基于火場感知的車載前線指揮系統(tǒng)

付立紅+盧勇+劉捷+閆志強+高洋

摘 ? ?要：利用信息化手段對各類設(shè)備、人員裝備等實施植入改造，采用面向?qū)ο蟮姆庋b功能設(shè)計，構(gòu)建火場前線感知的信息對象?；?G通信技術(shù)實現(xiàn)指揮車為中心的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，接收、管理、調(diào)度前線單兵圖傳、無人機偵查、火險因子采集、人員隊伍定位等感知信息，并通過設(shè)計開發(fā)車載前線感知及調(diào)度系統(tǒng)實施火場前線的調(diào)度指揮及偵查聯(lián)動。

關(guān)鍵詞：信息化植入改造;面向?qū)ο蠊δ芊庋b;基于4G應(yīng)急通信;前線感知;無人機火場偵查;偵查聯(lián)動

中圖分類號：U463.67 ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.12.031

Front Vehicle Fire Command System Based on Perception

FU Li-hong1，LU Yong2，LIU Jie3，YAN Zhi-qiang1，GAO Yang1

（1.Forestry Bureau of Jixian in Tianjin， Jixian，Tianjin 301900，China;2.Anhui four hit electronic Limited by Share Limited ， Hefei，Anhui 230000， China;3.Tianjin Forestry Bureau， Tianjin 300074， China）

Abstract： Use of information technology for the implementation of various types of equipment， personnel and equipment and other implanted transformation， object-oriented package functional design， build fire front perceived information object. 4G communication technology-based command car-centric network environment， reception， management， scheduling， front man image transmission， the UAV detection， fire factor acquisition， staff positioning awareness information， and through the design and development of automotive front-aware scheduling system dispatching the implementation of the fire front and Investigative linkage.

Key words：informatization implant reconstruction;object-oriented function encapsulation;based on the 4G emergency communication;the front perception;the front perception;investigation of linkage

1 森林防火業(yè)務(wù)特點

森林防火有其自身的特點，針對信息技術(shù)的運用也有著完全不同于其他行業(yè)的需求。

1.1 突發(fā)性和應(yīng)急性

森林火災(zāi)的發(fā)生由多種因素造成，具有很大的偶然性。森林火險預(yù)警既不同于洪水氣象災(zāi)害，可以觀測形成災(zāi)害的漸變過程，也不同于交通事故，可以定量評估高風(fēng)險路段。森林火災(zāi)固然有其內(nèi)在規(guī)律，但往往由隨機事件觸發(fā)產(chǎn)生，很難準(zhǔn)確預(yù)報。

森林火災(zāi)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(xiàn)了森林防火工作的應(yīng)急性特點。它要求我們在火情發(fā)現(xiàn)的初期，做到快速、全面了解并通報火情信息，進而集結(jié)隊伍，下達調(diào)度指令，實施處置。

1.2 區(qū)域廣闊性和信息分散性

無論是火險日常的監(jiān)測，還是森林火災(zāi)的撲救前線，都是在野外廣闊的區(qū)域內(nèi)完成。系統(tǒng)需要的信息分散在崇山峻嶺之中;同時，系統(tǒng)管理的對象，例如人員、設(shè)備、物資等也分散在這個區(qū)域內(nèi)。

森林防火工作需要采集、管理的數(shù)據(jù)類型非常豐富。包括視頻采集設(shè)備獲取到的視頻信號、撲火隊伍之間的電話或?qū)χv機音頻、指揮員需要了解火場地形地貌的地圖數(shù)據(jù)、車輛人員定位的位置信息、火場環(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(qū)域分布的分散，尤其是在環(huán)境惡劣、地形復(fù)雜的區(qū)域，形成信息通信傳輸困難;信息類型與格式上的分散，也加劇了信息統(tǒng)一整合管理的難度和復(fù)雜度。兩者為構(gòu)建信息化系統(tǒng)制造了巨大的客觀限制。

1.3 動態(tài)性

更加重要的是，森林火災(zāi)是個劇烈變化的過程，撲救指揮中的數(shù)據(jù)信息也具有很強的動態(tài)性，各類數(shù)據(jù)信息必然隨著過程的推進，不斷更新。例如描述火場態(tài)勢的過火面積、火燒跡線、隊伍位置、物資損耗等數(shù)據(jù)在較短的時間內(nèi)大量產(chǎn)生，描述周邊環(huán)境的音視頻、氣象因子等數(shù)據(jù)也在不斷變化。

在實際的撲救指揮中，只有獲取動態(tài)、實時、準(zhǔn)確的信息，才能有效支撐科學(xué)決策。相反，靜態(tài)、滯后的信息不但沒有意義，而且具有很大的危害。

2 面向?qū)ο髮嵤┬畔⒒踩敫脑?

