一種基于數(shù)據(jù)持久化的電子對抗系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄與回放設(shè)計

宮 斌，張名明，李安然

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電子對抗系統(tǒng)顯控終端的數(shù)據(jù)記錄與回放是系統(tǒng)的重要功能模塊，其主要任務(wù)是記錄整個作戰(zhàn)過程的數(shù)據(jù)和指令信息，形成文件并存儲，在作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)束后利用存儲的文件進行作戰(zhàn)過程回放。數(shù)據(jù)記錄與回放能夠完整地記錄下整個作戰(zhàn)的過程，并能夠?qū)^程中的每一個步驟進行準確的重新回放演示，其重要作用是能夠在作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)束后對作戰(zhàn)過程的每個流程、步驟進行分析，并能夠?qū)τ涗浀男畔?shù)據(jù)(偵察目標、干擾目標等)進行全面深入的分析，對于電子對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中的問題分析查找、作戰(zhàn)流程的優(yōu)化、情報數(shù)據(jù)收集等都有著非常重要的作用。

在原有的電子對抗系統(tǒng)顯控終端的數(shù)據(jù)記錄回放設(shè)計中，由于信號環(huán)境和設(shè)備相對簡單，數(shù)據(jù)量和記錄文件都比較小，因此設(shè)計僅支持從記錄文件中順序播放，基本可以滿足使用需要。隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境和電子對抗系統(tǒng)本身的復(fù)雜程度不斷增大，電子對抗系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)記錄文件的數(shù)據(jù)量和記錄時長也不斷增大。由于電子對抗數(shù)據(jù)具有較強的時序關(guān)聯(lián)性，較大的數(shù)據(jù)文件、較長的回放時間與回放時的快速定位成為矛盾，因此設(shè)計一種可在數(shù)據(jù)記錄文件的任意時間點進行回放控制的方法成為亟待解決的問題。

1 需求分析

由于無源偵察的隱蔽性和探測范圍大等特性，電子對抗系統(tǒng)成為武器裝備中獲取情報非常重要的裝備。尤其是在艦載系統(tǒng)中，無論在作戰(zhàn)或是值班狀態(tài)下，無論其他有源探測設(shè)備(如雷達)是否工作，電子對抗的偵察裝備基本上是全程開機，進行目標偵收、電磁環(huán)境探測、情報收集等工作。在艦船遠海任務(wù)中，艦載電子對抗系統(tǒng)偵察設(shè)備的工作時間經(jīng)常在24 h以上，有時甚至達到一周甚至更長的工作時間；同時隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電子偵察目標獲取的信息量也不斷增加。這些都使得電子對抗系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)記錄文件的數(shù)據(jù)量和時間長度越來越大。

電子對抗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(尤其是偵察目標數(shù)據(jù)和干擾對抗數(shù)據(jù)及指令)具有很強的時序關(guān)聯(lián)性，如電子偵察數(shù)據(jù)，偵察設(shè)備在偵收到一批目標后以一條較長的目標信息報文發(fā)送到終端顯控，其后對于該目標的信息更新、補充(包括方位、幅度、掃描信息等等)都是以其他較短的報文發(fā)送的，終端顯控以目標批號為索引條件進行目標信息的更新補充；再如電子干擾設(shè)備，其工作狀態(tài)中的預(yù)熱、高壓、發(fā)射等都有著嚴格的順序并需要進行相應(yīng)的操作鎖定控制，跳過其中的某個數(shù)據(jù)或指令報文將使得后續(xù)的狀態(tài)錯亂。這種情況下原有的記錄回放設(shè)計必須按照順序進行回放控制，才能使得整個作戰(zhàn)過程正確、完整，而對于較大的記錄文件，往往需要耗費較長的回放時間，例如對于一個記錄時間超過24 h、報文數(shù)量達到數(shù)十萬條的文件，按照記錄報文順序回放，將耗費數(shù)小時甚至更長的時間，對于作戰(zhàn)使用非常不便。

上述情況對電子對抗系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)記錄和回放工作提出了新的課題，即如何在大數(shù)據(jù)量、超長時間的記錄文件情況下，進行可選擇時間跳轉(zhuǎn)的回放控制，使得操作員可以更快地“復(fù)盤”作戰(zhàn)的全部或部分過程，更迅速有效地對作戰(zhàn)過程進行分析研究。解決這一問題的關(guān)鍵在于如何解決電子對抗數(shù)據(jù)的時序性和關(guān)聯(lián)性問題，即在任意時間點開始回放時，需要恢復(fù)該時刻的數(shù)據(jù)、指令以及與當前數(shù)據(jù)、指令、狀態(tài)相關(guān)的所有信息，這樣才能保證從該時刻回放時后續(xù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)的完整性和正確性。

