一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统及方法

1.本发明涉及森林防火技术领域，具体为一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统及方法。


背景技术：

2.火灾一直是一个影响生态环境的重要因素，在城市中，人们对于火灾的预防和治理有非常多的措施，各种消防设备，消防手段五花八门，时刻防患于未然。但是在森林环境中，大部分森林地处偏远地区，人烟罕至，树木草丛等可燃物居多。尤其是夏秋之季，天干物燥，一点小小的火星都有可能导致火灾的发生，一旦发生火灾，大部分情况下都会长时间、大范围的持续性燃烧，导致大量树木与植被死亡，野生动物流离失所。强烈燃烧不仅会燃烧地面上的植物，同时还会改变林业的整体结构、气候和土壤肥性，使得森林的防止水土流失能力和调节气候能力都大大削弱。给人们带来不可估量的损失。
3.火势在条件允许的情况下，是呈现出越烧越旺的趋势。其中，风作为其中一种因素对火势的影响尤为巨大，它不仅能加快可燃物水分的蒸发，加速干燥使其变得易燃，同时还补充新的氧气，增加燃烧的条件。特别是在五级及以上的大风天气条件下，火势蔓延速度非常快，这种情况下，如何进行有效的人工干预变得尤为重要。在火势还未成型的时候，如何能够尽早发现起火地点，如何快速制定出一套针对火势在当前风速影响下的救火方案，救火过程中如何实时动态调整救火措施，这些已然成为不可回避且迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，该管理系统包括数据采集模块、数据处理模块、协调与控制模块和消防设施；所述数据采集模块通过红外热成像摄像头收集起火点信息、通过gis地理信息系统收集起火点周边的地形信息以及通过风向风速仪收集起火点周边的风向和风速信息，并将这些信息传递到数据处理模块；所述数据处理模块对这些数据进行分析计算，预测出未来一段时间火情的发展趋势，并将这些数字化信息转化成可视化的动态三维图像；所述协调与控制模块负责提醒工作人员火灾的发生及火势情况的直观展示，工作人员针对火势情况制定救火方案，系统根据救火方案协调消防人员与消防设施开展救火作业；所述消防设施根据指令信息辅助消防人员开展工作，警告无关人员远离火灾现场。
6.通过上述技术方案，利用红外热成像摄像头结合gis（地理信息系统）实现对火情信息的发现与收集，再对收集到的数据进行处理计算，预测出火势的发展方向与蔓延速度，并将数字化信息转化为可视化动态三维图像。同时，系统将火情信息提醒工作人员，以动态图像形式展示火情信息、火情预测信息和周边地形信息，工作人员针对起火点视频判断是
否误报，非误报情况下制定相对应的救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员。消防设施配合消防人员开展救火作业与疏散无关人员。
7.所述数据采集模块包括火情信息收集单元、地形数据收集单元和风向风速收集单元；所述火情信息收集单元主要通过红外热成像摄像头对一定面积的森林进行实时监测，当监测范围内有起火点时，采用可见光、远红外热感应双通道成像技术，结合森林防火gis实现精确火点定位功能，收集起火点实时位置信息及拍摄起火点视频，需要注意的是：1.由于森林面积大，火情检测摄像头分布位置尽量疏散，在摄像头选择上需要选择具有高倍变焦功能的摄像头，能够实现火情画面自动居中放大功能，同时也可以增大拍摄面积，选择的摄像头至少需要满足4-5公里半径范围内的有效动态监控功能。
8.2.系统采用可见光烟火识别和红外热成像热点检测双重火情探测模式，能够有效提升火灾探测准确率，摄像头实时对监控环境进行360度全方位扫描记录，实时分析林区动态特征，探测到疑似起火点能够自动记录火情信息和起火点周边环境信息；可见光烟火识别需要选用长焦透雾镜头，采用红外增透滤片和摄像机dsp处理二合一透雾技术，能够解决可见光学摄像机在雾霾条件下的可视问题；热成像组件可选定焦或连续变焦镜头，实现远程热点感应，机芯采用高灵敏探测器，能够支持场景热点追踪，恶劣天气适应性强，利用远红外特性，即使全黑、雨雾环境下也可以有效成像。
9.3.摄像头设备需要具备耐寒，耐热、防水功能，整机采用严密的加固处理，摄像头需满足正常使用时不受户外的严寒、高温、雨水等天气的影响。
10.所述风向风速收集单元主要是通过安装在各个位置的风向风速仪来收集风向、风速信息，当红外热成像摄像头监测到起火点时，系统自动获取起火点周边的风向风速仪的实时测量信息，并将这些信息结合地理位置信息一起进行收集；所述地形数据收集单元是指通过gis地理信息系统收集起火点周边地形信息，当红外热成像摄像头监测到起火点时，系统自动定位起火点实时位置信息，以起火点的实时位置信息为圆心，未来一段时间最大过火距离为半径，圈出一块圆形范围，通过系统内部保存的最新地形图，自动提取出该圆形范围的地形信息。其中：最大过火距离是指在燃烧物充足的条件下，火随着风向风速仪检测的最大风速来蔓延，将工作人员指定的时间乘以速度，得到最大过火距离。
