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基于火場感知的車載前線指揮系統
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。基于4G通信技術實現指揮車為中心的網絡環境，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，并通過設計開發車載前線感知及調度系統實施火場前線的調度指揮及偵查聯動。
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;偵查聯動;面向對象功能封裝
一、森林防火業務特點
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的需求。
1.1 突發性和應急性
森林火災的發生由多種因素造成，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律，但往往由隨機事件觸發產生，很難準確預報。
森林火災發生初期，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。它要求我們在火情發現的初期，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 區域廣闊性和信息分散性
無論是火險日常的監測，還是森林火災的撲救前線，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，系統管理的對象，例如人員、設備、物資等也分散在這個區域內。
森林防火工作需要采集、管理的數據類型非常豐富。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據、車輛人員定位的位置信息、火場環境狀況等信息。這些信息分別以不同的形態產生、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，尤其是在環境惡劣、地形復雜的區域，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限制。
1.3 動態性
更加重要的是，森林火災是個劇烈變化的過程，撲救指揮中的數據信息也具有很強的動態性，各類數據信息必然隨著過程的推進，不斷更新。例如描述火場態勢的過火面積、火燒跡線、隊伍位置、物資損耗等數據在較短的時間內大量產生，描述周邊環境的音視頻、氣象因子等數據也在不斷變化。
在實際的撲救指揮中，只有獲取動態、實時、準確的信息，才能有效支撐科學決策。相反，靜態、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節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生信息化數據，并能夠對數據進行一系列操作的實體，就是我們森林防火實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，指揮平臺對于火場態勢的掌握就越全面，指揮決策的準確高效就越有保障。
筆者通過開發手機端的應用系統、車載嵌入式終端、單兵裝備加裝信息模塊等方式，并開發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指揮系統。
2.1 火場環境部署信息節點
針對實戰指揮的實際情況，越向前線延伸，越需要精確的信息化支撐，但是往往由于系統架構及網絡覆蓋的因素，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，甚至根本在實戰中無法起到應有的作用，浪費了國家大量的投資。
將信息盲點轉變為信息節點，讓構成火場環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戰需求的最終方案。
信息節點設計開發具備如下功能：
首先，信息節點應在火場持續獲取相應的信息，并將信息按照實戰指揮平臺統一的格式規范要求進行數據化處理，便于傳輸、存儲、管理;
其次，信息節點應能夠接受處理指揮平臺依據不斷匯集的火場信息分析處理后，下發、反饋來的信息或指令，實現信息數據的閉環處理;
最后，信息節點之間能夠通過網絡實現相互信息交互。
2.2 面向對象封裝操作功能
面向對象的軟件開發技術，是將數據及與數據有關的所有操作封裝在一起。借用這個概念，將構成實戰指揮平臺的信息節點作為對象，將其產生的數據，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據和指令也多種多樣;不同的信息技術手段與通信介質完成不同類型的數據和指令的操作。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據交換時，而不必再關心具體的操作步驟、網絡通路、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，而不用借助系統平臺范圍之外的技術、設備或其他系統實現，甚至需要在兩個系統之間通過人工或額外的導入導出操作。
三、系統功能設計
基于火場感知的車載前線指揮系統是火情前線現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，是火災撲救現場的前線指揮調度中心。系統以通信指揮車或前線指揮所為載體，實現前線指揮與一線撲火隊伍的通信和視頻傳輸，并通過無線網絡同步數據至后方指揮中心，建立一條前線與指揮中心的數據鏈，到達前后方火災撲救信息互聯互通的目的，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勢的“聾”和“瞎”問題。
森林防火車載前線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星傳輸)將實時的圖像、聲音、位置等數據信息回傳到指揮中心，前線指揮利用獲取的各種信息資源，指導現場救援，形成前線綜合指揮單元。另外，還支持多調度臺協同調度，可以構建前線指揮和指揮中心實現異地協同調度，極大的提高協同撲火指揮的能力(圖1)。
3.1 構建火場前線感知系統
火場前線的數據動態而多樣，系統利用不同技術手段，實時獲取火場信息，并將各類信息相關聯，進而數字化的描述火場態勢，支持指揮決策。
系統根據不同類型的感知，分別獲取視頻影像、音頻通訊、環境數據、目標定位等動態信息，并以地理信息數據為背景統一展現，實現在同一場景下，描繪出全方位、多層面、動態的火場態勢。
3.1.1 無線單兵應急圖傳系統(圖2) 無線單兵應急圖傳系統通過單兵背負操作與移動指揮平臺之間實現實時點對點的音視頻傳輸。通過采集火場尤其是撲救現場環境的音視頻，以主觀視角讓指揮員直觀高效地掌握火場及人員動態。
系統能夠在高速移動環境下實現視頻、語音、數據等寬帶多媒體業務的實時同步傳輸。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、傳輸數據率高、穩定性和可靠性突出等顯著優點。
