Инфраструктура сетевой системы мониторинга для

обнаружения лесных пожаров

В.С. Харченко1, А.А. Орехов1, Д.А. Кочкарь2, В.В. Богомолов3

1

Национальный аэрокосмический университет, Украина.

2

НПП «Лесинформ», Украина.

3

УНИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации, Украина.

Реферат

Разработана информационная технология проектирования и реижениринга инфраструктуры систем

наземного мониторинга для прогнозирования и раннего обнаружения лесных пожаров на основе беспроводных сетевых технологий видеонаблюдения и сенсорных сетей. Метод решения таких задач основан на покрытии моделей заданных двух- и трехмерной многоцветной геометрической фигурой с учетом точек видео наблюдения, датчиков и сетевой инфраструктуры в целом. Предлагаются эвристические методы пространственного покрытия многоцветных плоских фигур для различных конфигураций.

Разработаны инструментальные средства проектирования и реинжениринга наземных систем мониторинга, а также поддержки принятия решений при обнаружении очагов возгорания и обеспечения пожаротушения.

Keywords: мониторинг, лесной пожар, покрытие, проектирование.

1 Введение Ежегодно на Земле возникает до 400 тысяч лесных пожаров, повреждающих около 0,5% общей площади лесов и выбрасывающих в атмосферу миллионы тонн продуктов сгорания. Некоторые из них перерастают в катастрофические [1,2]. В последнее десятилетие в связи с резким ухудшением экологической обстановки проблема лесных пожаров приобрела особую остроту.

Мониторинг лесных пожаров - это система наблюдений и контроля за пожарной опасностью в лесу по условиям погоды, состоянием лесных горючих материалов, источниками огня и лесными пожарами с целью своевременной разработки и проведения мероприятий по предупреждению лесных пожаров и снижению ущерба от них.

На основе анализа данных мониторинга может осуществляться прогнозирование лесных пожаров – определение вероятности возникновения лесных пожаров во времени и пространстве. Исходными данными для прогнозирования возникновения лесного пожара служат:

– класс пожарной опасности в лесу по условиям погоды;

– местоположение и площадь лесных участков;

– данные о рельефе местности;

– наличие потенциальных источников пожара.

Современные системы предотвращения и защиты от лесных пожаров должны обеспечивать мониторинг в реальном времени для принятия своевременных и оптимальных решений. Одно из возможных решений – наземные системы мониторинга (НСМ). Перспективным решением для НСМ является сетевая инфраструктура, объединяющая беспроводную сетевую систему видео мониторинга (БСВМ) и беспроводную сенсорную сеть (БСС). Архитектура такой системы показана на рисунке 1.

Рисунок 1: Инфраструктура системы наземного мониторинга лесных пожаров В целях обеспечения своевременного обнаружения лесных пожаров НСМ используют наблюдательные вышки. Строительство и размещение вышек ведется с учетом рельефа местности и с таким расчетом, чтобы их инфраструктура позволяла обеспечить максимальный обзор охраняемой территории, своевременно обнаруживать возникающие пожары и определять места возгорания с 2-3вышек. В настоящее время широкое развитие получили технологии БСВМ [3,4]. В лесах устанавливаются видеокамеры, от которых информация по радиоканалу передается на единый диспетчерский пункт (с возможностью дистанционного управления видеокамерами). После определения координат источника возгорания, вся видеоинформация сохраняется на сервере с целью дальнейшего анализа и принятия решения о проведении противопожарных мероприятий.

Последние достижения в области беспроводных сенсорных сетей свидетельствуют о том, что они являются перспективной технологией для создания НСМ [5-8]. Современные датчики могут обнаружить и контролировать разнообразные статические и динамические параметры, включая температуру, относительную влажность воздуха, дым, направление и скорость ветра. Сенсорные системы могут быть полезными не только для обнаружения пожара, но и для принятия решения по его ликвидации. Если узлы сенсорной сети интегрировать с GPS, то можно не только оперативно узнать о начале пожара, но и с высокой точностью определить, где находится очаг возгорания. Существующие протоколы сделали узлы с датчиками способными организовать сеть самостоятельно без настройки. В работе [9] рассмотрены вопросы проектирования БСС для обнаружения и проверки пожара, которая объединяет датчики с IPкамерами. Когда сенсор обнаруживает пожар, он посылает сигнал тревоги через беспроводную сеть в сервер. Программное приложение сервера выбирает ближайшие к сенсору беспроводные камеры и поворачивает их на сенсор, который поднял тревогу. Видеокамера передает изображение в реальном времени и позволяет подтвердить пожарным о существовании пожара и избежать ложных тревог. БСС может быть подключена к сети Интернет через шлюз.