11.通过上述技术方案，实现对一定区域内起火点的发现以及对起火点实时位置信息、起火点视频、起火点周边地形、风向和风速信息进行收集，用于后续的计算预测。
12.所述数据处理模块包括火情预测单元和火情可视化单元；所述火情预测单元采用林火蔓延模型对火情趋势进行分析计算，通过结果来预测火势的蔓延方向与蔓延速度；所述火情可视化单元通过使用matlab应用软件将火情信息、火情预测信息和周边地形信息这些数字化信息转化成图像化信息，动态绘制成可视化的三维图像，在显示屏上进行直观展示，其中：林火的蔓延形状由于受到多种因素的影响，其呈现形态是千变万化的，但是大体上都是由火头、火翼、火尾三个部分组成。当大风天气下，顺风侧向前蔓延速度最快，火势燃烧最旺，这部分为火头；与火头相反方向，火势逆风蔓延，速度最慢，这部分为火尾；介于火头与火尾之间，向两侧缓缓扩散，与风向垂直蔓延，这部分为火翼。
13.在林火扩展与蔓延的整个过程中，其影响的因素是非常多的，主要有如下几个方面:地形条件、气象条件、可燃物条件；具体如下：1.地形的条件变化能影响火势的发展情况。地形中的坡度是影响林火蔓延的因素之一，坡度大小影响热的传播，在地形起伏的条件下燃烧，热空气上升，上坡方向可燃物截获的热能较多。在上升气流的作用下，上坡火燃烧速度和燃烧强度远远高于平地燃烧状态。当火势处于向下坡方向发展时，坡度在0度到22.5度之间时，下坡火发展速度随着坡度的增加而减少；坡度在22.5度到45度之间时，下坡火发展速度随着坡度的增加而增加，并趋同于平地的情况。
14.2.气象条件是林火蔓延过程中最易变化的因素，气温、气压、湿度、风速和风向对火势情况都有很大的影响。其中风是对林火扩展和蔓延起决定作用的气象影响因子，它不仅决定林火的蔓延速度，而且决定火蔓延的方向和面积。风促进了可燃物的干燥和燃烧过程中的热量交换，当林火燃烧时，风把空气中的阻燃气体带走，同时带来新鲜的氧气助燃。而且，由于风的作用，燃烧过程产生的热能被带到下风处，对下风处的可燃物产生预热和干燥脱水的作用，为火势的下风向发展创造燃烧条件。
15.3.可燃物条件是指森林中可燃物的类型，数量，这些因素可以决定火势情况，森林中可燃物有地衣、苔藓、藤类、草丛、灌木、乔木、森林枯死物，可燃物类型按状态分为死可燃物和活可燃物两种类型。其中，死可燃物按其变干速度的快慢可分为 1h10h、100h和1000h 等四种时滞可燃物。活可燃物类型分为活的草本和木本可燃物，在计算活可燃物含水量时，又可分为返青前期、返青期、绿色期、过渡期和冰冻期，含水量越高越不利于燃烧。
16.动态三维图像主要由gis地图数据结合火情信息及火情预测信息数据形成的；地图数据作为底层三维图像，包含地形信息；火情信息及火情预测信息作为附加在底层之上的三维图像，包含起火点、起火点周边风向风速等信息；主要采用了matlab中的meshgrid函数来动态绘制三维图形；为提高更加真实的模拟图像，地形图、火情图和火情预测图采用不同颜色和透明度来进行区分，这个三维图像的每个参数位置信息对应着地图数据中相对应的位置，能够以秒级单位实时根据数据采集模块传递过来的信息来动态更新该三维图像，且当鼠标移动到对应位置时，能够自动展示此位置更加详细的信息，最大可能提高数据的可视化程度。
17.通过上述技术方案，采用林火蔓延模型对火势蔓延趋势进行合理预测，使用matlab应用软件来绘制成动态三维图形，实现火情信息的预测与可视化功能。
18.所述协调与控制模块包括平台端和现场端；所述平台端是指安装在火情指挥中心的设备，该设备接收到火情信息后，能够立即通过显示屏及扬声器方式发出报警，提醒工作人员火情的发生，同时，系统以动态图像为主的方式在显示屏上展示实时火情信息、火情预测信息、周边地形信息和起火点视频，工作人员根据起火点视频，判断是否系统误报，如果是误报，则不需要理会，非误报情况下，工作人员制定相对应的救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员；所述现场端是指火灾现场消防人员佩戴的电子设备，该设备是带有gps模块的超短波对讲设备，其主要功能如下：1.通过设备上的显示屏实时显示自己在火灾现场的位置信息；2.实时显示其他救火成员和救火车辆的位置信息；
3.能够与其他救火成员或指挥中心进行实时对讲，及时沟通信息；4.实时获取最新的救火方案，以及接收需要完成的子任务；5.将火灾现场相关数据实时传回指挥中心，以供参考。
19.通过上述技术方案，实现了对火情信息、火情预测信息和周边地形信息的可视化展示，对工作人员的火情提醒以及对救火方案进行子任务拆分与分配，协调消防员进行救火，控制火灾现场对应消防设施开始工作。
