通用保障图系统体系结构研究

周伟祝 宦 婧 陈 健

(海军航空工程学院 烟台 264001)

通用保障图系统体系结构研究

周伟祝 宦 婧 陈 健

(海军航空工程学院 烟台 264001)

为实现装备保障信息的一体化集成与显示,确保保障信息在各保障部队间有序传递与共享,实现多源保障信息的有效融合和各应用的无缝集成,提出了构建通用保障图系统的设想。在借鉴通用作战图系统思想的基础上,给出了通用保障图系统定义,系统分析了通用保障图系统功能需求,构建了通用保障图系统五层开放式体系架构,对系统功能结构进行了设计,明确了系统应包含的主要功能模块及各模块的基本功能,给出了系统的技术体系结构,并对系统的部署进行了讨论。

通用保障图; 装备保障; 需求分析; 体系结构; 可视化

Class Number TP317.4

1 引言

与作战行动中获取制信息权而产生的信息优势不同,保障领域内的信息优势更侧重于对己方保障能力和保障环境的准确掌握,对保障需求的准确预知以及对保障力量和保障资源的合理调度[1～2]。保障领域内信息优势的构建,将使得保障部门在预测保障需求、把握保障时机、确定保障规模以及协同保障行动等方面占据更多的主动。因此,构建整个保障空间的信息视图,对保障空间的各个要素进行集成和可视化显示,将极大地增强保障部门的全维信息优势,是未来装备保障信息化的必然趋势[3]。

目前,装备保障领域尚未有跨越整个装备保障空间,实现保障信息综合集成与可视化显示的系统,相关的研究也较为分散,研究重点主要集中于作战领域的通用作战图(Common Operation Picture,COP)系统以及后勤保障领域的全资可视化(Total Assets Vision,TAV)系统。文献[4]较为深入地研究了COP系统中的数据集成问题,对CORBA和XML两种互补技术进行了分析,提出了一种基于CORBA/XML的COP数据集成模型;文献[5]论述了在电子战领域构建COP系统的重要性,并对电子战COP的功能需求进行了分析;文献[6]对COP系统的可视化技术进行了较为深入的研究;文献[7]研究并开发了覆盖随船器材供应链和被服务方的全资可视化系统,实现了被服务方对整个随船器材服务信息、流程的全维可视和全程可控。本文将通用作战图系统思想引入到装备保障领域,提出构建面向装备保障、涵盖整个保障空间的通用保障图(Common Support Picture,CSP)系统,给出了通用保障图系统的初步定义,并对其体系结构进行了研究。

2 通用保障图系统定义

本文参考COP系统定义[6,8],同时考虑装备保障工作特点[9],给出CSP系统定义如下:

通用保障图:一个具有多源保障信息融合能力,跨越整个装备保障空间,实现装备保障全过程控制与优化,多种应用无缝集成,提供装备保障资源需求预测、保障方案持续评估等能力,实现各级保障部门间信息实时共享与可视化显示的信息环境。

通用保障图系统的核心有以下几点:一是信息共享能力,即CSP系统应能保证保障信息在各级装备保障部门间顺畅的传递;二是信息融合能力,CSP应具备融合多种、异构保障信息的能力,并将各种信息进行综合集成,按不同的分辨率提供给相应级别的保障部门使用;三是知识处理能力,CSP系统应能将信息转换成知识,并有对知识进行推理和分析的能力,以便实现信息的推理与有效融合;四是保障态势可视化显示能力,CSP系统应能以可视化的形式将有针对性的信息显示给各级保障部门;五是多种应用的集成能力,即CSP系统应能根据不同使用对象的需求,在统一的数据平台基础上,无缝集成多种应用。

3 系统功能需求分析

未来装备保障任务涉及单位众多、保障地域广阔多维,具有较强的纵深性和整体性,装备保障工作如何在空间、时间以及作战目标上与其它作战行动、作战力量密切协同,充分发挥装备保障的效能,关键在于周密的计划和有效的协调指挥[9～10]。通用保障图系统正是为实现这一目标而构建,其功能需求分析如下:

1) 保障信息显示

图形显示。以保障行动展开地域数字化地图为背景,依据装备保障计划标绘保障力量信息、保障目标信息,保障物资信息(物资储存量、物资状态)、物资调运路线信息;标绘与装备保障任务相关的其他作战力量、地方保障力量信息;标绘对装备保障任务具有影响的其他信息,如道路通行状态信息、保障地域气象信息等。依据保障计划、各部门的上报信息以及相关传感器信息按时间轴推进,对保障态势进行实时更新[11]。

报表显示。能够以表格和文字的形式显示保障任务、保障需求、保障计划以及相关保障资源统计。

2) 可视化操作界面

通用保障图系统应提供可视化操作工具,使得装备保障人员能够在一定权限范围内,方便地对CSP系统中的信息进行人为的修正[12]。通用保障图系统虽然可以实现数据自动关联过滤、态势自动更新,但依然有很多工作需要装备保障人员手工完成,如:装备保障计划的调整、各保障力量间的协调等,通用保障图系统应充分体现保障指挥人员的主观能动性。

