警犬集群遠程實時定位及調(diào)度指揮系統(tǒng)的構(gòu)建

顧勁喬 丁 文 吳德華 強京寧 魏大利

警犬集群遠程實時定位及調(diào)度指揮系統(tǒng)項目的提出，主要是基于公安工作信息化要求、警犬技術(shù)及實戰(zhàn)管理新要求，以及信息技術(shù)與產(chǎn)品在全社會的廣泛應用。本項目2014年獲公安部項目立項（公安部創(chuàng)新項目：2014YYCXNJJQ074），并由南京警犬研究所承擔研究開發(fā)工作。項目主要包含三個方面研究內(nèi)容：即創(chuàng)制警犬可穿戴式內(nèi)嵌特定軟件的超小型定位終端；開發(fā)警犬遠程實時定位、調(diào)度指揮管理分布式云平臺；警犬遠程定位、調(diào)度指揮系統(tǒng)客戶端使用軟件（實時檢視系統(tǒng)）。通過研發(fā)，集成了可穿戴式的定位終端，基于GPS、基站、RF 的多重定位技術(shù)，定期上傳警犬的活動狀態(tài)，通過管理平臺管理者、調(diào)度指揮員可以實現(xiàn)訓導員警犬信息查看、警犬實時位置信息檢視、發(fā)布指揮調(diào)度指令等；同時，訓導員也可以通過客戶端軟件管理自己的警犬，如實時位置定位和追蹤、電子圍欄、報警和歷史軌跡查詢等。此外整個系統(tǒng)還可以借助警犬歷史軌跡查詢功能，對系統(tǒng)內(nèi)的全部警犬的活動信息進行記錄、存儲（一年以內(nèi)信息均可查閱、分析比較），分析查驗，分析案件得失與成敗。系統(tǒng)本身具備可加密性，適應公安與警犬技術(shù)工作的保密性需要。

一、技術(shù)方案論證

（一）研究現(xiàn)狀

進入21世紀以來，無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、衛(wèi)星全球定位技術(shù)的日益發(fā)展與普及，正不斷地改變?nèi)藗兊墓ぷ鳌⑸睿粩嗟靥岣呶覀兩钇焚|(zhì)和工作效率，日益成為各業(yè)不可或缺的重要手段。信息化水平的高低已成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標志。

應用GPS、北斗定位技術(shù)和GSM 無線網(wǎng)絡通訊技術(shù)，創(chuàng)制適合警犬穿戴的專業(yè)警犬定位設備，用于警犬的實時定位追蹤和遠程調(diào)度指揮，并利用GIS 搭建一套警犬實時指揮系統(tǒng)，既可行也十分必要。因其有利于提高工作效率，節(jié)約警力，又可提高警犬技術(shù)的管理水平和實戰(zhàn)能力。應用該系統(tǒng)可以在指揮中心對電子地圖上警犬集群的位置、速度、狀態(tài)進行實時監(jiān)控、調(diào)度和指揮。系統(tǒng)以地理信息電子地圖為依托，具有相應的自動化管理水平，可對各時點警犬集群信息進行記錄、存檔、備查。

人——機——移動通訊——衛(wèi)星定位技術(shù)的集成應用，在其他領(lǐng)域已有較多應用，但在我國警犬技術(shù)實戰(zhàn)中的應用尚屬空白。友好的用戶界面，直觀的地圖位置和實時通訊技術(shù)，使警犬技術(shù)應用變得更高效，更快捷。警犬集群定位、調(diào)度指揮系統(tǒng)的研發(fā)可為管理層提供一款實時了解、掌控犬群分布情況，提供互動式的溝通與指揮手段；實戰(zhàn)搜（圍）捕中可通過地圖界面，更真實地了解警力分布合理性，還可實時調(diào)度、調(diào)配警力，查補薄弱環(huán)節(jié)、防范警力真空；也可應用于公安各警犬單位進行日常管理與監(jiān)控。

