森林防火三維虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

連人豪 張河遠

摘要：為進一步提升森林防火訓(xùn)練效能，通過有效集成GIS、模擬仿真、林火理論、森林防火應(yīng)急預(yù)案等理論與技術(shù)，采用面向服務(wù)的設(shè)計方法，設(shè)計并實現(xiàn)了森林防火三維新虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。研究表明，系統(tǒng)可完成森林防火場景自定義、森林火災(zāi)模擬、森林撲火決策與部署、訓(xùn)練效果評估、訓(xùn)練檔案生成等任務(wù)，可滿足高效開展森林防火訓(xùn)練的需要。

關(guān)鍵詞：森林防火；三維虛擬訓(xùn)練；模擬仿真；地理信息系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172494

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A文章編號：16727800（2017）010012603

0引言

森林防火訓(xùn)練工作是森林防火工作的重要組成部分，對于提高各級森林防火管理人員的管理水平與撲火隊員的撲火技戰(zhàn)術(shù)水平十分重要[1]。目前，森林防火訓(xùn)練是根據(jù)森林防火應(yīng)急預(yù)案進行實裝演練，這種訓(xùn)練方式存在以下問題：一是訓(xùn)練成本高，實裝演練需要消耗大量人、財、物；二是訓(xùn)練環(huán)境受到限制，實裝演練受到天氣、場地、人員及物質(zhì)調(diào)配等條件制約；三是訓(xùn)練內(nèi)容不足，實裝演練無法模擬復(fù)雜的森林防火場景?；谄淇茖W(xué)性、經(jīng)濟性、直觀性與交互性等優(yōu)勢，虛擬訓(xùn)練作為實裝訓(xùn)練的重要補充與主要手段，已成為信息化條件下提高訓(xùn)練效能的有效途徑[2]。本文將三維地理信息系統(tǒng)、模擬仿真、森林防火模型、森林防火預(yù)案等進行有機集成，設(shè)計了森林防火三維虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)可用于森林防火隊伍及相關(guān)院校的森林防火訓(xùn)練與教學(xué)中。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)目標(biāo)

系統(tǒng)是充分利用GIS技術(shù)、三維模擬仿真技術(shù)、大型空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、森林資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，配載森林防火基礎(chǔ)設(shè)施、物質(zhì)設(shè)備、防火隊伍、防火預(yù)案等森林防火專題數(shù)據(jù)，以森林防火應(yīng)急指揮流程為主線，構(gòu)建能夠模擬仿真森林防火指揮訓(xùn)練業(yè)務(wù)全過程，實現(xiàn)參訓(xùn)人員實時虛擬交互，并可對虛擬訓(xùn)練效果進行考核評價的大型互動、直觀形象、準(zhǔn)確全面的森林防火三維虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

1.2設(shè)計原則

（1）虛實結(jié)合?；诘乩怼⑸仲Y源、森林防火資源與森林防火工作狀態(tài)等現(xiàn)實，依托專家知識與思想，通過計算機技術(shù)模擬三維可視化、可操控時空場景，實現(xiàn)森林防火相關(guān)科目訓(xùn)練目標(biāo)。

（2）定量與定性相結(jié)合。系統(tǒng)設(shè)計盡可能定量表述或處理。對于難以或無法定量化，而定性表述與處理更合理的數(shù)據(jù)或事項，應(yīng)該作定性表述或處理。

（3）電算化與專家評判決策互補。此原則是“定量與定性相結(jié)合”的延伸與補充，即電算化完成定量處理，無法電算化部分由專家評判決策。

1.3體系結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用B/S模式，共分成四層：表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、平臺層、數(shù)據(jù)庫層（見圖1）。模擬仿真平臺是系統(tǒng)核心平臺，采用計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為森林防火訓(xùn)練提供軟件仿真訓(xùn)練技術(shù)支撐[3]。GIS服務(wù)在后臺由類似ArcGIS Server或Supermap IServer的地理信息服務(wù)引擎提供[45]，并與三維仿真引擎之間通過標(biāo)準(zhǔn)化的Web Service接口實現(xiàn)交互。流程控制與協(xié)同交互部分則由工作流引擎與消息隊列共同完成。

1.4數(shù)據(jù)庫

森林防火三維虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫共包括四大類：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、森林防火專題數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫。

（1）基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫主要負責(zé)存放符合國家基礎(chǔ)地理信息標(biāo)準(zhǔn)的大比例尺地理信息，包括等高線、交通、水系、居民地、綠地植被以及遙感影像等在內(nèi)，為森林防火場景中地形地貌構(gòu)建、最優(yōu)路徑分析、滅火方案制定等提供信息支撐。

（2）森林防火專題數(shù)據(jù)庫主要負責(zé)具有森林防火主題特色的專題地理信息，具體包括林斑、林相、防火隔離帶、林區(qū)道路、瞭望臺、視頻監(jiān)控點、重點防火單位、檢查站、護林站、防火物質(zhì)儲備庫等地理信息及其屬性信息，為精細化模擬仿真森林防火場景提供支撐[6]。

