湖南省森林消防航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

周 濤， 黃向東， 張 雷， 湯 穎， 孫玉榮

(1.湖南省森林消防航空護(hù)林站， 湖南 長(zhǎng)沙 410300； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

湖南省森林消防航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

周 濤1， 黃向東1， 張 雷1， 湯 穎1， 孫玉榮2

(1.湖南省森林消防航空護(hù)林站， 湖南 長(zhǎng)沙 410300； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

介紹了森林航空消防的基本含義，分析了計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)在航空護(hù)林中的重要性。針對(duì)航空護(hù)林工作的特點(diǎn)，探討了使用基于GPS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)消防飛機(jī)的調(diào)度指揮。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)消防飛機(jī)智能定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控、軌跡回放、火場(chǎng)信息傳輸、語(yǔ)音通信、火場(chǎng)標(biāo)繪、統(tǒng)計(jì)和分析等功能，在很大程度上促進(jìn)了航空護(hù)林調(diào)度指揮信息化管理。同時(shí)，對(duì)森林航空消防信息化建設(shè)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了分析和展望。

航空護(hù)林； 森林消防； 信息系統(tǒng)； 調(diào)度指揮

森林航空消防是利用消防飛機(jī)對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行預(yù)防和撲救的一種重要手段，是一項(xiàng)高科技、高投入、高效益的工作，具有火情發(fā)現(xiàn)早、報(bào)告準(zhǔn)、行動(dòng)快、滅在小等優(yōu)越性[1-2]。我國(guó)森林航空消防歷來(lái)受到了黨中央、國(guó)務(wù)院的高度重視和社會(huì)的廣泛關(guān)注。森林航空消防信息化作為森林航空消防工作的重要環(huán)節(jié)，是森林航空消防工作轉(zhuǎn)變管理方式、推進(jìn)現(xiàn)代防火建設(shè)的重要基礎(chǔ)，是一項(xiàng)集技術(shù)工程、管理工程和應(yīng)用工程相結(jié)合、較復(fù)雜的系統(tǒng)工程[2-3]。目前使用中的航空護(hù)林業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)存在設(shè)施昂貴、操作繁瑣、性能不可靠等問(wèn)題[3]。鑒此，構(gòu)建一套符合湖南省森林消防航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

建立森林防火信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在湖南省基礎(chǔ)電子地圖之上，增加河流水系(河流和水庫(kù))、林場(chǎng)、臨時(shí)起降點(diǎn)等與直升機(jī)巡護(hù)、吊桶滅火相關(guān)的地理信息數(shù)據(jù)，提高航空護(hù)林輔助決策的準(zhǔn)確性。

收集數(shù)據(jù)并傳輸。通過(guò)GPS技術(shù)收集飛行的參數(shù)特性，包括經(jīng)緯度、高度、方向、速度等，并通過(guò)2G/3G網(wǎng)絡(luò)將信息實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)端，如無(wú)網(wǎng)絡(luò)則實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)保存，有網(wǎng)絡(luò)再自動(dòng)上傳。

提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。包括歷史數(shù)據(jù)查詢、飛行軌跡回放、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、報(bào)表生成、統(tǒng)計(jì)圖表、權(quán)限管理等[4]。

實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、文字、照片的實(shí)時(shí)傳輸交流。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖南省航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)以定位數(shù)據(jù)采集、GIS服務(wù)、護(hù)航/救援服務(wù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、權(quán)限管理為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)，用于護(hù)航飛機(jī)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)通訊、航線管理等，實(shí)現(xiàn)森林航空消防的可視化指揮，提升湖南航空護(hù)林站對(duì)飛行調(diào)度的管理水平，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)準(zhǔn)確性和精度，提高輔助決策的準(zhǔn)確性。

根據(jù)前期充分調(diào)研和需求分析，結(jié)合湖南省航空護(hù)林實(shí)際情況，該系統(tǒng)采用瀑布模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為Web客戶端和Android平板端兩部分，其中Web客戶端用于調(diào)度員、系統(tǒng)管理員等操作，而Android平板主要是用于空中觀察員飛行過(guò)程中的實(shí)際操作。該系統(tǒng)以穩(wěn)定可靠、實(shí)用先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)為建設(shè)原則，主要經(jīng)歷總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)分析與設(shè)計(jì)三個(gè)階段[5]。

2.1 總體設(shè)計(jì)

