构建森林防火实战指挥一体化神经系统

张艳红+卢勇+陈俊杰+王大震+王景利

摘    要：针对目前森林防火信息化建设门类众多、各成体系、缺乏统一的技术平台、不能实现交互使用和最大程度的优化整合，提出了构建森林防火实战指挥一体化神经系统，以森林防火指挥调度平台为大脑，通信链路为神经网络，多元数据采集为神经末梢，将数据采集、传输、分析、反馈等各个环节有机融合，提高森林火灾的应急处置能力。

关键词：森林防火;实战指挥;一体化神经系统

中图分类号：S762.3             文献标识码：A          DOI 编码：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

森林火灾是森林的主要灾害之一，不仅严重破坏森林资源，造成巨大经济损失，而且造成灾区及周边地区环境的严重污染。森林火灾的扑救管理在全球范围内都是一个难题。当前大多数森林防火的信息化建设，更多地将关注点集中在具体功能的实现、静态数据的展现，忽略了相关信息的获取与关联，无法将不同结构、不同层面的信息技术统一在同一平台上。鉴于森林防火业务的特点，信息系统建设的难点综合体现在火情难以快速获知、态势难以全面掌握、信息难以通信共享。

1 现  状

1.1 系统分散造就数据孤岛

由于管理上的需要，森林防火指挥部往往建立了各种架构和功能的信息系统。例如，视频监控系统通过自组网络或公网将监控视频回传到监控中心，森林防火地理信息系统管理基础空间及防火专题数据，GPS或北斗定位系统负责人员、车辆的定位管理，视频会议系统实现指挥中心与分会场的视频会话，超短波电台系统实现对讲机的音频通信等。

门类众多的信息通信系统，各成体系，相互将无法交互，更谈不上功能的整合优化，即使同属视频信号的监控与视频会议也无法整合;同为音频的电话手机也无法与对讲机通话。如果再考虑到林业其他部门系统中与防火息息相关的森林资源、卫星遥感等数据系统的割裂，众多的数据孤岛将大大增加用户的使用难度，降低数据使用和功能操作的效率，违背系统建设的初衷。另一方面，众多的信息系统及通信网络并行，就如同牵线木偶，每一根线只能完成一个局部的功能。然而在森林火灾扑救指挥时，只有各个系统协调一致，才能够准确有效地实施指挥，这对于系统操作人员的要求非常高。随着技术手段的提升，可能还会有更多的系统加入，如果不能实现一体化的管理与操作，最终只能造成紊乱，事与愿违。当各个异构网络与系统统一整合在同一界面与操作环境下的实战指挥平台中，才有可能在情况瞬息万变的火场环境中操作自如。

1.2 高山密林形成通讯鸿沟

林业管理的地形环境复杂多变。东北林区原始森林树高林密;西南林区崇山峻岭，人迹罕至。不仅基础的公共网络很难覆盖，就连自己架设通信链路也很难实施，维护成本巨大。森林防火采集的各类数据没有通过网络回传，指挥中心就无法正确决策;扑火指挥的指令不能保障上传下达，指挥调度更是无从谈起。事实上，野外环境的网络覆盖，已经成为森林防火信息化建设的瓶颈。

现有的各种通信装备各有长短，可以解决某一段通信问题，但都有其局限性，仅靠一种手段不能满足森林防火通信保障的需求（有线通信、公众移动通信、短波通信、超短波通信和卫星通信等）。指挥中心要能够指挥到前方，快速下达指令，跨终端一呼百应。目前主要以音频通信为主，缺乏视频、消息、LBS定位、业务的综合化体系。前方图像目前以固定瞭望塔为主，建造成本高，捕获概率低。当发展了多种音频和视频通信系统，各类通信系统互联互通又存在问题。通信孤岛降低了沟通效率，增加了用户对装备的使用难度。扑救森林火灾，通常是军、警、民协同作战，跨部门协作性要求高，互联互通存在诸多问题。

2 构建一体化神经系统

随着我国基于北斗的定位通信系统、大数据应用、物联网、移动互联技术、无人机等新技术的大量成熟运用，尤其是近年国家林业信息标准化的制定，为打造全新的森林防火工作管理模式提供了良好的条件。我们通过新技术突破原有的应用瓶颈，通过规范标准实现信息整合与共享，进而打造贴合实战要求的森林防火实战指挥一体化的神经系统。

