戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王佩　郭拉克

摘要：分析了戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)的需求，提出了云計算環(huán)境下數(shù)據(jù)獲取、存儲、傳輸?shù)倪\行模式，最后對系統(tǒng)的功能和模塊進(jìn)行了設(shè)計。該研究基于組件的態(tài)勢展示模塊設(shè)計，分析了底層組件、基元組件及頂層組件的構(gòu)成及調(diào)用關(guān)系，給出了各組件的組成示意圖，最后進(jìn)行了演示與驗證示例。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)設(shè)計 組件化

1 引言

以有線通信為主干，無線通信為分支，物聯(lián)網(wǎng)為末梢等組成的戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)將是保證指揮信息系統(tǒng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，其主要用于支撐信息獲取、分發(fā)、共享以及下達(dá)作戰(zhàn)指令和控制部隊行動等作戰(zhàn)任務(wù)。同時，通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)中心、指揮終端、作戰(zhàn)部隊以及偵察系統(tǒng)等融合在一張網(wǎng)上，為實現(xiàn)人與人、人與機(jī)、機(jī)與機(jī)之間的信息交互提供了良好的傳遞平臺[1]。戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)主要是專門為我軍各級信息通信部門提供一種輔助決策手段，在應(yīng)用過程中以動態(tài)圖像的方式，直觀、形象地為指揮人員實時展示作戰(zhàn)對手的通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢，使指揮人員能夠及時了解、掌握通信組網(wǎng)、互聯(lián)互通、指揮關(guān)系、重要節(jié)點等情況，有利于指揮員決策效率和決策質(zhì)量的提升。

2 戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示現(xiàn)狀分析

當(dāng)前戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示基本上是依托全軍正在使用的一體化指揮平臺，數(shù)據(jù)由軍委總部的后臺服務(wù)器與各戰(zhàn)區(qū)本地服務(wù)器共同提供，數(shù)據(jù)傳輸主要依靠光纖通信、無線電臺等通信設(shè)施。態(tài)勢展示在戰(zhàn)場綜合態(tài)勢中體現(xiàn)，沒有將通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢進(jìn)行相對獨立，而且展示方式是采用軍用標(biāo)號進(jìn)行人工操作。綜上所述，態(tài)勢展示系統(tǒng)還存在以下問題：

（1）數(shù)據(jù)共享率偏低。部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲于本地服務(wù)器上，各系統(tǒng)之間獲取所需數(shù)據(jù)的難度較大、效率較低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)支撐不足，影響戰(zhàn)場態(tài)勢展示的精確度。

（2）數(shù)據(jù)傳輸靈活性不強(qiáng)。由于有線通信的機(jī)動性較差和無線電臺的作戰(zhàn)性能較弱，使得戰(zhàn)場數(shù)據(jù)傳輸時斷時續(xù)，對系統(tǒng)的戰(zhàn)場生存能力也造成了直接影響。

（3）展示效果不夠直觀形象。軍用標(biāo)號在地圖上的顯示效果與裝備實體模型相比，直觀性較差，而且信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐指揮員決策。

（4）系統(tǒng)的智能化水平不高。基本上是依靠人工操作的方式繪制戰(zhàn)場態(tài)勢圖，工作效率遠(yuǎn)不能滿足作戰(zhàn)節(jié)奏的要求。

3 戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)設(shè)計

戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)的總體設(shè)計思路為：采用自頂向下、組件化、模塊化的思想構(gòu)建展示系統(tǒng)的基本組成模塊，按照態(tài)勢展示直觀生動的要求實現(xiàn)態(tài)勢的二維展示或三維展示。考慮到實際作戰(zhàn)時，不同的指揮員關(guān)注的態(tài)勢有一定區(qū)別，因此系統(tǒng)應(yīng)該采用云理念進(jìn)行構(gòu)建，使其具備靈活、按需服務(wù)的功能。同時，考慮到未來進(jìn)一步開發(fā)的便利性，系統(tǒng)還應(yīng)具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