20.所述消防设施包括火情指示灯和火灾声光报警器；所述火情指示灯是指分布在森林各处的设备，该设备包含：太阳能板、蓄电池、信号接收器和led显示屏，当救火方案中需要使用到该设备时，方案中对应位置的火情指示灯接收到信号，能够自动通电亮起，显示接收到的信息，如：起火点相对于此处的位置、此处处于上风口还是下风口、未来一段时间火势是否蔓延到此处等事先约定好的标识符信息，通过指示灯功能提示起火位置和方向信息，辅助消防人员开展救火作业；所述火灾声光报警器是指分布在森林各处的设备，该设备包含：太阳能板、蓄电池、信号接收器、led发光管和蜂鸣器，当救火方案中包含该设备时，当救火方案中需要使用到该设备时，方案中对应位置的火灾声光报警器接收到信号，能够自动通电亮起，发出高分贝声音和高亮度闪光，警告无关人员火灾的发生，提醒无关人员远离火灾现场。
21.通过上述技术方案，实现了对消防设施的规划控制，火情指示灯负责辅助消防员开展作业，火灾声光报警器发出声光警报负责警告无关人员远离火灾现场。
22.一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，该管理方法包括以下步骤：s1、收集火灾现场相关数据；s2、对数据进行加工处理并响应到指挥中心；s3、指挥中心根据火灾情况制定救火方案；s4、现场消防设施与消防人员根据救火方案执行救火措施。
23.在s1中，所述数据的收集包含以下步骤：s101、通过红外热成像摄像头实时对监控环境进行360度全方位扫描，实时辨别林区动态特征，当热成像组件感应到起火点时，能够火情画面自动居中并放大，拍摄相关画面，并结合gis（地理信息系统）对起火点实时位置信息（经纬度、海拔）进行数据收集，数据包括：起火点位置信息，时间信息、起火点视频信息；s102、通过起火点实时位置信息，自动调用起火点周边的风向风速仪，对这些风向风速仪所记录的风向和风速信息进行数据收集，数据包括：风向风速仪位置信息、时间信息、风向和风速信息；s103、将起火点的实时位置信息当作圆心，未来一段时间最大过火距离为半径，圈出一块圆形范围，通过系统内部保存的最新地形图，自动提取出该圆形范围的地形信息。
24.通过上述技术方案，实现对起火点的发现，起火点信息及周边环境信息的收集，为后续数据处理模块提供数据支撑。
25.在s2中，所述数据的加工包含以下步骤：s201、通过起火点周边的地形、方向和风速等信息，采用林火蔓延模型对火势进行预测，将起火点周边地形、风向和风速等信息带入模型算法公式中进行计算，计算火势的发展方向与蔓延速度，最后转化成数字化信息。
26.由于风速越大,风方向上的林火蔓延速度也越大,且两者呈指数关系，关系公式如下：其中nw为风作用项，c为风速影响系数，d为风速；通过计算可以得到风的作用项；但在实际情况中，地形对林火蔓延速度影响也是非常大，因此在计算林火蔓延速度时通常会将地形因素结合风速来计算林火蔓延速度；在野外测量中，通常用地形坡度角来代表地形因素，地形坡度角计算公式如下：其中为地形坡度角，为斜地面每百米上升的高度，结合风速因素和地形因素，计算出林火蔓延速度，公式如下：其中，v是林火蔓延的速度，v0是林火蔓延的初始速度，ns为可燃物配置格局系数，nw为风作用项，为地形坡度角，根据各参数带入计算，可以计算出火势蔓延的速度，从而预测未来一段时间的火势变化信息。
27.s202、提取火情信息、火情预测信息和周边地形信息这三种数字化信息中的位置信息（经纬度、海拔）当做参数，将大地坐标转换成空间直角坐标后，当成参数带入到matlab应用软件中进行三维图像绘制，将数据信息转换成图像信息，形成可视化的动态三维图像；具体步骤如下：s2021、将大地坐标中的经度、纬度、海拔带入公式中，计算出空间直角坐标，计算公式如下：首先需要计算第一偏心率：其次计算出卯酉圈曲率半径：最后得到经度、纬度、海拔对应的空间直角坐标x、y、z计算公式：z计算公式：z计算公式：其中，j为精度，w为纬度，h为海拔，a为旋转椭球长半轴，b为短半轴,根据wgs-84椭球参数取值，a=6378137m，b = 6356752.314m，s为第一偏心率，m为卯酉圈曲率半径；s2022、matlab应用软件中调用meshgrid()函数，将计算出的空间直角坐标x、y、z三组数据作为参数来定义；s2023、定义好x、y、z三组数据后，调用plot3函数，将数据输入；s2024、设置好网格信息，完成三维图像的绘制。
28.通过上述技术方案，采用林火蔓延模型对火势蔓延趋势进行科学计算，将数字化信息使用matlab动态绘制成三维图形，实现火情信息的预测与可视化功能。
29.在s3中，所述指挥中心指的是火情指挥中心，包括相关设备和工作人员，具体步骤如下：s301、火情指挥中心的相关设备接收到火情信息后，能够立即通过显示屏显示与扬声器发声的方式发出报警，提醒工作人员火情的发生；s302、工作人员接收火情信息后，火情信息、火情预测信息和周边地形信息的三维动态图像以及起火点实拍视频通过显示屏显示；s303、工作人员通过起火点实拍视频判断系统是否误报，如果为是，则不处理，如果为否，则说明存在起火现象，工作人员结合经验针对火情发展趋势制定出救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员，安排消防人员到达指定处开展作业、启动起火区域周边的消防设施。