目前國外已有犬電子定位產(chǎn)品，但沒有集群遠程實時定位顯示功能軟件，且體積較大。此外，國外電子定位產(chǎn)品目前功能單一，功能集成度低。本系統(tǒng)同時解決多犬定位、調(diào)度、指揮等功能，并進一步將定位產(chǎn)品與顯示終端小型化。目前，這樣的研究國內(nèi)外尚未公開報道。未來關(guān)于云計算、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)支撐的多警犬（集群）定位、調(diào)度、指揮和存檔分析的高度智能化管理系統(tǒng)一定會發(fā)揮重要作用。

（二）本系統(tǒng)采取的技術(shù)方案

隨著可穿戴設備技術(shù)的不斷突破，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及定位技術(shù)的不斷發(fā)展，本研究根據(jù)最新技術(shù)，首次提出一種新的創(chuàng)新性技術(shù)方案：采用基于位置信息的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，應用GPS、基站、射頻等多種定位方法，通過智能可穿戴設備、信息集成、移動通信、分布式存儲、云計算等新型技術(shù)集成開發(fā)警犬集群遠程定位、實時互動交流、調(diào)度指揮管理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)通過智能可穿戴設備，將警犬的實時位置、運動狀態(tài)等信息通過GPRS 無線網(wǎng)絡傳遞到分布式物聯(lián)網(wǎng)運營平臺，平臺經(jīng)過分析處理計算后傳遞給調(diào)度指揮人員。調(diào)度指揮人員可以通過Web、APP等多客戶端實時查看警犬的活動狀態(tài)。同時，也可以通過web 管理系統(tǒng)，對智能可穿戴設備進行遠程指令操作，還可以對訓導員進行下發(fā)訓犬指令操作。進而達到遠程實時定位、調(diào)度指揮等效果，對警犬進行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。方案原理圖如圖1 所示。

圖1 技術(shù)方案原理圖

二、研究的主要內(nèi)容

（一）硬件終端的研究內(nèi)容

通過研究警犬執(zhí)行任務的實際情況，對訓導員進行深入的溝通調(diào)查。根據(jù)結(jié)果，總結(jié)警犬的行動特點和在指揮警犬執(zhí)行任務時的實際需求，確定硬件終端的功能、外觀。主要研究內(nèi)容有：

1、硬件終端外觀的研究：研究適合警犬穿戴的硬件終端，不影響警犬的訓練與執(zhí)勤，具備小巧、精致、時尚、方便佩戴、不易脫落等特點。

2、定位模塊的研究：以GPS全球定位系統(tǒng)模塊為主要定位模塊，基站定位模塊與RF 射頻無線信號接收模塊為輔助定位模塊，實時采集警犬的位置、速度、方向等信息。

3、柔性天線的研究：在傳統(tǒng)定位終端的基礎上，利用柔性FPC 天線打破傳統(tǒng)GPS 和GSM天線的體積和材質(zhì)的限制, 打造專為警犬設計、佩戴舒適的定位終端。

4、傳輸模塊的研究：通過GSM 全球移動網(wǎng)絡通訊模塊，連接無線網(wǎng)絡，將信息上傳到分布式物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。

圖2 終端和底座示意圖

5、終端功耗的研究：鑒于體積和電池的矛盾關(guān)系，延長終端的使用時間，必須對終端的功耗進行優(yōu)化。

6、報警系統(tǒng)研究：通過RF 無線信號模塊對RF 信號的偵測，實現(xiàn)警犬離開基地和返回基地的通知與報警。

外觀示意圖如圖2 所示。

（二）分布式物聯(lián)網(wǎng)管理平臺研究內(nèi)容

通過現(xiàn)場調(diào)研、資料查閱，了解警犬指揮中心各部門對實時調(diào)度指揮平臺功能的實際需求。

根據(jù)調(diào)研獲得信息，首先確立系統(tǒng)主體框架，制定終端和平臺的通信協(xié)議標準，確定系統(tǒng)主要組成模塊，設計模塊的具體功能；采用SUN公司Java分布式應用體系結(jié)構(gòu)，設計并實現(xiàn)平臺接收、協(xié)議解析、存儲數(shù)據(jù)等。主要研究內(nèi)容有：

