警犬集群远程实时定位及调度指挥系统的构建

顾劲乔 丁 文 吴德华 强京宁 魏大利

警犬集群远程实时定位及调度指挥系统项目的提出，主要是基于公安工作信息化要求、警犬技术及实战管理新要求，以及信息技术与产品在全社会的广泛应用。本项目2014年获公安部项目立项（公安部创新项目：2014YYCXNJJQ074），并由南京警犬研究所承担研究开发工作。项目主要包含三个方面研究内容：即创制警犬可穿戴式内嵌特定软件的超小型定位终端；开发警犬远程实时定位、调度指挥管理分布式云平台；警犬远程定位、调度指挥系统客户端使用软件（实时检视系统）。通过研发，集成了可穿戴式的定位终端，基于GPS、基站、RF 的多重定位技术，定期上传警犬的活动状态，通过管理平台管理者、调度指挥员可以实现训导员警犬信息查看、警犬实时位置信息检视、发布指挥调度指令等；同时，训导员也可以通过客户端软件管理自己的警犬，如实时位置定位和追踪、电子围栏、报警和历史轨迹查询等。此外整个系统还可以借助警犬历史轨迹查询功能，对系统内的全部警犬的活动信息进行记录、存储（一年以内信息均可查阅、分析比较），分析查验，分析案件得失与成败。系统本身具备可加密性，适应公安与警犬技术工作的保密性需要。

一、技术方案论证

（一）研究现状

进入21世纪以来，无线通信技术、网络技术、卫星全球定位技术的日益发展与普及，正不断地改变人们的工作、生活，不断地提高我们生活品质和工作效率，日益成为各业不可或缺的重要手段。信息化水平的高低已成为衡量一个国家现代化水平和综合国力的重要标志。

应用GPS、北斗定位技术和GSM 无线网络通讯技术，创制适合警犬穿戴的专业警犬定位设备，用于警犬的实时定位追踪和远程调度指挥，并利用GIS 搭建一套警犬实时指挥系统，既可行也十分必要。因其有利于提高工作效率，节约警力，又可提高警犬技术的管理水平和实战能力。应用该系统可以在指挥中心对电子地图上警犬集群的位置、速度、状态进行实时监控、调度和指挥。系统以地理信息电子地图为依托，具有相应的自动化管理水平，可对各时点警犬集群信息进行记录、存档、备查。

人——机——移动通讯——卫星定位技术的集成应用，在其他领域已有较多应用，但在我国警犬技术实战中的应用尚属空白。友好的用户界面，直观的地图位置和实时通讯技术，使警犬技术应用变得更高效，更快捷。警犬集群定位、调度指挥系统的研发可为管理层提供一款实时了解、掌控犬群分布情况，提供互动式的沟通与指挥手段；实战搜（围）捕中可通过地图界面，更真实地了解警力分布合理性，还可实时调度、调配警力，查补薄弱环节、防范警力真空；也可应用于公安各警犬单位进行日常管理与监控。

目前国外已有犬电子定位产品，但没有集群远程实时定位显示功能软件，且体积较大。此外，国外电子定位产品目前功能单一，功能集成度低。本系统同时解决多犬定位、调度、指挥等功能，并进一步将定位产品与显示终端小型化。目前，这样的研究国内外尚未公开报道。未来关于云计算、大数据系统支撑的多警犬（集群）定位、调度、指挥和存档分析的高度智能化管理系统一定会发挥重要作用。

（二）本系统采取的技术方案

随着可穿戴设备技术的不断突破，物联网系统及定位技术的不断发展，本研究根据最新技术，首次提出一种新的创新性技术方案：采用基于位置信息的物联网系统，应用GPS、基站、射频等多种定位方法，通过智能可穿戴设备、信息集成、移动通信、分布式存储、云计算等新型技术集成开发警犬集群远程定位、实时互动交流、调度指挥管理系统。

