CN109961601B

CN109961601B - 一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***

Info

Publication number: CN109961601B
Application number: CN201910144235.0A
Authority: CN
Inventors: 曹力; 李琳; 王宇昆; 徐源廷; 刘晓平
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: CN109961601A

Abstract

本发明公开了一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，包括：数据采集组件，能够进行空间定位及获取周围环境参数的装置,该装置收集周围环境参数并通过无线发射模块定时将采集数据及位置信息向外发送；数据通信组件，接收来自数据采集组件发送的数据，对数据进行过滤并转发给数据处理平台；数据处理平台，接收来自数据通信组件发送的数据，对数据进行处理，得到能反映火灾情况的态势信息；数据分析与展示平台，用于实时展示处理后的火灾态势数据并能够根据火灾态势进行灾情分析及评估。本发明能实时地感知火灾的发展态势，并在数据分析与展示平台展示灾情，评估灾害等级。

Description

一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***

技术领域

本发明涉及火灾空间定位***领域，具体是一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***。

背景技术

火灾，作为一种灾害，是指火源失去控制蔓延发展而给人民生命财产造成损失的一种灾害性燃烧现象。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火灾能烧掉人类经过辛勤劳动创造的物质财富，使工厂、仓库、城镇、乡村和大量的生产、生活资料化为灰烬，一定程度上影响着社会经济的发展和人们的正常生活。火灾还污染了大气，破坏了生态环境。火灾不仅使一些人陷于困境，它还涂炭生灵，夺去许多人的生命和健康，造成难以消除的身心痛苦。据世界火灾统计中心及欧洲共同体研究测算，如火灾直接损失占国民经济生产总值的2‰，整个火灾的损失将占国民经济生产总值的10‰以上。现代社会空前发展，积累了巨大的社会财富。在城市地区，社会人口相对集中，建筑设施鳞次栉比，一旦发生火灾，会严重危害人们的生命财产安全，造成惨重的损失。而在森林地区，往往各处遍布着易燃植被，且由于范围大，地理环境复杂，人烟稀少，一旦发生火灾并形成规模，往往很难在短时间内控制火情。同时，森林是人类的宝贵资源，也是农业生产和人民生活的保障。森林火灾的发生，将导致森林资源和生态环境被破坏，往往难以扑救，造成巨大的损失。

对于大尺度火灾态势实时的监控与分析一直是火灾救援领域的难题，对火灾态势的实时监测分析的目的是为救援专家制定救援方案提供客观的参考依据。因此，监测的实时性计算所得数据的精确性是重中之重。目前有一些针对火灾监测和预警的专利方案，具体分析内容如下：

专利1：一种基于无线传感器网络的森林火灾预警***，发明，申请号：201810497270.6；根据专利1所述森林火灾报警***，针对的应用场景限制在森林火灾，且该方案通过无线传感器获得所在区域的环境参数再利用经验公式得出发生火灾的概率，最终结果往往被不确定因素影响无法保证准确性；

专利2：一种基于无人机图像识别的森林火灾巡逻报警***及方法，发明，申请号：201810548096.3；根据专利2所述森林火灾巡逻报警***及方法，该方案由无人机在森林区域上空拍摄获得视频录像，对森林监测区域的火焰进行图像特征识别。由于无人机飞行会受到天气等因素的影响，且当火势较大，烟雾浓密时，往往难以对图像特征做到精确的识别；

专利3：小卫星结合红外传感器网络的森林火灾早期预警方法，发明，申请号：201810524664.6；根据专利3所述森林火灾预警方法，通过布置在森林内的红外传感器分析红外异常数据对潜在风险区域划分不同等级作出相应预警。但该方案仅能向后端提供红外数据，信息源单一，无法全面客观的对火灾态势进行分析，且该方案所述利用小卫星通信的方式成本较高，不适用于大规模的应用场景中。

