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基于火場(chǎng)感知的車(chē)載前線(xiàn)指揮系統
摘要：利用信息化手段對各類(lèi)設備、人員裝備等實(shí)施植入改造，采用面向對象的封裝功能設計，構建火場(chǎng)前線(xiàn)感知的信息對象�；�4G通信技術(shù)實(shí)現指揮車(chē)為中心的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，接收、管理、調度前線(xiàn)單兵圖傳、無(wú)人機偵查、火險因子采集、人員隊伍定位等感知信息，并通過(guò)設計開(kāi)發(fā)車(chē)載前線(xiàn)感知及調度系統實(shí)施火場(chǎng)前線(xiàn)的調度指揮及偵查聯(lián)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：信息化植入改造;基于4G應急通信;前線(xiàn)感知;無(wú)人機火場(chǎng)偵查;偵查聯(lián)動(dòng);面向對象功能封裝
一、森林防火業(yè)務(wù)特點(diǎn)
森林防火有其自身的特點(diǎn)，針對信息技術(shù)的運用也有著(zhù)完全不同于其他行業(yè)的需求。
1.1 突發(fā)性和應急性
森林火災的發(fā)生由多種因素造成，具有很大的偶然性。森林火險預警既不同于洪水氣象災害，可以觀(guān)測形成災害的漸變過(guò)程，也不同于交通事故，可以定量評估高風(fēng)險路段。森林火災固然有其內在規律，但往往由隨機事件觸發(fā)產(chǎn)生，很難準確預報。
森林火災發(fā)生初期，火情變化快，越早處置，控制越容易，損失也越小，即“打早、打小、打了”。這就體現了森林防火工作的應急性特點(diǎn)。它要求我們在火情發(fā)現的初期，做到快速、全面了解并通報火情信息，進(jìn)而集結隊伍，下達調度指令，實(shí)施處置。
1.2 區域廣闊性和信息分散性
無(wú)論是火險日常的監測，還是森林火災的撲救前線(xiàn)，都是在野外廣闊的區域內完成。系統需要的信息分散在崇山峻嶺之中;同時(shí)，系統管理的對象，例如人員、設備、物資等也分散在這個(gè)區域內。
森林防火工作需要采集、管理的數據類(lèi)型非常豐富。包括視頻采集設備獲取到的視頻信號、撲火隊伍之間的電話(huà)或對講機音頻、指揮員需要了解火場(chǎng)地形地貌的地圖數據、車(chē)輛人員定位的位置信息、火場(chǎng)環(huán)境狀況等信息。這些信息分別以不同的形態(tài)產(chǎn)生、用不同的方法獲取、在不同的載體上存在，并以不同的格式傳輸管理。
區域分布的分散，尤其是在環(huán)境惡劣、地形復雜的區域，形成信息通信傳輸困難;信息類(lèi)型與格式上的分散，也加劇了信息統一整合管理的難度和復雜度。兩者為構建信息化系統制造了巨大的客觀(guān)限制。
1.3 動(dòng)態(tài)性
更加重要的是，森林火災是個(gè)劇烈變化的過(guò)程，撲救指揮中的數據信息也具有很強的動(dòng)態(tài)性，各類(lèi)數據信息必然隨著(zhù)過(guò)程的推進(jìn)，不斷更新。例如描述火場(chǎng)態(tài)勢的過(guò)火面積、火燒跡線(xiàn)、隊伍位置、物資損耗等數據在較短的時(shí)間內大量產(chǎn)生，描述周邊環(huán)境的音視頻、氣象因子等數據也在不斷變化。
在實(shí)際的撲救指揮中，只有獲取動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、準確的信息，才能有效支撐科學(xué)決策。相反，靜態(tài)、滯后的信息不但沒(méi)有意義，而且具有很大的危害。
二、面向對象實(shí)施信息化植入改造
火場(chǎng)前線(xiàn)環(huán)境由各類(lèi)元素的實(shí)體綜合構成，每個(gè)實(shí)體都影響著(zhù)火場(chǎng)演變的進(jìn)程。筆者把火災撲救各個(gè)環(huán)節中的一些相對獨立的實(shí)體叫作對象，它們本身蘊含與火場(chǎng)相關(guān)的信息或影響，并且能夠被別的實(shí)體使用、操作或改變。對象可以是個(gè)人、設備、應用系統等撲救力量，也可以是林地、道路、火點(diǎn)等客觀(guān)事物。
那些本身具備或能夠產(chǎn)生信息化數據，并能夠對數據進(jìn)行一系列操作的實(shí)體，就是我們森林防火實(shí)戰指揮平臺所要面向的對象。信息系統可以面向的對象越多，指揮平臺對于火場(chǎng)態(tài)勢的掌握就越全面，指揮決策的準確高效就越有保障。
