Мониторинг лесных пожаров

Наиболее традиционный метод обнаружения пожаров – это визуальное обнаружение людьми со специализированных конструкций – вышек. Настоящий метод используется более ста лет с небольшими усовершенствованиями, связанными с использованием средств связи (рации, сотовая связь и др.) и оптическими устройствами визуального контроля (бинокли, подзорные трубы и др.).

В идеальном варианте обнаружение пожара происходит следующим образом: на специализированной вышке (предназначенной для продолжительного нахождения на ней человека) на специальной площадке находится человек.

Дополнительно на площадку наносят азимутальный круг для определения направления. При визуальном обнаружении пожара наблюдатель с помощью азимутального круга определяет направление на пожар, и сообщает это направление в центр контроля с помощью средств связи. Из центра контроля определяют, с какой ещё вышки может быть обнаружен этот пожар и связываются с другим наблюдателем, который так же обнаруживает пожар и определяет направление на него. После чего в центре контроля, используя известные направления с вышек на пожар, определяют местонахождение предполагаемого пожара и предпринимают меры для его ликвидации.

К преимуществам данного метода можно отнести сохранившуюся до сегодняшних дней инфраструктуру вышек, которая может быть использована, простоту самого метода и достаточно высокую оперативность (при наличии благоприятных погодных условий).

Подробней стоит остановиться на недостатках метода. Основными недостатком данного способа обнаружения является необходимость постоянного использования человеческого труда в каждой точке расположения вышки, в течение всего времени пожароопасного сезона (для обеспечения оперативности) и ограничение территории мониторинга количеством установленных вышек. В настоящее время этот метод практически не реализуем из-за отсутствия достаточного количества специалистов на местах. Для примера можно привести Тверскую область, в которой в 80-х годах прошлого века для оперативного обнаружения пожаров работало около 6000 лесничих, сейчас их менее 600 человек. Кроме того, на точность и своевременность обнаружения пожара сильно влияет человеческий фактор (человек может устать, заснуть), контролировать такое большое количество людей на огромной территории практически невозможно. В описанном методе так же невозможно автоматизировать процесс обнаружения и доставки информации.

Существенным недостатком является высокая стоимость вышки, т.к. вышка должна быть специально оборудована для постоянного нахождения на ней человека. Для примера стоимость вышки предназначенной только для размещения оборудования составляет 11000 руб. за метр высоты, стоимость пожарной вышки составляет более 50000 руб. за метр. По этой причине пожарные вышки не обновлялись уже более 15-20 лет, и большинство из них уже не могут быть использованы из-за аварийного технического состояния.

Не стоит забывать и о немаловажном способе обнаружения пожара при помощи местного населения, что при настоящем развитии мобильной связи достаточно часто может быть эффективно.

Рассмотрим следующий метод обнаружения пожаров – обнаружение пожаров с воздуха, с летательных аппаратов.

Пилот на летательном аппарате (легкий самолет, вертолет) с определенной периодичностью облетают пожароопасную территорию, при визуальном обнаружении пожара штурман определяет его координаты и передает в центр контроля информацию об обнаруженном пожаре.

Основным преимуществом данного метода является возможность мониторинга любой даже самой удаленной и дикой территории. Основным недостатком является ОЧЕНЬ высокая стоимость летного часа, для примера летный час самолета Ан-2 (основной самолет, используемый для обнаружения лесных пожаров) около 27000 руб. данный самолет уже давно снят с производства и его на этой задаче все чаще заменяют вертолетом Ми, стоимость летного часа которого составляет более 75000 руб. Кроме того, необходим специально обученный персонал (штурманы), которые непосредственно и определяют маршрут полета, визуально обнаруживают места возгорания и определяют координаты. Невозможно так же вести непрерывный мониторинг большой территории, что может являться причиной позднего обнаружения пожара.

Пилот на летательном аппарате (легкий самолет, вертолет) с определенной периодичностью облетают пожароопасную территорию, при визуальном обнаружении пожара штурман определяет его координаты и передает в центр контроля информацию об обнаруженном пожаре.

Некоторую популярность сейчас набирают беспилотные летательные аппараты, использование которых может несколько снизить стоимость летного часа, но не избавляет от проблемы несвоевременного обнаружения. Кроме того, если самолеты и вертолеты общего назначения могут использоваться для других целей (с/х, пассажиро- и грузоперевозки), то «беспилотники» не могут быть использованы для чего-либо другого, что перекладывает все расходы (приобретение, обслуживание, ремонт, ГСМ) на службы занимающееся мониторингом лесных пожаров. Для примера только стоимость беспилотного самолета импортного производства составляют ~$1000000.