Актуальной проблемой создания наземных систем мониторинга является выбор такой инфраструктуры, которая основана на различных технологиях и объединяет варианты БСВМ и БСС. Критериями для выбора инфраструктуры НСМ могут быть полнота контроля, оперативность, надежность и экономическая эффективность.

Существующие геоинформационные системы (ГИС) могут использоваться лишь для решения некоторых вспомогательных задач проектирования НСМ (например, оцифровка карт, создание тематических слоев). Однако для поддержки процесса проектирования современных сетевых инфраструктур НСМ требуется разработка специализированных систем автоматизации проектирования (САПР НСМ) и поддержки принятия решений (СППР НСМ).

Целью данной работы является разработка рентабельной информационной технологии для поддержки проектирования и реинжиниринга НСМ с учетом существующей инфраструктуры оборудования, особенностей лесных областей, естественных ограничений и т.д.

2 Постановка задачи Задачи проектирование и реинжиниринга НСВМ для обнаружения лесных пожаров были сформулированы в [4]. Эти задачи сводятся к выбору и/или размещению пожарных вышек, а также выбору необходимого оборудования (видеокамер, датчиков, средств передачи данных и т.д.), чтобы обеспечить требуемую полноту контроля и минимальную стоимость системы мониторинга. При этом необходимо учитывать наличие зон повышенной пожарной опасности и зон ограниченного контроля.

Задача оптимального размещения вышек и оборудования может быть сформулирована как задача покрытия. Покрытие кругами одного радиуса было впервые рассмотрено в [10], где доказана оптимальность размещения центров в вершинах равностороннего треугольника. В наше время оно нашло применение в сенсорных сетях [11]. Возможны комбинации кругов нескольких радиусов. Один из подходов к решению данной задачи, как задачи раскроя и упаковки, приведен в [12].

3 Модели и методы Математические модели для решения задач покрытия представляют собой двух- и трехмерные многоцветные геометрические фигуры известной конфигурации. Все объекты анализа представляются в виде плоских фигур – полигонов. На рисунке 2 изображена модель лесного объекта с учетом пожарной опасности отдельных полигонов.

Рисунок 2: Модель пожарной опасности полигонов лесного объекта Модель, учитывающая рельеф и зоны видимости, приведена на рисунке 3.

Рисунок 3: Модель лесного объекта с учетом рельефа и зон видимости с пожарной вышки Для решения задач покрытия применяются точные и эвристические методы. Ввиду сложности точных методов широкое распространение получили эвристические методы.

Процедура покрытия состоит из следующих этапов:

1. Вся анализируемая область S разбивается на квадраты со стороной соответствующей, вписанному в круг с радиусом R.

2. Выбирается ряд, центры масс (Ц) квадратов в котором принадлежат S.

3. Все остальные ряды через один смещаются относительно первоначального положения на стороны квадрата.

4. Для каждого ряда проверяется принадлежность Ц крайних квадратов S. При необходимости Ц перемещаются в область S. Иначе находится Ц многоугольника пересечения и там устанавливается 5. Если все крайние квадраты проверены, то переходим к шагу 6, иначе переходим на шаг 4.

6. На данном этапе мы имеем область S покрытую кругами. На этом шаге проверяется принадлежность Ц запретным зонам (CZ). Если весь квадрат принадлежит CZ, то удалить данный квадрат. Иначе сместить его Ц в разрешенную область в сторону ближайшей границы.

7. На данном этапе ликвидировано покрытие всех СZ. Производится проверка на смещение центров квадратов в приоритетные зоны в случае если расстояние от Ц до приоритетной зоны < eps.

8. Заключительный этап. Если проверены все Ц, то конец алгоритма. Иначе переход на 6 шаг.

Результат применения метода покрытия к модели, заданной двухмерной многоцветной геометрической фигурой, показан на рисунке 4.

