动态航天指挥关系图系统的设计与实现

汪荣峰

(装备学院 航天指挥系, 北京 101416)



动态航天指挥关系图系统的设计与实现

汪荣峰

(装备学院 航天指挥系, 北京 101416)

为了在航天指挥过程中以形象、直观的方式表现指挥关系的动态变化和指挥信息的动态传递，设计并实现了动态航天指挥关系图系统;给出了指挥节点、指挥关系、指挥信息流所构成的动态航天指挥关系图定义，在此基础上设计了动态航天指挥关系图系统的结构；研究实现了所涉及的关键技术，包括指挥节点、指挥关系的二维和三维绘制方法，指挥信息流的动态可视化方法等。实际应用表明：该系统可在航天指挥演练中辅助掌控、评估指挥进程，或接入航天指挥信息系统以支持把握作战态势。

指挥关系；航天；信息流；纹理；Bezier曲线

指挥关系是指挥者与指挥对象之间，指挥员与指挥机关之间，平行指挥机构之间，按照指挥职能规定和权限划分所形成的相互关系[1]142。明确、顺畅的指挥关系是实施作战指挥的关键，航天指挥也不例外。在实施作战指挥、训练、演习，以及作战想定教学研讨等场合，以简洁、易于理解的图形方式将指挥关系表现出来，呈现给指战员、参训参演人员，非常必要且十分有效。目前我军实际应用中，多以WORD、WPS等字处理软件或Visio之类的绘图软件，绘制指挥关系、指挥结构图。

美军在体系结构框架发展过程中，始终对指挥关系的可视化表达非常重视。在C4ISR体系结构框架，以及后续国防部体系结构框架DoDAF1.0、DoDAF1.5[2]82、DoDAF2.0[3]169-171，所定义产品始终包括组织关系图OV-4，用于描述各组织之间的指挥、控制、协调关系。英军体系机构框架MoDAF1.2[4]中也定义了OV-4。DoDAF1.5给出了2种OV-4表示方式[2]83：(1) 以实线表示指挥控制关系，虚线表示其他关系，矩形框表示节点；(2) 以UML(Unified Modeling Language)的用例、节点、关系来描述指挥关系及其数量。DoDAF2.0建议采用元模型[3]23-138来描述OV-4，其可视化表现仍基于UML。

对于航天指挥而言，必须在上述指挥关系可视化表现方式上有所突破：

1) 航天指挥关系可视化需要反映指挥过程的动态变化。航天指挥体系复杂，支援联合作战涉及部门多，信息流动快，必须及时反映作战过程中指挥关系的动态调整和指挥信息的动态传递。在航天作战、训练或演练过程中，信息交换及其重要属性的实时可视化表达对于指挥员把握态势、演练导演分析评价指挥进程都具有重要意义。

2) 航天指挥关系可视化需要可视化形式与指挥关系的规范映射。UML以各种箭头表示聚合、关联、泛化等关系[5]，便于设计开发人员使用。而我军指挥关系主要包括隶属、配属、支援等[1]142-143，指挥关系的含义和UML中关系相去甚远，军事人员难于理解和使用，因此更需要采用类似军队标号的方法，定义或规定指挥关系的图形表示方式。

3) 航天指挥关系可视化需要与地理信息的有效结合。航天指挥的客体分布在广阔的太空战场，三维形式已成为表现空间态势的基本手段，指挥关系与指挥信息也有必要在三维场景中得到有效展现。

1　动态航天指挥关系图定义

动态航天指挥图定义为G={N,R,F}，其中N为指挥节点集合，R为指挥关系集合，F为指挥信息流集合，核心是指挥关系。

指挥节点用于表示指挥者、指挥对象和指挥机关，包括2类节点：一是指挥所，指挥所与地理位置相关，在二维地图或三维场景中以军标表示[6]，在与地理信息无关的图形表示中以矩形框内加文字表示；二是内部节点，表示位于指挥所内部参与指挥信息处理、传递的各个指挥岗位。

