基于云端架构的核生化态势感知系统

阎耀宏，谢海松，刘国永，李晓婷，孙 娟

（北方自动控制技术研究所，太原 030006）

0 引言

战场核生化态势感知信息是广域分布的多元信息，其信息量巨大，信息种类多，且对实时性有很高要求。这一发展趋势表明，核生化态势感知信息已经具备了大数据典型的“4V”特征，即海量的数据规模（volume）、快速的数据流转和动态的数据体系（velocity）、多样的数据类型（variety）和巨大的数据价值（value），因此，提出了更高的数据处理要求。

以往的核生化态势感知系统，由于计算能力和存储能力有限，不具备大数据处理能力，多采用逐级串联处理方式。系统各节点无法汇集处理所有的感知数据，系统处理严重依赖下级节点的处理结果。在核生化态势认知上，不同的节点态势感知侧重点不同，系统底层对战场核生化细节感知程度深，但不够全面完整；系统顶层对宏观战场核生化态势感知全面，但细节信息缺失；因此，系统各级在战场核生化态势的认知上存在局限性，制约了指挥员对战场形势的全面分析。

针对目前核生化态势感知系统存在的上述问题，本文提出了基于“云-端”架构的核生化态势感知系统的设计思路。该系统对核生化态势感知进行“云-端”功能重分布，充分利用“云”的存储、计算优势，提升了传统流程的数据处理能力，使系统各节点具备了态势三级感知的处理能力。

1 设计思路

态势感知［1-2］的概念源于军事需求，1988年Endsley首次明确提出了态势感知的定义，把态势感知分成觉察、理解和预测［4］3个层级的信息处理。将态势感知定义为“在一定的时空范围内，认知、理解环境因素，并且对未来的发展趋势进行预测”［3］。核生化态势感知系统主要是指情报侦察、预警探测和环境监测等传感探测资源的协同运用和探测数据的多级融合处理、深度分析和预测。

本文引入云端架构，构建了基于“云-端”架构的核生化态势感知系统。利用“云”的大数据存储能力和态势综合计算能力，生成全域战场核生化态势“一张图”，为各级作战指挥所、作战部队和武器平台按需提供精确信息支撑。

构建云端核生化态势感知框架，统筹实现核生化态势的3个层级感知，实现思路如下：

“觉察”层级是指核生化态势感知框架正确且全面地接收外部核生化信息和战场情况信息，根据信息映射提取模板，获取环境中的重要线索或元素，实现战场物理实体到赛博空间［5-6］信息要素的一一映射。态势感知将提取后的信息要素，建立特征机制，分类分群，转化生成态势实体，并进行态势一致性处理。

“理解”层级是指核生化态势感知分析由“觉察”层级接收态势元素属性，根据态势数据的特征及关联原则，对态势数据进行分类、归并、关联，理解情报处理相关态势实体，从而生成核生化沾染、污染区域信息等理解态势。

“预测”层级是指基于核生化态势感知框架的知识发现机制，形成预测知识、偏差知识，进而生成核生化威胁、核生化危害、核化危害趋势预测、次生核化危害等专题态势。

2“云-端”核生化态势感知系统设计

本文贯彻态势提取、态势理解、态势预测的内涵和理念，面向感知信息的处理过程和态势的认知阶段，划分子系统范畴并进行核生化态势感知系统设计。设计核生化信息接入子系统，完成核生化信息的接入、战场情况信息汇集、数据预处理；设计核生化情报融合综合子系统、核生化危害估算子系统、核生化危害趋势预测子系统、次生核化危害估算子系统、核生化态势处理子系统，完成核生化态势的理解和预测等深度分析处理；设计核生化态势综合子系统实现核生化态势的展现；设计核生化情报分发子系统实现核生化态势的多维度、分级的智能分发。系统功能模块图如图1所示。

