吳文浩 文旭樺 王忠勛

文章基于5G MEC邊緣計(jì)算技術(shù)，融合AI圖像識(shí)別算法，提出了一種全新的林火防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，能有效地提升了林火監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急處置的能力，并已在實(shí)際應(yīng)急模擬演練中得到驗(yàn)證。

一、引言

森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、危險(xiǎn)性高，是全球發(fā)生最頻繁、處置最困難、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。一旦有火警發(fā)生，就必須及時(shí)進(jìn)行撲救。撲救是否及時(shí)，決策是否得當(dāng)，關(guān)鍵取決于對(duì)火險(xiǎn)火警的發(fā)現(xiàn)是否及時(shí)，分析是否準(zhǔn)確，應(yīng)急處置措施是否得當(dāng)。因此，如何對(duì)林區(qū)火災(zāi)前的檢測(cè)預(yù)警、火災(zāi)過(guò)程中的指揮調(diào)度以及火災(zāi)后的分析評(píng)估，是林火防治亟待解決的核心問(wèn)題。

二、森林火災(zāi)防治現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，基于IoT、AI識(shí)別、衛(wèi)星遙感、航空觀測(cè)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)科技的快速發(fā)展，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力不斷進(jìn)步，林火應(yīng)急處置能力顯著增強(qiáng)。然而在實(shí)際調(diào)研中，也發(fā)現(xiàn)一些短板：

火險(xiǎn)監(jiān)控存在盲區(qū)：不少林區(qū)仍存在火情火險(xiǎn)感知監(jiān)測(cè)和林火視頻監(jiān)控的盲區(qū)，在一些山林入口也缺乏對(duì)進(jìn)山車輛、人員的監(jiān)控識(shí)別。

林火監(jiān)控視頻傳輸不穩(wěn)：林火視頻監(jiān)控點(diǎn)一般都是在山區(qū)或者郊區(qū)，對(duì)有線線路的搭建和運(yùn)維要求比較高；部分高清監(jiān)控視頻信號(hào)通過(guò)4G無(wú)線傳輸，但也存在視頻不流暢、圖像不清晰的情形，達(dá)不到高清監(jiān)控的效果。

林火識(shí)別預(yù)警效果不佳：因前端監(jiān)控視頻采集的圖像不夠清晰，直接影響了火警的識(shí)別效果，容易誤報(bào)、少報(bào)，耽誤滅火的最佳時(shí)機(jī)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急保障支撐不足：火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)有應(yīng)急指揮車、布控球、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、單兵等，需要實(shí)時(shí)交互音視頻等數(shù)據(jù)，同時(shí)需要向后端指揮中心傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)帶寬需求大，現(xiàn)有的有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均難以支撐。

應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動(dòng)存在瓶頸：在遇到突發(fā)事件或信息高峰期時(shí)，單純依靠無(wú)法高效支撐指揮調(diào)度、協(xié)同會(huì)商等業(yè)務(wù)開展，需要擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

三、5G林火應(yīng)急優(yōu)勢(shì)分析

5G通信技術(shù)是新一代的無(wú)線通信技術(shù)，不再僅僅解決通信問(wèn)題，而且構(gòu)建了人和機(jī)器、機(jī)器和機(jī)器之間的生態(tài)信息系統(tǒng)。3GPP對(duì)5G應(yīng)用定義了三大場(chǎng)景——eMBB（enhance Mobile Broadband，移動(dòng)寬帶增強(qiáng)）、mMTC（massive Machine Type of Communication，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)或海量機(jī)器通信）、uRLLC（ultra Reliable & Low Latency Communication，超高可靠超低時(shí)延通信）[1]。5G傳感網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)滿足多場(chǎng)景的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠容納目前廣泛應(yīng)用的各種無(wú)線接入技術(shù)和5G新空口多種接入技術(shù)。

5G憑借其技術(shù)特性，可實(shí)現(xiàn)泛在感知設(shè)備接入、超高清圖像傳輸，進(jìn)一步提升應(yīng)急搶險(xiǎn)救援隊(duì)伍遠(yuǎn)程可視化指揮能力和遠(yuǎn)程操控能力，提高突發(fā)事件的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮處置能力，為火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急搶險(xiǎn)救援、聯(lián)動(dòng)協(xié)同指揮、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急保障等提供強(qiáng)有力的支撐，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)高效應(yīng)急處置的需求。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）邏輯框架

本系統(tǒng)將基于5G邊緣云，提供森林火災(zāi)的感知監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、視頻匯聚、AI識(shí)別、預(yù)警預(yù)報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急布控、聯(lián)動(dòng)指揮處置等全流程的端到端的業(yè)務(wù)邏輯。

5G邊緣云：邊緣云，又稱為MEC（Multi-Access Edge Computing）。其優(yōu)勢(shì)在于出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，火場(chǎng)周圍各種搶險(xiǎn)終端聚集，業(yè)務(wù)流量劇增，通過(guò)邊緣云進(jìn)行流量的統(tǒng)一匯聚及分發(fā)，有利于現(xiàn)場(chǎng)指揮人員及時(shí)全面了解火場(chǎng)狀況，準(zhǔn)確做出搶險(xiǎn)決策。

5G接入和傳輸：實(shí)現(xiàn)林火高清視頻和火險(xiǎn)因子的采集接入和無(wú)線傳輸；

林火AI識(shí)別：實(shí)現(xiàn)對(duì)林火監(jiān)控視頻的智能分析、識(shí)別及預(yù)警預(yù)報(bào)；

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急布控：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)布控設(shè)備的協(xié)同聯(lián)動(dòng)以及現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)回傳，實(shí)現(xiàn)前端現(xiàn)場(chǎng)和應(yīng)急指揮中心的聯(lián)動(dòng)指揮；

