Xây dựng hệ thống phát hiện cháy rừng sử dụng mô hình đa tác tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VŨ NHẬT QUANG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN
CHÁY RỪNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH ĐA TÁC TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG – NĂM 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VŨ NHẬT QUANG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN
CHÁY RỪNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH ĐA TÁC TỬ
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG THỊ THANH HÀ

ĐÀ NẴNG – NĂM 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn khoa học của TS. Hoàng Thị Thanh Hà. Các số liệu, kết quả nêu
trên trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Người cam đoan

Nguyễn Vũ Nhật Quang


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu của đề tài

3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu

3

4

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 4
6. Bố cục và cấu trúc của luận văn

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN
CHÁY RỪNG..................................................................................................7

1. 1. TỔNG QUAN VỀ CHÁY RỪNG

7

1.1.1 Định nghĩa........................................................................................7
1.1.2 Các nhân tố tự nhiên ảnh hướng đến cháy rừng...............................9
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY RỪNG
11
1.2.1 Giới thiệu một số công nghệ sử dụng để phát hiện và cảnh báo cháy
rừng ......................................................................................................11
1.2.2 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây........................................14
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ.....................19
2.1. TÁC TỬ

19

2.1.1 Khái niệm về tác tử........................................................................19
2.1.2 Môi trường......................................................................................20
2.1.3 Tác tử thông minh..........................................................................21
2.1.4 Tác tử và đối tượng........................................................................22
2.2. HỆ ĐA TÁC TỬ

23

2.2.1 Khái niệm hệ đa tác tử....................................................................23


2.2.2 Tương tác trong hệ đa tác tử...........................................................26
2.2.3 Phối hợp và tầm quan trọng đối với hệ đa tác tử............................28
2.2.4 Môi trường tính toán thích hợp cho hệ đa tác tử............................31

2.2.5 Một số ứng dụng của tác tử............................................................32
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHỐI HỢP THÔNG TIN ĐA TÁC TỬ PHÁT
HIỆN CHÁY RỪNG.....................................................................................35
3.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH PHỐI HỢP THÔNG TIN MẠNG
CẢM BIẾN PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG

35

3.1.1 Giới thiệu phối hợp và tích hợp đa cảm biến...............................35
3.1.2 Mô hình của trường Đại học Concepción, Chile............................39
3.1.3 SCIER (Sensor & Computing Infrastructure for Environmental
Risks) ......................................................................................................41
3.1.4 Ứng dụng của FGCA (Future Generation Communication
Environment) cho bài toán phát hiện cháy rừng.....................................49
3.2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ĐA TÁC TỬ PHỐI HỢP THÔNG TIN TRONG
VIỆC PHÁT HIỆN CHÁY RỪNG

59

3.2.1 Tổ chức...........................................................................................60
3.2.2 Tác tử..............................................................................................66
CHƯƠNG 4. CÀI ĐẶT ỨNG DỤNG..........................................................72
4.1. NỀN TẢNG LẬP TRÌNH CHO HỆ ĐA TÁC TỬ JADE

72

4.1.1 Giới thiệu JADE.............................................................................72
4.1.2 Kiến trúc JADE..............................................................................75
4.1.3 Các gói chính của JADE................................................................78
4.2. PHÂN TÍCH & THIẾT KẾ HỆ THỐNG

80

4.2.1 Xác định Goal.................................................................................82
4.2.2 Xây dựng các Use case...................................................................83
4.2.3 Xây dựng ontology.........................................................................86


4.2.4 Hoàn thiện Role..............................................................................88
4.2.5 Xây dựng các lớp agent..................................................................89
4.2.6 Xây dựng các phiên hội thoại.........................................................91
4.2.7 Hoàn thiện các agent......................................................................91
4.2.8 Triển khai hệ thống.........................................................................92
4.3. CÁC KỊCH BẢN, KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ93
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................100
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................101


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Từ gốc

Ý nghĩa

ACL

Agent Communication

Ngôn ngữ truyền thông agent

API

Language
Application Programming

Giao diện lập trình ứng dụng

URI
GIS

Interface
Urban–Rural-Interface
Geographic information

Đô thị - Nông thôn – Phân giới
Hệ thống thông tin địa lý

GPS
FGCA

system
Global Positioning System
Future Generation

Hệ thống định vị toàn cầu
Môi trường truyền thông thế hệ

SCIER

Communication Environment
Sensor & Computing

tương lai
Cảm biến và Hạ tầng tính toán cho

Infrastructure for

những rủi ro môi trường

FIPA

Environmental Risks
Foundation for Intelligent, Tổ chức đưa ra các chuẩn liên

AMS
DF

Physical Agents
Agent Management Service
Directory Facilitator

quan đến CNPM hướng tác tử
Hệ thống quản lý agent
Agent triển khai dịch vụ trang

DST
TBM
ICL

Dempster-Shafer Theory
Transferable Belief Model
Inter-agent Communication

vàng
Lý thuyết Dempster-Shafer
Mô hình chuyển đổi niềm tin
Ngôn ngữ truyền thông liên agent