图1 核生化态势感知信息系统功能模块图

2.1 核生化信息汇集功能设计

核生化信息汇集功能由核生化信息接入子系统实现。主要实现以下功能：1）向战略情报数据中心订阅、接入所需的战略情报信息。2）互联网数据挖掘功能。根据用户定制信息类型，接入互联网上的情报数据，然后根据用户设定的主题来挖掘分析互联网情报。该功能需要分布在“云”上，通过“云”与互联网的联通，可获得更大信息量的情报信息。3）订阅和接收其他来自上级、友邻、合成部队的敌情、我情和战场核生化环境信息。4）汇集防化部（分）队生产的各类战场核生化环境信息。5）核生化态势感知映射功能。采集、分类、解析、清洗不同来源、不同类型的核生化感知数据，提取感知要素，实现感知信息的一体化处理，为应用提供可认知的数据产品，支撑后续的数据处理和展现。该功能也需要分布在“云”上，需要使用“云”平台的数据存储能力和态势综合计算能力，实现全系统的核生化态势感知信息的提取和统一处理，如图2所示。

图2 核生化信息收集功能示意图

上述功能中，除了互联网数据挖掘功能，核生化信息接入子系统的其他所有功能都需部署在“端”上。其中部署在“端”上的核生化态势感知映射功能只有当“端”与“云”断开时才能生效，用来保证传统功能的实现。

2.2 核生化信息分析处理功能设计

核生化信息分析处理功能由核生化情报融合综合子系统、核生化危害估算子系统、核生化危害趋势预测子系统、次生核化危害估算子系统、核生化态势处理子系统实现。

核生化情报融合综合子系统能够综合分析战场多源核生化情报信息，利用样条插值算法模型分析计算地域受染情况（极其严重、严重、中度、轻微）。该子系统功能需要分布在“云”上，可以利用“云”更加广域的情报信息，使得融合结果更加准确、覆盖范围更广。

核生化态势处理子系统初始化核生化态势感知环境，主要实现统一的时间基准和空间基准等操作。能够基于感知数据和融合处理生成的数据产品提取态势要素，并进行一致性处理，完成赛博空间内感知要素的标识和态势实体的映射。该子系统功能需要分布在“云”上，利用“云”平台的大数据存储功能，汇集加载全系统的映射模板，实现核生化态势感知信息的提取和存储。

核生化危害估算子系统能够根据核、化学与生物袭击的规模、袭击方式、气象水文地理环境等信息估算核生化袭击造成的伤害半径、杀伤半径等危害后果。

核生化危害趋势预测子系统能够根据区域气象数据与地形数据，预测核化危害在大气中的扩散趋势，给出核生化可能对我方造成的危害程度。危害趋势报告生成过程如图3所示。

图3 核化危害趋势报告的生成过程

次生核化危害估算子系统能够根据我方核设施、化学设施遭袭后的核化泄露情况，结合气象、地形条件，估算次生核化危害范围和危害程度。

为了确保传统功能的实现，核生化信息分析处理的所有功能都要部署在“端”。当“端”与“云”断开后，“端”上的核生化态势处理子系统功能才生效。

2.3 核生化信息展现功能设计

2.3.1 信息展现内容

当前核生化信息展现都是以静态信息为主，并且信息种类有限，大量的信息还依赖于其他业务子系统去展现。本文力图突破目前的局限，通过态势关联和流程控制等手段，使得更丰富的信息可以直接展现在态势图当中。这些信息包括部队基本情况、任务状态信息、敌情信息、战场环境信息、核生化专业信息、战术控制线信息、通信网络状态。

2.3.2 展现能力

秉承“一张图”指挥控制的原则，除了需要完成基本的态势标绘、态势综合、态势显示等功能以外，还必须能够作为指挥控制的核心应用实现人机交互控制。核生化信息展现功能都需要部署在“端”，以保证传统功能的实现。

1）态势标绘。态势标绘作为防化态势综合子系统的基本功能，在集成图形支撑环境提供的手工标绘基础上，通过深度学习扩展形成防化专题态势的标绘方法，典型处理流程如图4所示。