综上三点，没有发现针对大尺度火灾态势实施监控分析的相关专利。大部分专利的技术领域往往是对森林火灾的前期预警和监测。相对于本发明而言，这些专利的应用场景仅限制在森林火灾中，并且没有给出对火灾发生后态势的实时监控分析的方案。

对于发生在城市地区，工业园区或森林等区域的大尺度火灾，均存在范围大、扩散迅速、且短时间内很难控制火情等特点。因此，在火灾发生后，对火灾做实时的监测和分析，可以为领域专家制定应急方案提供更多的依据，以减少国家和人民的生命财产损失。根据以上分析，本发明给出一种空间定位的大尺度火灾态势分析方法及***，期望给出解决上述问题的一套较为完整的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，以实现对火灾的实时监测和分析。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：包括数据采集组件、数据通信组件、数据处理平台、数据分析与展示平台，数据采集组件有多个，分别投放于可能受火灾影响区域中划分的各个子区域内，各个数据采集组件分别与数据通信组件无线通讯连接，数据通信组件与数据处理平台无线通讯连接，数据处理平台与数据分析与展示平台无线通讯连接，其中：

数据采集组件采集所在子区域的地理位置信息数据以及周围的环境参数数据，并通过无线方式将地理位置信息数据和环境参数数据发送至数据通信组件；

数据通信组件接收各个数据采集组件发送的地理位置信息数据和环境参数数据，并将接收的地理位置信息数据和环境参数数据进行处理后，再发送至数据处理平台；

数据处理平台对接收的地理位置信息数据和环境参数数据进行检测并纠正整合后，再发送至数据分析与展示平台；

数据分析与展示平台结合地理位置信息数据融合环境参数数据以分析灾情，并以数据可视化的方式展示分析结果。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：根据火灾发生情况，将可能受火灾影响区域M根据具体地理环境划分成n个子区域，M＝{M₁，M₂，M₃，......，M_n}，其中M₁—M_n表示各个子区域，每个子区域分别投放一定数量的数据采集组件，子区域内数据采集组件的投放密度由地理环境决定，每个子区域内各个数据采集组件之间、不同子区域的数据采集组件之间不存在通信且互为独立的个体。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的数据采集组件包括集成为一体的***控制单元、空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元，其中空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元分别电连接***控制单元；

所述空间定位单元获取投放的子区域的经纬度坐标并送入***控制单元；

环境参数获取单元由多种传感器构成，环境参数获取单元获取投放的子区域的温度、湿度、风速、气压的参数以及二氧化碳、甲烷、一氧化碳的浓度参数，环境参数获取单元获取的各种环境参数分别送入***控制单元；

***控制单元供电至空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元，***控制单元还向空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元提供时钟信号，并且***控制单元通过数据发送单元将经纬度坐标和各种参数以无线数据形式发送至数据通信组件。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的数据通信组件包括多个数据中继装置，以及网关、接收工作终端；以相近的多个子区域为一个片区，每个片区附近分别设置一个数据中继装置，接收工作终端设置在可能受火灾影响区域***的安全位置，各个数据中继装置分别通过网关并使用IP协议与接收工作终端通讯连接；

由数据中继装置与对应片区中各个子区域的数据采集组件中的数据发送单元无线通讯连接，以接收对应片区中各个子区域的数据采集组件发送的地理位置信息数据和环境参数数据，各个数据中继装置接收的地理位置信息数据和环境参数数据送入接收工作终端进行处理，最终由接收工作终端将地理位置信息数据和环境参数数据以无线数据形式发送至数据处理平台。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的接收工作终端中对数据的处理过程如下：

若子区域M_i内数据采集组件获取的经纬度坐标为(x，y)、环境参数的集合为γ_i＝{θ₁(M_i)，θ₂(M_i)，...，θ_k(M_i)}(1≤i≤n，k＞0)，则定义γ_i的索引号为ID_i，接收工作终端向数据处理平台发送的数据格式是{ID_i，γ_i，(x，y)}。其中，θ_k(M_i)表示子区域M_i的第k个环境参数的值。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的数据处理平台是一个自底向上的四层网络结构，包括物理层、链路层、数据差、应用层，其中：