湖南省航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)目的是為更科學(xué)的規(guī)劃航空護(hù)林航線、統(tǒng)計(jì)航空護(hù)林相關(guān)數(shù)據(jù)、解決我省航空護(hù)林工作中調(diào)度員和空中觀察員的信息交流障礙、實(shí)時(shí)傳輸火場(chǎng)數(shù)據(jù)以及上報(bào)巡護(hù)過(guò)程中的突發(fā)情況，為上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)指揮火災(zāi)撲滅提升更加科學(xué)的決策。本著安全、可靠、實(shí)用、先進(jìn)和可擴(kuò)展、系統(tǒng)開(kāi)放性等基本原則。系統(tǒng)分別采用了C/S和B/S的模式，以J2EE為技術(shù)平臺(tái)構(gòu)架，利用Java、Flex、GPS、3G等技術(shù)，構(gòu)建航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)分析階段最重要的成果。通過(guò)結(jié)構(gòu)化分析可以確定該系統(tǒng)的各個(gè)模塊結(jié)構(gòu)和接口描述[5]。該系統(tǒng)Web端采用的是B/S模式，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息交流、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理四個(gè)部分，其中實(shí)時(shí)監(jiān)控又包含軌跡回放和任務(wù)監(jiān)控兩功能，信息交流分為火場(chǎng)照片和通訊兩功能，數(shù)據(jù)管理包含航線設(shè)置、地理信息、飛機(jī)參數(shù)、飛行計(jì)劃、飛行日?qǐng)?bào)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，系統(tǒng)管理主要是系統(tǒng)配置、人員管理、地圖配置功能。Android平板端采用C/S模式，包括拍照、通訊、火情上報(bào)、地圖、系統(tǒng)設(shè)置五個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System general function structure diagram

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

詳細(xì)設(shè)計(jì)是對(duì)該系統(tǒng)構(gòu)架的進(jìn)一步細(xì)化，對(duì)每一個(gè)模塊的程序流程、人機(jī)界面、性能要求等方面自頂向下，逐步求精[6]。

2.2.1 程序流程設(shè)計(jì) 限于篇幅，此處僅以火場(chǎng)照片采集為例，采用程序流程圖的形式描述照片采集功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行開(kāi)始，通過(guò)平板自帶的GPS模塊，獲取消防飛機(jī)當(dāng)前所處位置的經(jīng)緯度、方向角、高度、速度等相關(guān)參數(shù)，當(dāng)遇到火情時(shí)，空中觀察中可通過(guò)該系統(tǒng)調(diào)用平板自帶的拍照程序，將所拍照片再利用與指北針進(jìn)行拼合，當(dāng)所在位置(高度)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，則數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至服務(wù)器；如沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，則將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地(平板)，并添加到“自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)程”進(jìn)行隊(duì)列排序，待有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)再依次上傳至服務(wù)器。該功能模塊的程序流程圖如圖3所示。

圖3 照片采集功能模塊程序流程圖Fig.3 The flow chart of photo collection function module program

2.2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)是基于Java平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，Web前端用的是Flex開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，F(xiàn)lex是Adobe公司開(kāi)發(fā)的支持RIA開(kāi)發(fā)和部署的技術(shù)產(chǎn)品，借助于Flex強(qiáng)大功能能夠開(kāi)發(fā)出富有交互性和標(biāo)簽的用戶界面。該系統(tǒng)就是采用Flex和Java來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，使系統(tǒng)界面風(fēng)格保持一致，同時(shí)具有可使用性、靈活性和可靠性等特性。

2.2.3 系統(tǒng)性能及安全方面設(shè)計(jì)的要求

(1)系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的可恢復(fù)性和容錯(cuò)性。能夠?qū)斎胄畔⑦M(jìn)行檢查、對(duì)非法輸入有出錯(cuò)提示，保證數(shù)據(jù)的完整性，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)操作，在無(wú)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)較差的情況下，能實(shí)現(xiàn)巡護(hù)或撲救結(jié)束后，離線數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存、上傳。

(2)系統(tǒng)應(yīng)有較好的易學(xué)性和易操作性。系統(tǒng)所有模塊應(yīng)風(fēng)格統(tǒng)一，界面友好直觀，易學(xué)易用，對(duì)于常用數(shù)據(jù)要有自動(dòng)完成、選擇下拉功能，操作應(yīng)盡可能自動(dòng)化、智能化、簡(jiǎn)單化。

(3)系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的可靠性。在滿足功能的前提下，盡可能提高系統(tǒng)運(yùn)行和操作的效率。