JADE

Language
Java Agent Development

Thư viện hỗ trợ xây dựng agent

JRE
OAA
BPA
MaSE

Framework
Java Runtime Enviroment
Open Agent Architecture
Basic Probability Assignment
Multi-agent Systems

Môi trường thực thi Java
Kiến trúc hệ agent mở
Hàm gán xác suất cơ bản

Phương pháp luận công nghệ phần

WSN

Engineering
Wireless Sensor Network

mềm đa tác tử MaSE
Mạng cảm biến không dây



DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng
3.1
3.2
3.3

Tên bảng
Khả năng gây cháy theo chỉ số FFMC
Tổng hợp một số đặc điểm của mô hình theo
SCIER
Tổng hợp một số đặc điểm của mô hình theo

Trang
39
48
58

3.4a

3.4b
3.5

FGCA
Luật ra quyết định ở tầng 1
Luật ra quyết định ở tầng 2
Tổng kết mô hình đề xuất

4.1

Bảng dữ liệu của hệ thống

93

4.2

Bảng dữ liệu của hệ thống so với thực tế

94

68
70
71

DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu

Tên hình vẽ

Trang

hình vẽ
1.1
2.1
2.2
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11

4.12
4.13
4.14
4.15

Các thành phần của node cảm biến
Tác tử tương tác với môi trường
Các dạng quan hệ giữa các hành động
Mô hình chức năng của việc phối hợp và tích hợp đa cảm
biến
Kiến trúc khái niệm cho phối hợp thông tin cảm biến trên
nhiều cấp độ
Kiến trúc và topology của mạng WSN trong bài báo
Sự phân bố các nút trong một trường của SCIER
Kiến trúc LACU
Quá trình phối hợp thông tin trong SCIER
Kiến trúc 3 tầng của mạng cảm biến
Kiến trúc 3 tầng của mạng quan sát
Hệ thống đa tác tử của mạng quan sát
Kiến trúc hệ thống
Liên lạc giữa 2 trưởng nhóm thông qua nút liên kết
Sơ đồ luồng tương tác thông tin giữa các tầng
Sơ đồ ra quyết định của hệ thống
Các thành phần kiến trúc chính
Quan hệ giữa các thành phần kiến trúc chính
Các bước và các pha trong mô hình MaSE
Biểu đồ phân cấp goal
Biều đồ tuần tự của use case Bautruongnhom
Biều đồ tuần tự của use case Xulymuc1
Biều đồ tuần tự của use case Xulymuc2

Biều đồ tuần tự của use case Hienthibang và Bieudo.
Sơ đồ ontology của hệ thống
Sơ đồ role của hệ thống
Biểu đồ lớp agent
Màn hình mô phỏng các tác tử trong khu rừng giả định
Tỷ lệ phát hiện chính xác theo nhiệt độ
Tỷ lệ phát hiện chính xác theo độ ẩm
Tỷ lệ phát hiện chính xác theo CO2

16
19
30
36
38
40
42
43
46
50
51
57
61
65
68
70
76
76
81
83
84

85
85
86
87
89
90
92
98
98
99


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Rừng là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá và cũng là một
yếu tố sinh thái quan trọng đối với cuộc sống con người. Tuy vậy, diện tích
rừng trên thế giới cũng như ở nước ta đang suy giảm nhanh chóng kéo theo sự
gia tăng nhiều thiên tai gây thiệt hại về tài sản và tính mạng con người. Sự suy
giảm về diện tích và chất lượng rừng liên quan nhiều đến nguyên nhân chủ
quan là sự hoạt động kinh tế thiếu ý thức của con người, song không thể
không kể đến thiệt hại do hiện tượng cháy rừng gây ra. Trong vài thập kỷ gần
đây, do thời tiết khí hậu diễn biến phức tạp, hiện tượng cháy rừng đã và đang
xảy ra với tần suất ngày một cao hơn và thiệt hại cũng ngày một nghiêm trọng
hơn. Nhận thức được tầm quan trọng của vấn đề bảo vệ rừng, trong những
thập kỷ gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các nhà khoa
học đã quan tâm nghiên cứu các phương pháp dự báo nguy cơ cháy rừng
nhằm tăng hiệu quả công tác phòng và khống chế thiệt hại mỗi khi hiện tượng
này xảy ra.

