北斗導(dǎo)航森林防火監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)

李 濤，姚樹林，謝國鈞

（1.內(nèi)蒙古森工集團(tuán)（林管局）防火辦，內(nèi)蒙古 牙克石022150；2.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西 西安710000）

1 引言

內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)是我國生態(tài)體系的重要組成部分，肩負(fù)著維護(hù)三江平原、東北地區(qū)的生態(tài)平衡的重要使命，同時(shí)也是國家重要的林木產(chǎn)品生產(chǎn)加工基地和重要能源后備基地，地跨呼倫貝爾市、興安盟9個(gè)旗（市），生態(tài)功能區(qū)總面積1 067.75萬hm2，占整個(gè)大興安嶺的46%；活立木總蓄積量7.67億 m3，森林面積831.80萬hm2，森林蓄積7.24億 m3，均居全國之首，是歐亞大陸北方森林帶的重要組成部分。由于生態(tài)功能區(qū)范圍內(nèi)森林火險(xiǎn)等級高，且又是雷擊區(qū)，大興安嶺林區(qū)已被國家列為一類重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)，森林防火工作任務(wù)艱巨，責(zé)任重大。過去林區(qū)的巡護(hù)管理、林業(yè)防火對人員、車輛的定位都是利用GPS定位終端來實(shí)現(xiàn)位置定位并通過移動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)完成對定位數(shù)據(jù)的傳輸，但由于林區(qū)面積大，人員稀少，在林區(qū)內(nèi)存在較大面積移動(dòng)信號(hào)覆蓋不全的問題。因此，在對林區(qū)的日常巡護(hù)、森林防火過程中，應(yīng)急通信與定位是困擾林業(yè)管理部門的重要問題之一。

隨著我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)正式提供亞太區(qū)域服務(wù)以來，及北斗系統(tǒng)在軌衛(wèi)星和地面系統(tǒng)工作的穩(wěn)定，目前已完全能夠滿足亞太地區(qū)用戶導(dǎo)航定位服務(wù)需求。因此，采用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)可為林區(qū)巡護(hù)人員、車輛的定位、森林防火應(yīng)急救援的應(yīng)急通信與定位提供良好解決方案。

2 森林防火中的應(yīng)急與定位應(yīng)用現(xiàn)狀

森林火災(zāi)因其突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難等原因，一直以來對其防治都是一個(gè)難題，做好森林防火工作已成為林業(yè)工作的重要組成部分。近年來，各種防火、撲火系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，然而，采用高精度定位工具與手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)對人員、車輛的實(shí)時(shí)位置掌控與信息交互，實(shí)現(xiàn)全時(shí)通信與定位，成為了該類系統(tǒng)的主要瓶頸。一方面，由于森林面積大、范圍廣，在傳統(tǒng)的森林巡護(hù)作業(yè)中，往往會(huì)存在巡護(hù)路線不合理、巡護(hù)不到位、責(zé)任區(qū)劃分不清等情況；另一方面，一旦發(fā)生森林火險(xiǎn)，救援隊(duì)伍的撲火路線、前后方指揮通信能力、撲火隊(duì)伍人員位置及安全問題，則受到通訊手段、通訊地域等客觀條件限制。

GPS定位設(shè)備可以為森林防火隊(duì)員和巡護(hù)人員提供高精度的定位導(dǎo)航信息；衛(wèi)星電話、高頻對講機(jī)或超短波電臺(tái)可以為防火人員提供移動(dòng)通信手段，但類似方式都受到通信距離及地形等因素限制，極大的制約了其使用范圍，無法保證防火人員能夠與指揮中心之間保持暢通無阻的通信。衛(wèi)星電話設(shè)備造價(jià)高，通信費(fèi)用昂貴，也極大的限制了其在森林日常管護(hù)、應(yīng)急防火中的廣泛應(yīng)用。由此導(dǎo)致指揮部門無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地掌握前方人員位置，進(jìn)而不能有效的實(shí)施指揮調(diào)度控制，不能實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效的林火撲救。