30.通过上述技术方案，实现了对火情信息、火情预测信息和周边地形信息的可视化展示，对工作人员的火情提醒以及对救火方案进行子任务拆分与分配，协调消防员进行救火，控制火灾现场对应消防设施开始工作。
31.在s4中，所述现场消防设施包括火情指示灯和火灾声光报警器，火情指示灯通过显示不同的标识符信息辅助消防人员开展救火作业，火灾声光报警器发出高分贝声音和高亮度闪光，警告无关人员火灾的发生，提醒无关人员远离火灾现场；所述消防人员是指开展救火作业的专业人员，能够通过佩戴的电子设备实时知晓火势情况，该设备具有gps定位功能及远程对讲功能，能够通过设备上的显示屏实时显示消防人员及消防车辆在火灾现场的位置信息，同时，也能够与其他救火成员或指挥中心进行实时对讲，及时沟通信息，实时将火灾现场相关数据实时传回指挥中心。
32.通过上述技术方案，实现了对消防设施的规划控制，消防人员接到任务开展救火作业，各种消防设施负责辅助消防员开展作业以及警告无关人员远离火灾现场。
33.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：1.本发明通过对林区的全天候火点监测，发现起火点后立即收集周边风向风速及地形信息，并对未来一段时间的火势进行预测，立即通知相关人员开展救火工作，实现了对火灾初期阶段的高效快速扑灭。解决了大风天气下，火势快速蔓延及发展方向不明的问题。
34.2.本发明能够对火情信息、火情预测信息和周边地形信息实现可视化展示，能够更加直观展示火情，提高工作人员对火情信息的了解程度。
35.本发明通过火情指挥中心与消防设施及消防员佩戴的电子设备相互关联，能够实现指挥中心对消防设施的远程控制，对消防人员的任务分配及现场信息获取。
附图说明
36.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统及方法的流程示意图；图2是本发明一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统及方法的结构示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.请参阅图1-图2，本发明提供一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，该管理系统包括数据采集模块、数据处理模块、协调与控制模块和消防设施；所述数据采集模块通过红外热成像摄像头收集起火点信息、通过gis地理信息系统收集起火点周边的地形信息以及通过风向风速仪收集起火点周边的风向和风速信息，并将这些信息传递到数据处理模块；所述数据处理模块对这些数据进行分析计算，预测出未来一段时间火情的发展趋势，并将这些数字化信息转化成可视化的动态三维图像；所述协调与控制模块负责提醒工作人员火灾的发生及火势情况的直观展示，工作人员针对火势情况制定救火方案，系统根据救火方案协调消防人员与消防设施开展救火作业；所述消防设施根据指令信息辅助消防人员开展工作，警告无关人员远离火灾现场。
39.通过上述技术方案，利用红外热成像摄像头结合gis（地理信息系统）实现对火情信息的发现与收集，再对收集到的数据进行处理计算，预测出火势的发展方向与蔓延速度，并将数字化信息转化为可视化动态三维图像。同时，系统将火情信息提醒工作人员，以动态图像形式展示火情信息、火情预测信息和周边地形信息，工作人员针对起火点视频判断是否误报，非误报情况下制定相对应的救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员。消防设施配合消防人员开展救火作业与疏散无关人员。
40.所述数据采集模块包括火情信息收集单元、地形数据收集单元和风向风速收集单元；所述火情信息收集单元主要通过红外热成像摄像头对一定面积的森林进行实时监测，当监测范围内有起火点时，采用可见光、远红外热感应双通道成像技术，结合森林防火gis实现精确火点定位功能，收集起火点实时位置信息及拍摄起火点视频，需要注意的是：4.由于森林面积大，火情检测摄像头分布位置尽量疏散，在摄像头选择上需要选择具有高倍变焦功能的摄像头，能够实现火情画面自动居中放大功能，同时也可以增大拍摄面积，选择的摄像头至少需要满足4-5公里半径范围内的有效动态监控功能。
41.5.系统采用可见光烟火识别和红外热成像热点检测双重火情探测模式，能够有效提升火灾探测准确率，摄像头实时对监控环境进行360度全方位扫描记录，实时分析林区动态特征，探测到疑似起火点能够自动记录火情信息和起火点周边环境信息；可见光烟火识别需要选用长焦透雾镜头，采用红外增透滤片和摄像机dsp处理二合一透雾技术，能够解决可见光学摄像机在雾霾条件下的可视问题；热成像组件可选定焦或连续变焦镜头，实现远程热点感应，机芯采用高灵敏探测器，能够支持场景热点追踪，恶劣天气适应性强，利用远红外特性，即使全黑、雨雾环境下也可以有效成像。