Рисунок 4: Покрытие области кругами малого радиуса с учетом запретных участков 4 Инструментальные средства Рассмотренные модели и методы использовались для разработки инструментальных средств для проектирования и поддержки принятия решений. На рисунке 5 приведена архитектура САПР НСМ.

Рисунок 5: Архитектура системы автоматизации проектирования НСМ САПР НСМ реализована на языке C# в среде Microsoft Visual Studio 2010. Для разработки интерфейса системы была применена технология Silverlight, которая позволяет запускать приложения, содержащие анимацию, векторную графику и аудио-видео информацию. База данных реализована на Microsoft SQL Server 2008.

Для работы с картографическим материалом (создание и оцифровка) был использован интерфейс программирования приложений ArcGIS API для Microsoft Silverlight/WPF. Данный программный продукт позволяет создавать приложения, которые используют возможности картографии, геокодирования и геопроцессинга, предоставляемые ArcGISServer и Bing сервисами.

Проектирование НСМ выполняется в два этапа: создание картографической основы и проектирование.

Создание картографической основы заключается в загрузке растрового изображения и его последующей оцифровке. В процессе оцифровки вносятся границы анализируемых объектов и задаются следующие характеристики:

- границы контролируемой территории;

- множество запретных участков;

- свойства объекта, вносимого при оцифровке;

- характеристики лесного массива;

- требования к проектируемой системе мониторинга.

На этапе проектирования САПР НСМ предоставляет следующие функциональные возможности:

- автоматическое покрытие области по заданным параметрам без учета существующих вышек.

- автоматическое покрытие области по заданным параметрам с учетом существующих вышек.

- размещение оборудования (вышек, видеосистем, датчиков);

- расчет параметров спроектированной системы мониторинга;

- расчет стоимости системы мониторинга.

На рисунке 6 приведен интерфейс САПР НСМ, на котором показаны зоны покрытия для выбранной инфраструктуры (вышки и видеооборудование) спроектированной системы мониторинга.

Рисунок 6: Инфраструктура системы мониторинга Задача размещения вышек наблюдения и определение зон видимости с учетом рельефа реализована в специализированном модуле Azimut-Pro. Модуль имеет следующие функции для размещения вышек наблюдения:

- возможность добавлять и удалять вышки, а также вносить и корректировать их характеристики (номер, название, высота над землей, абсолютная высота основания вышки, направление нулевого отсчета);

- рассчитывать территории прямой видимости вышки;

- включать и отключать космические снимки;

- учитывать направление нулевого отсчета вышки при выводе линии наблюдения;

- переходить со списка лесничеств и кварталов к их отображению в картографическом окне.

Рассмотрим работу программы в режиме добавления новой вышки (рисунок 7). Для этого необходимо выполнить следующие действия:

- включить снимки (например, если вышка четко видна на снимке) путем выбора из контекстного меню графического окна;

- выбрать на панели инструментов кнопку (в режиме добавления вышки курсор приобретет - подвести курсор к вышке;

- кликнуть левой кнопкой мыши;

- появляется окно ввода параметров вышки (рисунок 8);

- ввести параметры вышки;

- скорректировать координаты (например, если есть данные GPS-съемки в виде долготы и широты на эллипсоиде WGS-84).

Рисунок 7: Работа модуля Azimut-Pro в режиме добавления новой вышки Кнопка “Стиль” позволяет менять значок, его цвет и размер на карте для каждой вышки. Кнопка “Удалить” предназначена для полного удаления записи по вышке. При нажатии кнопки “Установить” происходит проверка правильности ввода параметров вышки.

Рисунок 8: Окно для ввода параметров вышки Результат расчета территории видимости вышки показан на рисунке 9.

Рисунок 9: Расчет территории видимости вышки с учетом рельефа Функции системы поддержки принятия решений СППР НСМ реализованы в специализированном модуле Azimut-Pro, который предназначен также для локализации мест возгорания (лесной квартал, координаты) при наблюдении с противопожарных вышек. В программе имеются функции, позволяющие выполнять размещение вышек видеонаблюдения с учетом рельефа местности.

Программа Azimut-Pro предназначена для использования работниками службы охраны леса лесохозяйственного предприятия. Время тушения пожара складывается из времени обнаружения точного места возгорания и времени мобилизации персонала и средств пожаротушения.