指挥关系包括：(1) 隶属，指命令或编制规定的下级对上级的从属关系[1]142，本文采用实心菱形箭头表示，如图1a)所示，表示指挥所B隶属于指挥所A；(2) 配属，是将上级配属或建制内某些兵力，临时调归所属某一单位指挥或使用[1]142，用空心菱形箭头表示，如图1b)所示，表示指挥所B配属于指挥所A；(3) 支援，是上级指挥员为增强担负主要作战任务部队的作战实力，调动其他军兵种部队支援其作战所构成的指挥关系[1]143，用实心三角箭头表示，如图1c)所示，表示指挥所B支援指挥所A；(4) 关联，严格说这并非一种指挥关系，定义其主要是为了表示指挥所内部指挥岗位之间关系和信息交换，用无箭头线段表示，如图1d)所示，表示2个岗位之间存在信息交换需求，相当于DoDAF中的需求线；(5) 其他航天指挥特有的指挥关系。2个指挥节点之间最多只能有1个指挥关系。

a) 隶属　　　 b) 配属 　 　 c) 支援　　　 d) 关联图1　指挥关系的图形表示方式

指挥信息流是指挥节点之间所交换的指挥控制信息，依托于指挥关系而存在，即只有存在指挥关系的节点之间才可有指挥信息流。指挥信息流主要有如下属性：(1) 类型，包括指示、命令、请示等；(2) 密级，包括公开、秘密等；(3) 紧急程度，包括一般、加急等；(4) 时间，指挥控制发生的时间；(5) 源节点和目的节点，表示信息的流向。此外还包括用于传递指挥信息的文书等。

2　动态航天指挥关系图系统结构

系统结构如图2所示。

图2　动态航天指挥关系图系统的组成结构

虚线框内为系统内部结构，包括：(1) 指挥关系图，即第一部分定义的实现；(2) 二维可视化与编辑模块，与地理信息无关，以二维图形形式显示指挥关系图及其动态变化情况，包括指挥节点、指挥关系、信息流的绘制模块和指挥节点、指挥关系的编辑模块，编辑功能包括节点和关系的创建、删除、属性修改等；(3) 三维可视化与编辑模块，在三维场景地形绘制的基础上，通过军标绘制(指挥节点)、指挥关系绘制和信息流绘制，显示指挥关系图及其动态变化情况，三维编辑只针对节点和关系的三维显示属性。

虚线框之外为系统提供数据支持：(1) 数据文件，将系统编辑的结果保存在文件中，需要时加载到系统中；(2) 指挥推演脚本，主要存储动态变化信息，包括指挥节点、指挥关系和指挥信息流的动态变化情况，该脚本可以根据作战想定等预先编辑，也可以在实际指挥或演训过程中记录相关信息；(3) 指挥信息系统，将系统与真实的指挥信息系统连接，实时获得动态变化情况和时统信息。

根据作战、演训实际，编辑建立指挥关系图并存储到文件中之后，系统既可以接入指挥信息系统，在指挥信息系统时统驱动下，实时显示指挥过程中的动态变化情况，以利于指挥员把握态势；也可以加载推演脚本，在仿真时间控制下，回放指挥过程中的动态变化，供研讨、分析、教学等使用。

3　二维可视化与编辑模块关键技术

二维可视化与编辑模块界面如图3所示。

图3　二维可视化与编辑模块界面

图中为使用系统编辑得到的航天指挥关系图，指挥关系遵循第1节的定义。其中，航天部队指挥所1和航天部队指挥所2隶属于统帅部；航天大队1隶属于航天部队指挥所1，航天大队2配属于航天部队指挥所1；航天大队3隶属于航天部队指挥所2，空军XX部队与航天部队指挥所2构成支援关系；在统帅部、航天部队指挥所1、航天部队指挥所2内部还有多个岗位，岗位之间存在关联关系。

图中航天部队指挥所1到统帅部之间的指挥关系线下方文字即为指挥信息流，表示依托于该隶属关系,由后者发送到前者的“预先号令”。信息流以文字表示其含义；以不同的颜色区分信息流的类型；文字前“*”符号个数表示密级，个数越多、密级越高；文字位置不固定，由源节点向目的节点移动，移动频率反映信息紧急程度，频率越高、信息越紧急。

为了支持信息流的动态效果，二维模块基于OpenGL进行开发，涉及关键技术包括指挥节点、指挥关系、指挥信息流的绘制和指挥节点、指挥关系的交互编辑，主要讨论绘制技术。

1) 指挥节点、指挥关系的绘制。无内部节点时，指挥节点用矩形图元绘制；有内部节点时，根据内部节点计算所占区域，绘制节点并递归完成内部节点绘制。指挥关系是由2个或多个点连接而成的线段集合，绘制线后根据指挥关系的类型按第1节定义绘制箭头。