3) 统一的数据描述格式与准确的数据转换

装备保障领域内现有保障信息以多种形式存在,有的是传统的纸质文档,有的是以doc(docx)文件或xls(xlsx)文件形式存在的电子文档,还有相当一部分信息分散在各类装备管理信息系统中,这些信息系统在开发时大多没有统一的规范,术语使用随意性大,数据库结构各异[4]。通用保障图系统为了获得更多的装备保障信息,必须将上述异构信息逐步纳入系统并进行有效管理。因此通用保障图系统除本身需要具备统一的信息描述格式外,还需要具备有效的异构信息处理手段,以便将历史保障信息纳入系统并为系统所用,同时方便与其他信息系统进行有效的交互。

4) 数据关联、过滤以及有效融合

通用保障图系统采集、处理和共享的数据量大,系统中的数据错综复杂,尤其是未来信息化战场条件下,完全靠人工实现数据匹配,几乎是不可能实现的。因此通用保障图系统应能对进入系统的数据实现有效过滤与自动关联。同时,为避免大量复杂数据造成的“数据迷宫”,通用保障图系统应能提供有效的数据融合功能,为不同保障指挥层提供不同分辨率的保障信息,以提高装备保障指挥决策的时效性和准确性。

5) 采用开放式体系结构,实现多种应用的无缝集成

通用保障图系统的设计目标是部署在各级装备保障部队,实现保障信息在各保障单位之间有效的共享和集成,不同保障部队担负着不同的任务使命,其所需要的功能也不尽相同,这就要求部署在各单位的通用保障图系统虽然具有相同的底层数据,但高层的应用功能应根据各单位的具体特点而配置,因此,通用保障图系统在设计上应采用开放式的体系结构,即在相同的数据基础上,面向不同保障单位开发而又能满足一定接口规范的应用能无缝的集成到系统中,在实现信息一致共享的同时满足应用的针对性。

6) 其他通用功能需求

除上述功能需求外,通用保障图系统还应实现相关通用功能需求,这些需求包括:良好的人机界面、系统可扩展性、系统可维护性、系统安全性要求、系统稳定性要求以及系统灵活性等。限于篇幅,不再逐一赘述。

4 通用保障图系统体系结构

4.1 系统架构

本文在参考基于状态维修的开放式七层架构(Open System Architecture for Condition Based Maintenance,OSA-CBM)的基础上[13～14],构建了通用保障图系统五层开放式体系架构,如图1所示。通用保障图系统五层开放式体系结构包括基础资源层、信息采集层、数据融合层、集成支持层以及信息展示层。

1) 基础资源层

基础资源层包含了系统所必须的数据资源以及一系列底层服务,其中基础数据资源包含装备保障地理信息、保障基础知识库以及相关保障信息库等,装备保障知识库和装备保障信息库二者的区别在于:知识库相对稳定,库内的信息相对系统化,而保障信息库是动态的,是当前保障态势在知识库作用下的投影。底层服务则包括传输服务、消息服务以及安全服务等内容。整个通用保障图系统均构建在基础资源层之上,该层以一体化的机制服务于系统上层各应用功能构件,使各应用功能构件不必关心基础服务的实现方式和细节,从而可以专注于处理业务逻辑和人机交互。

基础资源层提供的部分服务如表1所示。

2) 信息采集层

信息采集层的功能,一是指从外部采集保障数据,经处理后以统一的格式进入CSP系统;二是指该层接受上层应用的数据请求,从系统内部(本级数据处理中心或其他权限内的数据处理中心)提取上层应用所需的数据,经适当处理后提供给上层应用。信息采集层主要包含数据采集服务、数据匹配与关联服务以及数据检索与提取服务,是通用保障图系统接收外部保障数据的主要途径,同时也扮演者系统内部各具体应用数据提供者的角色。

表1 基础资源层提供的服务

3) 数据融合层

数据融合层根据数据处理中心的级别,提供不同分辨率的数据融合功能。通常来讲,越是上级的数据处理中心,所需要的数据融合程度越高。数据融合层根据所处的级别以及上层应用需求,融合多个下级数据处理中心以及本级自身的装备保障信息,供装备保障指挥人员使用。

4) 集成应用层

集成应用层主要包含系统中的各项应用,该层采用开放式结构,在符合一定标准前提下开发的系统应用均可以无缝地加入集成应用层,以实现通用保障图系统的可扩展性以及应用的针对性。

一般来讲,集成应用层的应用包括但不限于以下几种:保障态势的生成与维持服务、保障资源需求预测服务、保障方案持续评估服务、保障效能评估服务、保障计划拟制服务等。

5) 信息展示层

信息展示层是通用保障图系统的人机交互界面。该层在多分辨率地理信息的基础上,以可视化的方式显示装备保障信息,并提供简捷的人机交互接口,保证各级装备保障人员方便的从系统中获取所需保障信息。