筆者通過(guò)開(kāi)發(fā)手機端的應用系統、車(chē)載嵌入式終端、單兵裝備加裝信息模塊等方式，并開(kāi)發(fā)基于穿戴式應用的設備，對火場(chǎng)對象實(shí)施信息化植入改造，將其整合到指揮平臺中，形成一套可以將觸覺(jué)深入火場(chǎng)一線(xiàn)、將指令傳達到單兵的一體化實(shí)戰指揮系統。
2.1 火場(chǎng)環(huán)境部署信息節點(diǎn)
針對實(shí)戰指揮的實(shí)際情況，越向前線(xiàn)延伸，越需要精確的信息化支撐，但是往往由于系統架構及網(wǎng)絡(luò )覆蓋的因素，越成為信息化的盲區。正是由于這樣的信息化需求與設計的怪圈，造成了大多數森林防火的指揮系統缺乏活性，甚至根本在實(shí)戰中無(wú)法起到應有的作用，浪費了國家大量的投資。
將信息盲點(diǎn)轉變?yōu)樾畔⒐濣c(diǎn)，讓構成火場(chǎng)環(huán)境的對象成為獲取信息、接收指令的信息終端，是解決信息指揮系統實(shí)戰需求的最終方案。
信息節點(diǎn)設計開(kāi)發(fā)具備如下功能：
首先，信息節點(diǎn)應在火場(chǎng)持續獲取相應的信息，并將信息按照實(shí)戰指揮平臺統一的格式規范要求進(jìn)行數據化處理，便于傳輸、存儲、管理;
其次，信息節點(diǎn)應能夠接受處理指揮平臺依據不斷匯集的火場(chǎng)信息分析處理后，下發(fā)、反饋來(lái)的信息或指令，實(shí)現信息數據的閉環(huán)處理;
最后，信息節點(diǎn)之間能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現相互信息交互。
2.2 面向對象封裝操作功能
面向對象的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，是將數據及與數據有關(guān)的所有操作封裝在一起。借用這個(gè)概念，將構成實(shí)戰指揮平臺的信息節點(diǎn)作為對象，將其產(chǎn)生的數據，以及與對象的交互操作進(jìn)行封裝設計。
由于火場(chǎng)因素的復雜多樣，所以我們需要控制的數據和指令也多種多樣;不同的信息技術(shù)手段與通信介質(zhì)完成不同類(lèi)型的數據和指令的操作。針對不同的功能，考慮采用不同的技術(shù)手段、不同的方法，這樣的設計思想我們稱(chēng)之為“面向過(guò)程”。
而我們的設計原則，則是實(shí)施封裝后，當這些不同的操作功能面向同一目標，我們可以面向對象直接操控或進(jìn)行數據交換時(shí)，而不必再關(guān)心具體的操作步驟、網(wǎng)絡(luò )通路、設備調用等技術(shù)手段。
例如，當一輛運兵車(chē)作為信息節點(diǎn)后，我們查詢(xún)車(chē)輛的信息、調閱其采集的視頻信號、對講機或手機通話(huà)、北斗短報文通信等等操作，我們都可以在指揮平臺界面上，直接選擇定位其上的圖標即可完成，而不用借助系統平臺范圍之外的技術(shù)、設備或其他系統實(shí)現，甚至需要在兩個(gè)系統之間通過(guò)人工或額外的導入導出操作。
三、系統功能設計
基于火場(chǎng)感知的車(chē)載前線(xiàn)指揮系統是火情前線(xiàn)現場(chǎng)指揮調度的信息平臺，用來(lái)完成應急前線(xiàn)指揮調度各項工作，是火災撲救現場(chǎng)的前線(xiàn)指揮調度中心。系統以通信指揮車(chē)或前線(xiàn)指揮所為載體，實(shí)現前線(xiàn)指揮與一線(xiàn)撲火隊伍的通信和視頻傳輸，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )同步數據至后方指揮中心，建立一條前線(xiàn)與指揮中心的數據鏈，到達前后方火災撲救信息互聯(lián)互通的目的，從而有效解決撲火隊伍聽(tīng)不到火災指揮調度命令，決策者看不到火場(chǎng)態(tài)勢的“聾”和“瞎”問(wèn)題。
森林防火車(chē)載前線(xiàn)指揮系統是后方指揮中心信息平臺的有機組成，依托通信指揮車(chē)為載體整合各種信息資源，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸(特殊情況下可通過(guò)衛星傳輸)將實(shí)時(shí)的圖像、聲音、位置等數據信息回傳到指揮中心，前線(xiàn)指揮利用獲取的各種信息資源，指導現場(chǎng)救援，形成前線(xiàn)綜合指揮單元。另外，還支持多調度臺協(xié)同調度，可以構建前線(xiàn)指揮和指揮中心實(shí)現異地協(xié)同調度，極大的提高協(xié)同撲火指揮的能力(圖1)。