(4)系統(tǒng)具備較好的可移植性。客戶端能夠支持目前通用的各類操作系統(tǒng)環(huán)境，包括Windows系列平臺(tái)、Android手機(jī)平臺(tái)等，具備開(kāi)放性，提供完整規(guī)范的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)接口，能夠滿足主流平臺(tái)和跨平臺(tái)快速應(yīng)用開(kāi)發(fā)的需求。

(5)系統(tǒng)具備較高的安全性。由于有地形圖等涉密信息，除了在系統(tǒng)權(quán)限上進(jìn)行控制外，還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名在內(nèi)的多種安全措施，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)分析與設(shè)計(jì)

森林航空消防信息化建設(shè)應(yīng)該以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)、應(yīng)用為向?qū)?，在建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，要加強(qiáng)信息源及信息庫(kù)建設(shè)[7]。湖南省森林消防航空護(hù)林調(diào)度指揮系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)源的支撐，因此，數(shù)據(jù)庫(kù)的分析與設(shè)計(jì)也就顯得尤為重要了。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的任務(wù)是針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)部署的硬件環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境和操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等軟件環(huán)境下，創(chuàng)建一個(gè)性能良好的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能有效地存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，滿足各類用戶的需求[8]。

在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于理解和接受，詳細(xì)說(shuō)明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表達(dá)語(yǔ)義，首先是根據(jù)航空護(hù)林業(yè)務(wù)工作中抽象出實(shí)體集和實(shí)體集之間的聯(lián)系，并用E-R圖來(lái)表示抽象出來(lái)的概念數(shù)據(jù)模型，對(duì)E-R模型進(jìn)行驗(yàn)證后，將E-R圖轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型(即關(guān)系模式)，然后進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)工作[9]。該系統(tǒng)統(tǒng)的E-R模型如下：

圖4 系統(tǒng)E-R圖(部分)Fig.4 System E-R(part)

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是Oracle 11g，數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例為orcl，數(shù)據(jù)庫(kù)部署環(huán)境為linux，數(shù)據(jù)表命名規(guī)則為：英文(表的用途)+下劃線+英文，用相關(guān)屬性的英文名或拼音來(lái)命名字段名。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)有AIRWAY(航路圖表)、FIRE_UPLOAD(文件上傳表)、FIRE_DETECTION_REPORT(火情偵查報(bào)告單表)、FLIGHT_DAILY_REPORT(飛行日?qǐng)?bào)表)、PLANE_TYPE(機(jī)型表)、GIS_RESOURCE(GIS資源表，含水庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、森林公園等)、PLOT_ENTRY(火場(chǎng)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪圖表)、FLIGHT_DATA(飛行數(shù)據(jù)表，記錄飛行過(guò)程中上傳的位置、速度、高度等信息)、LOG_ENTRY(值班日志表)等共22個(gè)表，限于篇幅原因，在此不一一說(shuō)明。以機(jī)型表為例，該表包含8個(gè)字段，分別如表1所示：

表1 層類型Tab.1 PLANE_TYPE字段名稱數(shù)據(jù)類型為空Y/N說(shuō)明默認(rèn)值IDNUMBER(22)N主鍵IDCODEVARCHAR2(12)Y機(jī)型NAMEVARCHAR2(150)Y機(jī)號(hào)TAKEOFF_WEIGHTNUMBER(22)Y起飛重量MAX_SPEEDNUMBER(22)Y最大速度ECONOMIC_SPEEDNUMBER(22)Y經(jīng)濟(jì)速度MAX_HEIGHTNUMBER(22)Y最大高度MAX_RANGENUMBER(22)Y最遠(yuǎn)距離

數(shù)據(jù)庫(kù)建立之后，還有很多后續(xù)工作需要完成。例如：在模式和子模式中加入數(shù)據(jù)庫(kù)安全性、完整性的描述，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的試運(yùn)行，并在試運(yùn)行中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)庫(kù)的正式投入使用標(biāo)志著數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)階段的開(kāi)始。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

該系統(tǒng)是基于Java平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)：Adobe flex builder、arcGIS、Oracle 11g、Eclipse、tomcat6.0。

(2)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

1.UI表現(xiàn)層

該系統(tǒng)采用Flex組件開(kāi)發(fā)前臺(tái)界面，使前端布局更加美觀、簡(jiǎn)單、快速。Flex使用一種可以在Adobe flex中布局用戶界面組件的一種xml語(yǔ)言——mxml，通過(guò)mxml聲明定義程序中的非可視 化組件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器端數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)以及用戶界面組件和數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)綁定。