42.6.摄像头设备需要具备耐寒，耐热、防水功能，整机采用严密的加固处理，摄像头需满足正常使用时不受户外的严寒、高温、雨水等天气的影响。
43.所述风向风速收集单元主要是通过安装在各个位置的风向风速仪来收集风向、风速信息，当红外热成像摄像头监测到起火点时，系统自动获取起火点周边的风向风速仪的
实时测量信息，并将这些信息结合地理位置信息一起进行收集；所述地形数据收集单元是指通过gis地理信息系统收集起火点周边地形信息，当红外热成像摄像头监测到起火点时，系统自动定位起火点实时位置信息，以起火点的实时位置信息为圆心，未来一段时间最大过火距离为半径，圈出一块圆形范围，通过系统内部保存的最新地形图，自动提取出该圆形范围的地形信息。其中：最大过火距离是指在燃烧物充足的条件下，火随着风向风速仪检测的最大风速来蔓延，将工作人员指定的时间乘以速度，得到最大过火距离。
44.通过上述技术方案，实现对一定区域内起火点的发现以及对起火点实时位置信息、起火点视频、起火点周边地形、风向和风速信息进行收集，用于后续的计算预测。
45.所述数据处理模块包括火情预测单元和火情可视化单元；所述火情预测单元采用林火蔓延模型对火情趋势进行分析计算，通过结果来预测火势的蔓延方向与蔓延速度；所述火情可视化单元通过使用matlab应用软件将火情信息、火情预测信息和周边地形信息这些数字化信息转化成图像化信息，动态绘制成可视化的三维图像，在显示屏上进行直观展示，其中：林火的蔓延形状由于受到多种因素的影响，其呈现形态是千变万化的，但是大体上都是由火头、火翼、火尾三个部分组成。当大风天气下，顺风侧向前蔓延速度最快，火势燃烧最旺，这部分为火头；与火头相反方向，火势逆风蔓延，速度最慢，这部分为火尾；介于火头与火尾之间，向两侧缓缓扩散，与风向垂直蔓延，这部分为火翼。
46.在林火扩展与蔓延的整个过程中，其影响的因素是非常多的，主要有如下几个方面:地形条件、气象条件、可燃物条件；具体如下：4.地形的条件变化能影响火势的发展情况。地形中的坡度是影响林火蔓延的因素之一，坡度大小影响热的传播，在地形起伏的条件下燃烧，热空气上升，上坡方向可燃物截获的热能较多。在上升气流的作用下，上坡火燃烧速度和燃烧强度远远高于平地燃烧状态。当火势处于向下坡方向发展时，坡度在0度到22.5度之间时，下坡火发展速度随着坡度的增加而减少；坡度在22.5度到45度之间时，下坡火发展速度随着坡度的增加而增加，并趋同于平地的情况。
47.5.气象条件是林火蔓延过程中最易变化的因素，气温、气压、湿度、风速和风向对火势情况都有很大的影响。其中风是对林火扩展和蔓延起决定作用的气象影响因子，它不仅决定林火的蔓延速度，而且决定火蔓延的方向和面积。风促进了可燃物的干燥和燃烧过程中的热量交换，当林火燃烧时，风把空气中的阻燃气体带走，同时带来新鲜的氧气助燃。而且，由于风的作用，燃烧过程产生的热能被带到下风处，对下风处的可燃物产生预热和干燥脱水的作用，为火势的下风向发展创造燃烧条件。
48.6.可燃物条件是指森林中可燃物的类型，数量，这些因素可以决定火势情况，森林中可燃物有地衣、苔藓、藤类、草丛、灌木、乔木、森林枯死物，可燃物类型按状态分为死可燃物和活可燃物两种类型。其中，死可燃物按其变干速度的快慢可分为 1h10h、100h和1000h 等四种时滞可燃物。活可燃物类型分为活的草本和木本可燃物，在计算活可燃物含水量时，又可分为返青前期、返青期、绿色期、过渡期和冰冻期，含水量越高越不利于燃烧。
49.动态三维图像主要由gis地图数据结合火情信息及火情预测信息数据形成的；地图数据作为底层三维图像，包含地形信息；火情信息及火情预测信息作为附加在底层之上
的三维图像，包含起火点、起火点周边风向风速等信息；主要采用了matlab中的meshgrid函数来动态绘制三维图形；为提高更加真实的模拟图像，地形图、火情图和火情预测图采用不同颜色和透明度来进行区分，这个三维图像的每个参数位置信息对应着地图数据中相对应的位置，能够以秒级单位实时根据数据采集模块传递过来的信息来动态更新该三维图像，且当鼠标移动到对应位置时，能够自动展示此位置更加详细的信息，最大可能提高数据的可视化程度。
50.通过上述技术方案，采用林火蔓延模型对火势蔓延趋势进行合理预测，使用matlab应用软件来绘制成动态三维图形，实现火情信息的预测与可视化功能。
51.所述协调与控制模块包括平台端和现场端；所述平台端是指安装在火情指挥中心的设备，该设备接收到火情信息后，能够立即通过显示屏及扬声器方式发出报警，提醒工作人员火情的发生，同时，系统以动态图像为主的方式在显示屏上展示实时火情信息、火情预测信息、周边地形信息和起火点视频，工作人员根据起火点视频，判断是否系统误报，如果是误报，则不需要理会，非误报情况下，工作人员制定相对应的救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员；所述现场端是指火灾现场消防人员佩戴的电子设备，该设备是带有gps模块的超短波对讲设备，其主要功能如下：1.通过设备上的显示屏实时显示自己在火灾现场的位置信息；2.实时显示其他救火成员和救火车辆的位置信息；3.能够与其他救火成员或指挥中心进行实时对讲，及时沟通信息；4.实时获取最新的救火方案，以及接收需要完成的子任务；5.将火灾现场相关数据实时传回指挥中心，以供参考。