Để phát hiện cháy rừng, ở một số nước, người ta vẫn sử dụng các biện
pháp thô sơ như: sử dụng các nhân viên kiểm lâm phụ trách giám sát từng khu
vực hằng ngày hay các hệ thống chòi canh... Các công nghệ hiện đại và tiên
tiến hiệu quả hơn được sử dụng là: quan sát trắc địa sử dụng vệ tinh viễn
thám, sử dụng hệ thống định vị GPS, các hệ thống phát hiện khói thông qua
xử lý so sánh hình ảnh so với môi trường lúc trong lành, các hệ thống phát
hiện nồng độ các chất khí sản sinh trong quá trình cháy trong môi trường
(CO2, CO, SO2, NO2...), sử dụng hệ thống cảm biến phối hợp thông tin...
Trong đó, công nghệ sử dụng các cảm biến, mỗi cảm biến sẽ đóng vai trò thu
thập một hoặc một vài thông tin như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển,


2
khói...; chúng được kết nối với nhau thông qua mạng không dây để phối hợp
thông tin, từ đó phát hiện có cháy rừng hay không. Đây là công nghệ đang
được nghiên cứu, sử dụng và phát triển ở các nước phát triển như Mỹ, Đức,
Pháp, Hi Lạp... và được đánh giá là một trong những phương pháp hiệu quả
hơn cả. Ứng dụng hệ đa tác tử để mô hình hóa hệ thống các cảm biến là một
sự lựa chọn phù hợp.
Là một hướng phát triển tiếp theo của phương pháp hướng đối tượng,
cách tiếp cận hướng tác tử được xem là một công nghệ hứa hẹn cho phát triển
của các hệ phần mềm phức tạp này. Ý tưởng cơ bản của hệ phần mềm tác tử
là xem hệ phần mềm như một cấu trúc xã hội bao gồm các agent có tính tự
chủ về hành vi, trạng thái, có khả năng phản ứng nhận biết được môi trường,
chủ động trong hành động, phản ứng và có khả năng tương tác với nhau để
đạt tới một mục đích chung của hệ thống.
Mỗi cảm biến thường chỉ thực hiện chức năng thu thập dữ liệu nhất định
nào đó, nhiều công việc không thể hoàn thành bởi những tác tử hoạt động
riêng rẽ do không đủ khả năng, tài nguyên, thông tin và còn tùy thuộc môi
trường nên sẽ có những mô hình phối hợp giữa các tác tử khác nhau. Phối hợp

đóng vai trò quan trọng trong các nghiên cứu về hệ đa tác tử nói riêng và trí
tuệ phân tán nói chung. Công nghệ lập trình hướng tác tử cho phép tạo ra các
hệ thống với một mức độ thông minh, linh hoạt và có khả năng hoạt động một
cách tự chủ trong các môi trường phân tán.
Vì những lý do đó, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu, áp dụng hệ thống
đa tác tử để xây dựng mô hình phối hợp thông tin giữa các tác tử và xây dựng
phần mềm mô phỏng hệ thống phát hiện cháy rừng. Và, em xin được chọn đề
tài: “Xây dựng hệ thống phát hiện cháy rừng sử dụng mô hình đa tác tử”
làm luận văn tốt nghiệp của mình.


3
2. Mục tiêu của đề tài
* Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về tác tử và hệ đa tác tử.
- Nghiên cứu về ứng dụng của mạng cảm biến không dây để phát hiện
cháy rừng.
- Nghiên cứu các mô hình phối hợp thông tin trong hệ đa tác tử phát hiện
cháy rừng.
- Nghiên cứu công nghệ lập trình hướng tác tử.
* Nhiệm vụ đề tài:
- Xây dựng mô hình đa tác tử phối hợp thông tin phát hiện cháy rừng.
- Xây dựng phần mềm mô phỏng ứng dụng mô hình trên.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu:
- Tìm hiểu các tác nhân liên quan gây cháy rừng cũng như các công nghệ
ứng dụng phát hiện cháy rừng hiện nay.
- Mạng cảm biến không dây.
- Các vấn đề liên quan đến tác tử, hệ đa tác tử, sự tương tác và phối hợp
giữa chúng.