2 方法設(shè)計

本設(shè)計以某型電子對抗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，按照可跳轉(zhuǎn)到任意時間點進行回放控制的要求對系統(tǒng)顯控終端的數(shù)據(jù)記錄和回放控制軟件進行設(shè)計。該型電子對抗系統(tǒng)顯控終端的體系架構(gòu)如圖1所示。顯控終端采用集中處理分布控制的架構(gòu)，所有外部數(shù)據(jù)先經(jīng)過信息處理服務(wù)器處理并轉(zhuǎn)發(fā)到顯控臺A和B，顯控臺下發(fā)的指令或數(shù)據(jù)經(jīng)過信息處理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的外部偵察干擾設(shè)備。

圖1 顯控終端架構(gòu)示意圖

顯控終端數(shù)據(jù)記錄和回放運行的基本過程是：在作戰(zhàn)過程中，信息處理服務(wù)器將所有經(jīng)其處理或轉(zhuǎn)發(fā)的報文記錄形成數(shù)據(jù)記錄文件(軟件運行一次形成一個文件，即一次作戰(zhàn)過程形成一個文件)；在作戰(zhàn)結(jié)束后進入回放過程時，由操作員對記錄文件進行選擇后，信息處理服務(wù)器將文件內(nèi)容讀入并按照報文記錄順序發(fā)送到顯控臺，對作戰(zhàn)過程進行回放重演。

本文闡述的記錄和回放設(shè)計方法是針對可以任意指定時間點進行回放的需求，以固定時間片為間隔定時生成全局信息并記錄，作為回放時的歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)依據(jù)。為了對回放過程中的時間點進行快速定位，我們采用將定位時間點的內(nèi)存信息(包括數(shù)據(jù)和狀態(tài)等)進行持久化的方法保存；在回放的過程中，根據(jù)持久化保存的全局信息進行數(shù)據(jù)和顯示界面的恢復(fù)，這樣從該時間點后回放的報文有了基礎(chǔ)，將可以正確完整地進行后續(xù)的回放。設(shè)計中將時間片間隔設(shè)置為1 min，則可以實現(xiàn)回放控制的分鐘級定位，從而大大縮短回放的時間；同時解決了原有回放設(shè)計在時間上只能順序向后單向查看的問題，能夠跳轉(zhuǎn)到記錄文件的任意時間點進行回放。

在保持原有記錄文件不變的情況下，增加了全局信息定時記錄。我們將固定時間點的內(nèi)存全局信息進行持久化形成的信息稱為關(guān)鍵幀(Key Frame)。本設(shè)計的主要工作流程是在作戰(zhàn)過程中，以固定的時間間隔(目前定為1 min)將終端顯控的各類全局數(shù)據(jù)進行序列化，生成關(guān)鍵幀文件進行記錄；在回放過程中，根據(jù)操作員選擇開始回放的時間點，找到對應(yīng)時間點前最近的一個關(guān)鍵幀進行反序列化，進行內(nèi)存數(shù)據(jù)及界面的恢復(fù)。

數(shù)據(jù)記錄文件與關(guān)鍵幀記錄文件的關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)記錄文件與關(guān)鍵幀文件關(guān)系圖

3 持久化技術(shù)選擇

在數(shù)據(jù)持久化技術(shù)中，一般以序列化方法最常用，且擴展性強[1]。常用的序列化方法一般有表1中的幾種。本設(shè)計中考慮到終端顯控軟件的兼容性及后續(xù)采用跨平臺開發(fā)工具的趨勢，Boost.Serialization方法的可移植性及后續(xù)的擴展性都較好，因此采用該方法進行內(nèi)存持久化[2]。

電子對抗系統(tǒng)除偵察設(shè)備外，還有有源干擾、無源干擾、激光、通信等設(shè)備，以及上級指揮系統(tǒng)。為了全面反映某個時刻的狀態(tài)，關(guān)鍵幀中必須包含以上所有相關(guān)設(shè)備/系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息。在電子對抗系統(tǒng)中，偵察目標所占信息最多，占整個關(guān)鍵幀內(nèi)容比率最大，所以在持久化技術(shù)選型時主要根據(jù)偵察目標的數(shù)據(jù)持久化性能為主要參考。軟件測試過程中以偵察目標的序列化和反序列化時間作為主要參考，采用XML結(jié)構(gòu)文件進行存儲，主要測試情況如表2所示。

