森林防火三维虚拟训练系统设计与实现

连人豪 张河远

摘要：为进一步提升森林防火训练效能，通过有效集成GIS、模拟仿真、林火理论、森林防火应急预案等理论与技术，采用面向服务的设计方法，设计并实现了森林防火三维新虚拟训练系统。研究表明，系统可完成森林防火场景自定义、森林火灾模拟、森林扑火决策与部署、训练效果评估、训练档案生成等任务，可满足高效开展森林防火训练的需要。

关键词：森林防火；三维虚拟训练；模拟仿真；地理信息系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.172494

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010012603

0引言

森林防火训练工作是森林防火工作的重要组成部分，对于提高各级森林防火管理人员的管理水平与扑火队员的扑火技战术水平十分重要[1]。目前，森林防火训练是根据森林防火应急预案进行实装演练，这种训练方式存在以下问题：一是训练成本高，实装演练需要消耗大量人、财、物；二是训练环境受到限制，实装演练受到天气、场地、人员及物质调配等条件制约；三是训练内容不足，实装演练无法模拟复杂的森林防火场景。基于其科学性、经济性、直观性与交互性等优势，虚拟训练作为实装训练的重要补充与主要手段，已成为信息化条件下提高训练效能的有效途径[2]。本文将三维地理信息系统、模拟仿真、森林防火模型、森林防火预案等进行有机集成，设计了森林防火三维虚拟训练系统，并完成了系统实现。该系统可用于森林防火队伍及相关院校的森林防火训练与教学中。

1系统设计

1.1系统目标

系统是充分利用GIS技术、三维模拟仿真技术、大型空间数据库技术及现代网络通信技术，以基础地理数据、森林资源数据为基础，配载森林防火基础设施、物质设备、防火队伍、防火预案等森林防火专题数据，以森林防火应急指挥流程为主线，构建能够模拟仿真森林防火指挥训练业务全过程，实现参训人员实时虚拟交互，并可对虚拟训练效果进行考核评价的大型互动、直观形象、准确全面的森林防火三维虚拟训练系统。

1.2设计原则

（1）虚实结合。基于地理、森林资源、森林防火资源与森林防火工作状态等现实，依托专家知识与思想，通过计算机技术模拟三维可视化、可操控时空场景，实现森林防火相关科目训练目标。

（2）定量与定性相结合。系统设计尽可能定量表述或处理。对于难以或无法定量化，而定性表述与处理更合理的数据或事项，应该作定性表述或处理。

（3）电算化与专家评判决策互补。此原则是“定量与定性相结合”的延伸与补充，即电算化完成定量处理，无法电算化部分由专家评判决策。

1.3体系结构

整个系统结构采用B/S模式，共分成四层：表现层、业务逻辑层、平台层、数据库层（见图1）。模拟仿真平台是系统核心平台，采用计算机图形学与虚拟现实技术，为森林防火训练提供软件仿真训练技术支撑[3]。GIS服务在后台由类似ArcGIS Server或Supermap IServer的地理信息服务引擎提供[45]，并与三维仿真引擎之间通过标准化的Web Service接口实现交互。流程控制与协同交互部分则由工作流引擎与消息队列共同完成。

1.4数据库

森林防火三维虚拟训练系统数据库共包括四大类：基础地理信息數据库、森林防火专题数据库、训练数据库、系统管理数据库。

（1）基础信息数据库主要负责存放符合国家基础地理信息标准的大比例尺地理信息，包括等高线、交通、水系、居民地、绿地植被以及遥感影像等在内，为森林防火场景中地形地貌构建、最优路径分析、灭火方案制定等提供信息支撑。

（2）森林防火专题数据库主要负责具有森林防火主题特色的专题地理信息，具体包括林斑、林相、防火隔离带、林区道路、瞭望台、视频监控点、重点防火单位、检查站、护林站、防火物质储备库等地理信息及其属性信息，为精细化模拟仿真森林防火场景提供支撑[6]。