火場前線環(huán)境由各類元素的實體綜合構(gòu)成，每個實體都影響著火場演變的進程。筆者把火災(zāi)撲救各個環(huán)節(jié)中的一些相對獨立的實體叫作對象，它們本身蘊含與火場相關(guān)的信息或影響，并且能夠被別的實體使用、操作或改變。對象可以是個人、設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)等撲救力量，也可以是林地、道路、火點等客觀事物。

那些本身具備或能夠產(chǎn)生信息化數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進行一系列操作的實體，就是我們森林防火實戰(zhàn)指揮平臺所要面向的對象。信息系統(tǒng)可以面向的對象越多，指揮平臺對于火場態(tài)勢的掌握就越全面，指揮決策的準(zhǔn)確高效就越有保障。

筆者通過開發(fā)手機端的應(yīng)用系統(tǒng)、車載嵌入式終端、單兵裝備加裝信息模塊等方式，并開發(fā)基于穿戴式應(yīng)用的設(shè)備，對火場對象實施信息化植入改造，將其整合到指揮平臺中，形成一套可以將觸覺深入火場一線、將指令傳達到單兵的一體化實戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。

2.1 火場環(huán)境部署信息節(jié)點

針對實戰(zhàn)指揮的實際情況，越向前線延伸，越需要精確的信息化支撐，但是往往由于系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)覆蓋的因素，越成為信息化的盲區(qū)。正是由于這樣的信息化需求與設(shè)計的怪圈，造成了大多數(shù)森林防火的指揮系統(tǒng)缺乏活性，甚至根本在實戰(zhàn)中無法起到應(yīng)有的作用，浪費了國家大量的投資。

將信息盲點轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒐?jié)點，讓構(gòu)成火場環(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(tǒng)實戰(zhàn)需求的最終方案。

信息節(jié)點設(shè)計開發(fā)具備如下功能：

首先，信息節(jié)點應(yīng)在火場持續(xù)獲取相應(yīng)的信息，并將信息按照實戰(zhàn)指揮平臺統(tǒng)一的格式規(guī)范要求進行數(shù)據(jù)化處理，便于傳輸、存儲、管理;

其次，信息節(jié)點應(yīng)能夠接受處理指揮平臺依據(jù)不斷匯集的火場信息分析處理后，下發(fā)、反饋來的信息或指令，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的閉環(huán)處理;

最后，信息節(jié)點之間能夠通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相互信息交互。

2.2 面向?qū)ο蠓庋b操作功能

面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)技術(shù)，是將數(shù)據(jù)及與數(shù)據(jù)有關(guān)的所有操作封裝在一起。借用這個概念，將構(gòu)成實戰(zhàn)指揮平臺的信息節(jié)點作為對象，將其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及與對象的交互操作進行封裝設(shè)計。

由于火場因素的復(fù)雜多樣，所以我們需要控制的數(shù)據(jù)和指令也多種多樣;不同的信息技術(shù)手段與通信介質(zhì)完成不同類型的數(shù)據(jù)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(shè)計思想我們稱之為“面向過程”。

而我們的設(shè)計原則，則是實施封裝后，當(dāng)這些不同的操作功能面向同一目標(biāo)，我們可以面向?qū)ο笾苯硬倏鼗蜻M行數(shù)據(jù)交換時，而不必再關(guān)心具體的操作步驟、網(wǎng)絡(luò)通路、設(shè)備調(diào)用等技術(shù)手段。

例如，當(dāng)一輛運兵車作為信息節(jié)點后，我們查詢車輛的信息、調(diào)閱其采集的視頻信號、對講機或手機通話、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(biāo)即可完成，而不用借助系統(tǒng)平臺范圍之外的技術(shù)、設(shè)備或其他系統(tǒng)實現(xiàn)，甚至需要在兩個系統(tǒng)之間通過人工或額外的導(dǎo)入導(dǎo)出操作。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于火場感知的車載前線指揮系統(tǒng)是火情前線現(xiàn)場指揮調(diào)度的信息平臺，用來完成應(yīng)急前線指揮調(diào)度各項工作，是火災(zāi)撲救現(xiàn)場的前線指揮調(diào)度中心。系統(tǒng)以通信指揮車或前線指揮所為載體，實現(xiàn)前線指揮與一線撲火隊伍的通信和視頻傳輸，并通過無線網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù)至后方指揮中心，建立一條前線與指揮中心的數(shù)據(jù)鏈，到達前后方火災(zāi)撲救信息互聯(lián)互通的目的，從而有效解決撲火隊伍聽不到火災(zāi)指揮調(diào)度命令，決策者看不到火場態(tài)勢的“聾”和“瞎”問題。

