战场通信网络态势展示系统的设计与实现

王佩　郭拉克

摘要：分析了战场通信网络态势展示系统的需求，提出了云计算环境下数据获取、存储、传输的运行模式，最后对系统的功能和模块进行了设计。该研究基于组件的态势展示模块设计，分析了底层组件、基元组件及顶层组件的构成及调用关系，给出了各组件的组成示意图，最后进行了演示与验证示例。

关键词：战场通信网络 系统设计 组件化

1 引言

以有线通信为主干，无线通信为分支，物联网为末梢等组成的战场通信网络将是保证指挥信息系统互联互通的基础，其主要用于支撑信息获取、分发、共享以及下达作战指令和控制部队行动等作战任务。同时，通信网络把数据中心、指挥终端、作战部队以及侦察系统等融合在一张网上，为实现人与人、人与机、机与机之间的信息交互提供了良好的传递平台[1]。战场通信网络态势展示系统主要是专门为我军各级信息通信部门提供一种辅助决策手段，在应用过程中以动态图像的方式，直观、形象地为指挥人员实时展示作战对手的通信网络态势，使指挥人员能够及时了解、掌握通信组网、互联互通、指挥关系、重要节点等情况，有利于指挥员决策效率和决策质量的提升。

2 战场通信网络态势展示现状分析

当前战场通信网络态势展示基本上是依托全军正在使用的一体化指挥平台，数据由军委总部的后台服务器与各战区本地服务器共同提供，数据传输主要依靠光纤通信、无线电台等通信设施。态势展示在战场综合态势中体现，没有将通信网络态势进行相对独立，而且展示方式是采用军用标号进行人工操作。综上所述，态势展示系统还存在以下问题：

（1）数据共享率偏低。部分数据存储于本地服务器上，各系统之间获取所需数据的难度较大、效率较低，导致数据支撑不足，影响战场态势展示的精确度。

（2）数据传输灵活性不强。由于有线通信的机动性较差和无线电台的作战性能较弱，使得战场数据传输时断时续，对系统的战场生存能力也造成了直接影响。

（3）展示效果不够直观形象。军用标号在地图上的显示效果与装备实体模型相比，直观性较差，而且信息量远远不足以支撑指挥员决策。

（4）系统的智能化水平不高。基本上是依靠人工操作的方式绘制战场态势图，工作效率远不能满足作战节奏的要求。

3 战场通信网络态势展示系统设计

战场通信网络态势展示系统的总体设计思路为：采用自顶向下、组件化、模块化的思想构建展示系统的基本组成模块，按照态势展示直观生动的要求实现态势的二维展示或三维展示。考虑到实际作战时，不同的指挥员关注的态势有一定区别，因此系统应该采用云理念进行构建，使其具备灵活、按需服务的功能。同时，考虑到未来进一步开发的便利性，系统还应具备较强的可扩展性。

3.1 系统需求分析

战场通信网络态势展示系统归根结底都是为指挥员辅助决策服务的，在进行系统需求分析时，应充分考虑系统需求对于决策的影响。考虑到战机转瞬即逝，战场通信网络态势的展示效果不但应该清晰明确，对当前态势进行精确的展现，而且也不应过于复杂，以免影响指挥员理解。同时，同一展示效果应该包含较为丰富的信息量，这样指挥员就能够在单位时间内获取较多的信息，提供更为丰富的辅助决策依据。传统的战场通信网络态势展示有些效果清晰明确，但信息量不够，给指挥员辅助决策的支撑度较低；有些过于复杂，指挥员淹没在“信息海洋”中，影响决策的时效性。本文从利于辅助决策的角度出发，进行了战场通信网络态势的需求分析与设计，并给出了几种综合考虑了辅助决策因素的可视化模型。

战场通信网络态势总体运行模式分为信息的分布式存储、按需请求、实时传输、数据展示。

（1）分布式存储形式是依托物理上分散、逻辑上集中的云计算数据中心对通信组网信息进行分类存储，并根据战场局势实时进行更新。

（2）按需请求是用户依据作战任务、决策目标按需向云端发送数据请求。

（3）实时传输是以有线通信为主干、无线通信为分支，有线与无线通信相结合的方式进行数据的传输，一般固定指挥采用有线传输对的形式，机动指挥采用无线传输的形式。为提高传输速率，可引用4G技术构建车载或机载移动通信基站，以保障数据高速实时传输[2]。

（4）数据展示从展示形式上可以分为二维展示与三维展示两种。两种展示形式在展示侧重点上有所区别，且应能互相补充。从展示规模上讲，二维展示侧重于宏观展示，三维展示侧重于细节展示；从展示内容上讲，二维展示侧重于拓扑结构、指控关系等战场通信网络协议层与业务层态势的展示，三维展示侧重于实体装备、通信网络链路等物理层态势的展示；从展示效果上讲，同一效果的二维展示与三维展示应相似。