- Các nghiên cứu về những mô hình phát hiện cháy rừng dựa trên hệ đa
tác tử.
- Công nghệ lập trình hướng tác tử
* Phạm vi nghiên cứu:
- Dữ liệu được xử lý là các đối tượng giả lập gây cháy chứa các thông tin
về nhiệt độ, độ ẩm, gió, áp suất.
- Trong môi trường là khu rừng giả lập, chưa cài đặt trực tiếp lên cảm
biến trong thực tế.
- Tác tử chưa có khả năng tự học.
- Không sử dụng cảm biến hình ảnh để giải quyết bài toán.


4
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu, luận văn đã sử dụng hai phương pháp chính là
nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm.
* Phương pháp lý thuyết:
- Tổng hợp và nghiên cứu các tài liệu liên quan.
- Phân tích, thiết kế và đánh giá các mô hình, từ đó đề xuất giải pháp.
* Phương pháp thực nghiệm:
- Ứng dụng tác tử và hệ đa tác tử để xây dựng mô hình cụ thể.
- Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
* Về khoa học:
- Nghiên cứu về tác tử và hệ đa tác tử: lý thuyết tổng quan, ý nghĩa, ứng
dụng.
- Nghiên cứu phân tích một số mô hình đã được công bố.
- Đề xuất mô hình phối hợp thông tin hệ đa tác tử phát hiện cháy rừng.
- Nghiên cứu kỹ thuật lập trình hướng tác tử.
* Về thực tiễn:

Công nghệ tác tử là một công nghệ khá mới mẻ và có nhiều lợi ích áp
dụng trong thực tế. Việc cảnh báo cháy rừng đang còn thiếu và lạc hậu về mặt
công nghệ, đề tài sẽ tạo tiền đề cho việc ứng dụng vào thực tế.
6. Bố cục và cấu trúc của luận văn
Luận văn được cấu trúc như sau. Chương 1 là chương nghiên cứu tổng
quan về các kiến thức, thông tin có liên quan đến cháy rừng, và các mô hình
phòng chống cháy rừng. Chương 2 sẽ trình bày các kiến thức về tác tử và hệ
đa tác tử, các đặc điểm cũng như ứng dụng của nó. Chương 3, đầu tiên giới
thiệu một số mô hình phối hợp thông tin trong mạng cảm biến phát hiện cháy
rừng đã công bố, và dựa trên đó, luận văn trình bày kiến trúc, đặc điểm,


5
những thành phần của mô hình mà luận văn đưa ra. Chương 4 đầu tiên sẽ giới
thiệu nền tảng JADE để lập trình cho hệ đa tác tử, và sau đó, phần hiện thực
chương trình – phân tích và thiết kế, mô phỏng hệ thống phát hiện cháy rừng
dựa trên việc phối hợp thông tin của các tác tử để ra quyết định, cuối cùng sẽ
là các kịch bản để đánh giá chương trình. Bên cạnh đó, ở mỗi chương đều có
phần giới thiệu, và kết luận, tổng kết chương.


6
Trên cơ sở các mục tiêu đó, luận văn được tổ chia thành 4 chương với
những nội dung cụ thể sau:





Chương 1: Tổng quan về các phương pháp phát hiện cháy rừng

Chương 2: Tổng quan về hệ thống đa tác tử
Chương 3: Mô hình phối hợp thông tin đa tác tử phát hiện cháy rừng
Chương 4: Thiết kế và cài đặt ứng dụng


7
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN
CHÁY RỪNG
Trong chương này, trước tiên tôi sẽ trình bày các khái niệm liên quan đến
rừng và thực trạng rừng ở Việt Nam hiện nay, tiếp theo đó là các tác nhân ảnh
hưởng đến cháy rừng và các biện pháp phát hiện, cảnh báo cháy rừng được sử
dụng hiện nay. Tiếp theo, tôi xin giới thiệu một số công nghệ tiên tiến được áp
dụng để phát hiện cháy rừng, và lựa chọn công nghệ nghiên cứu cho luận văn
– công nghệ cảm biến không dây.
1.1. TỔNG QUAN VỀ CHÁY RỪNG
1.1.1 Định nghĩa
Rừng là tài nguyên quý giá của đất nước, có khả năng tái tạo, là bộ phận
quan trọng của môi trường sinh thái, có giá trị to lớn đối với nền kinh tế quốc
dân, gắn liền với đời sống của nhân dân, sự sống còn của dân tộc.
Hiện Việt Nam có khoảng 12 triệu ha rừng trong đó có trên 6 triệu ha
rừng dễ cháy, bao gồm rừng thông, rừng tràm, rừng tre nứa, rừng bạch đàn,
rừng khộp, rừng non khoanh nuôi tái sinh tự nhiên và rừng đặc sản... Cùng
với diện tích rừng dễ cháy tăng lên thêm hàng năm, diễn biến thời tiết khí hậu
ngày càng phức tạp và khó lường ở Việt Nam đã và đang là những nguy cơ
tiềm ẩn về cháy rừng và cháy lớn ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Ngoài
những nguyên nhân tự nhiên thì các nguyên nhân do hoạt động sản xuất của
con người đem lại là rất đáng lo ngại.
Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ của Cục Kiểm lâm, Bộ Nông nghiệp