森林防火車載前線指揮系統(tǒng)是后方指揮中心信息平臺的有機組成，依托通信指揮車為載體整合各種信息資源，通過無線傳輸（特殊情況下可通過衛(wèi)星傳輸）將實時的圖像、聲音、位置等數(shù)據(jù)信息回傳到指揮中心，前線指揮利用獲取的各種信息資源，指導(dǎo)現(xiàn)場救援，形成前線綜合指揮單元。另外，還支持多調(diào)度臺協(xié)同調(diào)度，可以構(gòu)建前線指揮和指揮中心實現(xiàn)異地協(xié)同調(diào)度，極大的提高協(xié)同撲火指揮的能力（圖1）。

3.1 構(gòu)建火場前線感知系統(tǒng)

火場前線的數(shù)據(jù)動態(tài)而多樣，系統(tǒng)利用不同技術(shù)手段，實時獲取火場信息，并將各類信息相關(guān)聯(lián)，進而數(shù)字化的描述火場態(tài)勢，支持指揮決策。

系統(tǒng)根據(jù)不同類型的感知，分別獲取視頻影像、音頻通訊、環(huán)境數(shù)據(jù)、目標(biāo)定位等動態(tài)信息，并以地理信息數(shù)據(jù)為背景統(tǒng)一展現(xiàn)，實現(xiàn)在同一場景下，描繪出全方位、多層面、動態(tài)的火場態(tài)勢。

3.1.1 無線單兵應(yīng)急圖傳系統(tǒng)（圖2） 無線單兵應(yīng)急圖傳系統(tǒng)通過單兵背負操作與移動指揮平臺之間實現(xiàn)實時點對點的音視頻傳輸。通過采集火場尤其是撲救現(xiàn)場環(huán)境的音視頻，以主觀視角讓指揮員直觀高效地掌握火場及人員動態(tài)。

系統(tǒng)能夠在高速移動環(huán)境下實現(xiàn)視頻、語音、數(shù)據(jù)等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的實時同步傳輸。具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、移動性好、抗干擾和抗衰落能力強、傳輸數(shù)據(jù)率高、穩(wěn)定性和可靠性突出等顯著優(yōu)點。

3.1.2 基于無人機火場偵查系統(tǒng)（圖3） 無人機火場偵查系統(tǒng)可以讓指揮人員在撲火撲救過程各個環(huán)節(jié)，隨時起飛無人機，以垂直俯視角，觀察火場全局，了解火場態(tài)勢及人員隊伍分布情況，解決由于視角問題可能忽視的危險和動態(tài)。

無人機在森林防火的應(yīng)用，可以涉及森林巡檢、近地偵查、指揮調(diào)度、余火清理、災(zāi)損評估等整個過程。結(jié)合薊縣森林防火信息化建設(shè)的實際，我們在設(shè)計火情偵查無人機系統(tǒng)時，還應(yīng)該考慮到與現(xiàn)有指揮平臺的整合，將無人機作為撲火指揮中火情采集的有效手段，成為整個指揮調(diào)度系統(tǒng)的有機組成部分。完成如下功能：

（1）森林火災(zāi)巡檢

（2）近地偵查

（3）撲救指揮調(diào)度

（4）余火清理

（5）災(zāi)損評估

3.1.3 火險因子采集系統(tǒng) 火險因子采集系統(tǒng)用于采集林區(qū)或火場的氣象因子數(shù)據(jù)。氣象各要素直接與火險等級有關(guān)。

根據(jù)使用場景，系統(tǒng)分為日常無人值守氣象站和手持式氣象采集系統(tǒng)。無人值守氣象站負責(zé)相關(guān)林區(qū)的日常數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)控分析所在區(qū)域的火險等級。手持式氣象采集系統(tǒng)配備用于指揮車，撲火指揮時，動態(tài)采集火場環(huán)境信息，成為火場感知系統(tǒng)的重要組成部分。

系統(tǒng)組成包括外圍森林火險監(jiān)測氣象子站、一套完整的中心站數(shù)據(jù)收集、管理系統(tǒng)（站）、基于北斗通信與公網(wǎng)雙模的通訊系統(tǒng)。