3.1 系統(tǒng)需求分析

戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)歸根結(jié)底都是為指揮員輔助決策服務(wù)的，在進(jìn)行系統(tǒng)需求分析時，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)需求對于決策的影響。考慮到戰(zhàn)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝，戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的展示效果不但應(yīng)該清晰明確，對當(dāng)前態(tài)勢進(jìn)行精確的展現(xiàn)，而且也不應(yīng)過于復(fù)雜，以免影響指揮員理解。同時，同一展示效果應(yīng)該包含較為豐富的信息量，這樣指揮員就能夠在單位時間內(nèi)獲取較多的信息，提供更為豐富的輔助決策依據(jù)。傳統(tǒng)的戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示有些效果清晰明確，但信息量不夠，給指揮員輔助決策的支撐度較低；有些過于復(fù)雜，指揮員淹沒在“信息海洋”中，影響決策的時效性。本文從利于輔助決策的角度出發(fā)，進(jìn)行了戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的需求分析與設(shè)計，并給出了幾種綜合考慮了輔助決策因素的可視化模型。

戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢總體運行模式分為信息的分布式存儲、按需請求、實時傳輸、數(shù)據(jù)展示。

（1）分布式存儲形式是依托物理上分散、邏輯上集中的云計算數(shù)據(jù)中心對通信組網(wǎng)信息進(jìn)行分類存儲，并根據(jù)戰(zhàn)場局勢實時進(jìn)行更新。

（2）按需請求是用戶依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、決策目標(biāo)按需向云端發(fā)送數(shù)據(jù)請求。

（3）實時傳輸是以有線通信為主干、無線通信為分支，有線與無線通信相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，一般固定指揮采用有線傳輸對的形式，機(jī)動指揮采用無線傳輸?shù)男问健樘岣邆鬏斔俾剩梢?G技術(shù)構(gòu)建車載或機(jī)載移動通信基站，以保障數(shù)據(jù)高速實時傳輸[2]。

（4）數(shù)據(jù)展示從展示形式上可以分為二維展示與三維展示兩種。兩種展示形式在展示側(cè)重點上有所區(qū)別，且應(yīng)能互相補(bǔ)充。從展示規(guī)模上講，二維展示側(cè)重于宏觀展示，三維展示側(cè)重于細(xì)節(jié)展示；從展示內(nèi)容上講，二維展示側(cè)重于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、指控關(guān)系等戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層與業(yè)務(wù)層態(tài)勢的展示，三維展示側(cè)重于實體裝備、通信網(wǎng)絡(luò)鏈路等物理層態(tài)勢的展示；從展示效果上講，同一效果的二維展示與三維展示應(yīng)相似。

本文主要在云計算數(shù)據(jù)中心和傳輸設(shè)備的支撐下，重點對展示軟件需求進(jìn)行分析。主要對戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢進(jìn)行層次化分析，并針對每一態(tài)勢細(xì)節(jié)，給出展示形式。戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示可以分為物理層態(tài)勢展示、協(xié)議層態(tài)勢展示及業(yè)務(wù)層態(tài)勢展示[3-4]三部分。

（1）物理層態(tài)勢展示：物理層態(tài)勢展示可以分為實體展示與通信組網(wǎng)態(tài)勢展示等。其中，實體展示包括實體模型、運動軌跡及實體狀態(tài)等展示內(nèi)容，每種內(nèi)容都可以采用二維或者三維的展示形式；通信組網(wǎng)態(tài)勢展示包括有線通信鏈路與無線通信鏈路展示等內(nèi)容，每種內(nèi)容都可以采用二維或者三維的展示形式。

（2）協(xié)議層態(tài)勢展示：協(xié)議層態(tài)勢展示可以分為通信組網(wǎng)態(tài)勢展示、指控關(guān)系展示與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示等。其中，通信組網(wǎng)態(tài)勢展示包括有線通信鏈路與無線通信鏈路等展示內(nèi)容，與物理層鏈路展示有一定相關(guān)性。協(xié)議層有線通信鏈路展示需要在物理層有線通信鏈路展示的基礎(chǔ)上，附加展示鏈路的脆弱性與重要性。無線通信鏈路展示需要在物理層無線通信鏈路展示的基礎(chǔ)上，附加展示鏈路的誤碼率與重要性。指控關(guān)系展示包括編成樹與指控關(guān)系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示等內(nèi)容。指控關(guān)系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示包括實體之間的指控關(guān)系展示以及節(jié)點重要性展示等。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示包括節(jié)點信息傳輸關(guān)系展示、樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示及射線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示等。其中，樹型及射線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示在傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繪制的基礎(chǔ)上，附加展示鏈路脆弱性。協(xié)議層態(tài)勢的各展示內(nèi)容都采用二維展示的形式，便于指揮員從宏觀上把握戰(zhàn)場態(tài)勢，從而快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行決策。