隨著北斗衛(wèi)星在亞太地區(qū)已實(shí)現(xiàn)全覆蓋，北斗定位系統(tǒng)已具備與GPS全球定位系統(tǒng)相媲美的定位精度與時(shí)效。將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在森林防火部門進(jìn)行廣泛應(yīng)用，不僅可以解決超短波通信中的通信有效距離受限制的問題，還可以為防火隊(duì)員提供高精度的位置信息，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，從而使得森林防火部門能夠全面動(dòng)態(tài)的掌握所有相關(guān)車輛、人員的狀態(tài)信息，更加及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的調(diào)度指揮和管理。

3 總體設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航火場定位軌跡跟蹤系統(tǒng)綜合應(yīng)用北斗導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)，集成開發(fā)基于北斗的位置服務(wù)平臺(tái)，提供監(jiān)管、服務(wù)平臺(tái)一體化解決方案，在內(nèi)蒙古森林防火與應(yīng)急指揮示范系統(tǒng)中得到示范應(yīng)用，滿足內(nèi)蒙古林火監(jiān)控與應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。

系統(tǒng)由北斗手持終端、車載終端、指揮終端、通信網(wǎng)絡(luò)和位置監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)組成。北斗位置監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)部署在指揮中心，內(nèi)嵌北斗指揮型終端，以GIS（地理信息系統(tǒng)）為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)接收北斗終端的定位、告警等信息，實(shí)現(xiàn)對火情、火警區(qū)域的定位，并實(shí)時(shí)做出分析判斷，確定撲救方案。北斗導(dǎo)航火場定位軌跡跟蹤系統(tǒng)部署圖如圖1所示。

北斗導(dǎo)航火場定位軌跡跟蹤系統(tǒng)主要功能可分為監(jiān)視和控制。監(jiān)控平臺(tái)可以通過接入網(wǎng)關(guān)適配接入的不同協(xié)議的終端，如北斗協(xié)議，并采集處理已接入終端的實(shí)時(shí)位置與狀態(tài)信息，將終端位置狀態(tài)信息以內(nèi)部協(xié)議格式通過分布式消息調(diào)度服務(wù)推送至GIS子系統(tǒng)進(jìn)行空間輔助報(bào)警分析，如進(jìn)出區(qū)域等，GIS子系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)通過分布式消息調(diào)度服務(wù)推送至業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警判斷、前端地圖展示，并調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化及緩存，管理人員可以通過直觀的地圖導(dǎo)航定位終端，查看終端的狀態(tài)、軌跡等。同時(shí)，管理人員可查看處理終端報(bào)警情況，針對終端下發(fā)控制令，實(shí)現(xiàn)與終端的交互。

除此之外，監(jiān)控平臺(tái)提供系統(tǒng)配置，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、終端運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能。系統(tǒng)平臺(tái)主要組成包括：接入網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)、GIS子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)引擎子系統(tǒng)。平臺(tái)組成圖如圖2所示。

針對林業(yè)防火應(yīng)急通信與定位特點(diǎn)，以北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位終端為介質(zhì)，采用北斗衛(wèi)星一代短報(bào)文方式為應(yīng)急通訊手段，采用北斗＋GPS雙模定位方式，實(shí)現(xiàn)林區(qū)的通信與人員／車輛的定位。在指揮中心，通過接收北斗定位終端傳回來的定位數(shù)據(jù)信息，把人員、車輛的位置實(shí)時(shí)顯示在電子地圖上，并通過北斗短報(bào)文形式向北斗定位終端發(fā)送各種控制指令，實(shí)現(xiàn)人員、車輛的實(shí)時(shí)定位及通信，為防火的應(yīng)急指揮提供定位及通信保障服務(wù)，建立集多種定位與通信方式于一體的森林防火應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)功能

4.1 接入網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)

在防火監(jiān)控平臺(tái)中，接入網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于終端驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)與終端的通信，主要功能包括：終端協(xié)議適配、終端數(shù)據(jù)采集上報(bào)、終端控制令下發(fā)，如圖3所示。

4.1.1 子系統(tǒng)組成

接入網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)包括終端協(xié)議適配、終端數(shù)據(jù)采集上報(bào)、終端控制令下發(fā)等3個(gè)模塊（圖4）。

4.1.2 終端協(xié)議適配模塊

接入網(wǎng)關(guān)針對不同協(xié)議類型的終端提供相應(yīng)的協(xié)議解析器，相同承載協(xié)議（TCP／IP、串口）的不同通信協(xié)議對應(yīng)不同的通信端口，單一通信端口對應(yīng)單一的協(xié)議解析器。