2.業(yè)務(wù)邏輯層

該系統(tǒng)的邏輯層是基于一個(gè)輕量級(jí)的業(yè)務(wù)層框架Spring實(shí)現(xiàn)的，Sping框架的核心和基礎(chǔ)是Ioc，Ioc將數(shù)據(jù)持久層的DAO注入到業(yè)務(wù)邏輯層。

3.數(shù)據(jù)持久層

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)持久層采用的是目前最流行的開(kāi)源ORM框架Hibernate，它對(duì)于JDBC做了輕量級(jí)封閉，不僅提供ORM映射服務(wù)，還提供數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)緩存等具體的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)處理操作。

4 結(jié)論與討論

系統(tǒng)建成后，分別在k-32、M171、M-8等中大型直升機(jī)上得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)沙、株洲、湘潭、婁底、衡陽(yáng)、岳陽(yáng)、益陽(yáng)、張家界、邵陽(yáng)、懷化等市的自然保護(hù)區(qū)、森林公園、國(guó)有林場(chǎng)、風(fēng)景名勝區(qū)、重點(diǎn)林區(qū)和重點(diǎn)火災(zāi)區(qū)巡護(hù)偵察，能實(shí)時(shí)監(jiān)控消防飛機(jī)位置和狀態(tài)、瀏覽消防飛機(jī)飛行軌跡數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)飛行小時(shí)數(shù)和公里數(shù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字和語(yǔ)音的遠(yuǎn)程調(diào)度指揮、能保存和查看火場(chǎng)照片并標(biāo)明坐標(biāo)與方向。系統(tǒng)使用方便、靈活、實(shí)用、可操作性強(qiáng)，大大提升了我省森林消防航空護(hù)林調(diào)度管理水平，達(dá)到了系統(tǒng)建設(shè)的預(yù)期目的。

在全國(guó)林業(yè)信息化浪潮的推動(dòng)下，森林航空消防信息化建設(shè)也不斷發(fā)展和進(jìn)步，不久的將來(lái)，我國(guó)的森林航空消防在火情處理速度、火情定位精度、火情處理能力、調(diào)度指揮管理信息化水平以及航空直接撲火能力等各方面都將更加蓬勃地發(fā)展[10]。

[1] 國(guó)家森林防火指揮部辦公室.森林航空消防[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[2] 魏振宇.航空護(hù)林在森林防火中的作用[J].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1995.

[3] 魏光興.關(guān)于我國(guó)航空護(hù)林的發(fā)展探究[J].林業(yè)科學(xué)，2015,35(4):62-62.

[4] 李土生、楊幼平、賈偉江，等.浙江省森林防火地理信息指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2002.19(3):273-276.

[5] 史濟(jì)民.軟件工程——原理、方法與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2009.

[6] 胡圣明、禇華.軟件設(shè)計(jì)師教程[M].(第三版)，北京：清華大學(xué)出版社.2009.

[7] 國(guó)家林業(yè)局.森林航空消防工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[S].(第一版)，北京：中國(guó)林業(yè)出版社.2014.

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[9] 申廣榮，錢振華，黃秀梅，等.綠葉菜安全生產(chǎn)HACCP管理系統(tǒng)ER模型的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2010,28(5):470-473.

[10] 鄭玉林，任國(guó)祥.中國(guó)航空護(hù)林[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1995.

TheaerialforestfireprotectiondispatchcontrolsystemconstructionofHunanProvince

ZHOU Tao1， HUAN Xiangdong1， ZHANG Lei1， TANG Ying1， SUN Yurong2

(1.Hunan Aerial Forest Fire Protection Station， Changsha 410300， China；2.Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

Introduce the basic meaning of the aerial forest fire prevention，and analyze the importance of the computer technology，GIS technology in aerial forest fire protection.Based the characteristics of aerial forest fire protection，research the dispatch control on the GIS platform with the GPS technology，web technology and Database technology.This system implemented the functions of smart positioning，real-time monitoring，trajectory playback，fire information transmission，voice communication，fire plotted，statistical and analysis etc.Promoted the aerial forest fire protection dispatch control information management.And based the characteristics of GIS technology，analysis and outlook the prospects of the aerial forest fire protection based on GIS.

the aerial forest fire protection； forest fire prevention； information system； dispatch control

2015-08-02

國(guó)家948項(xiàng)目(2014-04-09)。

周 濤(1986-)，男，信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)項(xiàng)目管理、軟件工程等。

S 762.6, TP 18

A

1003 — 5710(2015)06 — 0136 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 06. 027

(文字編校：楊 駿)