2) 指挥信息流的绘制。为了表现指挥信息的动态传递效果，采用纹理技术实现。(1) 纹理数据生成。根据指挥信息流字体大小、文字个数，计算纹理分辨率，然后将字符串写入位图中并读取(字符串逐字竖排写入)，根据位图值和颜色，生成纹理数据。(2) 绘制几何形状构造。在指挥关系线集左侧，构造系列矩形(矩形宽度可设置)。如图4，对于由线集ABCD所描述的配属关系，数据流由D向A传递，所构造的系列矩形如图4a)所示。在线集各中间点处，根据矩形宽度保留一定空白，以避免由于几何重叠导致显示混乱的情形，如图4b)所示。如果单纯把CD段矩形向下扩展到与BC边相接、CB段矩形右移，也可以确保各矩形不重叠，但是经试验，图4a)方式显示效果更优。(3) 纹理坐标计算。指挥信息流从起点向终点按一定频率移动，且在整条指挥关系线集上只能出现一次，不能重复。在指定纹理坐标卷绕模式为GL_CLAMP(垂直方向，水平方向固定为0或1)的情况下，随时间改变各点纹理坐标：首先根据字符串长宽比和矩形高度(图4中与指挥关系线垂直方向的距离)，计算指挥信息流纹理所映射的几何长度；累加得到所有矩形宽度，除以总长度，得到映射的纹理值范围；根据时间以及频率(由信息流的紧急程度确定)，计算纹理坐标1所对应的位置到起点的距离，基于该距离计算每个顶点的纹理坐标。

a) 显示清晰　　 b) 显示混乱图4　指挥信息流绘制几何形状的构造

以图4为例说明纹理坐标计算：指挥信息流为“预先号令”，文字宽高相等，信息流需为密级增加2个字，则其长宽比为6，矩形高度20，纹理映射的几何长度为120；设AB、BC、CD段的各个矩形宽度总长为180，则映射纹理坐标总范围为1.5；在信息流传递开始时刻，纹理坐标1映射位置为D点(此时A的纹理坐标为2.5)，随时间推进，坐标为1的位置不断向C、B、A方向前进，形成了信息流动的动态效果。

4　三维可视化模块关键技术

三维可视化模块界面如图5所示，图中描述的指挥关系与图3完全一致。其中，指挥节点以军标形式表示，指挥关系以直线或曲线表示，箭头形状遵循第1节的定义。

图5　三维可视化界面

三维模块编辑功能通过对话框完成，关键技术主要是指挥节点、指挥关系和指挥信息流的绘制。

1) 指挥节点绘制。指挥节点用军标表示，三维场景中非规则军标绘制主要有基于纹理的方法、基于几何的方法或基于位移映射的方法[7]，规则军标往往采用公告板技术实现[8]。采用如下技术绘制指挥节点：每次视点改变，根据指挥所位置、视点、投影面参数，计算指挥所在投影面上的位置；然后将投影面上固定大小的指挥所军标形状(如果有2个或多个指挥所位置相同，将其按层级叠加排列，如图5中“统帅部”和“航天部队指挥所1”)，反算到过指挥所位置且垂直于视线的平面上，从而得到显示所需几何数据；最后根据文字内容和军标大小，调整字体大小完成文字显示。如图6a)所示，E为视点，2为指挥所位置，与视点连线与投影面ABCD相交于点1，在投影平面上以像素为单位(或按比例关系的世界坐标单位)计算军标，再计算其中每个关键点与视点构成射线与过点2与视线垂直的平面abcd的交点，得到世界坐标系下军标几何数据。之所以未使用公告板技术，主要有2点原因：一是指挥所地理位置重合导致的军标变体和指挥所内文字显示需要动态生成公告板纹理；二是后续指挥关系绘制必须使用指挥节点的几何数据。

a) 指挥节点绘制　　　 b) 指挥关系曲线计算图6　指挥节点与指挥关系三维绘制

2) 指挥关系绘制。在三维场景中，为了避免指挥关系和指挥信息流过多的交错混叠，实现了直线和曲线2种指挥关系表示方式。曲线采用3次Bezier曲线表示，为了使显示的指挥信息流尽量面向观察者，曲线所在平面与视线的夹角越接近90°效果越好，曲线需要4个控制点[9]。曲线的第1、第4控制点即为指挥关系的起点和终点，其确定方法与二维类似，采用指挥节点边及在边中比例的表示方法，根据指挥节点几何数据计算。曲线的中间2控制点采用偏移系数描述：从起点至终点构造1矢量，计算该矢量与视线的矢量积，构造过上述2矢量的平面；根据偏移系数，计算平面上垂直于起点到终点矢量方向上的位置；最后将平面位置转换到三维空间，得到控制点。