4.2 系统功能结构

通用保障图系统的功能结构如图2所示(图中未列出信息服务模块、安全管理模块等基础服务功能模块)。

通用保障图系统主要由十四个模块构成,分别是数据传输模块、知识库管理模块、装备信息库管理模块、保障信息采集模块、信息转换适配器模块、地理信息模块、信息检索与提取模块、信息融合模块、应用管理模块、保障资源需求预测模块、保障方案持续评估模块、保障效能评估模块、保障态势管理模块以及具有可视化显示的信息展示模块等。随着装备保障通用图系统功能需求的增多,可根据需要向系统中增加相应的应用功能模块以扩展其功能。系统中的所有功能模块均由应用管理模块统一管理。实际上,应用管理模块提供了一个统一的接口,实现系统中的各应用模块与系统数据间的交互。

各主要功能模块的功能要求如表2所示。

表2 主要功能模块的功能要求

4.3 系统技术体系结构

通用保障图系统技术体系是指贯穿保障数据获取、处理、融合、保障信息生成、管理、分析以及应用全过程的一系列技术所构成的完整的技术方法,是装备保障信息采集、集成到应用的技术保证。装备保障工作是一个多学科交叉的领域,决定了通用保障图系统技术体系的建立依赖于多种基础理论和前沿信息技术,如:地理信息系统(GIS)、GPS技术、网络技术、Web技术、数据库技术、信息可视化技术、知识工程、信息融合以及预测、规划、评估技术等。

通用保障图系统技术体系与装备保障信息处理流程相对应,主要着眼于在保障信息组织管理、应用、保障态势分析等层次上解决信息集成、共享与可视化的技术问题,主要包括保障信息采集、存储、组织与管理技术,保障信息共享与互操作技术,保障信息融合技术,保障资源汇集技术,保障信息综合应用技术以及保障信息可视化。其技术体系结构视图如图3所示。

5 系统部署

通用保障图系统依托现有军用网络构建,在团、师、舰队以及海军四级分别构建规模不等的数据采集和处理中心,在各级装备保障单位构建数据采集终端。各数据处理中心有自身独立的数据服务器,采集、转换自身管理范围内的装备保障信息(装备保障信息来自于数据中心管理范围内的保障部队、修理厂、仓库等单位),同时接收下级或同级数据处理中心传递的保障信息,实现多源保障信息的有效融合。通用保障图系统独立运行于每一级数据处理中心,可与平级数据处理中或是上下级数据处理中心的通用保障图系统实现信息的交互与共享。

通用保障图系统的整体拓扑结构如图4所示。

6 结语

本文将通用作战图系统思想引入到装备保障领域,提出了构建通用保障图系统的构想,结合我军装备保障工作实际,初步探讨了通用保障图系统的定义。在参考OSA-CBM体系架构的基础上,建立了通用保障图系统体系框架和技术框架,分析了系统功能组成,为实现装备保障信息一体化集成和可视化显示、提高装备保障协同效率、共享装备保障信息、实现装备保障的可视化、快捷化、科学化奠定了基础。

通用保障图系统可以实现装备保障信息的一体化集成与显示,确保保障信息在各保障部队间有序的传递与共享,实现多源保障信息的有效融合和多种应用的无缝集成;可以用来协调各保障部门的行动,辅助各部门制定清晰、可行的行动方案,提供相关工具来评估保障部门的行动,及时发现和应对可能危及保障任务总体目标实现的变化;可以用来随时掌握装备保障部队及保障设备状况,为保障指挥提供辅助决策支持,保证装备保障指挥的正确性和科学性。同时,通用保障图系统通过不断更新各种动态信息来增强保障态势实时感知能力,使得各保障单位在协同完成保障任务时能及时了解友邻单位及保障地域的当前状况,有效提高各保障单位间的协调性以及保障工作效率。通用保障图系统有助于提高和改进装备保障水平,进而推动当前较为单一的保障方式向综合一体化保障方式转变,以适应现代战争对装备保障工作的要求。后续工作将进一步细化通用保障图系统结构,开发数据采集和转换接口,进一步引入人工智能和专家系统完善通用保障图系统,并最终完成系统部署与实施。

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Architecture of Common Support Picture

ZHOU Weizhu HUAN Jing CHEN Jian

(Naval Aviation Engineering College, Yantai 264001)

To realize integration and visibility of equipment support information, make sure orderly transfer and sharing of support information in all equipment support unit, and finally achieve support information fusion in multi-source and integration of various application, after analyzing the requirement of equipment support information system and using the conception of common operation picture, a common support picture (CSP) system was proposed. A five-layer open architecture was constructed for the common support picture system, and then, system function structure, technology architecture and every function modules of CSP has been designed. Finally, deployments of CSP system were discussed.

common support picture, equipment support, requirement analysis, architecture, visibility

2016年8月11日,

2016年9月27日

周伟祝,男,博士,讲师,研究方向:装备保障信息化、人工智能。宦婧,女,博士,讲师,研究方向:装备仿真技术、计算机软件技术。陈健,男,博士,讲师,研究方向:装备保障能力评估、装备维修保障技术。

TP317.4

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.002