面向實戰的軍用交互式電子沙盤系統設計

王 雪，鞠曉杰，王 鐸，周曉和，雷雪媛

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

0 引言

軍事電子沙盤是掌握立體戰場空間態勢、實施高效指揮、支撐科學化指揮訓練的現代化信息系統平臺，其核心是利用地理信息技術、軍事仿真技術、先進顯示技術等，代替傳統地圖、沙盤工具，實現地理信息、態勢信息集成化顯示，讓指揮人員深刻理解作戰環境，在指揮作業系統的輔助下，極大地提高指揮輔助決策能力和響應速度，提高指揮訓練的質量效應［1］。但是，目前的軍用電子沙盤大多為獨立系統［2-6］，無法和指揮中心實現有效連通，某種程度上僅起到展示作用，不具備指揮訓練和輔助決策功能，同時現有文獻對電子沙盤實際作戰應用的研究較少，且成果集中體現在交互和顯示方面［7-11］。為使電子沙盤系統真正面向實戰，本文提出了軍用交互式電子沙盤系統設計方案，從應用場景構建、系統架構、設備連接、業務流程4 個方面進行了詳細設計，能夠支持和指揮中心的有效連通，充分發揮作戰指揮和指揮訓練的實戰效能。

1 應用場景構建

在軍事應用中，電子沙盤系統一般部署在固定指揮中心或機動指揮所，是指揮訓練系統的重要組成部分，其基本功能是二三維地理信息展示和戰場仿真，常見部署形式見圖1。本文從實戰角度出發，在兼容傳統物理沙盤地形描述功能、繼承傳統電子沙盤地理信息顯示功能的基礎上，面向高級指揮人員的作戰、訓練需求，重點實現電子沙盤和指揮中心其他操作席位的互聯互通，設計提出了一套戰時用于指揮作戰、平時用于演訓演練的智能化交互式指揮訓練作業平臺。戰時，電子沙盤作為首長指揮作戰的顯控終端，融合各操作席位作戰要素保障信息，實時接收戰場信息，顯示戰場二三維態勢圖，提供標繪、測量、計算等基礎輔助手段，同時基于數據挖掘、人工智能技術，為首長提供可智能學習調整的作戰預案并進行推演仿真，輔助首長定下作戰決心。平時，電子沙盤作為首長演訓演練的指控終端，具備想定設置、訓練導調功能，支持訓練想定從制定、部署到訓練全過程的數據記錄、輔助評估、復盤推演及歷史數據查詢。同時也可作為指揮中心機關部隊人員交流、培訓的研究平臺和部隊軍情信息發布、展示、應用的服務平臺。

圖1 電子沙盤系統部署示意圖

2 系統架構設計

2.1 工作原理

軍用交互式電子沙盤系統的工作原理如圖2所示。軟件平臺是電子沙盤系統的核心，其工作原理是接入多源外部數據，融合處理和存儲數據，基于業務需求分析數據，二三維動態展示數據。因此，數據處理平臺是基礎，數據接入平臺和可視化顯示平臺是支撐。可視化顯示終端是電子沙盤最直觀的認知形象，包括移動端、桌面端和大屏幕顯示終端。其中大屏幕顯示終端可支持多點紅外觸控，是實現人機交互的主要形式。

圖2 軍用交互式電子沙盤系統工作原理圖

2.2 系統架構

為使電子沙盤真正面向實戰，實現和指揮中心的互聯互通，需和指揮信息系統進行統籌規劃，采用統一的軟硬件接口。為實現電子沙盤業務的靈活擴展、外部系統數據的快速接入，本文提出的軍用交互式電子沙盤系統基于統一技術體制，采用SOA 架構，規范了作戰數據接口和訓練數據接口，提供定制服務開發功能。系統架構設計如圖3所示，主要包括：資源支撐層、基礎服務層、平臺應用層。

圖3 軍用交互式電子沙盤系統架構圖

基礎設施層，是支撐系統運行的基礎環境，包括圖形工作站、存儲設備、計算設備、網絡設備、顯示設備、操作系統等，為原型系統提供統一、高速、安全的網絡和主機運行基礎平臺。