（3）训练考核数据库主要负责存放训练考核方案、森林防火指挥扑救方案、训练考核记录、考核成绩等在内的森林防火训练考核信息，是系统的核心数据库。

（4）系统管理数据库主要负责存放系统用户、角色、使用日志以及森林防火模型参数等信息。

1.5功能模块

系统基于面向服务的架构，采用模块化设计思想进行功能模块设计，将整个系统划分成5个子系统，相互之间相辅相成，协同构建森林防火三维虚拟训练系统框架。

（1）三维仿真子系统。该子系统是森林防火三维虚拟训练系统的基础支撑系统，主要利用模拟仿真引擎，实现对森林防火地理空间信息进行三维可视化表达分析。主要功能模块包括：三维场景可视化、常用三维空间分析功能（空间量算、缓冲分析、路径分析等）、火场动态模拟、森林防火标绘等。

（2）导演台子系统。该子系统是控制、信息传输中枢，用于显示三维虚拟训练态势，全面对仿真过程进行监视并根据训练目标进行控制[7]。具体功能包括：场景设置与管理、火情配置、消防资源配置、林火蔓延模型设置、灭火模型设置、资源调度模型设置、损失评价模型设置、扑火案例评价、仿真环境与角色设置。

（3）辅助防火决策子系统。该子系统主要是在森林防火模型的支持下，向参训人员提供森林防火火情快速定位、量测分析、防火资源标注管理、作战指挥部署以及灾后损失评估等功能[8]。灭火辅助决策子系统主要由辅助决策支持工具、灭火资源数据与灭火方案生成、支持模块运作的灭火辅助决策参数库等几部分组成。主要功能模块包括：扑火突破点决策、危险地带识别、主要灭火方法设计、灭火手段组合设计、扑火方案设计、林火损失计算等。

（4）训练考核管理子系统。该子系统主要实现对训练及考核内容的管理与维护。主要功能包括：训练档案管理、能力认证管理[9]、培训内容管理、考核指标管理、训练记录与回放、考核成绩管理等。endprint

（5）系统管理子系统。该子系统主要实现对参训人员、参训角色、系统使用日志以及森林防火模型参数等系统信息的管理与维护。主要功能包括：用户管理、角色管理、权限管理、日志管理、系统参数配置等。

2系统实现

系统数据库采用Oracle数据库，负责存储地理信息数据与虚拟考核数据；GIS平台采用ArcGIS Server，负责提供基本的地理信息数据与功能服务；模拟仿真平台选用Converse 3D，负责三维可视化森林防火场景及提供标准的三维空间分析服务[10]；前端开发是基于QT跨平台开发包，利用C++语言实现，构建起整个系统的前端交互逻辑；业务逻辑层基于Microsft.net框架構建标准化的Web服务，负责提供通用、标准的森林防火虚拟训练考核服务，其中包括森林防火模型服务；消息队列引擎选用微软MSMQ，负责参训多客户端之间的消息传递[11]；系统各功能模块之间通过Web服务接口实现交互，降低系统各功能模块的耦合性。部分系统功能界面见图2-图4（彩图见封二）。

3结语

本文将三维GIS、模拟仿真、林火理论、森林防火模型、消息队列、工作流引擎等进行有机结合，以直观形象、准确高效地实现虚拟训练为目标，设计构建了森林防火虚拟训练管理系统。能够将森林防火专家、各级指挥员、防火员根据不同训练目的，进行森林防火训练方案的定制，以及在同一个森林防火场景下进行协同虚拟训练，并对训练效果进行动态评价考核，不受时间、地点等实训必备条件的约束，训练成本也大为降低。森林防火虚拟训练系统作为实装训练的关键补充，能够满足各种林火条件、各种场景的森林防火虚拟训练需要，从而实现森林防火训练工作的信息化、高效化、常态化，达成全面提升森林防火训练效能的目标。

参考文献参考文献：

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[2]杨军，贺珍妮，胡胜利，等.反坦克导弹射击虚拟训练系统设计与实现[J].2017，34（2）：184188.

[3]孙远辉，马民.模拟仿真平台在军事教学训练中的应用研究[J].计算机工程与科学，2014，36（S1）：261263.

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[6]杨志高.广州市森林防火信息系统研建[D].长沙：中南林学院，2003.

[7]秦虎，高彬，王会婷.基于DIS的电子战指挥自动化辅助决策系统研究[J].系统仿真学报，2006（4）：10441047.

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[11]王天培.利用MSMQ实现消息处理引擎[J].电脑知识与技术，2005（5）：3336.

责任编辑（责任编辑：何丽）endprint