4.1.3 終端數(shù)據(jù)采集上報(bào)模塊

接入網(wǎng)關(guān)利用協(xié)議解析器將終端上報(bào)的位置狀態(tài)數(shù)據(jù)解析并轉(zhuǎn)化為平臺(tái)內(nèi)部協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，并通過分布式消息調(diào)度服務(wù)推送至GIS子系統(tǒng)進(jìn)行輔助報(bào)警空間分析操作。

4.1.4 終端控制令下發(fā)模塊

接入網(wǎng)關(guān)以Rest協(xié)議提供終端控制令下發(fā)服務(wù)，供業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)調(diào)用。接收到終端控制令下發(fā)任務(wù)時(shí)，接入網(wǎng)關(guān)將根據(jù)控制令參數(shù)及終端通信協(xié)議組裝具體的指令內(nèi)容，然后下發(fā)至具體的終端，并將下發(fā)結(jié)果上報(bào)給業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)。

4.2 GIS子系統(tǒng)

GIS子系統(tǒng)主要由兩部分組成：Web地圖服務(wù)和空間輔助報(bào)警分析。Web地圖服務(wù)模塊提供地圖服務(wù)、要素服務(wù)、幾何服務(wù)等。空間輔助報(bào)警分析主要包括輔助報(bào)警空間判斷和圍欄信息維護(hù)服務(wù)。

4.2.1 子系統(tǒng)組成

GIS子系統(tǒng)包括Web地圖服務(wù)和空間輔助報(bào)警分析兩個(gè)模塊，如圖5所示。

4.2.2 Web地圖服務(wù)模塊

Web地圖服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)地圖服務(wù)、要素服務(wù)、幾何服務(wù)等。

（1）瓦片地圖服務(wù)。瓦片地圖就是將多個(gè)比例尺下配置地圖，提前把每個(gè)比例尺下的地圖切割成小塊圖片，保存在服務(wù)器上。這樣客戶端在訪問地圖時(shí)，直接獲取需要的小塊圖片拼接成整幅地圖，而不是由服務(wù)器動(dòng)態(tài)創(chuàng)建出一幅圖片再送到客戶端，極大程度提高了訪問速度。瓦片地圖服務(wù)包括電子地圖瓦片服務(wù)、遙感影像瓦片服務(wù)，提供的是靜態(tài)地圖內(nèi)容。

（2）動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)。提供動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)，如監(jiān)測矢量結(jié)果。與瓦片地圖服務(wù)的區(qū)別是不切片。

（3）要素服務(wù)。要素服務(wù)可用來通過web提供要素編輯，并提供顯示要素時(shí)所要使用的符號(hào)設(shè)置。客戶端可以進(jìn)行查詢以獲取要素，并執(zhí)行適用于服務(wù)器的編輯操作。在GIS數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)地塊、業(yè)務(wù)點(diǎn)、興趣點(diǎn)等的編輯。

（4）幾何服務(wù)。提供對幾何圖形的操作，可用于執(zhí)行幾何計(jì)算，如緩沖區(qū)、包含、相交、面積長度計(jì)算，以及投影等。

4.2.3 空間輔助報(bào)警分析模塊

空間輔助報(bào)警分析包括輔助報(bào)警空間判斷、圍欄信息維護(hù)服務(wù)等。

（1）輔助報(bào)警空間判斷。GIS子系統(tǒng)通過訂閱分布式消息調(diào)度服務(wù)Kafka，獲得接入網(wǎng)關(guān)推送的終端位置數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)緯度、速度等信息進(jìn)行輔助報(bào)警空間判斷，完成判斷后再次組裝位置數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)布器推送至業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)一步處理。

（2）圍欄信息維護(hù)服務(wù)。圍欄信息維護(hù)服務(wù)以Rest形式提供電子圍欄信息的設(shè)置、更新接口。

4.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)為用戶提供可操控的WEB用戶界面。用戶可以在WEB界面上對平臺(tái)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、操作和管理，主要功能有：基本地圖操作、信息標(biāo)注、信息查詢、路徑規(guī)劃、北斗終端監(jiān)控、軌跡繪制和回放、預(yù)警功能、輔助決策功能等