一个具有活力和卓越能力的人体，必然是具有统一人格、统一思维、完整神经系统的有机整体。我们构建的森林防火实战指挥平台也以建立一体化的神经网络系统为目标，将数据采集、传输、分析处理、指令反馈等各个环节有机整合。火场前线多源数据采集就像是感知环境的神经末梢，终端应用的信息接收与处理类似神经元，融合统一的通信链路构成了神经网络，指挥调度平台就承担了大脑的角色。

森林防火一体化神经系统能够不断地自我成长或者进化。系统的升级体现在3个方面：一是火场感知信息，判断处理后自动触发后续服务应用，缩短应急响应周期（形成膝跳反应或条件反射）;二是具有融合新技术、新网络、新数据格式的能力（系统自我学习与升级）;三是后端的指挥调度平台在今后的实际工作中逐步形成用户个性化的运行模式，符合用户实际管理与操作规范（形成思维模式与人格完善）。

2.1 构建火场感知

了解构成火场态势各类动态数据，是准确判断火情发展趋势的必要条件，更是森林火灾扑救指挥的基础。所谓火场感知，就是通过各种技术手段和途径采集数据。火场感知是森林防火预警及指挥的客观依据，缺乏感知，就无从判断。

火场感知信息由几大种类构成：视频信息、音频信息、位置信息、环境信息以及其他相关信息。

2.1.1 视频信息 视频具有直观、信息量大的特点。对于灾害应急的处置，决策与参与人员最希望获得的就是视频信号。视频信息将通过固定监控点、单兵背负、无人机带载及视频会议终端分别获得。实现从局部到全局、有平视到俯视的多角度观察。

2.1.2 音频信息 音频交流是人与人之间最直接、最有效率的沟通方式。我们一方面将手机与对讲机互通，并整合到指挥系统中，让对话在系统内完成;另一方面通过语言合成，将系统传递的文字内容通过语言传达，简化前线人员的操作。

2.1.3 位置信息 位置信息包括人员物资的位置信息和火点火线的位置信息。系统通过实时定位，获知移动目标的轨迹、分布，了解火场动态;前线人员亦能够通过手持信息终端，标绘火烧迹线等数据信息，标注火场态势。

2.1.4 环境信息环境信息 包括温度、风向、风速等气象因子和危险气体含量等环境数据，前线人员的生命体征数据获取，以及区域内的高压线、重点仓库、危险源、古树名木等敏感高危设施分布。系统借助专业传感器技术，可通过穿戴式设计与装备、服装结合，实时监测环境数据，后端信息系统检索高危重点设施，主动推送提醒。

2.2 网络动态覆盖

如前所述，网络通信是阻滞森林防火信息系统建设的最大瓶颈。公共无线网络在山区、林区的覆盖率很低，尤其是人口密度很低的区域。超短波电台的自组网络，是各级防火部门和队伍之间的线状或网状的分布，更加无法实施全覆盖。大多数的视频监控是点对点的微波传输，仅传播视频及相关的控制信号，不能承载其他信息的传送。卫星网络的传输，成本过高，不能按需使用。

如果在特殊要求下，临时性地解决某个区域、某点的网络通信问题，现有的技术可以做到，但是若要实现全面信号覆盖，则成本过高，根本不可行。而我们解决问题的目标，首先是当我们需要在某个区域实行网络通信时，网络已经具备或可以在很短的时间内构建。其次是不同协议、不同介质的网络能够协调一致，提供全面的信息数据传递。我们通过设计全新的前线指挥车或移动指挥所的建设，实现上述目标。如果说指挥中心是神经系统的“大脑”的话，前线指挥车的功能要大于一般意义上的“脊髓”，它不仅负责将全局各类感知信号汇集输送至大脑，并将多种网络融合管理，针对前指态势实施指挥调度。