3.1.2 基于無人機火場偵查系統(圖3) 無人機火場偵查系統可以讓指揮人員在撲火撲救過程各個環節，隨時起飛無人機，以垂直俯視角，觀察火場全局，了解火場態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。
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時，還應該考慮到與現有指揮平臺的整合，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的氣象因子數據。氣象各要素直接與火險等級有關。 根據使用場景，系統分為日常無人值守氣象站和手持式氣象采集系統。無人值守氣象站負責相關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，撲火指揮時，動態采集火場環境信息，成為火場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、支撐桿和業務網絡軟件系統等八部分組成。系統支持北斗網絡及GPRS、GSM、3G無線公網等通訊方式。該系統具有實效性高、可靠性好、強大的數據統計分析、子站質量監控等諸多功能。
監測要素為風向、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、數據采集、存儲、通訊、數據分析等，能夠滿足災害性天氣監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據傳輸到林業局控制中心，并在其氣象業務軟件上實時的顯示，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小時氣象采集器自動的向北斗數據進行數據發送，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，氣象數據整點自動上報;
(3)對氣象五要素(風、溫、濕、壓、雨)數據進行自動采集。
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，使得一線戰斗人員由原來的信息盲點躍升為系統應用中的信息節點。前線人員通過它采集上報瞬息萬變的火場動態，時時接受指揮中心的指令調遣，從而真正實現系統的實戰調度指揮功能。
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，實現聯動指揮。
通過嵌入式開發與設備改造，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絡，實現在野外環境下的數據采集、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(圖5)
系統基于4G網絡協議，以指揮車為中心，配合通信箱中繼組網，在火場前線快速構建自組網絡，實現信息通信的動態覆蓋。
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、多層面地監測火場動態，另一方面利用公網、北斗或者衛星通信網絡與指揮中心信息同步，交互操作，實施指令的上產下達。
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、分布式發射與分級式接收技術、自適應重傳機制(HARQ)、發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覆蓋面積廣、終端數量多、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。
無線寬帶集群行業專網解決方案是基于成熟第四代移動通信系統(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寬帶集群技術，同時具有專業集群通信性能、高可靠性和高實時性數據傳輸以及多媒體調度的能力。無線寬帶集群專網解決方案可以承載火場前線各類感知系統業務數據實時交互、協同作業的需要，尤其是音視頻信息的調度指揮、現場視頻回傳等多種業務。
3.3 車載前線感知及調度平臺系統
車載前線感知及調度平臺系統依托通信指揮車為載體整合各類火場感知信息，是現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，是火災撲救現場的前線指揮調度中心。系統以通信指揮車為載體，實現前線指揮與一線撲火隊伍的通信和視頻傳輸，并通過無線網絡同步數據至后方指揮中心，建立一條前線與指揮中心的數據鏈，到達前后方火災撲救信息互聯互通的目的，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勢的“聾”和“瞎”問題。
系統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，并通過網絡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。
前線感知及指揮調度平臺系統利用車載微波和無線3G技術建立視頻和指揮數據的通信網絡，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、協同撲火隊伍指揮調度等功能，在指揮前指完成火場區域資源的信息數據整合。
車載北斗指揮機可實現對現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據，實現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場實時畫面。
車載工作站用于部署森林防火車載前指系統，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、撲火指揮等功能，實現前線協同指揮，并通過無線3G網絡同步相關火災信息數據至林業局指揮中心，建立前后端數據信息鏈的雙向通信。
系統采用可觸控GIS平臺實現對基礎地理信息、遙感衛星圖片、航拍數據以及防火專題空間等數據進行統一加載，實現數據的分層管理，利用多點可觸控的方式直接操作地圖進行前線指揮。
3.4 偵查聯動觸控展示系統
系統利用車載觸控屏實現前指與火場信息對象的在線聯動。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)。
動態管理與指揮車建立網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的同時，車載觸控屏完成同步界面的展現，讓動態信息直觀、直接、實時展現在火場態勢中。
系統提供決策席聯動批注功能，即決策領導可以通過客戶端系統，將批示、標注、輔助繪制等操作結果聯動展現在大屏上，方便會商決策與指示傳達。
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