4.3.1 子系統(tǒng)組成

業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)由基本地圖操作、信息標(biāo)注、信息查詢、路徑規(guī)劃、北斗終端監(jiān)控、軌跡繪制和回放、預(yù)警功能、輔助決策功能等8個(gè)模塊組成，如圖6所示。

4.3.2 基本地圖操作

業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)通過調(diào)用GIS子系統(tǒng)發(fā)布的地圖服務(wù)（WMS），并使用地圖控件加載地圖瓦片，提供放大、縮小、漫游、距離量算、面積量算等基本地圖操作功能。

4.3.3 信息標(biāo)注

對地圖上的火點(diǎn)、過火面積、行進(jìn)道路以及救災(zāi)物資裝備等在圖上進(jìn)行標(biāo)繪，主要包括一套標(biāo)注符號(hào)，形象化的展示火場態(tài)勢。新的標(biāo)注信息能夠通過數(shù)據(jù)庫管理員審核后更新原有數(shù)據(jù)庫。

4.3.4 信息查詢

POI查詢，能夠通過地名等進(jìn)行地點(diǎn)檢索，地圖自動(dòng)定位至檢索地點(diǎn)，查詢結(jié)果以列表顯示，并可對具體結(jié)果項(xiàng)進(jìn)行查詢。終端查詢，對平臺(tái)下轄的終端進(jìn)行查詢，包括終端開關(guān)機(jī)狀態(tài)、終端卡號(hào)、終端持有人信息進(jìn)行查詢；物資裝備查詢，對救援的隊(duì)伍、無人機(jī)、消防車輛等救援物資和裝備信息進(jìn)行查詢，包括救援物資的位置、數(shù)量、使用狀態(tài)等進(jìn)行查詢。其他信息查詢，通過接入氣象、林業(yè)火險(xiǎn)預(yù)警信息等，對林區(qū)的氣象信息、火險(xiǎn)等級等信息進(jìn)行查詢。

4.3.5 路徑規(guī)劃

利用導(dǎo)航地圖進(jìn)行路徑計(jì)算，設(shè)置起點(diǎn)、終點(diǎn)，計(jì)算出最佳的行進(jìn)路線。由于林區(qū)導(dǎo)航數(shù)據(jù)特殊，因此，需要能夠?qū)ψ詣?dòng)規(guī)劃出的路線進(jìn)行手動(dòng)的修改和編輯。

4.3.6 北斗終端監(jiān)控

系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對北斗終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。監(jiān)控對象范圍設(shè)定，系統(tǒng)監(jiān)控功能將所有管轄的北斗終端設(shè)備在統(tǒng)一的監(jiān)控界面上顯示，用戶可通過自行設(shè)定對監(jiān)控終端范圍進(jìn)行設(shè)定，包括按類型（手持、車載、機(jī)載）設(shè)定范圍、依據(jù)條件查找特定終端、多種搜索功能等。

北斗終端動(dòng)態(tài)信息監(jiān)控，北終端的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等信息，監(jiān)控人員可通過監(jiān)控平臺(tái)掌握所有終端用戶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。另外，系統(tǒng)還支持多個(gè)終端動(dòng)態(tài)的同屏多窗口顯示。

4.3.7 軌跡繪制和回放

對手持、車載以及機(jī)載終端的行進(jìn)軌跡進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，能夠?qū)崟r(shí)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡，支持對歷史數(shù)據(jù)的查詢，支持用戶查詢指定北斗終端的歷史定位數(shù)據(jù)，并將歷史定位數(shù)據(jù)顯著地顯示在地圖上，構(gòu)成軌跡線。此外，系統(tǒng)支持用戶針對軌跡進(jìn)行基本管理操作，包括對監(jiān)控終端的軌跡記錄，軌跡回放，軌跡刪除，軌跡查詢，軌跡下載。

通過分析終端軌跡，可以實(shí)現(xiàn)對巡視人員的工作考核，火災(zāi)救援行動(dòng)重現(xiàn)等。

4.3.8 預(yù)警功能

災(zāi)害預(yù)警功能主要包括異常作業(yè)預(yù)警、其他異常情況預(yù)警等內(nèi)容。

（1）異常作業(yè)預(yù)警，系統(tǒng)應(yīng)提供多種異常作業(yè)報(bào)警功能，包括超速報(bào)警、駛近火場報(bào)警、偏離路線報(bào)警、預(yù)警參數(shù)設(shè)置等。