基礎服務層，是系統的數據資源承載與基礎服務提供層，對上支撐平臺應用層，提供數據庫管理系統、通信管理器、SOA 引擎等基礎功能，并在此基礎上開發提供業務相關的基礎服務。核心服務包括地理信息服務、數據接入服務、態勢顯示服務、仿真推演服務、互聯互通服務、軍標標繪服務等等，服務類型可根據需求進行定制開發，滿足不同業務應用需求。

平臺應用層，包括業務平臺和面向用戶的應用類插件。業務平臺包括數據接入平臺、數據處理平臺、可視化顯示平臺。

數據接入平臺用于接入、處理、存儲、分發各類型信息，構建自定義的專業軍情數據庫。具體表現為：能夠接收不同來源、格式、特點的作戰過程、綜合保障、地理信息、仿真推演等數據，并在邏輯或物理上有機綜合集成，為態勢顯示、作戰研討、指揮決策、訓練評估等不同應用提供數據支撐。在平時，收集各類軍用基礎信息，如裝備信息、人員信息、陣地信息、目標信息、作戰方案等，處理為可供數據處理平臺調用的數據格式，以本地存儲或云存儲的形式保存；在戰時，實時引接指揮中心各操作席位的氣象水文、電磁環境、地理環境、人文環境數據，戰場中人員和裝備的實時位置及屬性、北斗信息、視頻信息等，并處理為可供數據處理平臺調用的數據格式。

數據處理平臺以地理信息數據為背景，接收或調用數據接入平臺的各類數據，構建態勢一張圖，實現敵情、我情、戰場環境、目標分析、行動進程、標繪和干預過程可視化。在此基礎上，提供標準化接口，與其他系統實現有效數據銜接，保障功能擴展和其他系統接入，支持業務應用插件定制開發，為作戰指揮業務擴展提供支撐。在平時，基于積累的數據構建仿真戰場態勢，制定作戰計劃和方案，進行演習訓練和仿真推演，相關成果存入數據接入平臺，供戰時調用。

可視化顯示平臺，基于自主化三維仿真引擎實時渲染生成與作戰及訓練區域一致的三維戰場環境，運用結構化數據技術及靈活可編輯的邏輯數據模型，實現“圖層化”信息數據融合顯示及輸出，并實現多點紅外觸摸控制及語音控制等。

平臺應用層的相關插件是針對作戰規劃需求進行設計，包括數據引接與管理類、過程分析與展示類以及方案推演與評估類的功能插件，定制實現了作戰規劃業務數據的引接和綜合管理。作戰過程中戰場環境與戰場態勢的“一幅圖”綜合展示，以及作戰過程涉及的偵察、部隊行動、戰場防抗和火力打擊各類方案的綜合仿真推演與展示。

3 硬件組成及設備連接關系

電子沙盤系統的硬件結構設計，支持分布式部署以及和指揮大廳的互聯互通。軍用交互式電子沙盤系統由LED 高清顯示分系統、信號處理分系統、數據傳輸分系統、計算存儲分系統組成，具體如圖4 所示。

圖4 軍用交互式電子沙盤系統硬件組成

LED 高清顯示分系統用于高清顯示戰場信息，部署在指揮大廳；信號處理分系統中，圖形工作站用于部署可視化顯示平臺和數據處理平臺相關應用；視頻拼接器用于接入外部視頻信息并在電子沙盤LED 顯示屏上進行拼接或開窗顯示；計算存儲分系統中，計算/存儲服務器用于部署數據接入平臺和數據處理平臺相關應用數據傳輸分系統，用于實現沙盤系統內部及外部的數據交互，這3 類設備部署在設備間，系統部署及設備連接情況如下頁圖5所示。

