構建森林防火實戰指揮一體化神經系統

張艷紅+盧勇+陳俊杰+王大震+王景利

摘 ? ?要：針對目前森林防火信息化建設門類眾多、各成體系、缺乏統一的技術平臺、不能實現交互使用和最大程度的優化整合，提出了構建森林防火實戰指揮一體化神經系統，以森林防火指揮調度平臺為大腦，通信鏈路為神經網絡，多元數據采集為神經末梢，將數據采集、傳輸、分析、反饋等各個環節有機融合，提高森林火災的應急處置能力。

關鍵詞：森林防火;實戰指揮;一體化神經系統

中圖分類號：S762.3 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.11.034

Construction of Forest Fire Prevention of Actual Combat Command Integrated Neural System

ZHANG Yan-hong1， LU Yong2， CHEN Jun-jie1， WANG Da-zhen1， WANG Jing-li1

（1.Forestry Bureau of Jixian in Tianjin， Tianjin 301900， China; 2.Anhui Four hit Electronic Limited Company， Hefei， Anhui 230000， China）

Abstract： At present， forest fire prevention information construction variety on the system. It is lack of unified technology platform. It cant implement interaction and optimized integration to the greatest extent. We proposed to build the integration of forest fire prevention of actual combat command nervous system， forest fire prevention command scheduling platform as the brain， as neural network communication link， multivariate data acquisition as nerve endings. It will be the data collection， transmission， analysis， feedback and so on each link of organic integration. Purpose to improve the emergency disposal ability of forest fire.

Key words： forest fire prevention; actual combat command; the integration of the nervous system

森林火災是森林的主要災害之一，不僅嚴重破壞森林資源，造成巨大經濟損失，而且造成災區及周邊地區環境的嚴重污染。森林火災的撲救管理在全球范圍內都是一個難題。當前大多數森林防火的信息化建設，更多地將關注點集中在具體功能的實現、靜態數據的展現，忽略了相關信息的獲取與關聯，無法將不同結構、不同層面的信息技術統一在同一平臺上。鑒于森林防火業務的特點，信息系統建設的難點綜合體現在火情難以快速獲知、態勢難以全面掌握、信息難以通信共享。

1 現 ?狀

1.1 系統分散造就數據孤島

由于管理上的需要，森林防火指揮部往往建立了各種架構和功能的信息系統。例如，視頻監控系統通過自組網絡或公網將監控視頻回傳到監控中心，森林防火地理信息系統管理基礎空間及防火專題數據，GPS或北斗定位系統負責人員、車輛的定位管理，視頻會議系統實現指揮中心與分會場的視頻會話，超短波電臺系統實現對講機的音頻通信等。

門類眾多的信息通信系統，各成體系，相互將無法交互，更談不上功能的整合優化，即使同屬視頻信號的監控與視頻會議也無法整合;同為音頻的電話手機也無法與對講機通話。如果再考慮到林業其他部門系統中與防火息息相關的森林資源、衛星遙感等數據系統的割裂，眾多的數據孤島將大大增加用戶的使用難度，降低數據使用和功能操作的效率，違背系統建設的初衷。另一方面，眾多的信息系統及通信網絡并行，就如同牽線木偶，每一根線只能完成一個局部的功能。然而在森林火災撲救指揮時，只有各個系統協調一致，才能夠準確有效地實施指揮，這對于系統操作人員的要求非常高。隨著技術手段的提升，可能還會有更多的系統加入，如果不能實現一體化的管理與操作，最終只能造成紊亂，事與愿違。當各個異構網絡與系統統一整合在同一界面與操作環境下的實戰指揮平臺中，才有可能在情況瞬息萬變的火場環境中操作自如。

1.2 高山密林形成通訊鴻溝

林業管理的地形環境復雜多變。東北林區原始森林樹高林密;西南林區崇山峻嶺，人跡罕至。不僅基礎的公共網絡很難覆蓋，就連自己架設通信鏈路也很難實施，維護成本巨大。森林防火采集的各類數據沒有通過網絡回傳，指揮中心就無法正確決策;撲火指揮的指令不能保障上傳下達，指揮調度更是無從談起。事實上，野外環境的網絡覆蓋，已經成為森林防火信息化建設的瓶頸。

現有的各種通信裝備各有長短，可以解決某一段通信問題，但都有其局限性，僅靠一種手段不能滿足森林防火通信保障的需求（有線通信、公眾移動通信、短波通信、超短波通信和衛星通信等）。指揮中心要能夠指揮到前方，快速下達指令，跨終端一呼百應。目前主要以音頻通信為主，缺乏視頻、消息、LBS定位、業務的綜合化體系。前方圖像目前以固定瞭望塔為主，建造成本高，捕獲概率低。當發展了多種音頻和視頻通信系統，各類通信系統互聯互通又存在問題。通信孤島降低了溝通效率，增加了用戶對裝備的使用難度。撲救森林火災，通常是軍、警、民協同作戰，跨部門協作性要求高，互聯互通存在諸多問題。