物理层为实现数据通信组件和数据处理平台之间无线通讯所必需的无线通讯设备，物理层建立、维护、断开数据通信组件和数据处理平台的物理通讯；

链路层将由数据通信组件传输来的数据打包成帧数据并进行差错检测；

数据层处理由数据通信组件传输来的数据，对获取的地理位置信息数据和环境参数数据进行过滤；

应用层提供数据处理平台、数据分析与展示平台之间无线通讯所需的接口。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的数据采集组件与数据通信组件之间为单工通信，数据通信组件与数据处理平台之间为双工通信。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的数据分析与展示平台包括火情参数计算单元、火灾态势评估单元、火灾态势展示单元，其中：

火情参数计算单元根据所得到的数据计算过火面积、火线推移速度；

火灾态势评估单元根据火情参数计算单元计算得到的过火面积、火线推移速度，评估当前火灾发展的等级，并推测未来一段时间内火灾态势的变化情况；

火灾态势展示单元将当前的火线所处位置可视化展示，并根据接收的数据实时更新火线位置。

所述的一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：所述的数据分析与展示平台中，火情参数计算单元首先判断在一个连续的时间段(t₀，t₁，t₂，......，t_v)内，当t₀时刻数据通信组件接收到的数据为(ID_p，γ_p，(x，y)),μ＞0,且在之后的连续时刻t₁、t₂直到t_v，数据通信组件一直没有接收到索引号为ID_p对应的数据采集组件所发送的数据，即认为该数据通信组件所对应的子区域M_p处有火线经过，然后火情参数计算单元再根据所得到的数据计算过火面积、火线推移速度；

当索引号为ID_p对应的数据采集组件在前述连续时间段内数据传输中断，但该数据采集组件周围装置的数据通信仍处于正常状态，则认为索引号为ID_p对应的数据采集组件自身损坏，火线并没有经过该数据采集组件所在区域。

本发明根据火灾类型、地理环境等因素不同，可灵活采取不同的策略对目标区域划分，以最大程度做到实时监测分析效果与经济人力成本的折衷；

本发明根据成本、地理环境、安全级别等不同的限制条件，可选择GPS定位、北斗定位、伽利略定位等不同的定位模块，获得每个定位装置的经纬坐标；

本发明根据传输距离、经济成本、地理环境不同，本发明所述***中的不同通信过程可灵活选择基于不同无线通信协议的通信模块。具体的，所述无线通信模块包括：LoRa无线通信模块、3G/4G网络、TCP通信模块等。

综上所述，本发明提供的一种基于基于空间定位的大尺度火灾态势分析***的有益效果体现在：通过布置在灾害区域的自定位装置，可以在火情出现之初便迅速获得火情的相关参数以及目标区域各种环境参数。由于大尺度火灾往往扩展迅速，且一旦形成规模，短时间内很难控制，传统的火灾态势分析***很难兼顾监测的实时性和精确度。与之相比，本发明提供的***采用空间定位的方法，根据采集到的数据实时计算得到火线位置，能实现大范围，低成本的火灾态势分析和监控。同时，大尺度火灾仿真分析的重要指标包括不同时刻火线的位置及推移方向。本***提供的空间定位装置可以实时准确的定位火线位置，并在数据分析与展示平台可视化展示火线推移的过程及未来一段时间火灾的发展态势，能做到观测数据的实时性与精确度的兼顾，这将更有利于领域专家根据灾害的具体情况制定合理的应急方案。

