湖南省森林消防航空护林调度指挥系统的设计与开发

周 涛， 黄向东， 张 雷， 汤 颖， 孙玉荣

(1.湖南省森林消防航空护林站， 湖南 长沙 410300； 2.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

湖南省森林消防航空护林调度指挥系统的设计与开发

周 涛1， 黄向东1， 张 雷1， 汤 颖1， 孙玉荣2

(1.湖南省森林消防航空护林站， 湖南 长沙 410300； 2.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

介绍了森林航空消防的基本含义，分析了计算机技术、地理信息系统技术在航空护林中的重要性。针对航空护林工作的特点，探讨了使用基于GPS技术、网络技术和数据库技术的地理信息系统平台实现对消防飞机的调度指挥。该系统可实现消防飞机智能定位、实时监控、轨迹回放、火场信息传输、语音通信、火场标绘、统计和分析等功能，在很大程度上促进了航空护林调度指挥信息化管理。同时，对森林航空消防信息化建设的进一步应用与发展进行了分析和展望。

航空护林； 森林消防； 信息系统； 调度指挥

森林航空消防是利用消防飞机对森林火灾进行预防和扑救的一种重要手段，是一项高科技、高投入、高效益的工作，具有火情发现早、报告准、行动快、灭在小等优越性[1-2]。我国森林航空消防历来受到了党中央、国务院的高度重视和社会的广泛关注。森林航空消防信息化作为森林航空消防工作的重要环节，是森林航空消防工作转变管理方式、推进现代防火建设的重要基础，是一项集技术工程、管理工程和应用工程相结合、较复杂的系统工程[2-3]。目前使用中的航空护林业务信息系统存在设施昂贵、操作繁琐、性能不可靠等问题[3]。鉴此，构建一套符合湖南省森林消防航空护林调度指挥系统具有十分重要的意义。

1 系统目标

建立森林防火信息数据库。在湖南省基础电子地图之上，增加河流水系(河流和水库)、林场、临时起降点等与直升机巡护、吊桶灭火相关的地理信息数据，提高航空护林辅助决策的准确性。

收集数据并传输。通过GPS技术收集飞行的参数特性，包括经纬度、高度、方向、速度等，并通过2G/3G网络将信息实时发送至服务端，如无网络则实现离线数据保存，有网络再自动上传。

提供基础数据服务。包括历史数据查询、飞行轨迹回放、数据导出、报表生成、统计图表、权限管理等[4]。

实现语音、文字、照片的实时传输交流。

2 系统设计

湖南省航空护林调度指挥系统以定位数据采集、GIS服务、护航/救援服务、基础数据服务、权限管理为基础开发，用于护航飞机的动态监控、实时通讯、航线管理等，实现森林航空消防的可视化指挥，提升湖南航空护林站对飞行调度的管理水平，降低了劳动强度、提高作业准确性和精度，提高辅助决策的准确性。

根据前期充分调研和需求分析，结合湖南省航空护林实际情况，该系统采用瀑布模型进行结构化设计，系统结构主要分为Web客户端和Android平板端两部分，其中Web客户端用于调度员、系统管理员等操作，而Android平板主要是用于空中观察员飞行过程中的实际操作。该系统以稳定可靠、实用先进、操作简单、可扩展性强为建设原则，主要经历总体设计、详细设计、数据库分析与设计三个阶段[5]。

2.1 总体设计

湖南省航空护林调度指挥系统的设计、建设目的是为更科学的规划航空护林航线、统计航空护林相关数据、解决我省航空护林工作中调度员和空中观察员的信息交流障碍、实时传输火场数据以及上报巡护过程中的突发情况，为上级领导指挥火灾扑灭提升更加科学的决策。本着安全、可靠、实用、先进和可扩展、系统开放性等基本原则。系统分别采用了C/S和B/S的模式，以J2EE为技术平台构架，利用Java、Flex、GPS、3G等技术，构建航空护林调度指挥系统。系统架构示意图如图1所示：

图1 系统架构示意图Fig.1 Schematic diagram of system architecture

系统结构是系统分析阶段最重要的成果。通过结构化分析可以确定该系统的各个模块结构和接口描述[5]。该系统Web端采用的是B/S模式，包括实时监控、信息交流、数据管理、系统管理四个部分，其中实时监控又包含轨迹回放和任务监控两功能，信息交流分为火场照片和通讯两功能，数据管理包含航线设置、地理信息、飞机参数、飞行计划、飞行日报、数据统计功能，系统管理主要是系统配置、人员管理、地图配置功能。Android平板端采用C/S模式，包括拍照、通讯、火情上报、地图、系统设置五个部分。整个系统的功能结构图如图2所示。

