森林防火三維虛擬訓練系統設計與實現

連人豪 張河遠

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

關鍵詞：森林防火；三維虛擬訓練；模擬仿真；地理信息系統

DOIDOI：10.11907/rjdk.172494

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

0引言

森林防火訓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術水平十分重要[1]。目前，森林防火訓練是根據森林防火應急預案進行實裝演練，這種訓練方式存在以下問題：一是訓練成本高，實裝演練需要消耗大量人、財、物；二是訓練環境受到限制，實裝演練受到天氣、場地、人員及物質調配等條件制約；三是訓練內容不足，實裝演練無法模擬復雜的森林防火場景。基于其科學性、經濟性、直觀性與交互性等優勢，虛擬訓練作為實裝訓練的重要補充與主要手段，已成為信息化條件下提高訓練效能的有效途徑[2]。本文將三維地理信息系統、模擬仿真、森林防火模型、森林防火預案等進行有機集成，設計了森林防火三維虛擬訓練系統，并完成了系統實現。該系統可用于森林防火隊伍及相關院校的森林防火訓練與教學中。

1系統設計

1.1系統目標

系統是充分利用GIS技術、三維模擬仿真技術、大型空間數據庫技術及現代網絡通信技術，以基礎地理數據、森林資源數據為基礎，配載森林防火基礎設施、物質設備、防火隊伍、防火預案等森林防火專題數據，以森林防火應急指揮流程為主線，構建能夠模擬仿真森林防火指揮訓練業務全過程，實現參訓人員實時虛擬交互，并可對虛擬訓練效果進行考核評價的大型互動、直觀形象、準確全面的森林防火三維虛擬訓練系統。

1.2設計原則

（1）虛實結合。基于地理、森林資源、森林防火資源與森林防火工作狀態等現實，依托專家知識與思想，通過計算機技術模擬三維可視化、可操控時空場景，實現森林防火相關科目訓練目標。

（2）定量與定性相結合。系統設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據或事項，應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體系結構

整個系統結構采用B/S模式，共分成四層：表現層、業務邏輯層、平臺層、數據庫層（見圖1）。模擬仿真平臺是系統核心平臺，采用計算機圖形學與虛擬現實技術，為森林防火訓練提供軟件仿真訓練技術支撐[3]。GIS服務在后臺由類似ArcGIS Server或Supermap IServer的地理信息服務引擎提供[45]，并與三維仿真引擎之間通過標準化的Web Service接口實現交互。流程控制與協同交互部分則由工作流引擎與消息隊列共同完成。

1.4數據庫

森林防火三維虛擬訓練系統數據庫共包括四大類：基礎地理信息數據庫、森林防火專題數據庫、訓練數據庫、系統管理數據庫。

（1）基礎信息數據庫主要負責存放符合國家基礎地理信息標準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，為森林防火場景中地形地貌構建、最優路徑分析、滅火方案制定等提供信息支撐。

（2）森林防火專題數據庫主要負責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、林區道路、瞭望臺、視頻監控點、重點防火單位、檢查站、護林站、防火物質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）訓練考核數據庫主要負責存放訓練考核方案、森林防火指揮撲救方案、訓練考核記錄、考核成績等在內的森林防火訓練考核信息，是系統的核心數據庫。

（4）系統管理數據庫主要負責存放系統用戶、角色、使用日志以及森林防火模型參數等信息。

1.5功能模塊

系統基于面向服務的架構，采用模塊化設計思想進行功能模塊設計，將整個系統劃分成5個子系統，相互之間相輔相成，協同構建森林防火三維虛擬訓練系統框架。

（1）三維仿真子系統。該子系統是森林防火三維虛擬訓練系統的基礎支撐系統，主要利用模擬仿真引擎，實現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）、火場動態模擬、森林防火標繪等。

（2）導演臺子系統。該子系統是控制、信息傳輸中樞，用于顯示三維虛擬訓練態勢，全面對仿真過程進行監視并根據訓練目標進行控制[7]。具體功能包括：場景設置與管理、火情配置、消防資源配置、林火蔓延模型設置、滅火模型設置、資源調度模型設置、損失評價模型設置、撲火案例評價、仿真環境與角色設置。

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

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

（5）系統管理子系統。該子系統主要實現對參訓人員、參訓角色、系統使用日志以及森林防火模型參數等系統信息的管理與維護。主要功能包括：用戶管理、角色管理、權限管理、日志管理、系統參數配置等。

2系統實現

系統數據庫采用Oracle數據庫，負責存儲地理信息數據與虛擬考核數據；GIS平臺采用ArcGIS Server，負責提供基本的地理信息數據與功能服務；模擬仿真平臺選用Converse 3D，負責三維可視化森林防火場景及提供標準的三維空間分析服務[10]；前端開發是基于QT跨平臺開發包，利用C++語言實現，構建起整個系統的前端交互邏輯；業務邏輯層基于Microsft.net框架構建標準化的Web服務，負責提供通用、標準的森林防火虛擬訓練考核服務，其中包括森林防火模型服務；消息隊列引擎選用微軟MSMQ，負責參訓多客戶端之間的消息傳遞[11]；系統各功能模塊之間通過Web服務接口實現交互，降低系統各功能模塊的耦合性。部分系統功能界面見圖2-圖4（彩圖見封二）。

3結語

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合，以直觀形象、準確高效地實現虛擬訓練為目標，設計構建了森林防火虛擬訓練管理系統。能夠將森林防火專家、各級指揮員、防火員根據不同訓練目的，進行森林防火訓練方案的定制，以及在同一個森林防火場景下進行協同虛擬訓練，并對訓練效果進行動態評價考核，不受時間、地點等實訓必備條件的約束，訓練成本也大為降低。森林防火虛擬訓練系統作為實裝訓練的關鍵補充，能夠滿足各種林火條件、各種場景的森林防火虛擬訓練需要，從而實現森林防火訓練工作的信息化、高效化、常態化，達成全面提升森林防火訓練效能的目標。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：何麗）endprint