附图说明

图1为本发明***的结构图。

图2为投放的空间定位装置示意图。

图3为本发明所述***的一种实施过程的示意图。

图4为数据分析与展示平台结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

如图1所示，一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，包括数据采集组件、数据通信组件、数据处理平台、数据分析与展示平台，数据采集组件有多个，分别投放于可能受火灾影响区域中划分的各个子区域内，各个数据采集组件分别与数据通信组件无线通讯连接，数据通信组件与数据处理平台无线通讯连接，数据处理平台与数据分析与展示平台无线通讯连接，其中：

本发明中，数据采集组件用于向数据处理平台发送位置信息以及周围各种环境参数；数据通信组件用于完成数据采集组件与数据处理平台之间的数据通信；数据处理平台用于对获取的数据进行检测与纠正并整合信息发送给数据分析与展示平台；数据分析与展示平台结合地理信息***融合观测数据并分析灾情，形成灾变区域的态势图。以数据可视化的方式展示处理后的数据，并对数据进一步分析，评估灾情等级。

本发明通过布置在火灾区域内的自定位装置收集周围环境参数，能实时地感知火灾的发展态势，并可视化展示灾情，评估灾害等级，为领域专家制定合理的应急方案提供精确客观的依据。

本发明中，根据火灾发生情况，将可能受火灾影响区域M根据具体地理环境划分成n个子区域，M＝{M₁，M₂，M₃，......，M_n}，其中M₁—M_n表示各个子区域，每个子区域分别投放一定数量的数据采集组件，子区域内数据采集组件的投放密度由地理环境决定，每个子区域内各个数据采集组件之间、不同子区域的数据采集组件之间不存在通信且互为独立的个体。

本发明中，数据采集组件包括集成为一体的***控制单元、空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元，其中空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元分别电连接***控制单元；

如图2所示，本发明所投放的数据采集组件包括以下三部分：

(1)伞舱1：考虑到装置是由高空投放，因此每个装置装有一个降落伞2使装置可以平缓下落；

(2)功能模块3：由空间定位单元，环境参数获取单元，数据发送单元组成装置的基本功能模块；

(3)***控制单元5：由电源、时钟、天线等组成。考虑到装置的可回收性，***控制模块作为装置的组成部分设计为可拆卸式的，在需要使用时，按照图2所示进行组装。当一次监测工作结束后，也可回收未被损坏的装置。

对于该装置的功能模块，本发明中将其设计为内外两层，外层为保护外壳，内层装有构成前述功能模块各个单元的相关部件，保证各单元相互不会构成干扰。考虑到该装置是由空中投放至目标区域，故在两层之间装有若干保护弹簧4，起到缓冲的作用，防止设备损坏。

本发明中，数据通信组件包括多个数据中继装置，以及网关、接收工作终端；以相近的多个子区域为一个片区，每个片区附近分别设置一个数据中继装置，接收工作终端设置在可能受火灾影响区域***的安全位置，各个数据中继装置分别通过网关并使用IP协议与接收工作终端通讯连接；

本发明中，接收工作终端中对数据的处理过程如下：

若子区域M_i内数据采集组件获取的经纬度坐标为(x，y)、环境参数的集合为γ_i＝{θ₁(M_i)，θ₂(M_i)，...，θ_k(M_i)}(1≤i≤n，k＞0)，则定义γ_i的索引号为ID_i，接收工作终端向数据处理平台发送的数据格式是{ID_i，γ_i，(x，y)}。其中，θ_x(M_i)表示子区域M_i的第k个环境参数的值。

本发明中，的数据处理平台是一个自底向上的四层网络结构，包括物理层、链路层、数据差、应用层，其中：

物理层为实现数据通信组件和数据处理平台之间无线通讯所必需的无线通讯设备，如所必需的天线、调制解调设备、信号增强设备等；物理层建立、维护、断开数据通信组件和数据处理平台的物理通讯；