图4 典型军标标绘管理流程

2）态势综合。防化态势综合子系统不再单纯将所接收到的态势信息进行记录式的罗列和线性叠加，而是将所有信息进行分类和关联存储。通过将信息与业务建立关系映射，形成业务和流程驱动的态势综合，通过条件去触发态势，然后在适当的时间、环境提供适当的态势内容，避免线性叠加所带来的无序和无目的。该功能需要部署在“云”，利用“云”的大数据存储和计算能力，获取全系统的核生化态势感知数据并进行分类及态势关联分析处理。

3）态势显示。当前防化态势综合子系统的态势显示内容主要是地理信息、军标（包括了各类战场目标、固定目标、部队部署、气象水文、核生化专题态势）等，为了更加突出以态势为核心的理念，展现更丰富的战场信息，本文设计的态势显示功能更加强大，展现方式更加丰富。

图5 可控的态势综合

a）固化显示。对于需要长期关注的信息，如时统信息、用户信息、位置信息、通信状态、天气状态、设备状态、当前任务等，将其固定显示于态势主图边缘，如窗口顶栏，窗口侧边，悬挂窗口等。

b）浮动显示。针对用户接收到的信息进行通知性显示或者悬浮式半透明显示，显示内容不会太复杂，也不会影响到用户对于主界面信息的阅读。

c）关联显示。当用户移动鼠标，点击某个按钮、军标，执行某项操作或者收到某项信息时，通过关联分析将与其相关的信息以半透明悬浮窗，或者收容式悬挂窗的形式在主视图之上进行叠加显示。

d）智能显隐。包括全态势级别的智能显隐和图元、窗口级别的智能显隐。全态势级别的智能显隐可以在用户缩放地图或者点选地图时，根据用户的身份和比例尺等因素有选择地展现态势图上的态势图元和信息详细程度，避免对用户在态势解读时造成不必要的干扰。图元和窗口级的智能显隐是指根据用户身份和用户操作，在向用户进行信息展现时临时隐藏部分图元或者窗口内容，比如在用户选择进行化学危害趋势态势查看时，突出显示当前区域内气象、水文、战场目标而弱化其他不相关信息。

2.4 核生化情报共享功能设计

核生化情报共享支持发布/订阅［7-8］、信息推送、信息推荐3种模式。

1）发布/订阅模式。用户可以通过客户端向信息分发服务器订阅所需信息，也可以将自己的信息向信息分发服务器进行发布，信息分发服务器完成发布信息和订阅的匹配工作，将信息分发给匹配成功的用户。2）信息推送模式。信息分发服务器保存有事先制定好的信息推送规则，当有用户向信息分发服务器发布了新的信息时，服务器会综合待分发信息的内容、订阅用户的状态以及信息推送规则，向满足推送条件的用户强制推送该信息。3）信息推荐模式。信息推荐服务保存了所有用户的历史订阅信息，通过设计好的信息推荐算法在线实时地对用户的订阅信息进行分析，以预测用户目前的兴趣，形成各个用户的信息推荐模板。当待分发的信息与某个用户的兴趣项相吻合时，将该信息推送给该用户。核生化信息推荐模式由战场信息属性和关联建模子系统、推荐信息模板编辑子系统、推荐信息模板动态更新子系统、信息推荐子系统实现。

核生化情报共享功能需要同时部署在“云”“端”上。使用“云”平台的大数据存储能力和计算能力，在“云”平台上存储完整的态势数据，计算、比较、发现各节点缺少的数据，实现态势数据差量同步。与“云”断开时，“端”上功能生效，由于“端”的汇总数据有限，数据量仅相当于全局态势的一个逻辑图层。因此，只能检测态势图层的完整性，分发态势图层，不具备全局态势的检测、分发能力。

3 结论

通过分析目前核生化态势感知系统存在的问题，通过引入云端架构解决现有系统的局限性，设计了基于“云-端”架构的核生化态势感知系统。同时对核生化态势感知系统的信息汇集、信息分析处理、信息展现、情报共享四大功能模块进行“云-端”功能重分布。在确保传统功能实现的前提下，充分利用“云”的大数据处理能力，提升了现有数据处理能力，并提高了核生化态势认知层次及核生化态势信息质量。