В России вот уже много лет существует государственная структура "Авиалесохрана", в задачи которой входит обнаружение и тушение лесных пожаров. Но анализ их сайта http://www.aviales.ru показывает, что даже для них основным способом обнаружения является именно спутниковый мониторинг.

Система спутникового мониторинга работает следующим образом, специализированные спутники, находящиеся на негеостационарных орбитах, производят снимки земной поверхности в ИК-диапазоне (с последующей передачей на наземную станцию). На основе разности температуры поверхности земли и температуры пожара, возможно, определить его местоположение. Картинка передается в специальные центры, откуда заинтересованные пользователи могут получать все данные через сеть Интернет. К преимуществам данного способа стоит отнести автоматизацию процесса получения данных, дистанционность способа, возможность мониторировать любые участки местности, легкий доступ к информации через сеть Интернет.

В России вот уже много лет существует государственная структура "Авиалесохрана", в задачи которой входит обнаружение и тушение лесных пожаров. Но анализ их сайта http://www.aviales.ru показывает, что даже для них основным способом обнаружения является именно спутниковый мониторинг.

В качестве недостатков спутникового мониторинга необходимо отметить большую площадь минимально обнаруживаемого очага возгорания, которая колеблется от 1-го до 50 га, невысокую периодичность получения данных (несколько раз в сутки) и сильное влияние погодных условий. В условиях ветреной погоды задержка (4-6 часов) обнаружения даже небольшого пожара может привести к серьезным последствиям и увеличить стоимость его ликвидации.

Но при всех недостатках спутниковый мониторинг необходим в случае больших лесных территорий и отсутствии возможности мониторинга другими способами (стоимость спутникового мониторинга также невысока)

В последние несколько лет начинают появляться системы видеомониторинга предназначенные для обнаружения лесных пожаров, первые системы в России появились в начале 2000-х годов. Основной особенностью видеосистемы мониторинга является высокая степень автоматизации и возможность использовать дешевые и простые вышки. Существующие системы представляют собой поворотные камеры, устанавливаемые на вышках с выводом видеоизображения на пульт оператору, который должен находиться рядом с постом видеомониторинга, данный подход не позволяет определять координаты пожара (невозможность определения направления с двух достаточно разнесенных точек). Масштабировать такую систему также не представляется возможным, заказчику фактически в каждой точке мониторинга необходимо держать человека, который будет осуществлять визуальный контроль. Особенностью представленных систем является невозможность предварительной обработки видеоизображения.

Существенными недостатками используемых в настоящее время методов обнаружения является невозможность раннего обнаружения, автоматизации процесса обнаружения и определения местоположения очага возгорания.

Группой, представляющей настоящий проект, был предложен метод обнаружения пожаров с помощью программно аппаратного комплекса основанного на видеонаблюдении. Кроме того, было предложена концепция информационной платформы системы облегчающей управление процессом пожаротушения.

В основу системы положена концепция клиент серверного приложения. Основным элементом системы является сеть дистанционно управляемых видеокамер соединенных различными каналами связи с сервером.

Система «Лесной Дозор» использует такое преимущество метода визуального мониторинга как раннее обнаружение и исключает его недостатки, благодаря чему имеет возможность использования любых вышек, автоматизации и минимизации количества людей, участвующих в процессе мониторинга. Кроме того, система «Лесной Дозор» - это информационная система, в которую легко могут быть интегрированы данные, поступающие из различных источников (систем спутникового мониторинга, от населения и др.) В отличие от космического авиамониторинга, система «Лесной Дозор» позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени 24 часа в сутки 7 дней в неделю. К тому её эксплуатация существенно дешевле использования авиации и оперативнее спутникового мониторинга. А отличием её от существующих систем видеонаблюдения за лесами является масштабируемость и использование систем «компьютерного зрения».

Но при всех недостатках спутниковый мониторинг необходим в случае больших лесных территорий и отсутствии возможности мониторинга другими способами (стоимость спутникового мониторинга также невысока)

Общее описание системы

На обозреваемой территории размещается группа управляемых интеллектуальных датчиков, которые позволяют обнаруживать факт наличия пожара и определять его характеристики.

Разработка таких систем в общем случае направлена на уменьшение влияния человеческого фактора на процесс мониторинга леса, а также повышение точности и скорости обнаружения лесных пожаров. Фактически, автоматизация предполагает перекладывание на «интеллектуальную машину» некоторых функций человека.

Основное назначение автоматизированной системы –увеличение количества точек мониторинга при неизменном количестве операторов. Очевидно, это должно приводить к тому, что системе будет доверяться выполнение всё большего числа задач.