圖5 軍用交互式電子沙盤設備連接關系圖

電子沙盤系統對外提供視頻信號、控制信號以及數據3 類信息的接入和輸出。光口交換機，對內提供萬兆光纖接口，實現計算/存儲服務器和圖形工作站之間的復雜地理信息和模型數據交互；對外提供萬兆光纖接口，用于接入指揮中心專用信息子網，實現和指揮大廳各操作席位的作戰信息交互，并可接入民用數據、北斗數據等。千兆交換機，對內提供網線接口，實現計算/存儲服務器、圖形工作站、視頻拼接器、電子沙盤LED 顯示屏之間的控制信號交互；對外提供網線接口，用于接入指揮中心專用控制子網，實現和指揮大廳的控制信號交互，接受指揮大廳顯控系統的統一調度和遠程控制。視頻拼接器，對內對外均提供光纖接口，可直接通過光纖和指揮大廳的數字信號綜合處理平臺連接，實現指揮大廳的視頻畫面在電子沙盤上顯示，并支持將電子沙盤畫面輸出至指揮中心顯示大屏。通過上述連接關系，可全面支撐電子沙盤系統和指揮中心在業務數據、控制信號以及視頻畫面的互聯互通。

4 業務流程設計

系統提供作戰和訓練兩種應用模式。在作戰模式下，電子沙盤實時引接指揮中心各席位作戰要素數據，結合基礎地理信息數據，構建要素齊全的戰場態勢圖，為輔助首長決策提供可視化數據支撐；在訓練模式下，系統基于自身數據庫，構建仿真戰場態勢，制定訓練想定，實現對各席位作戰要素的作戰指揮訓練，也可引接部隊訓練信息，展示部隊的位置部署、訓練內容、訓練成果等。根據實際作戰需求，電子沙盤系統提供6 種類型的基本業務應用插件，如圖3 所示，包括多源信息匯集與分發類插件、態勢展示類插件、籌劃交互類插件、仿真推演類插件、進程監控類插件和考核評估類插件。

4.1 作戰模式

在實戰模式下，首長基于電子沙盤開展指揮工作，此時電子沙盤處于信息的實時接收狀態，業務流程如圖6 所示。具體流程如下：

圖6 作戰模式業務流程圖

1）首長在態勢顯示界面查看全局戰場態勢，此時指揮中心各操作席位將處理后的氣象水文、電磁、情報偵察、后裝保障等態勢信息實時協同給電子沙盤態勢顯示界面，供首長掌握敵情、我情、戰場環境等全局戰場態勢。首長亦可根據自身需求定制專題態勢，專題態勢由指揮中心相應席位完成標注后提交給電子沙盤進行顯示。數據接收通過多源信息匯集與分發類插件實現，態勢融合顯示由態勢展示類插件實現。

2）首長基于態勢信息，進行作戰籌劃，籌劃過程通過軍標標繪形式在態勢圖上進行，籌劃結果以標繪完成的態勢圖形式下發給指揮中心相應操作席位，各操作席位根據作戰籌劃圖擬制詳細的作戰計劃，并上報首長審批，首長通過電子沙盤下發作戰指令和接收指令回復。通常，作戰計劃在平時完成制定，并進行仿真推演，基于推演結果進行方案調優，調整后的作戰計劃可存入數據庫進行儲備供戰時調用。上述功能由籌劃交互類插件、仿真推演類插件、多源信息匯集與分發類插件實現。

3）作戰過程中，首長通過電子沙盤實時接收各操作席位上報的戰場情況，包括目標毀傷情況、裝備實時位置、裝備儲備及戰損情況、人員傷亡情況等，并可在關鍵節點進行指令干預。該功能通過進程監控類插件實現。

4）作戰結束后，基于電子沙盤記錄的作戰情況，可開展本次作戰的整體評估，評估結果存入數據庫供后續作戰參考。該功能由考核評估類插件實現。

4.2 訓練模式

訓練模式按照訓練準備、訓練、訓練評估3 個階段開展，業務流程如圖7 所示。相比于作戰模式而言，訓練模式增加了訓練方案庫，可對訓練過程進行導調控制，其他內容與作戰模式一致，確保實現“按作戰的方式訓練”。