本系统通过智能可穿戴设备，将警犬的实时位置、运动状态等信息通过GPRS 无线网络传递到分布式物联网运营平台，平台经过分析处理计算后传递给调度指挥人员。调度指挥人员可以通过Web、APP等多客户端实时查看警犬的活动状态。同时，也可以通过web 管理系统，对智能可穿戴设备进行远程指令操作，还可以对训导员进行下发训犬指令操作。进而达到远程实时定位、调度指挥等效果，对警犬进行统一的管理和调度。方案原理图如图1 所示。

图1 技术方案原理图

二、研究的主要内容

（一）硬件终端的研究内容

通过研究警犬执行任务的实际情况，对训导员进行深入的沟通调查。根据结果，总结警犬的行动特点和在指挥警犬执行任务时的实际需求，确定硬件终端的功能、外观。主要研究内容有：

1、硬件终端外观的研究：研究适合警犬穿戴的硬件终端，不影响警犬的训练与执勤，具备小巧、精致、时尚、方便佩戴、不易脱落等特点。

2、定位模块的研究：以GPS全球定位系统模块为主要定位模块，基站定位模块与RF 射频无线信号接收模块为辅助定位模块，实时采集警犬的位置、速度、方向等信息。

3、柔性天线的研究：在传统定位终端的基础上，利用柔性FPC 天线打破传统GPS 和GSM天线的体积和材质的限制, 打造专为警犬设计、佩戴舒适的定位终端。

4、传输模块的研究：通过GSM 全球移动网络通讯模块，连接无线网络，将信息上传到分布式物联网管理平台。

图2 终端和底座示意图

5、终端功耗的研究：鉴于体积和电池的矛盾关系，延长终端的使用时间，必须对终端的功耗进行优化。

6、报警系统研究：通过RF 无线信号模块对RF 信号的侦测，实现警犬离开基地和返回基地的通知与报警。

外观示意图如图2 所示。

（二）分布式物联网管理平台研究内容

通过现场调研、资料查阅，了解警犬指挥中心各部门对实时调度指挥平台功能的实际需求。

根据调研获得信息，首先确立系统主体框架，制定终端和平台的通信协议标准，确定系统主要组成模块，设计模块的具体功能；采用SUN公司Java分布式应用体系结构，设计并实现平台接收、协议解析、存储数据等。主要研究内容有：

1、分布式存储技术的研究：鉴于警犬数据的多样性、数据量庞大的特点，以及便于未来全国范围内的推广，平台采用了最新的Hadoop 分布式存储技术，以方便大数据的存储和处理，挖掘和提取有价值的信息，并可以做到高性能、高可用率和高可扩性。

2、分布式缓存技术的研究：利用Redis 分布式缓存技术将警犬的热点数据缓存于内存中，提升了指挥中心管理员访问系统的响应速度，访问系统的时延最长不超过3秒，能容纳极高的并发访问，切实改善管理员的体验。

3、关系数据库集群的研究：利用关系型数据库MYSQL 存储基本信息，QPS 满足20000 次/秒，并且实现数据库的主备故障智能切换。

4、负载均衡集群技术研究：利用LVS+Keepalived 技术解决系统的单点故障，使得系统具有很高的可用性，警犬集群系统可满足至少几万终端的访问量，并行上传数据20000 条/ 秒，并行下传数据2000条/秒。

5、WEB 服务器集群技术研究：利用Nginx 技术做WEB 服务器集群，满足WEB 系统10000 次/秒的访问量；极大地提升了警犬系统的性能。

以上只是平台的基础组件部分，还有接入组件和业务组件，针对警犬的不同业务需求，制定不同的业务服务。这需要具有一定资历的技术人员，进行深入的调研。

此外，因涉及的技术难点多，工作量大，该系统开发人员需要具备丰富的物联网行业开发经营，以及丰富的分布式云计算系统架构经验。具体的系统架构图如图3 所示。

图3 分布式物联网运营平台系统架构图

（三）警犬实时调度客户端软件的研究

通过现场调研、资料查阅，了解警犬指挥中心各部门对实时调度指挥客户端功能的实际需求。根据调研获得信息，制定客户端和平台的通信协议标准，设计客户端的具体功能；利用客户端软件展现系统的状况，实现监控和调度的目的。主要的研究内容有：