và Phát triển nông thôn về cháy rừng và thiệt hai do cháy rừng gây ra trong 42
năm qua từ 1963 đến 4/2005, toàn quốc có khoảng 49.600 vụ, làm thiệt hại
646.900 ha rừng (chủ yếu là rừng non), trong đó có 274.251 ha rừng trồng và


8
377.606 ha rừng tự nhiên. Riêng năm 2003 đã xảy ra 624 vụ cháy rừng, trong
đó vụ cháy rừng tràm U Minh là nghiêm trọng nhất. Năm 2011, trên địa bàn
toàn quốc đã xảy ra 237 vụ cháy rừng và tổng diện tích rừng bị thiêu rụi là
1743,64 ha. Sáu tháng đầu năm 2012, số vụ cháy có xu hướng tăng cao với
208 vụ, gây thiệt hại ngày càng nghiêm trọng cho môi trường và môi sinh. [2]
Cháy rừng là bất kỳ một vụ cháy nào ngoài tầm kiểm soát của con người,
xảy ra khi hội tụ đủ ba yếu tố:
+ Vật liệu cháy: là tất cả những chất có khả năng bén lửa và bốc cháy
trong điều kiện có đủ nguồn nhiệt và oxy.
+ Oxy: oxy tự do luôn có sẵn trong không khí (nồng độ khoảng 21-23%)
và lấp đầy các khoảng trống giữa vật liệu cháy. Khi nồng độ oxy giảm xuống
dưới 15% thì không còn khả năng duy trì sự cháy.
+ Nguồn nhiệt: nguồn nhiệt có thể phát sinh do thiên nhiên như: sấm sét,
núi lửa phun trào,… nhưng chủ yếu là do con người.
Cháy rừng gây thiệt hại về kinh tế cho nước ta ước tính hàng trăm tỷ
đồng mỗi năm. Ngoài ra nó còn làm tổn hại đến tính mạng và tài sản của con
người, phá vỡ cảnh quan, tác động xấu đến an ninh quốc phòng và đặc biệt là
làm giảm tính đa dạng sinh học.
Dựa vào các tầng vật liệu gây cháy, người ta phân ra 3 loại cháy rừng là
cháy dưới tán, cháy tán rừng và cháy ngầm [1]:
+ Cháy dưới tán rừng là những đám cháy mà ngọn lửa lan tràn trên mặt
đất làm thiêu hủy một phần hoặc toàn bộ thảm mục, cành khô, lá rụng và
thảm cỏ, cây bụi... Nhiệt độ cháy có thể lên tới 400 0C. Đây là loại cháy rừng
phổ biến nhất ở Việt Nam, chiếm khoảng 97% tổng số vụ cháy rừng.

+ Cháy tán rừng là sự lan truyền của ngọn lửa trên tầng tán (ngọn) của
rừng, thường được phát triển từ cháy dưới tán lên. Khi cháy dưới tán ngọn lửa
đốt nóng và làm khô tán rừng sau đó cháy qua các cây tái sinh, cây bụi rồi