3.1 構建火場(chǎng)前線(xiàn)感知系統
火場(chǎng)前線(xiàn)的數據動(dòng)態(tài)而多樣，系統利用不同技術(shù)手段，實(shí)時(shí)獲取火場(chǎng)信息，并將各類(lèi)信息相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而數字化的描述火場(chǎng)態(tài)勢，支持指揮決策。
系統根據不同類(lèi)型的感知，分別獲取視頻影像、音頻通訊、環(huán)境數據、目標定位等動(dòng)態(tài)信息，并以地理信息數據為背景統一展現，實(shí)現在同一場(chǎng)景下，描繪出全方位、多層面、動(dòng)態(tài)的火場(chǎng)態(tài)勢。
3.1.1 無(wú)線(xiàn)單兵應急圖傳系統(圖2) 無(wú)線(xiàn)單兵應急圖傳系統通過(guò)單兵背負操作與移動(dòng)指揮平臺之間實(shí)現實(shí)時(shí)點(diǎn)對點(diǎn)的音視頻傳輸。通過(guò)采集火場(chǎng)尤其是撲救現場(chǎng)環(huán)境的音視頻，以主觀(guān)視角讓指揮員直觀(guān)高效地掌握火場(chǎng)及人員動(dòng)態(tài)。
系統能夠在高速移動(dòng)環(huán)境下實(shí)現視頻、語(yǔ)音、數據等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)同步傳輸。具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、移動(dòng)性好、抗干擾和抗衰落能力強、傳輸數據率高、穩定性和可靠性突出等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。
3.1.2 基于無(wú)人機火場(chǎng)偵查系統(圖3) 無(wú)人機火場(chǎng)偵查系統可以讓指揮人員在撲火撲救過(guò)程各個(gè)環(huán)節，隨時(shí)起飛無(wú)人機，以垂直俯視角，觀(guān)察火場(chǎng)全局，了解火場(chǎng)態(tài)勢及人員隊伍分布情況，解決由于視角問(wèn)題可能忽視的危險和動(dòng)態(tài)。
無(wú)人機在森林防火的應用，可以涉及森林巡檢、近地偵查、指揮調度、余火清理、災損評估等整個(gè)過(guò)程。結合薊縣森林防火信息化建設的實(shí)際，我們在設計火情偵查無(wú)人機系統時(shí)，還應該考慮到與現有指揮平臺的整合，將無(wú)人機作為撲火指揮中火情采集的有效手段，成為整個(gè)指揮調度系統的有機組成部分。完成如下功能：
(1)森林火災巡檢
(2)近地偵查
(3)撲救指揮調度
(4)余火清理
(5)災損評估
3.1.3 火險因子采集系統 火險因子采集系統用于采集林區或火場(chǎng)的氣象因子數據。氣象各要素直接與火險等級有關(guān)。 根據使用場(chǎng)景，系統分為日常無(wú)人值守氣象站和手持式氣象采集系統。無(wú)人值守氣象站負責相關(guān)林區的日常數據監測，監控分析所在區域的火險等級。手持式氣象采集系統配備用于指揮車(chē)，撲火指揮時(shí)，動(dòng)態(tài)采集火場(chǎng)環(huán)境信息，成為火場(chǎng)感知系統的重要組成部分。
系統組成包括外圍森林火險監測氣象子站、一套完整的中心站數據收集、管理系統(站)、基于北斗通信與公網(wǎng)雙模的通訊系統。
火險監測站是由傳感器、數據采集器、通信模塊、防雷保護裝置、系統電源(含后備電池及充電單元)、密封機箱、支撐桿和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )軟件系統等八部分組成。系統支持北斗網(wǎng)絡(luò )及GPRS、GSM、3G無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)等通訊方式。該系統具有實(shí)效性高、可靠性好、強大的數據統計分析、子站質(zhì)量監控等諸多功能。
監測要素為風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫度、相對濕度、降水五種氣象要素(氣壓、地濕為可選要素)，可完成自動(dòng)供電、數據采集、存儲、通訊、數據分析等，能夠滿(mǎn)足災害性天氣監測和多種形式氣象服務(wù)的要求。
基于北斗通信的自動(dòng)氣象站(圖4)，是利用北斗的短報文功能，分包定時(shí)的將氣象數據傳輸到林業(yè)局控制中心，并在其氣象業(yè)務(wù)軟件上實(shí)時(shí)的顯示，此系統是雙向控制，上行數據可以遠程對氣象采集器進(jìn)行采集日期操作、清除采集器命令、采集器復位、采集器重啟等命令，下行數據每隔1小時(shí)氣象采集器自動(dòng)的向北斗數據進(jìn)行數據發(fā)送，基于北斗通信的自動(dòng)氣象站主要有以下一些特點(diǎn)：