1、手机客户端APP 软件的研究：包括Android 和IOS 系统的APP 客户端软件能够满足基本的功能需求，并且兼容各个型号的手机操作系统，用于训导员对自己的警犬进行管理。这需要具有多年移动客户端软件开发的经验。

2、Web 警犬集群调度指挥平台的研究：根据调研结果，制定和设计符合警犬训练指挥的web 统一调度平台，用于管理员对整个警犬集群进行调度指挥。

利用JSP 动态网页开发语言实现警犬集群的调度指挥管理。其中涉及到servlet、jQuery、Ajax、html、CSS、Tomcat、Apache、MySQL 等诸多技术。包括如下基本功能：

警犬和训导员的基本信息查询。利用第三方电子地图显示警犬的实时位置、警犬编号、警犬所属训导员的基本信息等相关内容，结合权限管理，信息管理等MIS 管理系统。实现对警犬实时调度管理的GIS 应用。能够对训导员进行实时的下发指令，指挥其训练警犬或执行相关任务。

查询所有警犬的实时位置信息。对单头警犬进行追踪，查询实时位置信息，历史踪迹。对选择的任意头警犬查询其实时位置信息。管理员的登陆与退出，修改密码等基本功能，提示系统的安全性。卫星地图展示。

客户端界面如图4～6 所示。

图4 Android 客户端界面

图5 iOS 客户端界面

三、应用情况

本研究项目已经在南京载玄信息科技有限公司正式上线使用，已由南京警犬研究所、南京市公安局推广使用。

目前，南京警犬研究所已有注册警犬15 头，并已经过实际应用。效果明显，所有硬件终端上传数据均正常。

四、总体性能指标与结论

见表1。

五、与国内外同类技术的比较

目前国内已经发现了在功能上相对较类似的用于宠物定位的产品，但是此类定位产品只是车载终端的延伸，仅仅是在体积和外观上进行了简单优化，本质上并没有区别。将基于车载终端的设计理念用于宠物领域，不可避免地会遇到一些严重的问题：如室内GPS 不可用、体积过大、电池续航能力差等。终端外观没有按照警犬的佩戴要求，训练要求等进行设计；也没有分布式物联网运营平台作为后端存储的支撑，后端分布式系统将对数据进行及时的分析处理，做到及时的报警提醒。由此可见，目前国内市场上仍未出现一款专门针对警犬而设计的硬件终端，更未发现专门为警犬而设计的运营平台以及手机客户端软件和配套的远程定位和指挥调度管理系统。而在国外，目前仅发现高通旗下的一家子公司专注该领域产品，并且已经有了较高的市场占有率和市场份额。但是由于网络运营商、无线网络频段的差异，该产品无法在国内使用。综上可得，此领域产品目前在国内尚未出现较有实力的竞争对手，智能可穿戴设备和物联网技术的警犬调度指挥系统，在国内尚属于空白。

图6 调度指挥系统web 客户端界面

表1 总体性能指标都已经满足使用需求

六、系统应用的范围、条件和前景

该系统（新产品创制及软件开发）可广泛应用于军、警犬日常训练管理，反恐与巡逻实战调度指挥。本系统的IPAD 版（支持WIFI或手机热点）和通讯平板型软件更可提供一个全天候、全疆域警犬集群远程实时定位和调度指挥平台，可以实时检视、调度警力，达到快速集结，优势合击的目的。除可用于军警犬管理和指挥外，还可应用于海关、厂矿企业工作犬的训练管理、巡逻保卫等工作。更可通过系统提供的跟踪记录、存档踪迹，有效评估管理工作和评析案件成败得失，具有广泛的应用前景。