（3）訓(xùn)練考核數(shù)據(jù)庫主要負責(zé)存放訓(xùn)練考核方案、森林防火指揮撲救方案、訓(xùn)練考核記錄、考核成績等在內(nèi)的森林防火訓(xùn)練考核信息，是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫。

（4）系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫主要負責(zé)存放系統(tǒng)用戶、角色、使用日志以及森林防火模型參數(shù)等信息。

1.5功能模塊

系統(tǒng)基于面向服務(wù)的架構(gòu)，采用模塊化設(shè)計思想進行功能模塊設(shè)計，將整個系統(tǒng)劃分成5個子系統(tǒng)，相互之間相輔相成，協(xié)同構(gòu)建森林防火三維虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)框架。

（1）三維仿真子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)是森林防火三維虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，主要利用模擬仿真引擎，實現(xiàn)對森林防火地理空間信息進行三維可視化表達分析。主要功能模塊包括：三維場景可視化、常用三維空間分析功能（空間量算、緩沖分析、路徑分析等）、火場動態(tài)模擬、森林防火標(biāo)繪等。

（2）導(dǎo)演臺子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)是控制、信息傳輸中樞，用于顯示三維虛擬訓(xùn)練態(tài)勢，全面對仿真過程進行監(jiān)視并根據(jù)訓(xùn)練目標(biāo)進行控制[7]。具體功能包括：場景設(shè)置與管理、火情配置、消防資源配置、林火蔓延模型設(shè)置、滅火模型設(shè)置、資源調(diào)度模型設(shè)置、損失評價模型設(shè)置、撲火案例評價、仿真環(huán)境與角色設(shè)置。

（3）輔助防火決策子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要是在森林防火模型的支持下，向參訓(xùn)人員提供森林防火火情快速定位、量測分析、防火資源標(biāo)注管理、作戰(zhàn)指揮部署以及災(zāi)后損失評估等功能[8]。滅火輔助決策子系統(tǒng)主要由輔助決策支持工具、滅火資源數(shù)據(jù)與滅火方案生成、支持模塊運作的滅火輔助決策參數(shù)庫等幾部分組成。主要功能模塊包括：撲火突破點決策、危險地帶識別、主要滅火方法設(shè)計、滅火手段組合設(shè)計、撲火方案設(shè)計、林火損失計算等。

（4）訓(xùn)練考核管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對訓(xùn)練及考核內(nèi)容的管理與維護。主要功能包括：訓(xùn)練檔案管理、能力認證管理[9]、培訓(xùn)內(nèi)容管理、考核指標(biāo)管理、訓(xùn)練記錄與回放、考核成績管理等。endprint

（5）系統(tǒng)管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對參訓(xùn)人員、參訓(xùn)角色、系統(tǒng)使用日志以及森林防火模型參數(shù)等系統(tǒng)信息的管理與維護。主要功能包括：用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、日志管理、系統(tǒng)參數(shù)配置等。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫，負責(zé)存儲地理信息數(shù)據(jù)與虛擬考核數(shù)據(jù)；GIS平臺采用ArcGIS Server，負責(zé)提供基本的地理信息數(shù)據(jù)與功能服務(wù)；模擬仿真平臺選用Converse 3D，負責(zé)三維可視化森林防火場景及提供標(biāo)準(zhǔn)的三維空間分析服務(wù)[10]；前端開發(fā)是基于QT跨平臺開發(fā)包，利用C++語言實現(xiàn)，構(gòu)建起整個系統(tǒng)的前端交互邏輯；業(yè)務(wù)邏輯層基于Microsft.net框架構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的Web服務(wù)，負責(zé)提供通用、標(biāo)準(zhǔn)的森林防火虛擬訓(xùn)練考核服務(wù)，其中包括森林防火模型服務(wù)；消息隊列引擎選用微軟MSMQ，負責(zé)參訓(xùn)多客戶端之間的消息傳遞[11]；系統(tǒng)各功能模塊之間通過Web服務(wù)接口實現(xiàn)交互，降低系統(tǒng)各功能模塊的耦合性。部分系統(tǒng)功能界面見圖2-圖4（彩圖見封二）。

3結(jié)語

本文將三維GIS、模擬仿真、林火理論、森林防火模型、消息隊列、工作流引擎等進行有機結(jié)合，以直觀形象、準(zhǔn)確高效地實現(xiàn)虛擬訓(xùn)練為目標(biāo)，設(shè)計構(gòu)建了森林防火虛擬訓(xùn)練管理系統(tǒng)。能夠?qū)⑸址阑饘＜?、各級指揮員、防火員根據(jù)不同訓(xùn)練目的，進行森林防火訓(xùn)練方案的定制，以及在同一個森林防火場景下進行協(xié)同虛擬訓(xùn)練，并對訓(xùn)練效果進行動態(tài)評價考核，不受時間、地點等實訓(xùn)必備條件的約束，訓(xùn)練成本也大為降低。森林防火虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)作為實裝訓(xùn)練的關(guān)鍵補充，能夠滿足各種林火條件、各種場景的森林防火虛擬訓(xùn)練需要，從而實現(xiàn)森林防火訓(xùn)練工作的信息化、高效化、常態(tài)化，達成全面提升森林防火訓(xùn)練效能的目標(biāo)。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：何麗）endprint