表1 序列化方法

表2 序列化/反序列化時間測試表

在電子對抗系統(tǒng)中，一般偵察目標在400批之內(nèi)，偵察目標的數(shù)據(jù)持久化時間占整個全局數(shù)據(jù)信息持久化的絕大部分，所以以上序列化方法能夠保證時間的有效性，同時基本不會對現(xiàn)有的顯控終端軟件運行造成影響。在選擇存儲方式上，XML文件可讀性最好，但是時間和空間消耗大，可作為軟件調(diào)試時使用；文本數(shù)據(jù)可讀性一般，時間和空間消耗一般；二進制數(shù)據(jù)可讀性差，時間和空間消耗性能最優(yōu)，所以在最終軟件實現(xiàn)中采用二進制格式作為文件存儲的數(shù)據(jù)格式[3]。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)上述設(shè)計方法，軟件主要由信息處理服務(wù)器、顯控臺A和顯控臺B幾部分組成。顯控臺A主要生成關(guān)鍵幀和恢復(fù)關(guān)鍵幀，控制回放進度，服務(wù)器主要進行關(guān)鍵幀文件管理，顯控臺B只做關(guān)鍵幀恢復(fù)，不生成關(guān)鍵信息。在作戰(zhàn)過程中記錄數(shù)據(jù)文件的同時，從起始時間開始，每間隔1 min生成一個關(guān)鍵幀文件并存儲，作戰(zhàn)過程結(jié)束后將生成一組關(guān)鍵幀文件與一個數(shù)據(jù)記錄文件相匹配；回放由顯控臺A發(fā)起并控制，根據(jù)操作員選定的回放時間，找到之前最近的一個關(guān)鍵幀文件進行全局數(shù)據(jù)的反序列化，使得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)保持完整，然后開始該時刻后的報文回放。如某記錄文件的起始和終止時間分別為XX年XX月XX日00：00:00和XX年XX月XX日23：00:00，即整個作戰(zhàn)過程時間為23 h，操作員如果需要最后1 h的作戰(zhàn)過程回放分析，可以直接選擇從22：00:00開始回放。軟件實現(xiàn)已在XX型電子對抗系統(tǒng)中應(yīng)用，該系統(tǒng)中的設(shè)備節(jié)點超過10個，在實際工作過程中數(shù)據(jù)記錄包含關(guān)鍵幀的文件記錄占用的系統(tǒng)資源較低，對整個系統(tǒng)的運行基本沒有影響,軟件運行與回放模式大大縮短了回放的時間，極大地提高了作戰(zhàn)過程分析的效率。

5 通用化設(shè)計

軟件設(shè)計的通用化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 信息處理服務(wù)器軟件部分結(jié)構(gòu)簡單，擴展性強。信息處理服務(wù)器軟件不解析和分析關(guān)鍵幀內(nèi)容和報文信息內(nèi)容，只負責數(shù)據(jù)文件和關(guān)鍵幀的記錄與管理，回放時根據(jù)時間點查找關(guān)鍵幀信息發(fā)送到顯控臺進行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

(2) 關(guān)鍵幀記錄的可快速擴展性。在關(guān)鍵幀信息中添加或者刪除相應(yīng)的字段信息較為容易；支持將序列化和反序列化進行統(tǒng)一定義或者分開定義；支持將數(shù)據(jù)保存為二進制數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、XML結(jié)構(gòu)或者用戶自定義的其他文件，只需要改動序列化歸檔格式，不需要改動具體序列化方法。通用化設(shè)計如圖3所示。

圖3 軟件通用化設(shè)計示意圖

通過通用化的設(shè)計，使得本方法擴展性強，移植方便，可以較快地在原有的電子對抗系統(tǒng)終端顯控軟件中進行改進優(yōu)化，實現(xiàn)指定時間點回放的功能。

6 結(jié)束語

電子對抗系統(tǒng)終端顯控的數(shù)據(jù)記錄與回放軟件在原軟件功能不足、使用不便的情況下，引入了基于數(shù)據(jù)持久化的關(guān)鍵幀技術(shù)，實現(xiàn)了電子對抗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回放，能夠達到分鐘級別的快速定位并任意指定時間點回放，大大縮短了作戰(zhàn)過程回放的時間，并且支持前進和后退2個方向的回放，解決了之前電子對抗回放功能不滿足用戶需求的問題。

本設(shè)計方法作為電子對抗回放軟件的基礎(chǔ)，已經(jīng)在實際工程應(yīng)用中得到較好的驗證，也完全能夠滿足用戶的要求。但是受計算機性能等限制，現(xiàn)階段為平衡系統(tǒng)工作主流程和數(shù)據(jù)記錄的資源分配，只能做到分鐘級別跳轉(zhuǎn)，要做到更短時間片時刻跳轉(zhuǎn)，需要進一步研究相關(guān)技術(shù)和方法。