2 構建一體化神經系統

隨著我國基于北斗的定位通信系統、大數據應用、物聯網、移動互聯技術、無人機等新技術的大量成熟運用，尤其是近年國家林業信息標準化的制定，為打造全新的森林防火工作管理模式提供了良好的條件。我們通過新技術突破原有的應用瓶頸，通過規范標準實現信息整合與共享，進而打造貼合實戰要求的森林防火實戰指揮一體化的神經系統。

一個具有活力和卓越能力的人體，必然是具有統一人格、統一思維、完整神經系統的有機整體。我們構建的森林防火實戰指揮平臺也以建立一體化的神經網絡系統為目標，將數據采集、傳輸、分析處理、指令反饋等各個環節有機整合。火場前線多源數據采集就像是感知環境的神經末梢，終端應用的信息接收與處理類似神經元，融合統一的通信鏈路構成了神經網絡，指揮調度平臺就承擔了大腦的角色。

森林防火一體化神經系統能夠不斷地自我成長或者進化。系統的升級體現在3個方面：一是火場感知信息，判斷處理后自動觸發后續服務應用，縮短應急響應周期（形成膝跳反應或條件反射）;二是具有融合新技術、新網絡、新數據格式的能力（系統自我學習與升級）;三是后端的指揮調度平臺在今后的實際工作中逐步形成用戶個性化的運行模式，符合用戶實際管理與操作規范（形成思維模式與人格完善）。

2.1 構建火場感知

了解構成火場態勢各類動態數據，是準確判斷火情發展趨勢的必要條件，更是森林火災撲救指揮的基礎。所謂火場感知，就是通過各種技術手段和途徑采集數據。火場感知是森林防火預警及指揮的客觀依據，缺乏感知，就無從判斷。

火場感知信息由幾大種類構成：視頻信息、音頻信息、位置信息、環境信息以及其他相關信息。

2.1.1 視頻信息 視頻具有直觀、信息量大的特點。對于災害應急的處置，決策與參與人員最希望獲得的就是視頻信號。視頻信息將通過固定監控點、單兵背負、無人機帶載及視頻會議終端分別獲得。實現從局部到全局、有平視到俯視的多角度觀察。

2.1.2 音頻信息 音頻交流是人與人之間最直接、最有效率的溝通方式。我們一方面將手機與對講機互通，并整合到指揮系統中，讓對話在系統內完成;另一方面通過語言合成，將系統傳遞的文字內容通過語言傳達，簡化前線人員的操作。

2.1.3 位置信息 位置信息包括人員物資的位置信息和火點火線的位置信息。系統通過實時定位，獲知移動目標的軌跡、分布，了解火場動態;前線人員亦能夠通過手持信息終端，標繪火燒跡線等數據信息，標注火場態勢。

2.1.4 環境信息環境信息 包括溫度、風向、風速等氣象因子和危險氣體含量等環境數據，前線人員的生命體征數據獲取，以及區域內的高壓線、重點倉庫、危險源、古樹名木等敏感高危設施分布。系統借助專業傳感器技術，可通過穿戴式設計與裝備、服裝結合，實時監測環境數據，后端信息系統檢索高危重點設施，主動推送提醒。

2.2 網絡動態覆蓋

如前所述，網絡通信是阻滯森林防火信息系統建設的最大瓶頸。公共無線網絡在山區、林區的覆蓋率很低，尤其是人口密度很低的區域。超短波電臺的自組網絡，是各級防火部門和隊伍之間的線狀或網狀的分布，更加無法實施全覆蓋。大多數的視頻監控是點對點的微波傳輸，僅傳播視頻及相關的控制信號，不能承載其他信息的傳送。衛星網絡的傳輸，成本過高，不能按需使用。

如果在特殊要求下，臨時性地解決某個區域、某點的網絡通信問題，現有的技術可以做到，但是若要實現全面信號覆蓋，則成本過高，根本不可行。而我們解決問題的目標，首先是當我們需要在某個區域實行網絡通信時，網絡已經具備或可以在很短的時間內構建。其次是不同協議、不同介質的網絡能夠協調一致，提供全面的信息數據傳遞。我們通過設計全新的前線指揮車或移動指揮所的建設，實現上述目標。如果說指揮中心是神經系統的“大腦”的話，前線指揮車的功能要大于一般意義上的“脊髓”，它不僅負責將全局各類感知信號匯集輸送至大腦，并將多種網絡融合管理，針對前指態勢實施指揮調度。