9
cháy lên tán rừng và ngọn lửa sẽ lan từ tán này sang tán khác. Nhiệt độ cháy
có thể lên tới 9000C. Loại cháy này thường đi kèm với gió mạnh hoặc lốc nên
tốc độ lan truyền nhanh, diện tích cháy rộng. Nó chiếm khoảng 2% trong tổng
số vụ cháy, nhưng thiệt hại là rất lớn đối với hệ sinh thái rừng.
+ Cháy ngầm là loại cháy mà ngọn lửa cháy lan dưới mặt đất làm tiêu
hủy lớp mùn, than bùn và tiêu hủy những vật liệu hữu cơ khác được tính lũy
dưới mặt đất trong nhiều năm. Đặc trưng của hình thức cháy này là cháy âm ỉ,
không có ngọn lửa và ít khói nên rất khó phát hiện. Loại cháy này gây thiệt
hại nghiêm trọng đối với tài nguyên rừng và hệ sinh thái rừng. Cháy ngầm
chiếm khoảng 1% trong số vụ cháy rừng, tốc độ của đám cháy rừng thường
rất chậm, đạt khoảng 0,5 – 5 m/ngày.
Việc phân loại cháy trên chỉ có tính tương đối. Trong thực tế có thể đồng
thời xảy ra ba loại cháy trên. Mỗi loại cháy có thể phát sinh độc lập nhưng có
thể chuyển hóa lẫn nhau.
1.1.2 Các nhân tố tự nhiên ảnh hướng đến cháy rừng [2]
- Nhiệt độ: nhiệt độ cao làm bốc hơi nước từ vật liệu cháy. Kết quả làm cho
vật liệu cháy bị khô. Từ đó cháy có thể xuất hiện.
- Độ ẩm: ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình cháy rừng. Độ ẩm
càng cao thì độ ẩm vật liệu cháy càng cao, càng khó gây cháy và ngược lại.
Khi không khí có độ ẩm thấp và nhiệt độ cao thì vật liệu cháy sẽ khô. Đây là
điều kiện thuận lợi cho quá trình cháy. Độ ẩm thể hiện ở 3 loại sau:
+ Độ ẩm không khí: Nhìn chung độ ẩm không khí ở các vùng rừng núi cao
hơn bên ngoài do sự thoát hơi nước của sinh vật trong quá trình hoạt động
sinh lý và do đất rừng bốc hơi nước, mặt khác do giới hạn bởi tán rừng nên

khó thoát ra ngoài.
+ Độ ẩm vật liệu cháy: Ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bén lửa


10
+ Độ ẩm đất: Độ ẩm này được tạo thành bởi lượng nước mưa đọng lại trên
mặt đất rừng, lượng nước thực tại trong tầng đất và lượng nước nhầm.
- Gió: gió có ảnh hưởng đến tốc độ lan truyền và hướng di chuyển của lửa.
Gió cũng làm vật liệu cháy khô nhanh hơn. Khi tốc độ gió đạt 6 – 7 km/h thì
tốc độ cháy sẽ tăng lên. Khi tốc độ gió đạt trên 15 km/h thì tốc độ và tính
nguy hiểm của cháy sẽ tăng lên nhanh. Tùy theo tốc độ gió, Kooper [2] đã đề
nghị hiệu chỉnh chỉ số nguy cơ cháy rừng P của Nexterov.
- Mưa: mưa làm tăng độ ẩm của vật liệu cháy. Ở Việt Nam, khi mưa nhỏ hơn
5 mm thì vật liệu cháy sẽ khô, và nguy cơ cháy rừng có thể xảy ra. Mưa trên 5
mm thì ít có nguy cơ cháy rừng.
- Vật liệu cháy: vật liệu cháy bao gồm thảm khô (cành, nhánh, lá, vỏ, hoa
quả…), cây khô, chà nhánh khô sau khi khai thác rừng, than bùn, thân cây và
cành lá còn tươi… Tính nguy hại của cháy rừng tăng lên cùng với sự gia tăng
vật liệu cháy.
- Vùng sinh thái: điều kiện khí hậu của các địa phương khác nhau có ảnh
hưởng đến cháy rừng. Ở Việt Nam, miền Nam có nhiệt độ cao quanh năm, với
hai mùa khô và mưa phân biệt khá rõ, trong đó mùa khô có thể kéo dài từ 4 –
7 tháng, đây cũng là mùa dễ phát sinh cháy rừng ở miền Nam. Trong khi đó,
miền Bắc, ở các tỉnh miền núi nơi tập trung nhiều diện tích rừng, thời tiết
hanh khô kéo dài và rét đậm, rét hại xảy ra ở nhiều nơi dẫn đến thảm bì khô,
nỏ, làm tăng vật liệu và nguy cơ gây cháy rừng. Ở miền Trung - Tây Nguyên,
vào mùa khô nóng khí hậu rất khắc nghiệt, nguy cơ cháy rừng cao [1].
- Địa hình ảnh hưởng đến kiểu khí hậu, gió, điều kiện bốc hơi nước của vật
liệu cháy hoặc chi phối quy mô, tốc độ lan tràn các đám cháy rừng; sườn đồi
dốc cũng dễ lây lan lửa so với địa hình bằng.