（2）其他預(yù)警情況，依據(jù)林業(yè)通告、環(huán)境污染、重大緊急事件等，服務(wù)平臺(tái)可向北斗終端發(fā)送告警信息，消息內(nèi)容可以輸入，并可通過組播方式、單個(gè)終端方式發(fā)送。

4.3.9 輔助決策功能

（1）火險(xiǎn)等級分析，生成不同時(shí)段森林氣象火險(xiǎn)區(qū)劃圖，供用戶調(diào)閱、查詢和控制火險(xiǎn)區(qū)空間和其屬性信息。

（2）火情蔓延分析，根據(jù)各種條件按照燃燒時(shí)間在地圖上進(jìn)行林火動(dòng)態(tài)模擬，通過模型動(dòng)態(tài)計(jì)算并自動(dòng)生成火情發(fā)展蔓延的預(yù)測效果。通過模型預(yù)測效果，對火勢利用漸進(jìn)的紅色進(jìn)行疊加渲染，能夠清晰準(zhǔn)確的模擬著火區(qū)域，對著火過程、著火地形一目了然，使指揮人員在辦公室即可看到未來一段時(shí)間內(nèi)林火發(fā)展蔓延的趨勢和情況，供撲救指揮參考。

4.4 數(shù)據(jù)服務(wù)引擎子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)引擎提供系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存取服務(wù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分為部門數(shù)據(jù)、終端數(shù)據(jù)和卡數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分為終端位置數(shù)據(jù)和報(bào)警事件數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)引擎對外以Rest形式提供數(shù)據(jù)存取服務(wù)，內(nèi)置不同數(shù)據(jù)庫的存取函數(shù)，并提供擴(kuò)展接口，可根據(jù)應(yīng)用需求擴(kuò)展此接口實(shí)現(xiàn)其他數(shù)據(jù)庫的存取函數(shù)，如圖7所示。

5 結(jié)語

針對林區(qū)面積大，移動(dòng)通信覆蓋不全的問題，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)為此提供了良好的解決方案。利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位和通信功能，將其應(yīng)用于森林防火中，它不僅可以解決甚高頻或超短波通信中的通信有效距離受限制的問題，還可以為防火隊(duì)員提供高精度的位置信息，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，有效解決了林區(qū)人員定位、前線隊(duì)伍與后方指揮部們的盲區(qū)通信問題，極大的提高了森林防火指揮調(diào)度能力。該系統(tǒng)可在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，利用該系統(tǒng)提供的輔助決策功能，制定合理的撲火方案，實(shí)現(xiàn)撲火力量的最優(yōu)配置，縮短撲火出動(dòng)時(shí)間，提高撲火效率，盡可能最大限度的降低森林火災(zāi)造成的損失。

［1］侯春青，張鳳珊，孫 宏，等 .基于北斗的森林防火監(jiān)測和應(yīng)急指揮系統(tǒng)研究［C］／／中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)會(huì).學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集－s01北斗／gnss導(dǎo)航應(yīng)用.北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)會(huì)，2012.

［2］曹 軒 .北斗定位在林業(yè)行業(yè)應(yīng)用技術(shù)探究［J］.電子測試，2014（12）.

［3］陳 俊，張 雷，王遠(yuǎn)飛 .基于北斗和GPS的森林防火人員調(diào)度指揮系統(tǒng) ［J］.軟件，2012（2）：27～30.

［4］西南林業(yè)大學(xué) .森林防火工作的可靠衛(wèi)士——森林火災(zāi)數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急指揮輔助系統(tǒng)［J］.云南科技管理，2013，26（1）：73～73.

［5］葉江霞，鄧忠堅(jiān)，趙 璠，等 .森林防火數(shù)字化監(jiān)測與應(yīng)急指揮輔助系統(tǒng)研究［C］／／中國林業(yè)學(xué)會(huì).第十屆中國林業(yè)青年學(xué)術(shù)論壇.北京：當(dāng)代中國出版社，2012.