Место возгорания определяется по азимутальным замерам, выполненным с помощью видеокамеры или компаса (буссоли), установленной на пожарной вышке.

Маршруты подвоза воды на пожарных машинах можно определять с помощью картографических слоев.

В комплект Azimut-Pro входят следующие картографические слои:

- полигоны кварталов;

- полигоны выделов;

- населенные пункты;

- гидрография (реки и водоемы);

- дорожная сеть;

- ортофотопланы или космические снимки.

На рисунке 10 показано главное окно программы Azimut-Pro.

Рисунок 10: Интерфейс программы Azimut-Pro Интерфейс программы имеет три панели. На левой панели выводится список вышек, по центру – картографическая информации, на правой панели – навигатор по лесничествам и кварталам лесохозяйственного предприятия.

Определение места возгорания производится по замерам азимутов из двух вышек. При визуальном наблюдении азимут измеряется с помощью буссоли. В этом случае мы имеем дело с магнитным азимутом, и для правильного ориентирования направления нужно учитывать магнитное склонение для данной местности. При использовании системы видеонаблюдения нулевой отсчет камеры ориентируется на север по истинному меридиану, поэтому отсчет азимута берется без поправок. Для локализации места возгорания необходимо выполнить следующие шаги.

- на левой панели выбирается вышка (выбранная вышка выделяется на карте красным квадратом);

- в появившееся текстовое поле вводим целочисленное значение азимута с данной вышки на место - после ввода значения азимута появится соответствующий отрезок длиной 25 км.

- после ввода второго азимута появится еще один отрезок, начинающийся от другой вышки и сиреневая точка пересечения, указывающая на место возгорания.

Дополнительно создается сообщение, информирующее в каком лесничестве, квартале и выделе произошло возгорание (рисунок 11). В случае возникновения пожара за пределами леса или в другом лесхозе выводятся только координаты.

Рисунок 11: Информационное сообщение о месте возгорания Список литературы [1] Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. Лесные пожары на территории России: Состояние и проблемы / Под ред. Воробьева Ю.Л. – М.: ДЭКС-ПРЕСС. – 2004. –312 с.

[2] European Commission 2010. Forest Fires in Europe 2009. – Luxembourg: Publications Office of the European Union. – 2010. – 83 p.

[3] Automatic Early Warning System for Forest Fires // FireWatch – [Электронный ресурс]– Режим просмотра:

http://www.fire-watch.de/cms.

[4] Kharchenko V., Orekhov A.,Medintsev S., Kotchkar D., Bogomolov V.Ground video-monitoring systems for early detection of forest fires// Journal of information, control and management systems Faculty of Management Science and Informatics University of Zilina. – 2010. – Vol. 8. – № 2. – P.111–120.

[5] Hefeeda M., Bagheri M. Forest fire modeling and early detection using wireless sensor networks// Ad Hoc & Sensor Wireless Networks. – 2009. – Vol. 7. – P.169-224.

[6] Pripuzic K., Belani H., Vukovic M. Early forest fire detection with sensor networks: sliding window skylines approach // Proceedings 12th International Conference, KES 2008 Zagreb. – 2008. – Part 1. – P. 725-732.

[7] Hsu-Yaung Kung, Jing-Shiuan Hua, Chaur-Tzuhn Chen Drought forecast model and framework using wireless sensor networks // Journal of Information Science and Engineering – 2006. – № 22. – P. 751-769.

[8] J. Soloobera Detecting forest fires using wireless sensor networks with waspmote – [Электр. ресурс]– Режим просмотра: http://www.libelium.com [9] Ning Xu A survey of sensor network applications просмотра:http://www.niamwebs.com/sdb/a-survey-of-sensor-network-applications.html [10] KershnerR. The number of circles covering a set // Amer. J. Mathematics.- 1939. - Vol. 61, N 3. - p. 665–671.

[11] ZhangH., Hou J.C. Maintaining sensing coverage and connectivity in large sensor networks, Ad Hoc & Sensor Wireless Networks. - 2005. - Vol. 1, N 1-2. -.p. 89–124.

[12] Кузнецов, В.Ю.. Задачи покрытия ортогональных многоугольников с запретными участками, Вестник УГАТУ, Уфа, Т.10, №2(27), сс. 177- 182, 2008.