對(duì)接指揮信息網(wǎng)：實(shí)現(xiàn)和指揮信息網(wǎng)對(duì)接，達(dá)到“有線應(yīng)急”和“無(wú)線應(yīng)急”的統(tǒng)一。

（二）技術(shù)架構(gòu)

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、視頻匯聚、視頻調(diào)度、林火視頻智能分析和指揮聯(lián)動(dòng)；

應(yīng)用支撐層：主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接入和交換共享，并基于政務(wù)云實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)治理，為平臺(tái)應(yīng)用提供給所需的通用服務(wù)；

基礎(chǔ)設(shè)施層：主要實(shí)現(xiàn)5G邊緣計(jì)算的能力支撐，包括邊緣計(jì)算服務(wù)器、通用服務(wù)器和BBU等；

通信網(wǎng)絡(luò)層：主要采用5G傳輸技術(shù)，并對(duì)接有線政務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

感知網(wǎng)絡(luò)層：主要采集接入高清視頻、指揮車、指揮船、無(wú)人機(jī)及其他傳感器，同時(shí)接入應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)保障感知數(shù)據(jù)。

（三）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

建設(shè)5G MEC邊緣云平面，實(shí)現(xiàn)有線通信和無(wú)線通信的“雙平面”應(yīng)急保障。有線平面主要指現(xiàn)有的指揮信息網(wǎng)，無(wú)線通信即為以5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣云為核心的云平面，二者信息可以通過(guò)互通網(wǎng)關(guān)進(jìn)行融通。

（四）功能架構(gòu)

1、5G感知接入和傳輸

針對(duì)林火監(jiān)控存在盲區(qū)的現(xiàn)狀，通過(guò)部署中遠(yuǎn)程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)、林火因子采集器和5G CPE（移動(dòng)信號(hào)接入設(shè)備），應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)高清終端依需布放而不受到傳輸線路限制。通過(guò)邊緣云平臺(tái)接收林火監(jiān)控視頻，并通過(guò)AI對(duì)視頻進(jìn)行環(huán)境解析。正常狀況的視頻流，邊緣云平臺(tái)可不回傳至后端指揮平臺(tái)；而對(duì)于AI解析出疑似的圖像，邊緣云系統(tǒng)能對(duì)火情火險(xiǎn)進(jìn)行可疑識(shí)別和預(yù)警預(yù)報(bào)，并及時(shí)回傳至后端指揮平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)急處置。針對(duì)部分有線傳輸或者4G傳輸視頻容易卡殼的情況，也可以通過(guò)部署5G CPE，借助5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決。

2、林火視頻AI識(shí)別預(yù)警

通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)采集到的實(shí)時(shí)超高清視頻數(shù)據(jù)，應(yīng)用先進(jìn)的AI圖像識(shí)別算法，根據(jù)火焰煙霧的行為特征，如顏色、顏色分布、形狀、輪廓、紋理等，利用森林背景圖像與火災(zāi)、煙霧圖像在光譜特征、空間幾何特征上的差異，運(yùn)用圖像處理方法和復(fù)雜的識(shí)別算法，進(jìn)行精確的智能圖像分析，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)林火智能預(yù)警、預(yù)報(bào)，為林火預(yù)處理提供技術(shù)支撐。

3、5G現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急保障

在突發(fā)險(xiǎn)情及搶險(xiǎn)救災(zāi)過(guò)程中，臨時(shí)應(yīng)急布控需求較多，包括無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、布控球、指揮車、單兵、巡邏機(jī)器人等，在各種終端分辨率日益提高的情況下，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)流量也將呈指數(shù)型增長(zhǎng)。借助5G網(wǎng)絡(luò)傳輸，并在邊緣云計(jì)算平臺(tái)中部署應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)，可對(duì)所有布控終端進(jìn)行統(tǒng)一接入管理，形成實(shí)時(shí)高效的臨時(shí)應(yīng)急切片。終端拍攝到的現(xiàn)場(chǎng)高清視頻，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)回傳至邊緣云調(diào)度系統(tǒng)，由調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)景呈現(xiàn)和AI輔助，在本地即可實(shí)現(xiàn)全景態(tài)勢(shì)感知和指揮調(diào)度，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高效率的臨時(shí)布控。

4、5G+有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)

現(xiàn)有的林火防治系統(tǒng)通常承載在電子政務(wù)網(wǎng)中（有線網(wǎng)絡(luò)），基于網(wǎng)絡(luò)安全方面考慮，電子政務(wù)網(wǎng)與移動(dòng)公眾網(wǎng)絡(luò)之間物理隔離。本系統(tǒng)采用鏈路接入方式，通過(guò)防火墻或互通網(wǎng)關(guān)等安全設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)和政務(wù)外網(wǎng)的對(duì)接。通過(guò)內(nèi)外網(wǎng)互通融合，實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的“雙平面”應(yīng)急保障；此外，部署于邊緣云的林火應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)也可作為事件現(xiàn)場(chǎng)與后端應(yīng)急指揮中心交互和聯(lián)動(dòng)的統(tǒng)一接口，保證指揮決策的統(tǒng)一發(fā)布，有效提升林火應(yīng)急處置能力。

五、結(jié)語(yǔ)

5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，它將深刻變革我們的社會(huì)。本文提出的基于5G的森林火災(zāi)防治系統(tǒng)已在某些林區(qū)開始試點(diǎn)部署，其應(yīng)急效果也在模擬演練中得到驗(yàn)證。應(yīng)該說(shuō)借助5G技術(shù)，森林火災(zāi)防治工作將取得新的突破。

作者單位：聯(lián)通（廣東）產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司