我們以指揮車為中心，利用4G網絡協議，構建火場自組網絡環境，實現電腦及智能終端之間的通信連接，實現火場的動態覆蓋;利用北斗定位通信系統，實現移動目標的定位及位置信息回傳;車載電臺基站聯系對講機的音頻對話;利用3G等無線公共網絡，實現指揮車與指揮中心系統的聯系與交互;在沒有任何公網覆蓋區域，考慮通過衛星通信網絡將必要信息回傳指揮中心;指揮中心負責將接收到的各類信息通過傳統的IP網絡，發布共享給不在前線的其他相關部門、人員。

2.3 綜合數據管理

火場感知系統獲取到數據種類很多，格式各異，數據采集手段及傳輸方式不同，并且數據實時更新，大量產生，所以必須建立統一的綜合數據管理平臺，將數據集中整合，分析處理后分散應用。

首先，我們將不同格式的多媒體信息、相關數據、文字信息統一管理，以基礎地理空間數據為依托，構建空間屬性一體化的數據庫系統，實現動態數據與空間位置緊密關聯。

其次，我們應實現不同對象、不同設備之間的數據流動，這包括基礎數據對于終端的支撐共享，不同隊伍、單兵之間的傳遞，指令的下達分發等。

最后，統一的綜合數據平臺設計，應支撐更多數據分析處理、更多功能應用與擴展。

2.4 一體化集成

2.4.1 應用系統的界面 力求一體化、可視化實現系統內部機制的整合，也包括標準一體化。

2.4.2 網絡通信的一體化 實現不同網絡、不同協議之間的交互，通信在平臺內部完成，用戶在實際操作時，不需要在考慮不同通道之間的切換。

2.4.3 數據鏈路一體化 系統數據的采集、通信、處理分析、發布共享、指令反饋在同一平臺上完成，不需要額外的人工干預、導入導出。

2.4.4 應用功能一體化 實現不同類型系統功能的調用，在同一操作界面下，實現類似地圖標繪、目的跟蹤、圖像調用、視頻會議、語音通話等異構系統的操作。

3 通過異構網絡融合打通神經脈絡

按照應用先進通信和信息技術、面向行業實際、分段實施驗證、平戰結合的設計原則，利用先進的軟交換技術、應急通信技術及網絡數據融合技術，集互聯互通應急通信網絡、指揮中心各類基礎支撐系統、語音調度指揮于一體，在緊急情況下，能快速將不同頻段的無線電臺、對講機、網絡電話、固定電話、手機、衛星電話、無線對講等通信設備組成一個統一的通信平臺，依據各類應急預案和應急流程，實現指揮調度中心、不同部門和事件應急現場之間快速組網，以實施指揮調度、信息交換共享。

異構網絡融合采用集中調度指揮、樹狀分布響應的配置方式。調度終端對象依托行業專網、PSTN網、G網、C網、無線對講網絡以及IP網絡、衛星鏈路與交換主機服務器、語音調度席、指揮中心應急管理信息交換媒體、信令、調度作業等數據信息。通過數據中心實現與應急相關業務應用的數據集成，通過應用集成平臺實現與應急相關業務應用的流程集成，實現不同系統的“無縫”融合。系統結構圖見圖1。

4 一體化整合應用支持大腦決策

系統實現以地理信息系統（GIS）為基礎的、一體化的實戰指揮。應用軟件與監控系統、北斗定位通信系統無縫連接，使用戶通過GIS這個統一的界面，利用公共接口構件，任意調用、操作包括北斗定位、多網通信、視頻監控、決策指揮、衛星數據監測等在內的其他系統。

綜合決策平臺承擔了信息系統后臺海量數據處理、分析運算、指令發布、服務推送等工作。所有火場信息結合基礎空間數據最終匯集在后臺系統中，并將各類信息之間的內在關系統一管理、展現、分析，最后將反饋信息及調度指令下達到前線。見圖2。

4.1 值班接警

當日值班人員登記的火情登記表中的數據不僅僅作為以后生成火災檔案（火災損失）和查處火災案件的主要依據，還將作為撲火指揮的數據來源。為了保證系統的時效性，值班記錄必須在系統規定時間段填寫，逾期不予填寫。

4.2 火場綜合態勢分析

針對火場態勢實施分析，首先需要實時接收、存儲火場一線回傳的感知信息;然后基于感知信息，結合基礎空間、屬性數據相互關聯，綜合分析。視頻圖像、音頻對講、氣象環境、人員位置等火場感知信息的不斷變化，并相互關聯，綜合上述動態信息，才能準確描述、分析火場態勢。