（3）業(yè)務(wù)層態(tài)勢展示：業(yè)務(wù)層態(tài)勢展示主要是業(yè)務(wù)簇態(tài)勢展示，采用二維展示的形式。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)總體功能主要包括信息存儲、信息傳輸、可視化展示。展示軟件系統(tǒng)的具體功能有管理維護(hù)、可視模型組件管理、軟件運行、界面瀏覽、數(shù)據(jù)處理等，具體如下：

（1）系統(tǒng)管理維護(hù)主要實現(xiàn)后臺的更新升級、用戶登錄與退出、連接數(shù)據(jù)驅(qū)動端、連接數(shù)據(jù)中心等功能。

（2）可視模型組件管理功能主要完成模型組件的更新、維護(hù)和刪除等操作，并且以用戶為服務(wù)對象，提供各種所需的可視模型。

（3）軟件運行功能是整個系統(tǒng)的核心功能，它將數(shù)據(jù)中心提供的實時數(shù)據(jù)與建立的可視模型根據(jù)仿真過程中動作對象的作用規(guī)律進(jìn)行驅(qū)動處理，并將訂制的戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢顯示進(jìn)行二維或者三維展示。

（4）界面瀏覽功能提供桌面類似手機(jī)App的服務(wù)方式，這種方式欄目一目了然、操作方便。

（5）數(shù)據(jù)處理功能主要實現(xiàn)接收驅(qū)動端按照態(tài)勢展示系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實時提供的外部數(shù)據(jù)，隨后按照可視模型組件顯示的需要，把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的態(tài)勢數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體分為基礎(chǔ)設(shè)施、平臺和軟件三個部分，具體如圖1所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施包括云計算數(shù)據(jù)中心、通信設(shè)施和指揮席位。

（2）平臺即為作戰(zhàn)指揮平臺。

（3）軟件即為戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)展示系統(tǒng)。

通過云計算數(shù)據(jù)中心超強(qiáng)的計算能力提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)、4G移動通信技術(shù)的高速傳輸以及展示系統(tǒng)的可視化展示，基本上能夠滿足指揮員的決策需求，下面重點對系統(tǒng)模塊進(jìn)行分析設(shè)計。

3.4 系統(tǒng)模塊設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要分為支持模塊、運行模塊和接口模塊，如圖2所示。

（1）支持模塊包括二維與三維地理信息平臺。

（2）運行模塊包括系統(tǒng)管理模塊、態(tài)勢展示模塊及態(tài)勢顯示訂制模塊等，其中態(tài)勢展示模塊包括三維態(tài)勢展示模塊、二維態(tài)勢展示模塊。

（3）接口模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊。

二維態(tài)勢展示模塊與三維態(tài)勢展示模塊均采用組件化思想開發(fā)，其目的是便于態(tài)勢顯示訂制模塊的調(diào)用和管理[6]。本文重點對這兩個模塊進(jìn)行分析研究。

4 基于組件的態(tài)勢展示模塊設(shè)計

態(tài)勢展示模塊用于接收態(tài)勢顯示訂制模塊訂制后，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理的態(tài)勢數(shù)據(jù)，從而調(diào)用相應(yīng)的二維或者三維可視組件，顯示物理層、協(xié)議層及業(yè)務(wù)層的態(tài)勢。該模塊采用的是組件化、模塊化方式進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。在模塊設(shè)計時，要盡可能將其分割為兩兩之間關(guān)聯(lián)度較低且可獨立運行的組件。在程序編碼時，盡可能將各個組件封裝成*.dll形式[7]，以方便模塊的調(diào)用和組裝，具體如圖3所示：

系統(tǒng)模塊中的底層組件、基元組件與頂層組件都采用*.dll形式封裝，用戶只要按照數(shù)據(jù)接口所定義的格式錄入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可展示所需的態(tài)勢效果，具體如圖4所示。