Khi có sự kiện cháy cũng làm thay đổi áp suất và sự tăng lên nồng độ các
khí thải như CO2, CO, SO2, NO2…


11
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO CHÁY RỪNG
1.2.1 Giới thiệu một số công nghệ sử dụng để phát hiện và cảnh báo
cháy rừng
Ngoài các phương pháp lạc hậu sử dụng sự quan sát của con người bằng
mắt thường, ngày nay con người đã ứng dụng các biện pháp kết hợp toán học,
khoa học kỹ thuật, máy móc để phát hiện cháy rừng.
Cháy rừng có quan hệ chặt chẽ với nhiều yếu tố như khí hậu (nhiệt độ
không khí, độ ẩm không khí, số giờ nắng, tốc độ gió mạnh…), địa hình, kiểu
rừng và đặc điểm nguồn vật liệu cháy (khối lượng vật liệu cháy, độ ẩm vật
liệu cháy). Vì thế, phương pháp dự báo nguy cơ cháy rừng có thể dựa trên
một hay nhiều yếu tố có quan hệ với cháy rừng. Có một số phương pháp phân
loại cấp cảnh báo cháy rừng như sau:
 dựa vào nhiệt độ không khí (T, 0C) và độ chênh lệch bão hòa độ ẩm

không khí (D) hằng ngày.
 dựa vào độ ẩm không khí thấp nhất và nhiệt độ không khí cao nhất
trong ngày.
 dựa vào số ngày khô hạn liên tục hoặc dựa theo độ ẩm tuyệt đối của vật
liệu cháy.
Dựa vào những nghiên cứu thực địa và những tài liệu nghiên cứu trước
đó để thống kê và mô tả những nguyên nhân gây ra cháy rừng. Tiếp theo, xác
định kết cấu vật liệu cháy dưới tán rừng. Sau đó, xác định khối lượng, độ ẩm
và hệ số bắt cháy của vật liệu cháy. Công đoạn xứ lý tính toán số liệu, sử dụng
các phương pháp toán học như thống kê, xây dựng các hàm phân loại tuyến
tính... để tạo ra các mô hình dự báo nguy cơ cháy rừng.

12
Một trong các công nghệ tiên tiến được sử dụng ngày nay trong việc phát
hiện và cảnh báo cháy rừng là công nghệ viễn thám, hệ thống thông tin địa lý
GIS, công nghệ định vị toàn cầu GPS, công nghệ mạng cảm biến không dây:
a. Viễn thám: là khoa học thu nhận, xử lý thông tin về các đối tượng trên
bề mặt trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với nó. Công nghệ này cho phép
thu nhận thông tin khách quan về bề mặt Trái đất, bề mặt biển và các hiện
tượng trong khí quyển nhờ các cảm biến được đặt trên máy bay, vệ tinh nhân
tạo hay tàu vũ trụ. Công nghệ viễn thám có những ưu việt cơ bản như: độ phủ
trùm không gian của tư liệu bao gồm các thông tin về tài nguyên, môi trường
trên diện tích rộng lớn của Trái đất; có khả năng giám sát sự biến đổi của tài
nguyên, môi trường Trái đất do chu kỳ quan trắc lặp lại liên tục trên cùng một
đối tượng trên mặt đất của các máy thu viễn thám. Khả năng này cho phép
công nghệ viễn thám ghi lại được các biến đổi của tài nguyên, môi trường
giúp công tác giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường có hiệu quả.
Một hệ thống khá nổi tiếng trong việc phát hiện cháy rừng dựa trên hình
ảnh vệ tinh là MODIS [14]. Nó nghiên cứu các hình ảnh chụp từ vệ tinh.
Nhưng điều kiện thời tiết cũng là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống
này. Ảnh quang học khi thu nhận thông tin chủ yếu dựa vào năng lượng mặt
trời nên khi thời tiết xấu thì sẽ không thu nhận được hoặc thu nhận kém.
Ngoài ra, mây và mưa sẽ hấp thụ các phần của phổ tần số và làm giảm độ
phân giải quang phổ của ảnh vệ tinh. Vì vậy, hiệu suất của hệ thống này thay
đổi rất nhiều. Vệ tinh có thể giám sát một vùng rộng lớn, nhưng độ phân giải
của hình ảnh vệ tinh là thấp. Chúng khó phát hiện được ngọn lửa nhỏ hoặc lúc
mới cháy ban đầu, ngọn lửa được phát hiện khi nó đã phát triển khá lớn, vì
vậy phát hiện theo thời gian thực có thể không được đáp ứng. Hơn nữa, các hệ
thống này là rất tốn kém.