4.2.1 視頻綜合調用系統 在調用視頻信號時，將不再考慮視頻信號不同來源，而直接點擊所要查看的視頻信息對象所在地圖上的位置圖標即可。

4.2.2 氣象環境管理 氣象信息分別由無人值守氣象站和手持終端采集傳輸。指揮中心接受到的氣象數據分別由北斗通信網絡、無線公網、火場前線自組網絡到達指揮車后再傳回。

4.2.3 移動目標定位指揮中心 系統跟蹤顯示的各個撲火救援隊伍的位置信息、實時行進路線。

4.3 基于北斗調度指揮

系統作為服務器端，在森林防火綜合態勢分析的基礎上，進一步對海量數據展開分析處理，運用對地理數據的切割和析取，支持網絡融合傳輸，為移動前指和移動單兵提供最新的火場決策支持;該系統作為林火撲救指揮的中心樞紐，負責指揮中心與電子監控系統、多媒體視頻會議系統、移動前線指揮系統、移動單兵裝備、移動車輛等獨立系統單元的聯動與數據傳輸，并將指揮中心會商結果與指令發送到各目標。

4.4 專業模型分析系統

4.4.1 林火蔓延分析 以某著火點為起始，系統綜合風力風向等氣象因素、植被及可燃物、地形地貌、阻隔物等因子，可以分別計算出設定時間內的林火蔓延情況，并提示蔓延推演結果的可信率;可查詢過火面積內的森林資源數據、高壓線、油庫等重要信息，為撲火決策提供依據。

4.4.2 林火定位監測 到火災現場，通過視頻監控系統云臺的機動性能調整好攝像頭的角度，這時點擊火情報警，攝像頭的方向角度和俯仰角度通過北斗或者專用線纜，把這兩個參數傳回到森林防火指揮中心的森林防火指揮作戰平臺系統上，系統會自動根據攝像頭的方向角度和俯仰角度解算出火災的具體位置，并以圖示的方式在三維地圖上顯示出來，給用戶以直觀的感受，便于指揮決策者的林火救援部署。熱點及火點定位界面如圖2所示。

當系統發現林火或者煙柱時，可利用電子監控系統，定位至起火地點，并且可以利用多臺監控設備回傳的實際參數和求得的參數進行差分，提高定位精度。系統通過讀取視頻流信息，在圖上直接查看監控攝像頭的監控畫面。此功能進一步將軟硬件系統緊密結合使用。

4.5 多媒體融合調度

完成音視頻面向對象的融合調度操作。將各路視頻信號、視頻會議、單兵圖傳及其音頻信息、電臺對講機、公網電話等信息對象定位在電子地圖中，實現跨網絡、跨格式的多媒體融合（圖3和圖4）。

4.5.1 監控與無線對講聯動 平臺管理人員可在前期將林區的視頻監控圖像與負責此區域的林場站的對講機進行捆綁，當指揮調度人員發現此林區有火情，可迅速雙擊畫面來聯系負責該林場的人員，實現音視頻聯動，快速呼叫，提高指揮調度效率。

4.5.2 監控與有線電話聯動 平臺管理人員可在前期將林區視頻監控圖像與此區域的有線調度電話進行捆綁，當指揮調度人員發現此林區有火情，可迅速雙擊畫面來聯系相關林場站的有線調度電話，實現音視頻聯動，快速呼叫，提高指揮調度效率。

4.5.3 監控與專網手機聯動 平臺管理人員可在前期將視頻監控圖像與此區域的工作人員專網手機進行捆綁，當指揮調度人員發現此區域有特殊事件時，可迅速雙擊畫面與現場專網手機進行雙向通信，實現音視頻聯動，快速呼叫，提高指揮調度效率。

在應急模式下，指揮調度人員可以將多種不同類型的終端混合編入同一通信組，在發生緊急狀況時，指揮調度人員只需點擊相應的“應急通信組”即可“一鍵式”呼叫所有組內成員，快速向其通告緊急事件，大大提高指揮調度在應急場景下的通信效率。

5 結 ?論

森林防火實戰指揮一體化神經系統是在規范信息標準的前提下，利用基于北斗的定位通信系統、物聯網、移動互動技術等構建起來的。利用先進的異購網絡融合技術，將通訊、指揮設備融合，形成統一通訊平臺作為大腦;利用多元數據采集設備作為神經末梢。通過信息的整合與共享，指揮、調度信息交換共享，從而達到數據采集、傳輸、分析、反饋等各個環節有機融合，提高森林防火實戰指揮能力，有效減少火災造成的損失。

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