Стадии автоматизации

Можно выделить 2 крайних случая:

1. Полностью неавтоматизированная система: наблюдатель находится на вышке и осматривает территорию.
2. Полностью автоматическая система, без операторов – при этом весь цикл обнаружения пожара от первичного обнаружения до выдачи команды на ликвидацию очага происходит автоматически.

Как понятно из описания, полностью неавтоматизированная система предполагает 100%-ную реализацию человеком процесса мониторинга леса, при этом контролировать работу и каким-то образом влиять на качество работы системы невозможно.

Вариант построения полностью автоматической системы представляется крайне труднореализуемым по нескольким причинам, в их числе:

• несовершенство математической и алгоритмической базы анализа показаний датчиков;
• проблемы интеграции со службами охраны леса, которые часто предполагают наличие человека в цепи распространения информации;
• необходимость присутствия человека как лица, принимающего окончательное решение об обнаружении пожара.

Исходя из описанного выше, очевидно, что все системы могут в той или иной степени облегчить мониторинг леса оператору, который, в конечном счете, принимает решение о том, является тот или иной потенциально опасный объект (ПОО) реальным пожаром или нет. Таким образом, очевидно, что у любой системы такого рода должен быть оператор (как правило, не один), обязанность которого – принимать окончательное решение о наличии пожара.

Очевидно, что задачей любой системы автоматизации является увеличение эффективности работы оператора за счет возложения рутинных и просто утомительных операций на автоматику. Это, в конечном счёте, повышает надёжность мониторинга и уменьшает время, необходимое для обнаружения пожара.

Фундаментальным является тот факт, что автоматизированная система имеет вероятность пропуска цели, т. е. возможны случаи, когда потенциально опасный объект (ПОО) существует, и оператор может его различить, а система – нет.

Этапы мониторинга

Перед переходом к описанию стадий автоматизации необходимо отметить ещё и то, что выполнение задачи мониторинга леса и обнаружения лесных пожаров можно разбить на несколько этапов, каждый из которых может быть автоматизирован:

1. Формирование и управление маршрутами патрулирования для обзора необходимой территории.
2. Непосредственно наблюдение территории, последова-тельное получение визуальных данных о том или ином направлении и обнаружение потенциально опасных объектов (по наличию дыма или огня) на одной или нескольких камерах.
3. Определение координат обнаруженного объекта.
4. Сохранение информации об объекте и передача её заинтересованным пользователям и службам.
5. Принятие решения о том, является ли обнаруженный потенциально опасный объект действительно опасным.

Кроме того, может быть автоматизирован процесс перехода от одного этапа к другому. Это упрощает работу оператора и повышает надёжность системы.

Очевидно, что полная автоматизация процесса предполагает автоматизацию каждого из этапов и перехода между ними.

В зависимости от конкретных условий применения системы важность автоматизации того или иного этапа может быть разной. Из опыта эксплуатации систем мониторинга можно заключить, что наиболее продолжительным этапом является именно второй (непосредственное наблюдение за территорией и выделение потенциально опасных объектов — ПОО), но автоматизация только одного из этапов не имеет смысла, т. к. выполнение операций «вручную» в ходе других этапов не приведёт к желаемому результату в целом.

Рассмотрим следующие конфигурации систем наблюдения.

I. Наблюдатель на вышке. Отсутствует какая-либо автоматизация.

II. Телеустановка - на вышке размещена видеокамера. Вблизи вышки располагается оператор с монитором и пультом управления.

При правильном подборе оборудования можно автоматизировать процесс формирования и построения маршрута. То есть, возможно сократить время, требуемое оператору для вращения и управления камерой при осмотре территории, что позволяет сконцентрироваться собственно на наблюдении. Автоматизация других составляющих при таком подходе просто не имеет смысла или невозможна по техническим причинам.

III. Сеть камер на вышках под управлением ПО для систем видеонаблюдения.

Аналогично п. II, однако под управлением данной системы может находиться не одна, а несколько камер.

IV. Система камер на вышках под управлением ПО "Лесной Дозор".

Рассмотрим особенности процесса мониторинга в этой системе по каждому из вышеперечисленных этапов:

1 этап - происходит максимальное упрощение создания и управления маршрутами патрулирования, обеспечивающее возможность сохранения и осмотра интересующей тер-ритории;

2 этап - обеспечивается автоматизация процесса обнаружения потенциально опасных объектов по заранее заданному маршруту (с возможностью дальнейшей обработки результатов работы автоматизированной системы);

3 этап:

• а) происходит максимальное упрощение процедуры определения координат объекта с использованием картографической подсистемы и привязки к абсолютным координатам;
• б) происходит автоматическое определение координат пожара.