图2 系统总体功能结构图Fig.2 System general function structure diagram

2.2 详细设计

详细设计是对该系统构架的进一步细化，对每一个模块的程序流程、人机界面、性能要求等方面自顶向下，逐步求精[6]。

2.2.1 程序流程设计 限于篇幅，此处仅以火场照片采集为例，采用程序流程图的形式描述照片采集功能模块的详细设计。系统任务执行开始，通过平板自带的GPS模块，获取消防飞机当前所处位置的经纬度、方向角、高度、速度等相关参数，当遇到火情时，空中观察中可通过该系统调用平板自带的拍照程序，将所拍照片再利用与指北针进行拼合，当所在位置(高度)有网络信号，则数据自动上传至服务器；如没有网络信号时，则将相关数据存储到本地(平板)，并添加到“自动上传数据进程”进行队列排序，待有网络信号时再依次上传至服务器。该功能模块的程序流程图如图3所示。

图3 照片采集功能模块程序流程图Fig.3 The flow chart of photo collection function module program

2.2.2 人机界面设计 该系统是基于Java平台进行开发的，Web前端用的是Flex开发设计，Flex是Adobe公司开发的支持RIA开发和部署的技术产品，借助于Flex强大功能能够开发出富有交互性和标签的用户界面。该系统就是采用Flex和Java来实现系统的功能，使系统界面风格保持一致，同时具有可使用性、灵活性和可靠性等特性。

2.2.3 系统性能及安全方面设计的要求

(1)系统应具备较强的可恢复性和容错性。能够对输入信息进行检查、对非法输入有出错提示，保证数据的完整性，并能对数据进行备份和恢复操作，在无网络或网络较差的情况下，能实现巡护或扑救结束后，离线数据的自动保存、上传。

(2)系统应有较好的易学性和易操作性。系统所有模块应风格统一，界面友好直观，易学易用，对于常用数据要有自动完成、选择下拉功能，操作应尽可能自动化、智能化、简单化。

(3)系统应具备较强的可靠性。在满足功能的前提下，尽可能提高系统运行和操作的效率。

(4)系统具备较好的可移植性。客户端能够支持目前通用的各类操作系统环境，包括Windows系列平台、Android手机平台等，具备开放性，提供完整规范的数据开发接口，能够满足主流平台和跨平台快速应用开发的需求。

(5)系统具备较高的安全性。由于有地形图等涉密信息，除了在系统权限上进行控制外，还应考虑数据加密、数字签名在内的多种安全措施，确保系统数据安全。

2.3 数据库分析与设计

森林航空消防信息化建设应该以数据为基础，网络为平台、应用为向导，在建设和发展过程中，要加强信息源及信息库建设[7]。湖南省森林消防航空护林调度指挥系统的核心是数据源的支撑，因此，数据库的分析与设计也就显得尤为重要了。数据库设计的任务是针对系统应当部署的硬件环境、应用环境和操作系统及数据库管理系统等软件环境下，创建一个性能良好的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能有效地存储和管理数据，满足各类用户的需求[8]。

在数据库设计时，为了便于理解和接受，详细说明数据结构，表达语义，首先是根据航空护林业务工作中抽象出实体集和实体集之间的联系，并用E-R图来表示抽象出来的概念数据模型，对E-R模型进行验证后，将E-R图转换为数据库的逻辑模型(即关系模式)，然后进行后续设计工作[9]。该系统统的E-R模型如下：

图4 系统E-R图(部分)Fig.4 System E-R(part)

该系统数据库采用的是Oracle 11g，数据库实例为orcl，数据库部署环境为linux，数据表命名规则为：英文(表的用途)+下划线+英文，用相关属性的英文名或拼音来命名字段名。该系统数据库有AIRWAY(航路图表)、FIRE_UPLOAD(文件上传表)、FIRE_DETECTION_REPORT(火情侦查报告单表)、FLIGHT_DAILY_REPORT(飞行日报表)、PLANE_TYPE(机型表)、GIS_RESOURCE(GIS资源表，含水库、机场、森林公园等)、PLOT_ENTRY(火场态势标绘图表)、FLIGHT_DATA(飞行数据表，记录飞行过程中上传的位置、速度、高度等信息)、LOG_ENTRY(值班日志表)等共22个表，限于篇幅原因，在此不一一说明。以机型表为例，该表包含8个字段，分别如表1所示：

表1 层类型Tab.1 PLANE_TYPE字段名称数据类型为空Y/N说明默认值IDNUMBER(22)N主键IDCODEVARCHAR2(12)Y机型NAMEVARCHAR2(150)Y机号TAKEOFF_WEIGHTNUMBER(22)Y起飞重量MAX_SPEEDNUMBER(22)Y最大速度ECONOMIC_SPEEDNUMBER(22)Y经济速度MAX_HEIGHTNUMBER(22)Y最大高度MAX_RANGENUMBER(22)Y最远距离

