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基于火场感知的车载前线指挥系统
摘要：利用信息化手段对各类设备、人员装备等实施植入改造，采用面向对象的封装功能设计，构建火场前线感知的信息对象。基于4G通信技术实现指挥车为中心的网络环境，接收、管理、调度前线单兵图传、无人机侦查、火险因子采集、人员队伍定位等感知信息，并通过设计开发车载前线感知及调度系统实施火场前线的调度指挥及侦查联动。
关键词：信息化植入改造;基于4G应急通信;前线感知;无人机火场侦查;侦查联动;面向对象功能封装
一、森林防火业务特点
森林防火有其自身的特点，针对信息技术的运用也有着完全不同于其他行业的需求。
1.1 突发性和应急性
森林火灾的发生由多种因素造成，具有很大的偶然性。森林火险预警既不同于洪水气象灾害，可以观测形成灾害的渐变过程，也不同于交通事故，可以定量评估高风险路段。森林火灾固然有其内在规律，但往往由随机事件触发产生，很难准确预报。
森林火灾发生初期，火情变化快，越早处置，控制越容易，损失也越小，即“打早、打小、打了”。这就体现了森林防火工作的应急性特点。它要求我们在火情发现的初期，做到快速、全面了解并通报火情信息，进而集结队伍，下达调度指令，实施处置。
1.2 区域广阔性和信息分散性
无论是火险日常的监测，还是森林火灾的扑救前线，都是在野外广阔的区域内完成。系统需要的信息分散在崇山峻岭之中;同时，系统管理的对象，例如人员、设备、物资等也分散在这个区域内。
森林防火工作需要采集、管理的数据类型非常丰富。包括视频采集设备获取到的视频信号、扑火队伍之间的电话或对讲机音频、指挥员需要了解火场地形地貌的地图数据、车辆人员定位的位置信息、火场环境状况等信息。这些信息分别以不同的形态产生、用不同的方法获取、在不同的载体上存在，并以不同的格式传输管理。
区域分布的分散，尤其是在环境恶劣、地形复杂的区域，形成信息通信传输困难;信息类型与格式上的分散，也加剧了信息统一整合管理的难度和复杂度。两者为构建信息化系统制造了巨大的客观限制。
1.3 动态性
更加重要的是，森林火灾是个剧烈变化的过程，扑救指挥中的数据信息也具有很强的动态性，各类数据信息必然随着过程的推进，不断更新。例如描述火场态势的过火面积、火烧迹线、队伍位置、物资损耗等数据在较短的时间内大量产生，描述周边环境的音视频、气象因子等数据也在不断变化。
在实际的扑救指挥中，只有获取动态、实时、准确的信息，才能有效支撑科学决策。相反，静态、滞后的信息不但没有意义，而且具有很大的危害。
二、面向对象实施信息化植入改造
火场前线环境由各类元素的实体综合构成，每个实体都影响着火场演变的进程。笔者把火灾扑救各个环节中的一些相对独立的实体叫作对象，它们本身蕴含与火场相关的信息或影响，并且能够被别的实体使用、操作或改变。对象可以是个人、设备、应用系统等扑救力量，也可以是林地、道路、火点等客观事物。
那些本身具备或能够产生信息化数据，并能够对数据进行一系列操作的实体，就是我们森林防火实战指挥平台所要面向的对象。信息系统可以面向的对象越多，指挥平台对于火场态势的掌握就越全面，指挥决策的准确高效就越有保障。
笔者通过开发手机端的应用系统、车载嵌入式终端、单兵装备加装信息模块等方式，并开发基于穿戴式应用的设备，对火场对象实施信息化植入改造，将其整合到指挥平台中，形成一套可以将触觉深入火场一线、将指令传达到单兵的一体化实战指挥系统。
2.1 火场环境部署信息节点
针对实战指挥的实际情况，越向前线延伸，越需要精确的信息化支撑，但是往往由于系统架构及网络覆盖的因素，越成为信息化的盲区。正是由于这样的信息化需求与设计的怪圈，造成了大多数森林防火的指挥系统缺乏活性，甚至根本在实战中无法起到应有的作用，浪费了国家大量的投资。