52.通过上述技术方案，实现了对火情信息、火情预测信息和周边地形信息的可视化展示，对工作人员的火情提醒以及对救火方案进行子任务拆分与分配，协调消防员进行救火，控制火灾现场对应消防设施开始工作。
53.所述消防设施包括火情指示灯和火灾声光报警器；所述火情指示灯是指分布在森林各处的设备，该设备包含：太阳能板、蓄电池、信号接收器和led显示屏，当救火方案中需要使用到该设备时，方案中对应位置的火情指示灯接收到信号，能够自动通电亮起，显示接收到的信息，如：起火点相对于此处的位置、此处处于上风口还是下风口、未来一段时间火势是否蔓延到此处等事先约定好的标识符信息，通过指示灯功能提示起火位置和方向信息，辅助消防人员开展救火作业；所述火灾声光报警器是指分布在森林各处的设备，该设备包含：太阳能板、蓄电池、信号接收器、led发光管和蜂鸣器，当救火方案中包含该设备时，当救火方案中需要使用到该设备时，方案中对应位置的火灾声光报警器接收到信号，能够自动通电亮起，发出高分贝声音和高亮度闪光，警告无关人员火灾的发生，提醒无关人员远离火灾现场。
54.通过上述技术方案，实现了对消防设施的规划控制，火情指示灯负责辅助消防员开展作业，火灾声光报警器发出声光警报负责警告无关人员远离火灾现场。
55.一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，该管理方法包括以下步骤：s1、收集火灾现场相关数据；s2、对数据进行加工处理并响应到指挥中心；
s3、指挥中心根据火灾情况制定救火方案；s4、现场消防设施与消防人员根据救火方案执行救火措施。
56.在s1中，所述数据的收集包含以下步骤：s101、通过红外热成像摄像头实时对监控环境进行360度全方位扫描，实时辨别林区动态特征，当热成像组件感应到起火点时，能够火情画面自动居中并放大，拍摄相关画面，并结合gis（地理信息系统）对起火点实时位置信息（经纬度、海拔）进行数据收集，数据包括：起火点位置信息，时间信息、起火点视频信息；s102、通过起火点实时位置信息，自动调用起火点周边的风向风速仪，对这些风向风速仪所记录的风向和风速信息进行数据收集，数据包括：风向风速仪位置信息、时间信息、风向和风速信息；s103、将起火点的实时位置信息当作圆心，未来一段时间最大过火距离为半径，圈出一块圆形范围，通过系统内部保存的最新地形图，自动提取出该圆形范围的地形信息。
57.通过上述技术方案，实现对起火点的发现，起火点信息及周边环境信息的收集，为后续数据处理模块提供数据支撑。
58.在s2中，所述数据的加工包含以下步骤：s201、通过起火点周边的地形、方向和风速等信息，采用林火蔓延模型对火势进行预测，将起火点周边地形、风向和风速等信息带入模型算法公式中进行计算，计算火势的发展方向与蔓延速度，最后转化成数字化信息。
59.由于风速越大,风方向上的林火蔓延速度也越大,且两者呈指数关系，关系公式如下：其中nw为风作用项，c为风速影响系数，d为风速；通过计算可以得到风的作用项；但在实际情况中，地形对林火蔓延速度影响也是非常大，因此在计算林火蔓延速度时通常会将地形因素结合风速来计算林火蔓延速度；在野外测量中，通常用地形坡度角来代表地形因素，地形坡度角计算公式如下：其中为地形坡度角，为斜地面每百米上升的高度，结合风速因素和地形因素，计算出林火蔓延速度，公式如下：其中，v是林火蔓延的速度，v0是林火蔓延的初始速度，ns为可燃物配置格局系数，nw为风作用项，为地形坡度角，根据各参数带入计算，可以计算出火势蔓延的速度，从而预测未来一段时间的火势变化信息。
60.s202、提取火情信息、火情预测信息和周边地形信息这三种数字化信息中的位置信息（经纬度、海拔）当做参数，将大地坐标转换成空间直角坐标后，当成参数带入到matlab应用软件中进行三维图像绘制，将数据信息转换成图像信息，形成可视化的动态三维图像；具体步骤如下：s2021、将大地坐标中的经度、纬度、海拔带入公式中，计算出空间直角坐标，计算公式如下：
首先需要计算第一偏心率：其次计算出卯酉圈曲率半径：最后得到经度、纬度、海拔对应的空间直角坐标x、y、z计算公式：z计算公式：z计算公式：其中，j为精度，w为纬度，h为海拔，a为旋转椭球长半轴，b为短半轴,根据wgs-84椭球参数取值，a=6378137m，b = 6356752.314m，s为第一偏心率，m为卯酉圈曲率半径；s2022、matlab应用软件中调用meshgrid()函数，将计算出的空间直角坐标x、y、z三组数据作为参数来定义；s2023、定义好x、y、z三组数据后，调用plot3函数，将数据输入；s2024、设置好网格信息，完成三维图像的绘制。
