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(yīng)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(xùn)導(dǎo)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(xùn)導(dǎo)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(yīng)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(luò)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?、生活，不斷地提高我們生活品質(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(yīng)用GPS、北斗定位技術(shù)和GSM 無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，創(chuàng)制適合警犬穿戴的專業(yè)警犬定位設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用，在其他領(lǐng)域已有較多應(yīng)用，但在我國警犬技術(shù)實戰(zhàn)中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)用GPS、基站、射頻等多種定位方法，通過智能可穿戴設(shè)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(shè)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(luò)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(shè)備進行遠程指令操作，還可以對訓(xùn)導(dǎo)員進行下發(fā)訓(xùn)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(wù)的實際情況，對訓(xùn)導(dǎo)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(wù)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(xùn)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(chǔ)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(shè)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(luò)通訊模塊，連接無線網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計模塊的具體功能；采用SUN公司Java分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，設(shè)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(yīng)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(wù)器集群技術(shù)研究：利用Nginx 技術(shù)做WEB 服務(wù)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(chǔ)組件部分，還有接入組件和業(yè)務(wù)組件，針對警犬的不同業(yè)務(wù)需求，制定不同的業(yè)務(wù)服務(wù)。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(shè)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(xùn)導(dǎo)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(shè)計符合警犬訓(xùn)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(xùn)導(dǎo)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(xùn)導(dǎo)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(yīng)用。能夠?qū)τ?xùn)導(dǎo)員進行實時的下發(fā)指令，指揮其訓(xùn)練警犬或執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。

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(yīng)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(yīng)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(shè)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(xùn)練要求等進行設(shè)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(shè)計的硬件終端，更未發(fā)現(xiàn)專門為警犬而設(shè)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(luò)運營商、無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(yīng)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(yīng)用于軍、警犬日常訓(xùn)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(yīng)用于海關(guān)、廠礦企業(yè)工作犬的訓(xùn)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(yīng)用前景。