13
b. Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic information system) là
một công cụ tập hợp những quy trình dựa trên máy tính để lập bản đồ, lưu trữ
và thao tác dữ liệu địa lý, phân tích các sự vật hiện tượng thực trên trái đất, dự
đoán tác động và hoạch định chiến lược.
c. Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ
thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc
phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời
điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được
khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh.
d. Xử lý ảnh: xử lý ảnh là phương pháp chuyển đổi một bức ảnh thành
dạng số và thực hiện một số hoạt động trên nó, để có được một hình ảnh nâng
cao hoặc trích xuất một số thông tin hữu ích từ nó. Phương pháp này có thể
phát hiện lửa và vị trí của nó một cách đầy đủ, với mức độ sai sót tương tự
như quan sát của con người.
e. Mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network): là một
kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận, tính toán và truyền thông
nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, giám sát một môi trường
xác định và có thể tác động lại các sự kiện, hiện tượng trong môi trường đó.
Đây là một trong những ngành công nghệ mới, phát triển nhanh chóng nhất,
với nhiều ứng dụng ở nhiều lĩnh vực: an ninh quốc phòng, môi trường, công
nghiệp, nông nghiệp, chăm sóc sức khỏe, các ứng dụng gia đình…
Các công nghệ trên có thể được sử dụng kết hợp, một hệ thống sẽ sử
dụng hình ảnh, dữ liệu thu được từ vệ tinh và thông qua GIS xử lý chúng để
phát hiện cháy rừng, và cuối cùng là sử dụng GPS để nhận biết vị trí có cháy
để đưa ra cảnh báo.
Với những ưu điểm về giá thành, độ chính xác, trang bị đơn giản, sử
dụng nguồn năng lượng hạn chế… WSN được xem được xem là một sự lựa

14
chọn thích hợp với chi phí thấp, phù hợp với quy mô giám sát của từng địa
phương. Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu sử dụng công nghệ mạng cảm
biến không dây phát hiện cháy rừng.
1.2.2 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi từ môi trường bên
ngoài và biến đổi thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác. Có
nhiều loại cảm biến khác nhau như: cảm biến nhiệt, cảm biến âm thanh, cảm
biến chuyển động, cảm biến hồng ngoại...
Mạng cảm biến không dây là một cấu trúc mạng được tạo ra bởi sự liên
kết của các nút cảm biến thông qua các kết nối không dây, trong đó các nút
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ($20 - $100), tiêu thụ
năng lượng ít, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt
động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có số lượng lớn, được phân bố một
cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt
động rộng), có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô
nhiễm, nhiệt độ...)… làm nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục
đích thu thập, tập trung dữ liệu để tạo khả năng quan sát, phân tích, đưa ra các
quyết định về môi trường tự nhiên và phản ứng lại với các sự kiện, hiện tượng
xảy ra trong môi trường.
Mạng cảm biến không dây bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử
dụng các liên kết không dây (sóng vô tuyến, sóng siêu âm, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối
tượng mục tiêu. Trong đó sóng vô tuyến cung cấp dải thông lớn với tốc độ dữ
liệu cao được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng của mạng không dây.
Mạng không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát
viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công
cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển

15
khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi
trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông
nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong
bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng
mạng cảm biến có dây truyền thống được.
Một cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm nhận, bộ
xử lý, bộ nhớ giới hạn, bộ thu phát không dây và nguồn nuôi. Các thành phần
trong một nút cảm biến được minh họa trên Hình 1.1. Kích thước của các cảm
biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi (mote), tùy
thuộc vào từng ứng dụng. Các số liệu mà hệ thống có thể thu thập có thể là
nồng độ khói, độ ẩm, nhiệt độ, tiếng ồn, mức độ ô nhiễm không khí… Tuỳ
theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như
hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động.
+ Bộ cảm nhận thường gồm hai thành phần là thiết bị cảm biến (sensor)
và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được từ các
cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số
bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý.
+ Bộ xử lý (processing unit), thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân
tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác để
phối hợp thực hiện nhiệm vụ.
+ Bộ thu phát (transciever unit) đảm bảo thông tin liên lạc giữa các nút
cảm biến. Mỗi cảm biến đều có một phạm vi phủ sóng nhất định hay gọi là
radio range, phạm vi này thế hiện khả năng truyền tin được trong bán kính xa
bao nhiêu.
+ Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn (power unit).
Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến
và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