戰場通信網絡態勢展示系統的設計與實現

王佩　郭拉克

摘要：分析了戰場通信網絡態勢展示系統的需求，提出了云計算環境下數據獲取、存儲、傳輸的運行模式，最后對系統的功能和模塊進行了設計。該研究基于組件的態勢展示模塊設計，分析了底層組件、基元組件及頂層組件的構成及調用關系，給出了各組件的組成示意圖，最后進行了演示與驗證示例。

關鍵詞：戰場通信網絡 系統設計 組件化

1 引言

以有線通信為主干，無線通信為分支，物聯網為末梢等組成的戰場通信網絡將是保證指揮信息系統互聯互通的基礎，其主要用于支撐信息獲取、分發、共享以及下達作戰指令和控制部隊行動等作戰任務。同時，通信網絡把數據中心、指揮終端、作戰部隊以及偵察系統等融合在一張網上，為實現人與人、人與機、機與機之間的信息交互提供了良好的傳遞平臺[1]。戰場通信網絡態勢展示系統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，在應用過程中以動態圖像的方式，直觀、形象地為指揮人員實時展示作戰對手的通信網絡態勢，使指揮人員能夠及時了解、掌握通信組網、互聯互通、指揮關系、重要節點等情況，有利于指揮員決策效率和決策質量的提升。

2 戰場通信網絡態勢展示現狀分析

當前戰場通信網絡態勢展示基本上是依托全軍正在使用的一體化指揮平臺，數據由軍委總部的后臺服務器與各戰區本地服務器共同提供，數據傳輸主要依靠光纖通信、無線電臺等通信設施。態勢展示在戰場綜合態勢中體現，沒有將通信網絡態勢進行相對獨立，而且展示方式是采用軍用標號進行人工操作。綜上所述，態勢展示系統還存在以下問題：

（1）數據共享率偏低。部分數據存儲于本地服務器上，各系統之間獲取所需數據的難度較大、效率較低，導致數據支撐不足，影響戰場態勢展示的精確度。

（2）數據傳輸靈活性不強。由于有線通信的機動性較差和無線電臺的作戰性能較弱，使得戰場數據傳輸時斷時續，對系統的戰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，而且信息量遠遠不足以支撐指揮員決策。

（4）系統的智能化水平不高。基本上是依靠人工操作的方式繪制戰場態勢圖，工作效率遠不能滿足作戰節奏的要求。

3 戰場通信網絡態勢展示系統設計

戰場通信網絡態勢展示系統的總體設計思路為：采用自頂向下、組件化、模塊化的思想構建展示系統的基本組成模塊，按照態勢展示直觀生動的要求實現態勢的二維展示或三維展示。考慮到實際作戰時，不同的指揮員關注的態勢有一定區別，因此系統應該采用云理念進行構建，使其具備靈活、按需服務的功能。同時，考慮到未來進一步開發的便利性，系統還應具備較強的可擴展性。

3.1 系統需求分析

戰場通信網絡態勢展示系統歸根結底都是為指揮員輔助決策服務的，在進行系統需求分析時，應充分考慮系統需求對于決策的影響。考慮到戰機轉瞬即逝，戰場通信網絡態勢的展示效果不但應該清晰明確，對當前態勢進行精確的展現，而且也不應過于復雜，以免影響指揮員理解。同時，同一展示效果應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獲取較多的信息，提供更為豐富的輔助決策依據。傳統的戰場通信網絡態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，進行了戰場通信網絡態勢的需求分析與設計，并給出了幾種綜合考慮了輔助決策因素的可視化模型。

戰場通信網絡態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、數據展示。

（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據中心對通信組網信息進行分類存儲，并根據戰場局勢實時進行更新。

（2）按需請求是用戶依據作戰任務、決策目標按需向云端發送數據請求。

（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合的方式進行數據的傳輸，一般固定指揮采用有線傳輸對的形式，機動指揮采用無線傳輸的形式。為提高傳輸速率，可引用4G技術構建車載或機載移動通信基站，以保障數據高速實時傳輸[2]。

（4）數據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重點上有所區別，且應能互相補充。從展示規模上講，二維展示側重于宏觀展示，三維展示側重于細節展示；從展示內容上講，二維展示側重于拓撲結構、指控關系等戰場通信網絡協議層與業務層態勢的展示，三維展示側重于實體裝備、通信網絡鏈路等物理層態勢的展示；從展示效果上講，同一效果的二維展示與三維展示應相似。

本文主要在云計算數據中心和傳輸設備的支撐下，重點對展示軟件需求進行分析。主要對戰場通信網絡態勢進行層次化分析，并針對每一態勢細節，給出展示形式。戰場通信網絡態勢展示可以分為物理層態勢展示、協議層態勢展示及業務層態勢展示[3-4]三部分。

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

（2）協議層態勢展示：協議層態勢展示可以分為通信組網態勢展示、指控關系展示與網絡拓撲結構展示等。其中，通信組網態勢展示包括有線通信鏈路與無線通信鏈路等展示內容，與物理層鏈路展示有一定相關性。協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上，附加展示鏈路的誤碼率與重要性。指控關系展示包括編成樹與指控關系拓撲結構展示等內容。指控關系拓撲結構展示包括實體之間的指控關系展示以及節點重要性展示等。網絡拓撲結構展示包括節點信息傳輸關系展示、樹型拓撲結構展示及射線型拓撲結構展示等。其中，樹型及射線型拓撲結構展示在傳統拓撲結構繪制的基礎上，附加展示鏈路脆弱性。協議層態勢的各展示內容都采用二維展示的形式，便于指揮員從宏觀上把握戰場態勢，從而快速、準確地進行決策。