将信息盲点转变为信息节点，让构成火场环境的对象成为获取信息、接收指令的信息终端，是解决信息指挥系统实战需求的最终方案。
信息节点设计开发具备如下功能：
首先，信息节点应在火场持续获取相应的信息，并将信息按照实战指挥平台统一的格式规范要求进行数据化处理，便于传输、存储、管理;
其次，信息节点应能够接受处理指挥平台依据不断汇集的火场信息分析处理后，下发、反馈来的信息或指令，实现信息数据的闭环处理;
最后，信息节点之间能够通过网络实现相互信息交互。
2.2 面向对象封装操作功能
面向对象的软件开发技术，是将数据及与数据有关的所有操作封装在一起。借用这个概念，将构成实战指挥平台的信息节点作为对象，将其产生的数据，以及与对象的交互操作进行封装设计。
由于火场因素的复杂多样，所以我们需要控制的数据和指令也多种多样;不同的信息技术手段与通信介质完成不同类型的数据和指令的操作。针对不同的功能，考虑采用不同的技术手段、不同的方法，这样的设计思想我们称之为“面向过程”。
而我们的设计原则，则是实施封装后，当这些不同的操作功能面向同一目标，我们可以面向对象直接操控或进行数据交换时，而不必再关心具体的操作步骤、网络通路、设备调用等技术手段。
例如，当一辆运兵车作为信息节点后，我们查询车辆的信息、调阅其采集的视频信号、对讲机或手机通话、北斗短报文通信等等操作，我们都可以在指挥平台界面上，直接选择定位其上的图标即可完成，而不用借助系统平台范围之外的技术、设备或其他系统实现，甚至需要在两个系统之间通过人工或额外的导入导出操作。
三、系统功能设计
基于火场感知的车载前线指挥系统是火情前线现场指挥调度的信息平台，用来完成应急前线指挥调度各项工作，是火灾扑救现场的前线指挥调度中心。系统以通信指挥车或前线指挥所为载体，实现前线指挥与一线扑火队伍的通信和视频传输，并通过无线网络同步数据至后方指挥中心，建立一条前线与指挥中心的数据链，到达前后方火灾扑救信息互联互通的目的，从而有效解决扑火队伍听不到火灾指挥调度命令，决策者看不到火场态势的“聋”和“瞎”问题。
森林防火车载前线指挥系统是后方指挥中心信息平台的有机组成，依托通信指挥车为载体整合各种信息资源，通过无线传输(特殊情况下可通过卫星传输)将实时的图像、声音、位置等数据信息回传到指挥中心，前线指挥利用获取的各种信息资源，指导现场救援，形成前线综合指挥单元。另外，还支持多调度台协同调度，可以构建前线指挥和指挥中心实现异地协同调度，极大的提高协同扑火指挥的能力(图1)。
3.1 构建火场前线感知系统
火场前线的数据动态而多样，系统利用不同技术手段，实时获取火场信息，并将各类信息相关联，进而数字化的描述火场态势，支持指挥决策。
系统根据不同类型的感知，分别获取视频影像、音频通讯、环境数据、目标定位等动态信息，并以地理信息数据为背景统一展现，实现在同一场景下，描绘出全方位、多层面、动态的火场态势。
3.1.1 无线单兵应急图传系统(图2) 无线单兵应急图传系统通过单兵背负操作与移动指挥平台之间实现实时点对点的音视频传输。通过采集火场尤其是扑救现场环境的音视频，以主观视角让指挥员直观高效地掌握火场及人员动态。
系统能够在高速移动环境下实现视频、语音、数据等宽带多媒体业务的实时同步传输。具有覆盖范围广、灵敏度高、移动性好、抗干扰和抗衰落能力强、传输数据率高、稳定性和可靠性突出等显著优点。
3.1.2 基于无人机火场侦查系统(图3) 无人机火场侦查系统可以让指挥人员在扑火扑救过程各个环节，随时起飞无人机，以垂直俯视角，观察火场全局，了解火场态势及人员队伍分布情况，解决由于视角问题可能忽视的危险和动态。