火險監(jiān)測站是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信模塊、防雷保護裝置、系統(tǒng)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(tǒng)等八部分組成。系統(tǒng)支持北斗網(wǎng)絡(luò)及GPRS、GSM、3G無線公網(wǎng)等通訊方式。該系統(tǒng)具有實效性高、可靠性好、強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、子站質(zhì)量監(jiān)控等諸多功能。

監(jiān)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），可完成自動供電、數(shù)據(jù)采集、存儲、通訊、數(shù)據(jù)分析等，能夠滿足災(zāi)害性天氣監(jiān)測和多種形式氣象服務(wù)的要求。

基于北斗通信的自動氣象站（圖4），是利用北斗的短報文功能，分包定時的將氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅謽I(yè)局控制中心，并在其氣象業(yè)務(wù)軟件上實時的顯示，此系統(tǒng)是雙向控制，上行數(shù)據(jù)可以遠程對氣象采集器進行采集日期操作、清除采集器命令、采集器復(fù)位、采集器重啟等命令，下行數(shù)據(jù)每隔1小時氣象采集器自動的向北斗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送，基于北斗通信的自動氣象站主要有以下一些特點：

（1）具有雙向通信功能，進行遠程校時、控制;

（2）無人值守，氣象數(shù)據(jù)整點自動上報;

（3）對氣象五要素（風(fēng)、溫、濕、壓、雨）數(shù)據(jù)進行自動采集。

3.1.4 護林員定位管理系統(tǒng) “護林員定位管理系統(tǒng)”是智能手機或平板電腦（PAD）嵌入式技術(shù)與北斗技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合，在林火撲救信息應(yīng)用領(lǐng)域的邊界擴展，構(gòu)建個人的移動綜合信息平臺。它的裝備應(yīng)用，使得一線戰(zhàn)斗人員由原來的信息盲點躍升為系統(tǒng)應(yīng)用中的信息節(jié)點。前線人員通過它采集上報瞬息萬變的火場動態(tài)，時時接受指揮中心的指令調(diào)遣，從而真正實現(xiàn)系統(tǒng)的實戰(zhàn)調(diào)度指揮功能。

系統(tǒng)是以“日常巡護，防火應(yīng)急”為目標(biāo)。在日常管理過程中，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(zāi)后，則主要以配合撲火隊伍與前線指揮的需要，采集和上報火場實時信息，感知火場信息，實現(xiàn)聯(lián)動指揮。

通過嵌入式開發(fā)與設(shè)備改造，針對撲火車輛、個人通信工具和其他裝備實施信息化植入，使其成為火場感知的有機組成部分，完成火場與指揮部的信息交互，有效的降低災(zāi)害的損失和人員的風(fēng)險。護林員定位管理系統(tǒng)是將手持設(shè)備如筆記本電腦、PAD、智能手機等與北斗相結(jié)合，并利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在野外環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、地形查詢、實時通信等功能。

3.2 基于4G指揮車應(yīng)急通信系統(tǒng)（圖5）

系統(tǒng)基于4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以指揮車為中心，配合通信箱中繼組網(wǎng)，在火場前線快速構(gòu)建自組網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息通信的動態(tài)覆蓋。

同時指揮車亦作為森林防火信息平臺的通信中繼，一方面負責(zé)通信、接收火場各類感知信息，多維度、多層面地監(jiān)測火場動態(tài)，另一方面利用公網(wǎng)、北斗或者衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與指揮中心信息同步，交互操作，實施指令的上產(chǎn)下達。

4G-LTE采用了先進移動通信技術(shù)，包括正交頻分復(fù)用（OFDMA）、自適應(yīng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)、智能多天線技術(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(yīng)重傳機制（HARQ）、發(fā)射功率自動控制技術(shù)。利用這些技術(shù)，4G-LTE可以很好地滿足無線專網(wǎng)覆蓋面積廣、終端數(shù)量多、速率傳輸時延小、上行速率高、高安全性等關(guān)鍵要求，非常適合構(gòu)建無線應(yīng)急通信網(wǎng)。

無線寬帶集群行業(yè)專網(wǎng)解決方案是基于成熟第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的技術(shù)平臺，采用OFDM、MIMO等多種TD-LTE先進技術(shù)以及定制的專業(yè)寬帶集群技術(shù)，同時具有專業(yè)集群通信性能、高可靠性和高實時性數(shù)據(jù)傳輸以及多媒體調(diào)度的能力。無線寬帶集群專網(wǎng)解決方案可以承載火場前線各類感知系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實時交互、協(xié)同作業(yè)的需要，尤其是音視頻信息的調(diào)度指揮、現(xiàn)場視頻回傳等多種業(yè)務(wù)。