61.通过上述技术方案，采用林火蔓延模型对火势蔓延趋势进行科学计算，将数字化信息使用matlab动态绘制成三维图形，实现火情信息的预测与可视化功能。
62.在s3中，所述指挥中心指的是火情指挥中心，包括相关设备和工作人员，具体步骤如下：s301、火情指挥中心的相关设备接收到火情信息后，能够立即通过显示屏显示与扬声器发声的方式发出报警，提醒工作人员火情的发生；s302、工作人员接收火情信息后，火情信息、火情预测信息和周边地形信息的三维动态图像以及起火点实拍视频通过显示屏显示；s303、工作人员通过起火点实拍视频判断系统是否误报，如果为是，则不处理，如果为否，则说明存在起火现象，工作人员结合经验针对火情发展趋势制定出救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员，安排消防人员到达指定处开展作业、启动起火区域周边的消防设施。
63.通过上述技术方案，实现了对火情信息、火情预测信息和周边地形信息的可视化展示，对工作人员的火情提醒以及对救火方案进行子任务拆分与分配，协调消防员进行救火，控制火灾现场对应消防设施开始工作。
64.在s4中，所述现场消防设施包括火情指示灯和火灾声光报警器，火情指示灯通过显示不同的标识符信息辅助消防人员开展救火作业，火灾声光报警器发出高分贝声音和高亮度闪光，警告无关人员火灾的发生，提醒无关人员远离火灾现场；所述消防人员是指开展救火作业的专业人员，能够通过佩戴的电子设备实时知晓火势情况，该设备具有gps定位功能及远程对讲功能，能够通过设备上的显示屏实时显示消防人员及消防车辆在火灾现场的位置信息，同时，也能够与其他救火成员或指挥中心进行实时对讲，及时沟通信息，实时将火灾现场相关数据实时传回指挥中心。
65.通过上述技术方案，实现了对消防设施的规划控制，消防人员接到任务开展救火
作业，各种消防设施负责辅助消防员开展作业以及警告无关人员远离火灾现场。
66.实施例一：假设起火点周边风速为8m/s，风速影响系数为0.1783，斜地面每百米上升的高度为70m，林火蔓延的初始速度为0.1m/s，可燃物配置格局系数为1.2；带入公式中计算得到风作用项：地形坡度角：最后得到林火蔓延速度为4.99m/s：需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
67.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，其特征在于，该管理系统包括：数据采集模块、数据处理模块、协调与控制模块和消防设施；所述数据采集模块通过红外热成像摄像头收集起火点信息、通过gis地理信息系统收集起火点周边的地形信息以及通过风向风速仪收集起火点周边的风向和风速信息，并将这些信息传递到数据处理模块；所述数据处理模块对这些数据进行分析计算，预测出未来一段时间火情的发展趋势，并将这些数字化信息转化成可视化的动态三维图像；所述协调与控制模块负责提醒工作人员火灾的发生及火势情况的直观展示，工作人员针对火势情况制定救火方案，系统根据救火方案协调消防人员与消防设施开展救火作业；所述消防设施根据指令信息辅助消防人员开展工作，警告无关人员远离火灾现场。2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，其特征在于：所述数据采集模块包括火情信息收集单元、风向风速收集单元和地形数据收集单元；所述火情信息收集单元是指通过红外热成像摄像头采用可见光、远红外热感应双通道成像技术对监控区域全天候监控，当起火点产生时，收集起火点实时位置信息并拍摄起火点视频；所述风向风速收集单元是指收集起火点周边的风向风速仪实时采集的风向和风速信息；所述地形数据收集单元是指根据gis地理信息系统收集起火点周边的地形信息。3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，其特征在于：所述数据处理模块包括火情预测单元和火情可视化单元；所述火情预测单元是采用林火蔓延模型将起火点周边的地形和风速信息带入计算，预测火势的发展方向与蔓延速度；所述火情可视化单元采用matlab软件进行绘制，将火情信息与火情预测信息当成参数，绘制出动态三维图像。4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，其特征在于：所述协调与控制模块包括平台端和现场端；所述平台端是指安装在火情指挥中心的设备，该设备接收到火情信息后，能够立即发出报警提醒工作人员，同时，在设备显示屏上通过三维图像形式显示实时火情信息、火情预测信息及起火点视频，工作人员根据起火点视频判断是否系统误判，结果为是，则不需要处理，结果为否，则针对火势情况制定救火方案，系统根据救火方案对现场消防设施、消防人员下达指令；所述现场端是指火灾现场消防人员佩戴的电子设备，该设备是带有gps模块的超短波对讲设备，通过显示屏实时显示消防人员相对于火灾现场的位置信息，能够与其他救火成员、指挥中心进行实时对讲，将火灾现场数据实时传回指挥中心。