圖7 訓練模式業務流程圖

訓練準備階段：1）啟動籌劃交互類插件，對本次訓練目的、訓練任務、參訓人員和裝備進行設置，形成訓練方案，該方案通過多源信息匯集與分發類插件發送給相關訓練業務終端，存入訓練方案庫，并且在態勢展示類插件上可視化展示；2）態勢展示類插件從態勢數據庫調用作戰歷史態勢，或從多源信息匯集與分發類插件接收外部態勢信息，在可視化顯示平臺上進行融合展示，為指揮員提供仿真實時戰場態勢。

訓練階段：1）籌劃交互類插件接收訓練方案，指揮員根據訓練任務和實時戰場態勢，明確作戰任務，制定作戰方案，方案內容在態勢展示類插件上可視化顯示；2）制定完成的作戰方案通過仿真推演類插件調整優化，最終方案由多源信息匯集與分發類插件發送給相應訓練業務終端，同時方案存入數據庫；3）指揮員通過進程監控類插件實時監控訓練進程，并完成相應操作；同時，進程監控類插件記錄指揮員操作和訓練關鍵狀態信息。

訓練評估階段：1）考核評估類插件對指揮員、訓練過程中的關鍵點，以及整場訓練情況3 個維度進行評估；2）評估結果存入訓練評估數據庫。

5 系統性能分析

5.1 數據交互性能分析

電子沙盤系統的數據交互主要體現在系統內部數據交互、系統和指揮中心之間的數據交互。電子沙盤系統支持的數據包括地理信息數據、模型數據等，存儲容量為TB 級別，并基于業務需求進行擴充。

系統內部，計算存儲服務器和圖形工作站之間傳輸數據，主要是衛星影像數據、傾斜攝影數據、模型數據、高程及矢量數據等，瞬時傳輸峰值為GB級。所以通過萬兆光口交換機連接，使用分布式文件系統以及并發訪問模式。

電子沙盤和指揮中心各操作席位之間通過萬兆光口交換機相連，傳輸數據主要是態勢圖、作戰計劃、作戰指令，數據容量相對沙盤內部較小，瞬時傳輸峰值可為MB 級。

5.2 實時性分析

在指揮中心建設的電子沙盤其顯示屏尺寸規模較大，長寬均為米（m）級，顯示屏一般采用4 KLED高清顯示，在軟件性能、圖形工作站性能、視頻拼接器性能、顯示屏性能的系統性配置和有效配合下，LED 顯示屏外部輸入刷新率不低于60 Hz、LED 單元刷新率不低于3 840 Hz 時畫面顯示較好，無任何卡頓和抖動現象。

為保證數據響應的實時性，對可能使用到的模型及地理信息進行緩沖。氣象水文數據按照分鐘級進行周期性更新，沙盤系統能夠在毫秒（ms）級內響應并處理。作戰計劃、作戰指令等非周期性數據在毫秒級內進行處理，標繪操作時可能涉及地圖載入等動作，總體時間在秒（s）級以內。態勢信息以秒（s）級頻率更新，標繪時間在毫秒級以內。視點、視角變換以及縮放、漫游等操作的畫面切換時間均在秒級以內。

5.3 仿真粒度分析

指揮中心電子沙盤應用一般面向一場戰役或戰術級的集訓任務，綜合考慮任務需求、顯示清晰度、操作方便程度和計算資源消耗情況，仿真粒度為任務級，能夠顯示陣地及其屬性、裝備模型及裝備屬性、裝備行進軌跡等。目前任務級模型粒度能夠滿足應用需求。

6 結論

隨著軍隊信息化建設的深入，信息來源和種類的日益擴展，決策支持手段的不斷豐富，針對各軍兵種作戰訓練、指揮決策的需要，建立一套具備完整的指揮決策分析、任務推演及態勢展示功能的電子沙盤系統成為當務之急。本文從實戰角度出發，建設了一套綜合態勢展示直觀、交互手段豐富多樣、作戰數據引接靈活、功能齊全兼具擴展的軍事電子沙盤系統，滿足首長的作戰指揮和指揮訓練的使用需求。該系統設計已經成功應用于某軍種指揮中心，保障了多次集訓任務，滿足了首長通過一臺電子沙盤實現信息化戰場指揮的作戰需求，大大提高指揮效率。同時，本文提出的建設框架對新一代指揮信息系統論證具有一定的借鑒意義。