我们以指挥车为中心，利用4G网络协议，构建火场自组网络环境，实现电脑及智能终端之间的通信连接，实现火场的动态覆盖;利用北斗定位通信系统，实现移动目标的定位及位置信息回传;车载电台基站联系对讲机的音频对话;利用3G等无线公共网络，实现指挥车与指挥中心系统的联系与交互;在没有任何公网覆盖区域，考虑通过卫星通信网络将必要信息回传指挥中心;指挥中心负责将接收到的各类信息通过传统的IP网络，发布共享给不在前线的其他相关部门、人员。

2.3 综合数据管理

火场感知系统获取到数据种类很多，格式各异，数据采集手段及传输方式不同，并且数据实时更新，大量产生，所以必须建立统一的综合数据管理平台，将数据集中整合，分析处理后分散应用。

首先，我们将不同格式的多媒体信息、相关数据、文字信息统一管理，以基础地理空间数据为依托，构建空间属性一体化的数据库系统，实现动态数据与空间位置紧密关联。

其次，我们应实现不同对象、不同设备之间的数据流动，这包括基础数据对于终端的支撑共享，不同队伍、单兵之间的传递，指令的下达分发等。

最后，统一的综合数据平台设计，应支撑更多数据分析处理、更多功能应用与扩展。

2.4 一体化集成

2.4.1 应用系统的界面 力求一体化、可视化实现系统内部机制的整合，也包括标准一体化。

2.4.2 网络通信的一体化 实现不同网络、不同协议之间的交互，通信在平台内部完成，用户在实际操作时，不需要在考虑不同通道之间的切换。

2.4.3 数据链路一体化 系统数据的采集、通信、处理分析、发布共享、指令反馈在同一平台上完成，不需要额外的人工干预、导入导出。

2.4.4 应用功能一体化 实现不同类型系统功能的调用，在同一操作界面下，实现类似地图标绘、目的跟踪、图像调用、视频会议、语音通话等异构系统的操作。

3 通过异构网络融合打通神经脉络

按照应用先进通信和信息技术、面向行业实际、分段实施验证、平战结合的设计原则，利用先进的软交换技术、应急通信技术及网络数据融合技术，集互联互通应急通信网络、指挥中心各类基础支撑系统、语音调度指挥于一体，在紧急情况下，能快速将不同频段的无线电台、对讲机、网络电话、固定电话、手机、卫星电话、无线对讲等通信设备组成一个统一的通信平台，依据各类应急预案和应急流程，实现指挥调度中心、不同部门和事件应急现场之间快速组网，以实施指挥调度、信息交换共享。

异构网络融合采用集中调度指挥、树状分布响应的配置方式。调度终端对象依托行业专网、PSTN网、G网、C网、无线对讲网络以及IP网络、卫星链路与交换主机服务器、语音调度席、指挥中心应急管理信息交换媒体、信令、调度作业等数据信息。通过数据中心实现与应急相关业务应用的数据集成，通过应用集成平台实现与应急相关业务应用的流程集成，实现不同系统的“无缝”融合。系统结构图见图1。

4 一体化整合应用支持大脑决策

系统实现以地理信息系统（GIS）为基础的、一体化的实战指挥。应用软件与监控系统、北斗定位通信系统无缝连接，使用户通过GIS这个统一的界面，利用公共接口构件，任意调用、操作包括北斗定位、多网通信、视频监控、决策指挥、卫星数据监测等在内的其他系统。

综合决策平台承担了信息系统后台海量数据处理、分析运算、指令发布、服务推送等工作。所有火场信息结合基础空间数据最终汇集在后台系统中，并将各类信息之间的内在关系统一管理、展现、分析，最后将反馈信息及调度指令下达到前线。见图2。

4.1 值班接警

当日值班人员登记的火情登记表中的数据不仅仅作为以后生成火灾档案（火灾损失）和查处火灾案件的主要依据，还将作为扑火指挥的数据来源。为了保证系统的时效性，值班记录必须在系统规定时间段填写，逾期不予填写。

4.2 火场综合态势分析

针对火场态势实施分析，首先需要实时接收、存储火场一线回传的感知信息;然后基于感知信息，结合基础空间、属性数据相互关联，综合分析。视频图像、音频对讲、气象环境、人员位置等火场感知信息的不断变化，并相互关联，综合上述动态信息，才能准确描述、分析火场态势。