4 этап - создаётся возможность удобного сохранения информации об объектах с последующим доступом других операторов и заинтересованных служб к этой информации.

5 этап - оператор в центре контроля принимает окончательное решение, признавать ли потенциально опасный объект действительно опасным или нет. Полученная информация может быть использована для выезда пожарных служб на место возгорания.

Как отмечалось выше, немаловажной является автоматизация перехода между этапами. Существующая версия "Лесного Дозора" не позволяет автоматизировать процесс перехода между различными стадиями мониторинга, но обладает средствами для облегчения каждого из переходов. Эти средства позволяют минимизировать временные затраты оператора.

Исходя из вышесказанного, отметим, что система "Лесной Дозор" (учитывая лишь упомянутые критерии) обеспечивает очень высокий уровень автоматизации работы оператора. Одни эти характеристики уже позволяют одному оператору эффективно управлять системой из 10 точек мониторинга и производить непосредственно мониторинг.

Автоматизация обнаружения потенциально опасных объектов (ПОО)

Наиболее подробно остановимся на процессе автоматизации процесса обнаружения потенциально опасных объектов, т. к. именно он обеспечивает возможность работы одного оператора с большим количеством точек мониторинга (15-20), если это необходимо.

Наш опыт показывает, что видеоизображения, одновременно передаваемые с 4 камер, обеспечивают надёжную работу оператора (эта идея реализована в системе "Лесной Дозор"). Однако очевидно, что при большем количестве камер оператор не сможет оперативно осуществлять мониторинг физически.

Исходя из реальных характеристик системы определено, что на осмотр пользователем одной камеры уходит 10 минут. Соответственно в 4-экранном режиме за 10 минут оператор осмотрит 4 камеры.

Если число камер в системе достигает 20-ти, то для обнаружения пожара пользователю потребуется около 40 минут (при непрерывном наблюдении). Но оператору необходимо отдыхать и выполнять другие операции (определять координаты и т. д.). Опыт показывает, что к упомянутым 40-ка минутам этот шаг добавляет еще 20 минут. Эти расчёты подтверждаются результатами реальной работы системы. Таким образом, получаем эталонное значение: один оператор системы "Лесной Дозор" в течение часа может осуществлять мониторинг с 20 точек даже без автоматизации процесса обнаружения ПОО (по видеодан-ным).

Что касается автоматизации процесса поиска ПОО на видеоизображении, то она позволяет либо увеличить количество камер на одного оператора, либо уменьшить время, необходимое для обнаружения ПОО, либо облегчить работу оператора.

Очевидно, что эти параметры зависят друг от друга: например, невозможно увеличить количество камер на одного оператора, не увеличив время, необходимое на осмотр.

В настоящее время в системе "Лесной Дозор" начинает активно использоваться модуль автоматического поиска дыма, который предназначен для обнаружения потенциально опасных объектов на видеоизображении. Его суть состоит в запуске специального модуля, формирующего список потенциально опасных объектов, обнаруженных системой.

При таком режиме работы пользователю не надо следить за всеми камерами по очереди - достаточно лишь своевременно просматривать список обнаруженных объектов.

Тестирование системы на большом архиве видеоданных (более 10000 записей) показало следующее.

Количество необходимой для анализа пользователем информации уменьшается в 5 раз, т. е. система уже отфильтровывает большое количество видеоданных, на которых нет ничего, заслуживающего внимания. Фактически вышеупомянутый алгоритм предназначен для фильтрации данных, которые не интересны оператору — это позволяет ему сосредоточиться на анализе более существенной информации.

Исходя из простого расчёта видно, что количество камер на одного оператора при прежней нагрузке может составлять 100 штук. Это уже является существенным показателем, но потенциал дальнейшего улучшения параметра сохраняется.

Использование данного режима работы не означает, что система покажет оператору только данные, где реально есть дым (система не может гарантировать полное отсутствие ложных срабатываний). Достаточно большое количество видеоданных не будет содержать ПОО, но с новым режимом этих данных будет в 5 раз меньше, чем без него. В перспективе планируется увеличить это значение до 100 раз.

Дальнейшие планы разработки и автоматизации в рамках системы "Лесной Дозор"

1. Большая автоматизация процесса определения координат.
2. Большая автоматизация процесса построения маршрутов патрулирования.
3. Улучшение характеристик системы обнаружения ПОО на видеоизображении.
4. Автоматизация связей между различными стадиями процесса, обеспечивающая максимальную разгрузку оператора и оставляющая на него только процесс принятия решения.

Все эти улучшения уже включены в план разработки. Все заказчики, использующие сервис "Лесной Дозор", получат доступ ко всем нововведениям без какой-либо дополнительной платы.