无人机在森林防火的应用，可以涉及森林巡检、近地侦查、指挥调度、余火清理、灾损评估等整个过程。结合蓟县森林防火信息化建设的实际，我们在设计火情侦查无人机系统时，还应该考虑到与现有指挥平台的整合，将无人机作为扑火指挥中火情采集的有效手段，成为整个指挥调度系统的有机组成部分。完成如下功能：
(1)森林火灾巡检
(2)近地侦查
(3)扑救指挥调度
(4)余火清理
(5)灾损评估
3.1.3 火险因子采集系统 火险因子采集系统用于采集林区或火场的气象因子数据。气象各要素直接与火险等级有关。 根据使用场景，系统分为日常无人值守气象站和手持式气象采集系统。无人值守气象站负责相关林区的日常数据监测，监控分析所在区域的火险等级。手持式气象采集系统配备用于指挥车，扑火指挥时，动态采集火场环境信息，成为火场感知系统的重要组成部分。
系统组成包括外围森林火险监测气象子站、一套完整的中心站数据收集、管理系统(站)、基于北斗通信与公网双模的通讯系统。
火险监测站是由传感器、数据采集器、通信模块、防雷保护装置、系统电源(含后备电池及充电单元)、密封机箱、支撑杆和业务网络软件系统等八部分组成。系统支持北斗网络及GPRS、GSM、3G无线公网等通讯方式。该系统具有实效性高、可靠性好、强大的数据统计分析、子站质量监控等诸多功能。
监测要素为风向、风速、空气温度、相对湿度、降水五种气象要素(气压、地湿为可选要素)，可完成自动供电、数据采集、存储、通讯、数据分析等，能够满足灾害性天气监测和多种形式气象服务的要求。
基于北斗通信的自动气象站(图4)，是利用北斗的短报文功能，分包定时的将气象数据传输到林业局控制中心，并在其气象业务软件上实时的显示，此系统是双向控制，上行数据可以远程对气象采集器进行采集日期操作、清除采集器命令、采集器复位、采集器重启等命令，下行数据每隔1小时气象采集器自动的向北斗数据进行数据发送，基于北斗通信的自动气象站主要有以下一些特点：
(1)具有双向通信功能，进行远程校时、控制;
(2)无人值守，气象数据整点自动上报;
(3)对气象五要素(风、温、湿、压、雨)数据进行自动采集。
3.1.4 护林员定位管理系统 “护林员定位管理系统”是智能手机或平板电脑(PAD)嵌入式技术与北斗技术和无线通信技术相结合，在林火扑救信息应用领域的边界扩展，构建个人的移动综合信息平台。它的装备应用，使得一线战斗人员由原来的信息盲点跃升为系统应用中的信息节点。前线人员通过它采集上报瞬息万变的火场动态，时时接受指挥中心的指令调遣，从而真正实现系统的实战调度指挥功能。
系统是以“日常巡护，防火应急”为目标。在日常管理过程中，以巡山护林为主要任务，记录护林员的日常巡护轨迹、出勤情况等。发生森林火灾后，则主要以配合扑火队伍与前线指挥的需要，采集和上报火场实时信息，感知火场信息，实现联动指挥。
通过嵌入式开发与设备改造，针对扑火车辆、个人通信工具和其他装备实施信息化植入，使其成为火场感知的有机组成部分，完成火场与指挥部的信息交互，有效的降低灾害的损失和人员的风险。护林员定位管理系统是将手持设备如笔记本电脑、PAD、智能手机等与北斗相结合，并利用现有的通信网络，实现在野外环境下的数据采集、地形查询、实时通信等功能。
3.2 基于4G指挥车应急通信系统(图5)
系统基于4G网络协议，以指挥车为中心，配合通信箱中继组网，在火场前线快速构建自组网络，实现信息通信的动态覆盖。
同时指挥车亦作为森林防火信息平台的通信中继，一方面负责通信、接收火场各类感知信息，多维度、多层面地监测火场动态，另一方面利用公网、北斗或者卫星通信网络与指挥中心信息同步，交互操作，实施指令的上产下达。