（3）業務層態勢展示：業務層態勢展示主要是業務簇態勢展示，采用二維展示的形式。

3.2 系統功能設計

戰場通信網絡態勢展示系統總體功能主要包括信息存儲、信息傳輸、可視化展示。展示軟件系統的具體功能有管理維護、可視模型組件管理、軟件運行、界面瀏覽、數據處理等，具體如下：

（1）系統管理維護主要實現后臺的更新升級、用戶登錄與退出、連接數據驅動端、連接數據中心等功能。

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

（3）軟件運行功能是整個系統的核心功能，它將數據中心提供的實時數據與建立的可視模型根據仿真過程中動作對象的作用規律進行驅動處理，并將訂制的戰場通信網絡態勢顯示進行二維或者三維展示。

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

（5）數據處理功能主要實現接收驅動端按照態勢展示系統定義的數據結構實時提供的外部數據，隨后按照可視模型組件顯示的需要，把這些數據轉換為相應的態勢數據。

3.3 系統總體設計

系統總體分為基礎設施、平臺和軟件三個部分，具體如圖1所示。

（1）基礎設施包括云計算數據中心、通信設施和指揮席位。

（2）平臺即為作戰指揮平臺。

（3）軟件即為戰場通信網絡展示系統。

通過云計算數據中心超強的計算能力提供數據處理服務、4G移動通信技術的高速傳輸以及展示系統的可視化展示，基本上能夠滿足指揮員的決策需求，下面重點對系統模塊進行分析設計。

3.4 系統模塊設計

軟件系統主要分為支持模塊、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）運行模塊包括系統管理模塊、態勢展示模塊及態勢顯示訂制模塊等，其中態勢展示模塊包括三維態勢展示模塊、二維態勢展示模塊。

（3）接口模塊包括數據處理模塊。

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

4 基于組件的態勢展示模塊設計

態勢展示模塊用于接收態勢顯示訂制模塊訂制后，并經過數據處理模塊處理的態勢數據，從而調用相應的二維或者三維可視組件，顯示物理層、協議層及業務層的態勢。該模塊采用的是組件化、模塊化方式進行設計開發。在模塊設計時，要盡可能將其分割為兩兩之間關聯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]，以方便模塊的調用和組裝，具體如圖3所示：

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

4.1 底層組件設計

主要是采用GDI+與GDI圖形接口函數開發二維效果，OpenGL圖形接口[8]開發三維效果，同時結合MapInfo地理信息系統及三維地理信息平臺，實現二維或三維圖形的繪制。底層組件的具體構成如圖5所示。支撐底層組件所有函數的接口均開放，用戶可以自己設計實現的效果，并設置入口參數。

在二維或者三維地理信息系統上，繪制圖形的具體步驟如下：

（1）將圖形位置的地理坐標轉換為屏幕坐標。

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

（3）根據圖形繪制的需要，構造幾何輔助類。

（4）在地理信息平臺上繪制圖形。

4.2 基元組件設計

基元組件調用底層組件，并結合二維或者三維地理信息系統，實現戰場通信網絡態勢基元繪制[9]。基元組件具體構成如圖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進行進一步的開發。這些函數的接口開放，用戶可以自己設計實現的效果，并設置入口參數。

基元組件各個類調用底層組件繪制函數的情況如表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置某繪制類動態效果所需的控制參數。定時器設置的作用是用來設置動態效果的動態速度。動態效果繪制是根據初始化和定時器設置的參數，調用所需要的函數進行繪制。因此，每個繪制類中主要包括初始化設置函數、定時器設置函數、標志位設置函數、控制參數動態調整函數以及動態繪制函數。

4.3 頂層組件設計

頂層組件調用基元組件和底層組件，并結合二維或者三維地理信息系統，實現戰場通信網絡態勢繪制。根據系統需求分析，頂層組件可以對應于物理層、協議層、業務層等各層的態勢繪制，主要包括物理層實體展示、物理層通信組網態勢展示、協議層通信組網態勢展示、協議層指控關系展示、協議層網絡拓撲結構展示以及業務層業務簇態勢展示[10]等，這些組件調用頂層組件某些繪制類或者底層組件某些繪制函數進行開發，如圖8所示：

頂層組件調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

按照上述的設計思路，用Visual Studio 2008作為開發工具，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、模塊化的思路實現了系統的各個模塊，如圖10所示。

圖10展示了系統管理模塊、態勢顯示訂制模塊以及二維與三維態勢展示模塊的效果，其中態勢展示模塊主要展示了當前戰場通信鏈路。

6 結論

本文從分析戰場通信網絡態勢展示系統的設計入手，分析了系統的需求及功能，并進行了系統的模塊設計。而后分析設計了基于組件的通信網絡態勢展示模塊，給出了各層次組件的組成及調用關系。本文設計了一個戰情，對于戰場通信網絡態勢展示系統的開發成果進行演示與驗證。實驗結果表明，依托戰場通信網絡態勢展示系統，用戶可按需請求所需數據，自動生成當前通信網絡態勢，為輔助指揮員決策提供了可靠的系統平臺，具有較強的實踐指導意義。

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