(1)具有雙向通信功能，進(jìn)行遠程校時(shí)、控制;
(2)無(wú)人值守，氣象數據整點(diǎn)自動(dòng)上報;
(3)對氣象五要素(風(fēng)、溫、濕、壓、雨)數據進(jìn)行自動(dòng)采集。
3.1.4 護林員定位管理系統 “護林員定位管理系統”是智能手機或平板電腦(PAD)嵌入式技術(shù)與北斗技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，在林火撲救信息應用領(lǐng)域的邊界擴展，構建個(gè)人的移動(dòng)綜合信息平臺。它的裝備應用，使得一線(xiàn)戰斗人員由原來(lái)的信息盲點(diǎn)躍升為系統應用中的信息節點(diǎn)。前線(xiàn)人員通過(guò)它采集上報瞬息萬(wàn)變的火場(chǎng)動(dòng)態(tài)，時(shí)時(shí)接受指揮中心的指令調遣，從而真正實(shí)現系統的實(shí)戰調度指揮功能。
系統是以“日常巡護，防火應急”為目標。在日常管理過(guò)程中，以巡山護林為主要任務(wù)，記錄護林員的日常巡護軌跡、出勤情況等。發(fā)生森林火災后，則主要以配合撲火隊伍與前線(xiàn)指揮的需要，采集和上報火場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，感知火場(chǎng)信息，實(shí)現聯(lián)動(dòng)指揮。
通過(guò)嵌入式開(kāi)發(fā)與設備改造，針對撲火車(chē)輛、個(gè)人通信工具和其他裝備實(shí)施信息化植入，使其成為火場(chǎng)感知的有機組成部分，完成火場(chǎng)與指揮部的信息交互，有效的降低災害的損失和人員的風(fēng)險。護林員定位管理系統是將手持設備如筆記本電腦、PAD、智能手機等與北斗相結合，并利用現有的通信網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現在野外環(huán)境下的數據采集、地形查詢(xún)、實(shí)時(shí)通信等功能。
3.2 基于4G指揮車(chē)應急通信系統(圖5)
系統基于4G網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，以指揮車(chē)為中心，配合通信箱中繼組網(wǎng)，在火場(chǎng)前線(xiàn)快速構建自組網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現信息通信的動(dòng)態(tài)覆蓋。
同時(shí)指揮車(chē)亦作為森林防火信息平臺的通信中繼，一方面負責通信、接收火場(chǎng)各類(lèi)感知信息，多維度、多層面地監測火場(chǎng)動(dòng)態(tài)，另一方面利用公網(wǎng)、北斗或者衛星通信網(wǎng)絡(luò )與指揮中心信息同步，交互操作，實(shí)施指令的上產(chǎn)下達。
4G-LTE采用了先進(jìn)移動(dòng)通信技術(shù)，包括正交頻分復用(OFDMA)、自適應調制與解調技術(shù)、智能多天線(xiàn)技術(shù)(MIMO)、波束賦形技術(shù)、分布式發(fā)射與分級式接收技術(shù)、自適應重傳機制(HARQ)、發(fā)射功率自動(dòng)控制技術(shù)。利用這些技術(shù)，4G-LTE可以很好地滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)覆蓋面積廣、終端數量多、速率傳輸時(shí)延小、上行速率高、高安全性等關(guān)鍵要求，非常適合構建無(wú)線(xiàn)應急通信網(wǎng)。
無(wú)線(xiàn)寬帶集群行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)解決方案是基于成熟第四代移動(dòng)通信系統(4G)的技術(shù)平臺，采用OFDM、MIMO等多種TD-LTE先進(jìn)技術(shù)以及定制的專(zhuān)業(yè)寬帶集群技術(shù)，同時(shí)具有專(zhuān)業(yè)集群通信性能、高可靠性和高實(shí)時(shí)性數據傳輸以及多媒體調度的能力。無(wú)線(xiàn)寬帶集群專(zhuān)網(wǎng)解決方案可以承載火場(chǎng)前線(xiàn)各類(lèi)感知系統業(yè)務(wù)數據實(shí)時(shí)交互、協(xié)同作業(yè)的需要，尤其是音視頻信息的調度指揮、現場(chǎng)視頻回傳等多種業(yè)務(wù)。