如图6b)所示，指挥关系由指挥所A到指挥所B，起点位于指挥所A下边、位置比例0.8，终点位于指挥所B右边、位置比例0.1，计算得到曲线的1、4控制点；EC为视线方向矢量，14为起点至终点矢量方向，1a为上述2矢量的矢量积，构造过14和1a的平面；在平面上计算控制点2、3，与14平行的方向，坐标值为将14线段3等分得到，与14垂直的方向，按输入的偏移系数计算，从而得到2、3点的平面位置。

3) 指挥信息流绘制。指挥信息流同样借助于纹理技术实现，纹理数据生成、纹理坐标计算与第3节二维绘制相同。纹理绘制所需几何数据生成方法为：将Bezier曲线离散为线集，将线集向数据流动方向左侧扩展(扩展距离根据离散点与视点、投影面关系动态计算，采用指挥节点绘制中所描述方法，以确保信息流文字大小稳定)，生成一系列小的四边形来进行绘制。

5　结 束 语

实现的动态航天指挥关系图系统已用于航天指挥演训，可实时显示或事后回放，供导演、参演人员把握、评估指挥过程；系统中的指挥关系图定义具有较好的可扩展性，二维模块具有较强的通用性，易于支持其他指挥关系的动态可视化。主要创新有2点：(1) 定义了指挥关系的规范化图形表示形式，并以此为核心设计了航天指挥关系图系统，这对军队标号体系的研究和制定也具有一定的参考意义；(2) 研究了指挥信息流的动态表现方式和关键技术，在指挥过程可视化方面进行了初步探索，是对传统的战场态势可视化的有益拓展和补充。

存在的主要局限是：(1) 系统中的三维模块针对航天指挥中战场环境依托全球地形、指挥层级相对简单、指挥节点少且分散的情况设计开发，对于其他军兵种部署在局部战场环境下的复杂指挥关系，地形场景不能支持、指挥关系及信息流动态显示效果不够理想；(2) 尚未实现基于地理信息系统的二维模块。

References)

[1]杨金华,黄彬.作战指挥概论[M].北京:国防大学出版社,1995.

[2]DoD Architecture Framework Working Group.DoD architecture framework version1.5 volumeII: product descriptions [R].Washington D.C.:U.S.Department of Defense,2007:82-82.

[3]DOD Architecture Framework Working Group.DOD architecture framework version2.0 volume2: architecture data and models [R].Washington D.C.：U.S.Department of Defense,2009:169-171.

[4]曲爱华,陆敏.解读英国国防部体系结构框架MoDAF1.2[J].指挥控制与仿真,2010,32(1):116-120.

[5]谭云杰.大象：Thinking in UML[M].北京:中国水利水电出版社,2009:79-83.

[6]李欢,孙茂印,汤晓安，等.数字化战术标图系统关键技术研究[J].系统仿真学报,2008,20(10):2624-2627.

[7]陈鸿,汤晓安,杨耀明，等.基于位移映射的非规则军队标号绘制算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2011,23(5): 797-804.

[8]杨强,陈敏,汤晓安，等.三维静态军标的实时生成与标绘[J].计算机工程与设计,2007,28(14):3419-3421.

[9]孙家广,杨长贵.计算机图形学[M].北京:清华大学出版社,1995:260-280.

(编辑：李江涛)

Design and Implementation of Dynamic Space Command Relationship Graph System

WANG Rongfeng

(Department of Space Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To show the dynamic changes of command relationship and the dynamic delivery of command information in visual and intuitive manner in the space command process, the paper designs and realizes the dynamic space command relationship graph. Then, the paper defines the dynamic space relationship graph composed of command node, command relationship and command information flow and designs the structure of dynamic space command relationship graph system based on the definition; the study has realized the involved key technologies including the 2D and 3D mapping method of command node and command relationship, dynamic visualization method of command information flow, etc. The practical application shows, the system can be used to support control and assessment on process in space command training or to understand the operation status by directly entering into space command information system.

command relationship; space; information flow; texture; Bezier curve

2015-09-24

汪荣峰(1973—)，男，副教授，主要研究方向为空间态势可视化与分析。wrflly@163.com

TP391

2095-3828(2016)04-0064-05

A

10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.014