5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统，其特征在于：所述消防设施包括火情指示灯、火灾声光报警器；所述火情指示灯能够通过指示灯功能显示火势信息，辅助消防人员开展作业；火灾声光报警器通过声音与闪光的方式进行警告，提醒无关人员远离火灾现场。6.一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，其特征在于，该管理方法包括以下步骤：s1、收集火灾现场相关数据；s2、对数据进行加工处理并响应到指挥中心；s3、指挥中心根据火灾情况制定救火方案；s4、现场消防设施与消防人员根据救火方案执行救火措施。
7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，其特征在于，在s1中，所述数据的收集包含以下步骤：s101、通过红外热成像摄像头实时收集起火点信息；s102、通过风向风速仪实时收集起火点周边的风向信息、风速信息；s103、通过gis地理信息系统收集起火点周边地形信息。8.根据权利要求6所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，其特征在于，在s2中，所述数据的加工包含以下步骤：s201、通过起火点周边的地形、方向和风速信息预测火势的发展方向与蔓延速度，并转化成数字化信息；风速与林火蔓延速度呈指数关系，关系公式如下：其中n
w
为风作用项，e为自然常数，其值约为2.718281828459045，c为风速影响系数，d为风速；地形因素对林火蔓延速度同样具备影响，用地形坡度角来代表地形因素，地形坡度角计算公式如下：其中为地形坡度角，e为自然常数，其值约为2.718281828459045，为斜地面每百米上升的高度；将风速因素和地形因素结合计算出林火蔓延速度，公式如下：其中，v是林火蔓延的速度，v0是林火蔓延的初始速度，n
s
为可燃物配置格局系数，n
w
为风作用项，为地形坡度角；s202、对火情信息、火情预测信息和周边地形信息中的大地坐标位置信息进行提取，提取出经纬度及海拔信息，将这些大地坐标转换成空间直角坐标后，当成参数带入到matlab应用软件中进行三维图像绘制，形成可视化的动态三维图像，计算公式如下：首先需要计算第一偏心率：其次计算出卯酉圈曲率半径：最后得到经度、纬度、海拔对应的空间直角坐标x、y、z计算公式：z计算公式：z计算公式：其中，j为精度，w为纬度，h为海拔，a为旋转椭球长半轴，b为短半轴,根据wgs-84椭球参数取值，a=6378137m，b = 6356752.314m，s为第一偏心率，m为卯酉圈曲率半径。9.根据权利要求6所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，其特征在于，在s3中，所述指挥中心指的是火情指挥中心，包括相关设备和工作人员，具体步骤如下：
s301、火情指挥中心的相关设备接收到火情信息后，通过显示屏显示与扬声器发声的方式提醒工作人员火灾的发生；s302、指挥中心显示屏动态显示火情信息、火情预测信息和周边地形信息的三维图像及起火点视频；s303、工作人员根据起火点视频判断是否系统误判，结果为是，则不需要处理，结果为否，则针对火情发展趋势制定救火方案，系统自动对救火方案进行任务拆分，将每个子任务的指令分别下达给现场消防设施与消防人员。10.根据权利要求6所述的一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理方法，其特征在于：在s4中，所述现场消防设施包括火情指示灯和火灾声光报警器，用来辅助消防人员开展救火作业和无关人员远离火灾现场；所述消防人员能够通过佩戴的电子设备实时获取火势情况信息，辅助开展救火作业。

技术总结
本发明公开了一种基于物联网的森林防火消防设施联动管理系统及方法，包括数据采集模块、数据处理模块、协调与控制模块和消防设施；所述数据采集模块通过远程摄像头收集起火点信息、通过GIS地理信息系统和风向风速仪收集起火点周边地形、风向和风速信息，并将这些信息传递到数据处理模块；所述数据处理模块对传递过来的数据进行分析计算，预测火势的未来发展趋势，并将这些数字化信息转化成动态三维图像；所述协调与控制模块负责提醒工作人员火灾的发生及火势情况的直观展示，工作人员针对火势情况制定救火方案，系统根据救火方案协调消防人员与消防设施开展救火作业；所述消防设施根据指令信息辅助消防人员开展工作，警告无关人员远离火灾现场。人员远离火灾现场。人员远离火灾现场。


技术研发人员：陈文静 高德民 业巧林
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/5/31