本文主要在云计算数据中心和传输设备的支撑下，重点对展示软件需求进行分析。主要对战场通信网络态势进行层次化分析，并针对每一态势细节，给出展示形式。战场通信网络态势展示可以分为物理层态势展示、协议层态势展示及业务层态势展示[3-4]三部分。

（1）物理层态势展示：物理层态势展示可以分为实体展示与通信组网态势展示等。其中，实体展示包括实体模型、运动轨迹及实体状态等展示内容，每种内容都可以采用二维或者三维的展示形式；通信组网态势展示包括有线通信链路与无线通信链路展示等内容，每种内容都可以采用二维或者三维的展示形式。

（2）协议层态势展示：协议层态势展示可以分为通信组网态势展示、指控关系展示与网络拓扑结构展示等。其中，通信组网态势展示包括有线通信链路与无线通信链路等展示内容，与物理层链路展示有一定相关性。协议层有线通信链路展示需要在物理层有线通信链路展示的基础上，附加展示链路的脆弱性与重要性。无线通信链路展示需要在物理层无线通信链路展示的基础上，附加展示链路的误码率与重要性。指控关系展示包括编成树与指控关系拓扑结构展示等内容。指控关系拓扑结构展示包括实体之间的指控关系展示以及节点重要性展示等。网络拓扑结构展示包括节点信息传输关系展示、树型拓扑结构展示及射线型拓扑结构展示等。其中，树型及射线型拓扑结构展示在传统拓撲结构绘制的基础上，附加展示链路脆弱性。协议层态势的各展示内容都采用二维展示的形式，便于指挥员从宏观上把握战场态势，从而快速、准确地进行决策。

（3）业务层态势展示：业务层态势展示主要是业务簇态势展示，采用二维展示的形式。

3.2 系统功能设计

战场通信网络态势展示系统总体功能主要包括信息存储、信息传输、可视化展示。展示软件系统的具体功能有管理维护、可视模型组件管理、软件运行、界面浏览、数据处理等，具体如下：

（1）系统管理维护主要实现后台的更新升级、用户登录与退出、连接数据驱动端、连接数据中心等功能。

（2）可视模型组件管理功能主要完成模型组件的更新、维护和删除等操作，并且以用户为服务对象，提供各种所需的可视模型。

（3）软件运行功能是整个系统的核心功能，它将数据中心提供的实时数据与建立的可视模型根据仿真过程中动作对象的作用规律进行驱动处理，并将订制的战场通信网络态势显示进行二维或者三维展示。

（4）界面浏览功能提供桌面类似手机App的服务方式，这种方式栏目一目了然、操作方便。

（5）数据处理功能主要实现接收驱动端按照态势展示系统定义的数据结构实时提供的外部数据，随后按照可视模型组件显示的需要，把这些数据转换为相应的态势数据。

3.3 系统总体设计

系统总体分为基础设施、平台和软件三个部分，具体如图1所示。

（1）基础设施包括云计算数据中心、通信设施和指挥席位。

（2）平台即为作战指挥平台。

（3）软件即为战场通信网络展示系统。

通过云计算数据中心超强的计算能力提供数据处理服务、4G移动通信技术的高速传输以及展示系统的可视化展示，基本上能够满足指挥员的决策需求，下面重点对系统模块进行分析设计。

3.4 系统模块设计

软件系统主要分为支持模块、运行模块和接口模块，如图2所示。

（1）支持模块包括二维与三维地理信息平台。

（2）运行模块包括系统管理模块、态势展示模块及态势显示订制模块等，其中态势展示模块包括三维态势展示模块、二维态势展示模块。

（3）接口模块包括数据处理模块。

二维态势展示模块与三维态势展示模块均采用组件化思想开发，其目的是便于态势显示订制模块的调用和管理[6]。本文重点对这两个模块进行分析研究。

4 基于组件的态势展示模块设计

态势展示模块用于接收态势显示订制模块订制后，并经过数据处理模块处理的态势数据，从而调用相应的二维或者三维可视组件，显示物理层、协议层及业务层的态势。该模块采用的是组件化、模块化方式进行设计开发。在模块设计时，要尽可能将其分割为两两之间关联度较低且可独立运行的组件。在程序编码时，尽可能将各个组件封装成*.dll形式[7]，以方便模块的调用和组装，具体如图3所示：