1、分布式存儲技術(shù)的研究：鑒于警犬數(shù)據(jù)的多樣性、數(shù)據(jù)量龐大的特點，以及便于未來全國范圍內(nèi)的推廣，平臺采用了最新的Hadoop 分布式存儲技術(shù)，以方便大數(shù)據(jù)的存儲和處理，挖掘和提取有價值的信息，并可以做到高性能、高可用率和高可擴性。

2、分布式緩存技術(shù)的研究：利用Redis 分布式緩存技術(shù)將警犬的熱點數(shù)據(jù)緩存于內(nèi)存中，提升了指揮中心管理員訪問系統(tǒng)的響應速度，訪問系統(tǒng)的時延最長不超過3秒，能容納極高的并發(fā)訪問，切實改善管理員的體驗。

3、關(guān)系數(shù)據(jù)庫集群的研究：利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MYSQL 存儲基本信息，QPS 滿足20000 次/秒，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的主備故障智能切換。

4、負載均衡集群技術(shù)研究：利用LVS+Keepalived 技術(shù)解決系統(tǒng)的單點故障，使得系統(tǒng)具有很高的可用性，警犬集群系統(tǒng)可滿足至少幾萬終端的訪問量，并行上傳數(shù)據(jù)20000 條/ 秒，并行下傳數(shù)據(jù)2000條/秒。

5、WEB 服務器集群技術(shù)研究：利用Nginx 技術(shù)做WEB 服務器集群，滿足WEB 系統(tǒng)10000 次/秒的訪問量；極大地提升了警犬系統(tǒng)的性能。

以上只是平臺的基礎組件部分，還有接入組件和業(yè)務組件，針對警犬的不同業(yè)務需求，制定不同的業(yè)務服務。這需要具有一定資歷的技術(shù)人員，進行深入的調(diào)研。

此外，因涉及的技術(shù)難點多，工作量大，該系統(tǒng)開發(fā)人員需要具備豐富的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)開發(fā)經(jīng)營，以及豐富的分布式云計算系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)驗。具體的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 分布式物聯(lián)網(wǎng)運營平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

（三）警犬實時調(diào)度客戶端軟件的研究

通過現(xiàn)場調(diào)研、資料查閱，了解警犬指揮中心各部門對實時調(diào)度指揮客戶端功能的實際需求。根據(jù)調(diào)研獲得信息，制定客戶端和平臺的通信協(xié)議標準，設計客戶端的具體功能；利用客戶端軟件展現(xiàn)系統(tǒng)的狀況，實現(xiàn)監(jiān)控和調(diào)度的目的。主要的研究內(nèi)容有：

1、手機客戶端APP 軟件的研究：包括Android 和IOS 系統(tǒng)的APP 客戶端軟件能夠滿足基本的功能需求，并且兼容各個型號的手機操作系統(tǒng)，用于訓導員對自己的警犬進行管理。這需要具有多年移動客戶端軟件開發(fā)的經(jīng)驗。

2、Web 警犬集群調(diào)度指揮平臺的研究：根據(jù)調(diào)研結(jié)果，制定和設計符合警犬訓練指揮的web 統(tǒng)一調(diào)度平臺，用于管理員對整個警犬集群進行調(diào)度指揮。

利用JSP 動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)語言實現(xiàn)警犬集群的調(diào)度指揮管理。其中涉及到servlet、jQuery、Ajax、html、CSS、Tomcat、Apache、MySQL 等諸多技術(shù)。包括如下基本功能：