3.3 車(chē)載前線(xiàn)感知及調度平臺系統
車(chē)載前線(xiàn)感知及調度平臺系統依托通信指揮車(chē)為載體整合各類(lèi)火場(chǎng)感知信息，是現場(chǎng)指揮調度的信息平臺，用來(lái)完成應急前線(xiàn)指揮調度各項工作，是火災撲救現場(chǎng)的前線(xiàn)指揮調度中心。系統以通信指揮車(chē)為載體，實(shí)現前線(xiàn)指揮與一線(xiàn)撲火隊伍的通信和視頻傳輸，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )同步數據至后方指揮中心，建立一條前線(xiàn)與指揮中心的數據鏈，到達前后方火災撲救信息互聯(lián)互通的目的，從而有效解決撲火隊伍聽(tīng)不到火災指揮調度命令，決策者看不到火場(chǎng)態(tài)勢的“聾”和“瞎”問(wèn)題。
系統主要以感知火場(chǎng)信息，第一時(shí)間獲取匯總全方位的火場(chǎng)綜合信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )快速傳輸至指揮中心應用系統。系統利用可觸控的GIS地理信息系統作為指揮調度系統。
前線(xiàn)感知及指揮調度平臺系統利用車(chē)載微波和無(wú)線(xiàn)3G技術(shù)建立視頻和指揮數據的通信網(wǎng)絡(luò )，功能上提供撲火隊伍北斗定位、查看車(chē)載微波視頻、調閱空間地理信息、協(xié)同撲火隊伍指揮調度等功能，在指揮前指完成火場(chǎng)區域資源的信息數據整合。
車(chē)載北斗指揮機可實(shí)現對現場(chǎng)持有北斗終端撲火隊伍進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并通過(guò)車(chē)載空間地理信息系統定位在地圖上，直觀(guān)了解隊伍分布，為隊伍調度指揮提供有力信息。
車(chē)載微波視頻主要用于接收無(wú)線(xiàn)圖傳回傳數據，實(shí)現移動(dòng)單兵視頻采集信息在指揮車(chē)即可調閱查看，為前線(xiàn)指揮提供第一手火災現場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面。
車(chē)載工作站用于部署森林防火車(chē)載前指系統，用于整合指揮前指異構信息系統，提供空間地理信息、北斗短報文首發(fā)、撲火指揮等功能，實(shí)現前線(xiàn)協(xié)同指揮，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò )同步相關(guān)火災信息數據至林業(yè)局指揮中心，建立前后端數據信息鏈的雙向通信。
系統采用可觸控GIS平臺實(shí)現對基礎地理信息、遙感衛星圖片、航拍數據以及防火專(zhuān)題空間等數據進(jìn)行統一加載，實(shí)現數據的分層管理，利用多點(diǎn)可觸控的方式直接操作地圖進(jìn)行前線(xiàn)指揮。
3.4 偵查聯(lián)動(dòng)觸控展示系統
系統利用車(chē)載觸控屏實(shí)現前指與火場(chǎng)信息對象的在線(xiàn)聯(lián)動(dòng)。將構成火場(chǎng)撲救體系的各類(lèi)、各級目標以直觀(guān)的圖標方式標繪在影像地圖背景下(圖6)。
動(dòng)態(tài)管理與指揮車(chē)建立網(wǎng)絡(luò )通信的前線(xiàn)信息對象。包括多路視頻、指揮席的連線(xiàn)開(kāi)閉、選擇多路車(chē)輛、人員、火場(chǎng)感知系統的連線(xiàn)、調用等。
基于面向對象操作功能封裝，我們將功能鍵直接標注在信息對象之上，讓指揮人員僅關(guān)注所需了解、管理、調度的對象本身，而不再關(guān)心功能實(shí)現的具體操作步驟。前線(xiàn)人員實(shí)施火場(chǎng)感知信息的偵查采集時(shí)，操作配套的偵查終端系統的同時(shí)，車(chē)載觸控屏完成同步界面的展現，讓動(dòng)態(tài)信息直觀(guān)、直接、實(shí)時(shí)展現在火場(chǎng)態(tài)勢中。
系統提供決策席聯(lián)動(dòng)批注功能，即決策領(lǐng)導可以通過(guò)客戶(hù)端系統，將批示、標注、輔助繪制等操作結果聯(lián)動(dòng)展現在大屏上，方便會(huì )商決策與指示傳達。
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