3.3 車載前線感知及調(diào)度平臺系統(tǒng)

車載前線感知及調(diào)度平臺系統(tǒng)依托通信指揮車為載體整合各類火場感知信息，是現(xiàn)場指揮調(diào)度的信息平臺，用來完成應(yīng)急前線指揮調(diào)度各項工作，是火災(zāi)撲救現(xiàn)場的前線指揮調(diào)度中心。系統(tǒng)以通信指揮車為載體，實現(xiàn)前線指揮與一線撲火隊伍的通信和視頻傳輸，并通過無線網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù)至后方指揮中心，建立一條前線與指揮中心的數(shù)據(jù)鏈，到達前后方火災(zāi)撲救信息互聯(lián)互通的目的，從而有效解決撲火隊伍聽不到火災(zāi)指揮調(diào)度命令，決策者看不到火場態(tài)勢的“聾”和“瞎”問題。

系統(tǒng)主要以感知火場信息，第一時間獲取匯總?cè)轿坏幕饒鼍C合信息，并通過網(wǎng)絡(luò)快速傳輸至指揮中心應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)利用可觸控的GIS地理信息系統(tǒng)作為指揮調(diào)度系統(tǒng)。

前線感知及指揮調(diào)度平臺系統(tǒng)利用車載微波和無線3G技術(shù)建立視頻和指揮數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)，功能上提供撲火隊伍北斗定位、查看車載微波視頻、調(diào)閱空間地理信息、協(xié)同撲火隊伍指揮調(diào)度等功能，在指揮前指完成火場區(qū)域資源的信息數(shù)據(jù)整合。

車載北斗指揮機可實現(xiàn)對現(xiàn)場持有北斗終端撲火隊伍進行實時定位，并通過車載空間地理信息系統(tǒng)定位在地圖上，直觀了解隊伍分布，為隊伍調(diào)度指揮提供有力信息。

車載微波視頻主要用于接收無線圖傳回傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)移動單兵視頻采集信息在指揮車即可調(diào)閱查看，為前線指揮提供第一手火災(zāi)現(xiàn)場實時畫面。

車載工作站用于部署森林防火車載前指系統(tǒng)，用于整合指揮前指異構(gòu)信息系統(tǒng)，提供空間地理信息、北斗短報文首發(fā)、撲火指揮等功能，實現(xiàn)前線協(xié)同指揮，并通過無線3G網(wǎng)絡(luò)同步相關(guān)火災(zāi)信息數(shù)據(jù)至林業(yè)局指揮中心，建立前后端數(shù)據(jù)信息鏈的雙向通信。

系統(tǒng)采用可觸控GIS平臺實現(xiàn)對基礎(chǔ)地理信息、遙感衛(wèi)星圖片、航拍數(shù)據(jù)以及防火專題空間等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一加載，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分層管理，利用多點可觸控的方式直接操作地圖進行前線指揮。

3.4 偵查聯(lián)動觸控展示系統(tǒng)

系統(tǒng)利用車載觸控屏實現(xiàn)前指與火場信息對象的在線聯(lián)動。將構(gòu)成火場撲救體系的各類、各級目標(biāo)以直觀的圖標(biāo)方式標(biāo)繪在影像地圖背景下（圖6）。

動態(tài)管理與指揮車建立網(wǎng)絡(luò)通信的前線信息對象。包括多路視頻、指揮席的連線開閉、選擇多路車輛、人員、火場感知系統(tǒng)的連線、調(diào)用等。

基于面向?qū)ο蟛僮鞴δ芊庋b，我們將功能鍵直接標(biāo)注在信息對象之上，讓指揮人員僅關(guān)注所需了解、管理、調(diào)度的對象本身，而不再關(guān)心功能實現(xiàn)的具體操作步驟。前線人員實施火場感知信息的偵查采集時，操作配套的偵查終端系統(tǒng)的同時，車載觸控屏完成同步界面的展現(xiàn)，讓動態(tài)信息直觀、直接、實時展現(xiàn)在火場態(tài)勢中。

系統(tǒng)提供決策席聯(lián)動批注功能，即決策領(lǐng)導(dǎo)可以通過客戶端系統(tǒng)，將批示、標(biāo)注、輔助繪制等操作結(jié)果聯(lián)動展現(xiàn)在大屏上，方便會商決策與指示傳達。

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