警犬和訓導員的基本信息查詢。利用第三方電子地圖顯示警犬的實時位置、警犬編號、警犬所屬訓導員的基本信息等相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合權(quán)限管理，信息管理等MIS 管理系統(tǒng)。實現(xiàn)對警犬實時調(diào)度管理的GIS 應用。能夠?qū)τ枌T進行實時的下發(fā)指令，指揮其訓練警犬或執(zhí)行相關(guān)任務。

查詢所有警犬的實時位置信息。對單頭警犬進行追蹤，查詢實時位置信息，歷史蹤跡。對選擇的任意頭警犬查詢其實時位置信息。管理員的登陸與退出，修改密碼等基本功能，提示系統(tǒng)的安全性。衛(wèi)星地圖展示。

客戶端界面如圖4～6 所示。

圖4 Android 客戶端界面

圖5 iOS 客戶端界面

三、應用情況

本研究項目已經(jīng)在南京載玄信息科技有限公司正式上線使用，已由南京警犬研究所、南京市公安局推廣使用。

目前，南京警犬研究所已有注冊警犬15 頭，并已經(jīng)過實際應用。效果明顯，所有硬件終端上傳數(shù)據(jù)均正常。

四、總體性能指標與結(jié)論

見表1。

五、與國內(nèi)外同類技術(shù)的比較

目前國內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在功能上相對較類似的用于寵物定位的產(chǎn)品，但是此類定位產(chǎn)品只是車載終端的延伸，僅僅是在體積和外觀上進行了簡單優(yōu)化，本質(zhì)上并沒有區(qū)別。將基于車載終端的設計理念用于寵物領(lǐng)域，不可避免地會遇到一些嚴重的問題：如室內(nèi)GPS 不可用、體積過大、電池續(xù)航能力差等。終端外觀沒有按照警犬的佩戴要求，訓練要求等進行設計；也沒有分布式物聯(lián)網(wǎng)運營平臺作為后端存儲的支撐，后端分布式系統(tǒng)將對數(shù)據(jù)進行及時的分析處理，做到及時的報警提醒。由此可見，目前國內(nèi)市場上仍未出現(xiàn)一款專門針對警犬而設計的硬件終端，更未發(fā)現(xiàn)專門為警犬而設計的運營平臺以及手機客戶端軟件和配套的遠程定位和指揮調(diào)度管理系統(tǒng)。而在國外，目前僅發(fā)現(xiàn)高通旗下的一家子公司專注該領(lǐng)域產(chǎn)品，并且已經(jīng)有了較高的市場占有率和市場份額。但是由于網(wǎng)絡運營商、無線網(wǎng)絡頻段的差異，該產(chǎn)品無法在國內(nèi)使用。綜上可得，此領(lǐng)域產(chǎn)品目前在國內(nèi)尚未出現(xiàn)較有實力的競爭對手，智能可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的警犬調(diào)度指揮系統(tǒng)，在國內(nèi)尚屬于空白。

圖6 調(diào)度指揮系統(tǒng)web 客戶端界面

表1 總體性能指標都已經(jīng)滿足使用需求

六、系統(tǒng)應用的范圍、條件和前景

該系統(tǒng)（新產(chǎn)品創(chuàng)制及軟件開發(fā)）可廣泛應用于軍、警犬日常訓練管理，反恐與巡邏實戰(zhàn)調(diào)度指揮。本系統(tǒng)的IPAD 版（支持WIFI或手機熱點）和通訊平板型軟件更可提供一個全天候、全疆域警犬集群遠程實時定位和調(diào)度指揮平臺，可以實時檢視、調(diào)度警力，達到快速集結(jié)，優(yōu)勢合擊的目的。除可用于軍警犬管理和指揮外，還可應用于海關(guān)、廠礦企業(yè)工作犬的訓練管理、巡邏保衛(wèi)等工作。更可通過系統(tǒng)提供的跟蹤記錄、存檔蹤跡，有效評估管理工作和評析案件成敗得失，具有廣泛的應用前景。