基于火場感知的車載前線指揮系統(tǒng)

時間：2024-09-29 07:51:06 電子信息工程畢業(yè)論文我要投稿

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　　摘要：利用信息化手段對各類設備、人員裝備等實施植入改造，采用面向對象的封裝功能設計，構建火場前線感知的信息對象�；�4G通信技術實現(xiàn)指揮車為中心的網(wǎng)絡環(huán)境，接收、管理、調度前線單兵圖傳、無人機偵查、火險因子采集、人員隊伍定位等感知信息，并通過設計開發(fā)車載前線感知及調度系統(tǒng)實施火場前線的調度指揮及偵查聯(lián)動。

　　關鍵詞：信息化植入改造;基于4G應急通信;前線感知;無人機火場偵查;偵查聯(lián)動;面向對象功能封裝

　　一、森林防火業(yè)務特點

　　森林防火有其自身的特點，針對信息技術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，可以觀測形成災害的漸變過程，也不同于交通事故，可以定量評估高風險路段。森林火災固然有其內在規(guī)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(xiàn)了森林防火工作的應急性特點。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，進而集結隊伍，下達調度指令，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，還是森林火災的撲救前線，都是在野外廣闊的區(qū)域內完成。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、設備、物資等也分散在這個區(qū)域內。

　　森林防火工作需要采集、管理的數(shù)據(jù)類型非常豐富。包括視頻采集設備獲取到的視頻信號、撲火隊伍之間的電話或對講機音頻、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雜度。兩者為構建信息化系統(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、準確的信息，才能有效支撐科學決策。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。

　　二、面向對象實施信息化植入改造

　　火場前線環(huán)境由各類元素的實體綜合構成，每個實體都影響著火場演變的進程。筆者把火災撲救各個環(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、設備、應用系統(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)，并能夠對數(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，指揮決策的準確高效就越有保障。

　　筆者通過開發(fā)手機端的應用系統(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)基于穿戴式應用的設備，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)架構及網(wǎng)絡覆蓋的因素，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)中無法起到應有的作用，浪費了國家大量的投資。

　　將信息盲點轉變?yōu)樾畔⒐?jié)點，讓構成火場環(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)點設計開發(fā)具備如下功能：

　　首先，信息節(jié)點應在火場持續(xù)獲取相應的信息，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)絡實現(xiàn)相互信息交互。

　　2.2 面向對象封裝操作功能

　　面向對象的軟件開發(fā)技術，是將數(shù)據(jù)及與數(shù)據(jù)有關的所有操作封裝在一起。借用這個概念，將構成實戰(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計。

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

　　而我們的設計原則，則是實施封裝后，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行數(shù)據(jù)交換時，而不必再關心具體的操作步驟、網(wǎng)絡通路、設備調用等技術手段。

　　例如，當一輛運兵車作為信息節(jié)點后，我們查詢車輛的信息、調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即可完成，而不用借助系統(tǒng)平臺范圍之外的技術、設備或其他系統(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入導出操作。

　　三、系統(tǒng)功能設計

　　基于火場感知的車載前線指揮系統(tǒng)是火情前線現(xiàn)場指揮調度的信息平臺，用來完成應急前線指揮調度各項工作，是火災撲救現(xiàn)場的前線指揮調度中心。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指揮調度命令，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，指導現(xiàn)場救援，形成前線綜合指揮單元。另外，還支持多調度臺協(xié)同調度，可以構建前線指揮和指揮中心實現(xiàn)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)利用不同技術手段，實時獲取火場信息，并將各類信息相關聯(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 無線單兵應急圖傳系統(tǒng)(圖2) 無線單兵應急圖傳系統(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、災損評估等整個過程。結合薊縣森林防火信息化建設的實際，我們在設計火情偵查無人機系統(tǒng)時，還應該考慮到與現(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，成為整個指揮調度系統(tǒng)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(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。　　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相關林區(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)務網(wǎng)絡軟件系統(tǒng)等八部分組成。系統(tǒng)支持北斗網(wǎng)絡及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、子站質量監(jiān)控等諸多功能。

　　監(jiān)測要素為風向、風速、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，能夠滿足災害性天氣監(jiān)測和多種形式氣象服務的要求。

　　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、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)嵌入式技術與北斗技術和無線通信技術相結合，在林火撲救信息應用領域的邊界擴展，構建個人的移動綜合信息平臺。它的裝備應用，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遣，從而真正實現(xiàn)系統(tǒng)的實戰(zhàn)調度指揮功能。

　　系統(tǒng)是以“日常巡護，防火應急”為目標。在日常管理過程中，以巡山護林為主要任務，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，有效的降低災害的損失和人員的風險。護林員定位管理系統(tǒng)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(xiàn)有的通信網(wǎng)絡，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指揮車應急通信系統(tǒng)(圖5)

　　系統(tǒng)基于4G網(wǎng)絡協(xié)議，以指揮車為中心，配合通信箱中繼組網(wǎng)，在火場前線快速構建自組網(wǎng)絡，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，包括正交頻分復用(OFDMA)、自適應調制與解調技術、智能多天線技術(MIMO)、波束賦形技術、分布式發(fā)射與分級式接收技術、自適應重傳機制(HARQ)、發(fā)射功率自動控制技術。利用這些技術，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、高安全性等關鍵要求，非常適合構建無線應急通信網(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)的技術平臺，采用OFDM、MIMO等多種TD-LTE先進技術以及定制的專業(yè)寬帶集群技術，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度指揮、現(xiàn)場視頻回傳等多種業(yè)務。

　　3.3 車載前線感知及調度平臺系統(tǒng)

　　車載前線感知及調度平臺系統(tǒng)依托通信指揮車為載體整合各類火場感知信息，是現(xiàn)場指揮調度的信息平臺，用來完成應急前線指揮調度各項工作，是火災撲救現(xiàn)場的前線指揮調度中心。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指揮調度命令，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，第一時間獲取匯總全方位的火場綜合信息，并通過網(wǎng)絡快速傳輸至指揮中心應用系統(tǒng)。系統(tǒng)利用可觸控的GIS地理信息系統(tǒng)作為指揮調度系統(tǒng)。

　　前線感知及指揮調度平臺系統(tǒng)利用車載微波和無線3G技術建立視頻和指揮數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡，功能上提供撲火隊伍北斗定位、查看車載微波視頻、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閱查看，為前線指揮提供第一手火災現(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)絡同步相關火災信息數(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。將構成火場撲救體系的各類、各級目標以直觀的圖標方式標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，讓指揮人員僅關注所需了解、管理、調度的對象本身，而不再關心功能實現(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，即決策領導可以通過客戶端系統(tǒng)，將批示、標注、輔助繪制等操作結果聯(lián)動展現(xiàn)在大屏上，方便會商決策與指示傳達。

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