4.2.1 视频综合调用系统 在调用视频信号时，将不再考虑视频信号不同来源，而直接点击所要查看的视频信息对象所在地图上的位置图标即可。

4.2.2 气象环境管理 气象信息分别由无人值守气象站和手持终端采集传输。指挥中心接受到的气象数据分别由北斗通信网络、无线公网、火场前线自组网络到达指挥车后再传回。

4.2.3 移动目标定位指挥中心 系统跟踪显示的各个扑火救援队伍的位置信息、实时行进路线。

4.3 基于北斗调度指挥

系统作为服务器端，在森林防火综合态势分析的基础上，进一步对海量数据展开分析处理，运用对地理数据的切割和析取，支持网络融合传输，为移动前指和移动单兵提供最新的火场决策支持;该系统作为林火扑救指挥的中心枢纽，负责指挥中心与电子监控系统、多媒体视频会议系统、移动前线指挥系统、移动单兵装备、移动车辆等独立系统单元的联动与数据传输，并将指挥中心会商结果与指令发送到各目标。

4.4 专业模型分析系统

4.4.1 林火蔓延分析 以某着火点为起始，系统综合风力风向等气象因素、植被及可燃物、地形地貌、阻隔物等因子，可以分别计算出设定时间内的林火蔓延情况，并提示蔓延推演结果的可信率;可查询过火面积内的森林资源数据、高压线、油库等重要信息，为扑火决策提供依据。

4.4.2 林火定位监测 到火灾现场，通过视频监控系统云台的机动性能调整好摄像头的角度，这时点击火情报警，摄像头的方向角度和俯仰角度通过北斗或者专用线缆，把这两个参数传回到森林防火指挥中心的森林防火指挥作战平台系统上，系统会自动根据摄像头的方向角度和俯仰角度解算出火灾的具体位置，并以图示的方式在三维地图上显示出来，给用户以直观的感受，便于指挥决策者的林火救援部署。热点及火点定位界面如图2所示。

当系统发现林火或者烟柱时，可利用电子监控系统，定位至起火地点，并且可以利用多台监控设备回传的实际参数和求得的参数进行差分，提高定位精度。系统通过读取视频流信息，在图上直接查看监控摄像头的监控画面。此功能进一步将软硬件系统紧密结合使用。

4.5 多媒体融合调度

完成音视频面向对象的融合调度操作。将各路视频信号、视频会议、单兵图传及其音频信息、电台对讲机、公网电话等信息对象定位在电子地图中，实现跨网络、跨格式的多媒体融合（图3和图4）。

4.5.1 监控与无线对讲联动 平台管理人员可在前期将林区的视频监控图像与负责此区域的林场站的对讲机进行捆绑，当指挥调度人员发现此林区有火情，可迅速双击画面来联系负责该林场的人员，实现音视频联动，快速呼叫，提高指挥调度效率。

4.5.2 监控与有线电话联动 平台管理人员可在前期将林区视频监控图像与此区域的有线调度电话进行捆绑，当指挥调度人员发现此林区有火情，可迅速双击画面来联系相关林场站的有线调度电话，实现音视频联动，快速呼叫，提高指挥调度效率。

4.5.3 监控与专网手机联动 平台管理人员可在前期将视频监控图像与此区域的工作人员专网手机进行捆绑，当指挥调度人员发现此区域有特殊事件时，可迅速双击画面与现场专网手机进行双向通信，实现音视频联动，快速呼叫，提高指挥调度效率。

在应急模式下，指挥调度人员可以将多种不同类型的终端混合编入同一通信组，在发生紧急状况时，指挥调度人员只需点击相应的“应急通信组”即可“一键式”呼叫所有组内成员，快速向其通告紧急事件，大大提高指挥调度在应急场景下的通信效率。

5 结  论

森林防火实战指挥一体化神经系统是在规范信息标准的前提下，利用基于北斗的定位通信系统、物联网、移动互动技术等构建起来的。利用先进的异购网络融合技术，将通讯、指挥设备融合，形成统一通讯平台作为大脑;利用多元数据采集设备作为神经末梢。通过信息的整合与共享，指挥、调度信息交换共享，从而达到数据采集、传输、分析、反馈等各个环节有机融合，提高森林防火实战指挥能力，有效减少火灾造成的损失。

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