系统模块中的底层组件、基元组件与顶层组件都采用*.dll形式封装，用户只要按照数据接口所定义的格式录入相应的数据，即可展示所需的态势效果，具体如图4所示。

4.1 底层组件设计

主要是采用GDI+与GDI图形接口函数开发二维效果，OpenGL图形接口[8]开发三维效果，同时结合MapInfo地理信息系统及三维地理信息平台，实现二维或三维图形的绘制。底层组件的具体构成如图5所示。支撑底层组件所有函数的接口均开放，用户可以自己设计实现的效果，并设置入口参数。

在二维或者三维地理信息系统上，绘制图形的具体步骤如下：

（1）将图形位置的地理坐标转换为屏幕坐标。

（2）绘制二维效果时，根据需要构造画笔或者画刷。如果绘制线状图，则构造画笔；如果绘制填充图，则构造画刷；绘制三维效果时，构造点迹。

（3）根据图形绘制的需要，构造几何辅助类。

（4）在地理信息平台上绘制图形。

4.2 基元组件设计

基元组件调用底层组件，并结合二维或者三维地理信息系统，实现战场通信网络态势基元绘制[9]。基元组件具体构成如图6所示，图中的绘制类继承底层组件，并基于底层组件的绘制函数进行进一步的开发。这些函数的接口开放，用户可以自己设计实现的效果，并设置入口参数。

基元组件各个类调用底层组件绘制函数的情况如表1所示：

在地理信息平台上绘制基元组件效果的流程如图7示。其中，初始化的作用是用来设置某绘制类动态效果所需的控制参数。定时器设置的作用是用来设置动态效果的动态速度。动态效果绘制是根据初始化和定时器设置的参数，调用所需要的函数进行绘制。因此，每个绘制类中主要包括初始化设置函数、定时器设置函数、标志位设置函数、控制参数动态调整函数以及动态绘制函数。

4.3 顶层组件设计

顶层组件调用基元组件和底层组件，并结合二维或者三维地理信息系统，实现战场通信网络态势绘制。根据系统需求分析，顶层组件可以对应于物理层、协议层、业务层等各层的态势绘制，主要包括物理层实体展示、物理层通信组网态势展示、协议层通信组网态势展示、协议层指控关系展示、协议层网络拓扑结构展示以及业务层业务簇态势展示[10]等，这些组件调用顶层组件某些绘制类或者底层组件某些绘制函数进行开发，如图8所示：

顶层组件调用基元组件以及底层组件的情况如图9所示。

5 演示与验证

按照上述的设计思路，用Visual Studio 2008作为开发工具，以MapX 5.0及VegaPrime 4.2作为二维及三维地理信息平台，并按照组件化、模块化的思路实现了系统的各个模块，如图10所示。

图10展示了系統管理模块、态势显示订制模块以及二维与三维态势展示模块的效果，其中态势展示模块主要展示了当前战场通信链路。

6 结论

本文从分析战场通信网络态势展示系统的设计入手，分析了系统的需求及功能，并进行了系统的模块设计。而后分析设计了基于组件的通信网络态势展示模块，给出了各层次组件的组成及调用关系。本文设计了一个战情，对于战场通信网络态势展示系统的开发成果进行演示与验证。实验结果表明，依托战场通信网络态势展示系统，用户可按需请求所需数据，自动生成当前通信网络态势，为辅助指挥员决策提供了可靠的系统平台，具有较强的实践指导意义。

参考文献：

[1] 唐朝京，刘培国. 军事信息技术基础[M]. 北京： 科学出版社， 2013.

[2] 谢新梅，黄俊钦，宋荣方. 4G无线通信系统及其关键技术分析[J]. 现代通信， 2003（1）： 10-12.

[3] 理查德 A 克拉克， 羅伯特 K 科奈克. 网电空间战[M]. 刘晓雪，陈茂贤，李博恺，等，译. 北京： 国防工业出版社， 2011.

[4] Michael A Vane. Cyberspace Operations Concept Capability Plan 2016-2028 （Research Report）[R]. Army Capabilities Integration Center， 2010.

[5] 吴昱. 大数据精准挖掘[M]. 北京： 化学工业出版社， 2014.

[6] 徐军，徐连军，刘镇瑜，等. 空天地态势实时可视化展示系统设计与实现[J]. 电光与控制， 2013（11）： 88-92.

[7] 孔鹏. Visual C++ 6.0完全自学手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008.

[8] Dave Astle， Kevin Kawkins. Beginning OpenGL Game Programming[M]. Thomson Learning， 2006： 106-107.

[9] 王再奎，马亚平，周华任，等. 复杂网络理论体系对抗组织体系建模[J]. 火力与指挥控制， 2011（8）： 40-42.

[10] 肖卫东，孙扬，赵翔，等. 层次信息可视化技术研究综述[J]. 小型微型计算机系统， 2011（1）： 137-140.★