防控能力。項目成果能達到保證森林資源和人員人身安全，對保障森林生態(tài)安全和保護綠水青山具有重要意義。

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作者簡介：陳富強（1967—），男，漢族，廣東梅縣人，高級工程師，本科，主要研究方向：林業(yè)監(jiān)測、森林防火工作；通訊作者：洪維（1971—），男，漢族，廣東梅縣人，高級工程師，本科，主要研究方向：自然教育、森林防火工作。

收稿日期：2022-08-05

基金項目：廣東省林業(yè)科技計劃項目（2020-01）