4G-LTE采用了先进移动通信技术，包括正交频分复用(OFDMA)、自适应调制与解调技术、智能多天线技术(MIMO)、波束赋形技术、分布式发射与分级式接收技术、自适应重传机制(HARQ)、发射功率自动控制技术。利用这些技术，4G-LTE可以很好地满足无线专网覆盖面积广、终端数量多、速率传输时延小、上行速率高、高安全性等关键要求，非常适合构建无线应急通信网。
无线宽带集群行业专网解决方案是基于成熟第四代移动通信系统(4G)的技术平台，采用OFDM、MIMO等多种TD-LTE先进技术以及定制的专业宽带集群技术，同时具有专业集群通信性能、高可靠性和高实时性数据传输以及多媒体调度的能力。无线宽带集群专网解决方案可以承载火场前线各类感知系统业务数据实时交互、协同作业的需要，尤其是音视频信息的调度指挥、现场视频回传等多种业务。
3.3 车载前线感知及调度平台系统
车载前线感知及调度平台系统依托通信指挥车为载体整合各类火场感知信息，是现场指挥调度的信息平台，用来完成应急前线指挥调度各项工作，是火灾扑救现场的前线指挥调度中心。系统以通信指挥车为载体，实现前线指挥与一线扑火队伍的通信和视频传输，并通过无线网络同步数据至后方指挥中心，建立一条前线与指挥中心的数据链，到达前后方火灾扑救信息互联互通的目的，从而有效解决扑火队伍听不到火灾指挥调度命令，决策者看不到火场态势的“聋”和“瞎”问题。
系统主要以感知火场信息，第一时间获取汇总全方位的火场综合信息，并通过网络快速传输至指挥中心应用系统。系统利用可触控的GIS地理信息系统作为指挥调度系统。
前线感知及指挥调度平台系统利用车载微波和无线3G技术建立视频和指挥数据的通信网络，功能上提供扑火队伍北斗定位、查看车载微波视频、调阅空间地理信息、协同扑火队伍指挥调度等功能，在指挥前指完成火场区域资源的信息数据整合。
车载北斗指挥机可实现对现场持有北斗终端扑火队伍进行实时定位，并通过车载空间地理信息系统定位在地图上，直观了解队伍分布，为队伍调度指挥提供有力信息。
车载微波视频主要用于接收无线图传回传数据，实现移动单兵视频采集信息在指挥车即可调阅查看，为前线指挥提供第一手火灾现场实时画面。
车载工作站用于部署森林防火车载前指系统，用于整合指挥前指异构信息系统，提供空间地理信息、北斗短报文首发、扑火指挥等功能，实现前线协同指挥，并通过无线3G网络同步相关火灾信息数据至林业局指挥中心，建立前后端数据信息链的双向通信。
系统采用可触控GIS平台实现对基础地理信息、遥感卫星图片、航拍数据以及防火专题空间等数据进行统一加载，实现数据的分层管理，利用多点可触控的方式直接操作地图进行前线指挥。
3.4 侦查联动触控展示系统
系统利用车载触控屏实现前指与火场信息对象的在线联动。将构成火场扑救体系的各类、各级目标以直观的图标方式标绘在影像地图背景下(图6)。
动态管理与指挥车建立网络通信的前线信息对象。包括多路视频、指挥席的连线开闭、选择多路车辆、人员、火场感知系统的连线、调用等。
基于面向对象操作功能封装，我们将功能键直接标注在信息对象之上，让指挥人员仅关注所需了解、管理、调度的对象本身，而不再关心功能实现的具体操作步骤。前线人员实施火场感知信息的侦查采集时，操作配套的侦查终端系统的同时，车载触控屏完成同步界面的展现，让动态信息直观、直接、实时展现在火场态势中。
系统提供决策席联动批注功能，即决策领导可以通过客户端系统，将批示、标注、辅助绘制等操作结果联动展现在大屏上，方便会商决策与指示传达。
参考文献：
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