本发明中，数据采集组件与数据通信组件之间为单工通信，数据通信组件与数据处理平台之间为双工通信。

本发明中，数据分析与展示平台包括火情参数计算单元、火灾态势评估单元、火灾态势展示单元，其中：

本发明中，数据分析与展示平台中，火情参数计算单元首先判断在一个连续的时间段(t₀，t₁，t₂，......，t_v)内，当t₀时刻数据通信组件接收到的数据为(ID_p，γ_p，(x，y)),μ＞0,且在之后的连续时刻t₁、t₂直到t_v，数据通信组件一直没有接收到索引号为ID_p对应的数据采集组件所发送的数据，即认为该数据通信组件所对应的子区域M_p处有火线经过，然后火情参数计算单元再根据所得到的数据计算过火面积、火线推移速度。

如图3所示，在一种实施方式中，当某地出现火情且迅速蔓延并可能在之后一段时间内引发大尺度火灾的情况下，将目标区域M分成若干个子区域，子区域编号为{M₁，M₂，M₃，......，M_n}，对于编号为M_r(1≤r≤n)的子区域，投放相应索引号为ID_r的带有空间定位单元的装置用于采集该区域的环境参数。同时，在前述定位装置所处的相应区域{M₁，M₂，M₃，...，M_s}，{M_s+1，N_s+2，...，M_s+p},……{M_q，M_q+1，M_q+2，...，M_n}内安全位置设置若干个数据中转装置，在区域M***安全位置设置接收工作终端。

当各个装置被投放到目标区域后，将每隔一段相同的时间间隔Δ1向自身对应的前述数据中继装置发送数据，数据格式为{ID_i，γ_i，(x，y)}，意义为索引号是ID_i的装置投放的位置为(x，y)，收集的该区域环境参数集合为γ_i。数据中继装置对应的若干个数据采集组件组成LoRa网关的数据节点，且每个相同时间段向数据中继装置发送数据。数据中继装置通过IP协议将数据信号发送至区域***的接收工作终端，之后接收工作终端将数据发送至数据处理平台。

如附图4所示，数据分析与展示平台包括火情参数计算单元，火灾态势评估单元以及火灾态势展示单元。所述火情参数计算单元根据各子区域传回的火情参数及火线位置参数计算当前时刻的火线推移速度，过火面积等火情参数。所述火灾态势评估单元根据前述计算所得数据给出当前各子区域的灾害等级，根据火线推移速度及方向预估未来一段时间火线的推移情况。火灾态势展示单元将传回的火线上各点坐标连接，在二维地图上展现目标区域火情的全貌。具体的，前述数据分析与展示过程均是实时进行的。

Claims

1.一种基于空间定位的大尺度火灾态势分析***，其特征在于：包括数据采集组件、数据通信组件、数据处理平台、数据分析与展示平台，数据采集组件有多个，分别投放于可能受火灾影响区域中划分的各个子区域内，各个数据采集组件分别与数据通信组件无线通讯连接，数据通信组件与数据处理平台无线通讯连接，数据处理平台与数据分析与展示平台无线通讯连接，其中：数据采集组件采集所在子区域的地理位置信息数据以及周围的环境参数数据，并通过无线方式将地理位置信息数据和环境参数数据发送至数据通信组件；数据通信组件接收各个数据采集组件发送的地理位置信息数据和环境参数数据，并将接收的地理位置信息数据和环境参数数据进行处理后，再发送至数据处理平台；数据处理平台对接收的地理位置信息数据和环境参数数据进行检测并纠正整合后，再发送至数据分析与展示平台；数据分析与展示平台结合地理位置信息数据融合环境参数数据以分析灾情，并以数据可视化的方式展示分析结果；

根据火灾发生情况，将可能受火灾影响区域M根据具体地理环境划分成n个子区域，M＝{M1， M2，M3，......，MN}，其中M1—Mn表示各个子区域，每个子区域分别投放一定数量的数据采集组件，子区域内数据采集组件的投放密度由地理环境决定，每个子区域内各个数据采集组件之间、不同子区域的数据采集组件之间不存在通信且互为独立的个体；