4.1 底層組件設(shè)計

主要是采用GDI+與GDI圖形接口函數(shù)開發(fā)二維效果，OpenGL圖形接口[8]開發(fā)三維效果，同時結(jié)合MapInfo地理信息系統(tǒng)及三維地理信息平臺，實現(xiàn)二維或三維圖形的繪制。底層組件的具體構(gòu)成如圖5所示。支撐底層組件所有函數(shù)的接口均開放，用戶可以自己設(shè)計實現(xiàn)的效果，并設(shè)置入口參數(shù)。

在二維或者三維地理信息系統(tǒng)上，繪制圖形的具體步驟如下：

（1）將圖形位置的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)。

（2）繪制二維效果時，根據(jù)需要構(gòu)造畫筆或者畫刷。如果繪制線狀圖，則構(gòu)造畫筆；如果繪制填充圖，則構(gòu)造畫刷；繪制三維效果時，構(gòu)造點跡。

（3）根據(jù)圖形繪制的需要，構(gòu)造幾何輔助類。

（4）在地理信息平臺上繪制圖形。

4.2 基元組件設(shè)計

基元組件調(diào)用底層組件，并結(jié)合二維或者三維地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢基元繪制[9]。基元組件具體構(gòu)成如圖6所示，圖中的繪制類繼承底層組件，并基于底層組件的繪制函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。這些函數(shù)的接口開放，用戶可以自己設(shè)計實現(xiàn)的效果，并設(shè)置入口參數(shù)。

基元組件各個類調(diào)用底層組件繪制函數(shù)的情況如表1所示：

在地理信息平臺上繪制基元組件效果的流程如圖7示。其中，初始化的作用是用來設(shè)置某繪制類動態(tài)效果所需的控制參數(shù)。定時器設(shè)置的作用是用來設(shè)置動態(tài)效果的動態(tài)速度。動態(tài)效果繪制是根據(jù)初始化和定時器設(shè)置的參數(shù)，調(diào)用所需要的函數(shù)進(jìn)行繪制。因此，每個繪制類中主要包括初始化設(shè)置函數(shù)、定時器設(shè)置函數(shù)、標(biāo)志位設(shè)置函數(shù)、控制參數(shù)動態(tài)調(diào)整函數(shù)以及動態(tài)繪制函數(shù)。

4.3 頂層組件設(shè)計

頂層組件調(diào)用基元組件和底層組件，并結(jié)合二維或者三維地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢繪制。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，頂層組件可以對應(yīng)于物理層、協(xié)議層、業(yè)務(wù)層等各層的態(tài)勢繪制，主要包括物理層實體展示、物理層通信組網(wǎng)態(tài)勢展示、協(xié)議層通信組網(wǎng)態(tài)勢展示、協(xié)議層指控關(guān)系展示、協(xié)議層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展示以及業(yè)務(wù)層業(yè)務(wù)簇態(tài)勢展示[10]等，這些組件調(diào)用頂層組件某些繪制類或者底層組件某些繪制函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，如圖8所示：

頂層組件調(diào)用基元組件以及底層組件的情況如圖9所示。

5 演示與驗證

按照上述的設(shè)計思路，用Visual Studio 2008作為開發(fā)工具，以MapX 5.0及VegaPrime 4.2作為二維及三維地理信息平臺，并按照組件化、模塊化的思路實現(xiàn)了系統(tǒng)的各個模塊，如圖10所示。

圖10展示了系統(tǒng)管理模塊、態(tài)勢顯示訂制模塊以及二維與三維態(tài)勢展示模塊的效果，其中態(tài)勢展示模塊主要展示了當(dāng)前戰(zhàn)場通信鏈路。

6 結(jié)論

本文從分析戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)的設(shè)計入手，分析了系統(tǒng)的需求及功能，并進(jìn)行了系統(tǒng)的模塊設(shè)計。而后分析設(shè)計了基于組件的通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示模塊，給出了各層次組件的組成及調(diào)用關(guān)系。本文設(shè)計了一個戰(zhàn)情，對于戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)的開發(fā)成果進(jìn)行演示與驗證。實驗結(jié)果表明，依托戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢展示系統(tǒng)，用戶可按需請求所需數(shù)據(jù)，自動生成當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢，為輔助指揮員決策提供了可靠的系統(tǒng)平臺，具有較強(qiáng)的實踐指導(dǎo)意義。

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