数据库建立之后，还有很多后续工作需要完成。例如：在模式和子模式中加入数据库安全性、完整性的描述，数据库系统的试运行，并在试运行中对系统进行评价。数据库的正式投入使用标志着数据库维护阶段的开始。

3 系统实现

(1)系统开发平台

该系统是基于Java平台进行开发的，系统开发平台：Adobe flex builder、arcGIS、Oracle 11g、Eclipse、tomcat6.0。

(2)系统功能实现

1.UI表现层

该系统采用Flex组件开发前台界面，使前端布局更加美观、简单、快速。Flex使用一种可以在Adobe flex中布局用户界面组件的一种xml语言——mxml，通过mxml声明定义程序中的非可视 化组件，以实现对服务器端数据源的访问以及用户界面组件和数据源之间的数据绑定。

2.业务逻辑层

该系统的逻辑层是基于一个轻量级的业务层框架Spring实现的，Sping框架的核心和基础是Ioc，Ioc将数据持久层的DAO注入到业务逻辑层。

3.数据持久层

该系统的数据持久层采用的是目前最流行的开源ORM框架Hibernate，它对于JDBC做了轻量级封闭，不仅提供ORM映射服务，还提供数据查询和数据缓存等具体的数据库数据处理操作。

4 结论与讨论

系统建成后，分别在k-32、M171、M-8等中大型直升机上得到应用，实现了对长沙、株洲、湘潭、娄底、衡阳、岳阳、益阳、张家界、邵阳、怀化等市的自然保护区、森林公园、国有林场、风景名胜区、重点林区和重点火灾区巡护侦察，能实时监控消防飞机位置和状态、浏览消防飞机飞行轨迹数据、统计飞行小时数和公里数、实现数字和语音的远程调度指挥、能保存和查看火场照片并标明坐标与方向。系统使用方便、灵活、实用、可操作性强，大大提升了我省森林消防航空护林调度管理水平，达到了系统建设的预期目的。

在全国林业信息化浪潮的推动下，森林航空消防信息化建设也不断发展和进步，不久的将来，我国的森林航空消防在火情处理速度、火情定位精度、火情处理能力、调度指挥管理信息化水平以及航空直接扑火能力等各方面都将更加蓬勃地发展[10]。

[1] 国家森林防火指挥部办公室.森林航空消防[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2009.

[2] 魏振宇.航空护林在森林防火中的作用[J].北京：中国林业出版社，1995.

[3] 魏光兴.关于我国航空护林的发展探究[J].林业科学，2015,35(4):62-62.

[4] 李土生、杨幼平、贾伟江，等.浙江省森林防火地理信息指挥系统的设计与开发[J].浙江林学院学报，2002.19(3):273-276.

[5] 史济民.软件工程——原理、方法与应用[M].北京：高等教育出版社.2009.

[6] 胡圣明、禇华.软件设计师教程[M].(第三版)，北京：清华大学出版社.2009.

[7] 国家林业局.森林航空消防工程建设标准[S].(第一版)，北京：中国林业出版社.2014.

[8] 姜喜麟、靳爱仙、田禾.基于GIS的森林防火信息管理系统的构建[J].林业科技开发，2007,21(1):72-74.

[9] 申广荣，钱振华，黄秀梅，等.绿叶菜安全生产HACCP管理系统ER模型的设计及应用[J].上海交通大学学报：农业科学版，2010,28(5):470-473.

[10] 郑玉林，任国祥.中国航空护林[M].北京：中国林业出版社，1995.

TheaerialforestfireprotectiondispatchcontrolsystemconstructionofHunanProvince

ZHOU Tao1， HUAN Xiangdong1， ZHANG Lei1， TANG Ying1， SUN Yurong2

(1.Hunan Aerial Forest Fire Protection Station， Changsha 410300， China；2.Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

Introduce the basic meaning of the aerial forest fire prevention，and analyze the importance of the computer technology，GIS technology in aerial forest fire protection.Based the characteristics of aerial forest fire protection，research the dispatch control on the GIS platform with the GPS technology，web technology and Database technology.This system implemented the functions of smart positioning，real-time monitoring，trajectory playback，fire information transmission，voice communication，fire plotted，statistical and analysis etc.Promoted the aerial forest fire protection dispatch control information management.And based the characteristics of GIS technology，analysis and outlook the prospects of the aerial forest fire protection based on GIS.

the aerial forest fire protection； forest fire prevention； information system； dispatch control

2015-08-02

国家948项目(2014-04-09)。

周 涛(1986-)，男，信息系统项目管理师，研究方向为信息系统项目管理、软件工程等。

S 762.6, TP 18

A

1003 — 5710(2015)06 — 0136 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 06. 027

(文字编校：杨 骏)