所述的数据采集组件包括集成为一体的***控制单元、空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元，其中空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元分别电连接***控制单元；所述空间定位单元获取投放的子区域的经纬度坐标并送入***控制单元；环境参数获取单元由多种传感器构成，环境参数获取单元获取投放的子区域的温度、湿度、风速、气压的参数以及二氧化碳、甲烷、一氧化碳的浓度参数，环境参数获取单元获取的各种环境参数分别送入***控制单元；***控制单元供电至空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元，***控制单元还向空间定位单元、环境参数获取单元、数据发送单元提供时钟信号，并且***控制单元通过数据发送单元将经纬度坐标和各种参数以无线数据形式发送至数据通信组件；

所述的数据通信组件包括多个数据中继装置，以及网关、接收工作终端；以相近的多个子区域为一个片区，每个片区附近分别设置一个数据中继装置，接收工作终端设置在可能受火灾影响区域***的安全位置，各个数据中继装置分别通过网关并使用IP协议与接收工作终端通讯连接；由数据中继装置与对应片区中各个子区域的数据采集组件中的数据发送单元无线通讯连接，以接收对应片区中各个子区域的数据采集组件发送的地理位置信息数据和环境参数数据，各个数据中继装置接收的地理位置信息数据和环境参数数据送入接收工作终端进行处理，最终由接收工作终端将地理位置信息数据和环境参数数据以无线数据形式发送至数据处理平台；

所述的接收工作终端中对数据的处理过程如下：若子区域Mi内数据采集组件获取的经纬度坐标为(x,y)、环境参数的集合为γi＝{θ1 (Mi),θ2(Mi),...,θk(Mi)}(1≤i≤n,k>0)，则定义γi的索引号为IDi，接收工作终端向数据处理平台发送的数据格式是{IDi,γi,(x,y)}，其中，θk(Mi)表示子区域Mi的第k个环境参数的值；

所述的数据处理平台是一个自底向上的四层网络结构，包括物理层、链路层、数据差、应用层，其中：物理层为实现数据通信组件和数据处理平台之间无线通讯所必需的无线通讯设备，物理层建立、维护、断开数据通信组件和数据处理平台的物理通讯；链路层将由数据通信组件传输来的数据打包成帧数据并进行差错检测；数据层处理由数据通信组件传输来的数据，对获取的地理位置信息数据和环境参数数据进行过滤；应用层提供数据处理平台、数据分析与展示平台之间无线通讯所需的接口；

所述的数据采集组件与数据通信组件之间为单工通信，数据通信组件与数据处理平台之间为双工通信；

所述的数据分析与展示平台包括火情参数计算单元、火灾态势评估单元、火灾态势展示单元，其中：火情参数计算单元根据所得到的数据计算过火面积、火线推移速度；火灾态势评估单元根据火情参数计算单元计算得到的过火面积、火线推移速度，评估当前火灾发展的等级，并推测未来一段时间内火灾态势的变化情况；火灾态势展示单元将当前的火线所处位置可视化展示，并根据接收的数据实时更新火线位置；

所述的数据分析与展示平台中，火情参数计算单元首先判断在一个连续的时间段(t0，t1， t2，......，tv)内，当t0时刻数据通信组件接收到的数据为(IDp，γp，(x，y)),p＞0,且在之后的连续时刻t1、t2直到tv，数据通信组件一直没有接收到索引号为IDp对应的数据采集组件所发送的数据，即认为该数据通信组件所对应的子区域Mp处有火线经过，然后火情参数计算单元再根据所得到的数据计算过火面积、火线推移速度；当索引号为IDp对应的数据采集组件在前述连续时间段内数据传输中断，但该数据采集组件周围装置的数据通信仍处于正常状态，则认为索引号为IDp对应的数据采集组件自身损坏，火线并没有经过该数据采集组件所在区域。