章琦鴻

(華北計算技術(shù)研究所，北京100083)

0 引 言

使用共用態(tài)勢圖(common operational picture，COP)系統(tǒng)，可以快速地對態(tài)勢數(shù)據(jù)進行協(xié)同處理并轉(zhuǎn)化可視化的態(tài)勢信息，成為對指揮員和參與者真正有價值的知識，從而發(fā)現(xiàn)解決問題的辦法，做出適當且快速的決策。用戶定義作戰(zhàn)圖(user definedoperationalpicture，UDOP)關(guān)注作戰(zhàn)環(huán)境的決策視角，它將分布在網(wǎng)絡中心環(huán)境中的分散數(shù)據(jù)源組織起來以提供精確的態(tài)勢感知和及時的決策支持。通過選擇信息 (信息源和信息過濾器)使得用戶可以創(chuàng)建他們自己的作戰(zhàn)圖，并為原始的數(shù)據(jù)添加有附加價值的信息產(chǎn)品。因此，UDOP在重要態(tài)勢信息的創(chuàng)建、可視化、增強、完善和共享過程中是關(guān)鍵的模塊。COP系統(tǒng)的用戶可以依據(jù)他們各自的組織層次及所屬角色來配置態(tài)勢信息視圖，或者為了滿足特定的需求創(chuàng)建視圖，作為UDOP存儲或分發(fā)。預期事件或方案的作戰(zhàn)圖可以預先設計并存儲起來，在需要的時候向用戶提供預先訂制的態(tài)勢信息的訪問。本文通過對已有 COP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其所需具有的能力進行研究，提出了在網(wǎng)絡中心環(huán)境中分布式COP系統(tǒng)的集成技術(shù)，并設計和實現(xiàn)原型系統(tǒng)，其中，簡單的結(jié)合了UDOP，發(fā)揮了其在態(tài)勢信息訪問中的優(yōu)勢。

1 體系結(jié)構(gòu)及能力

一個成功的 COP系統(tǒng)框架的最根本基礎是通用態(tài)勢數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫需要有統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)，識別輸入輸出需求的標準與允許基于用戶角色和組織進行訪問的框架，以保證數(shù)據(jù)能在恰當?shù)脑L問權(quán)限下共享及被使用者按需訪問。當有一個中心化的倉庫后，各級別組織和機構(gòu)輸入的數(shù)據(jù)可以被收集、分析、綜合并用來產(chǎn)生UDOP。

用戶對COP系統(tǒng)的需求主要有3個：輸入態(tài)勢信息、處理態(tài)勢信息和訪問態(tài)勢信息。根據(jù)COP系統(tǒng)的功能，可以將這3個需求進一步分解為以下5個服務：流數(shù)據(jù)輸入服務、報告提交服務、情報處理服務、COP支撐服務和COP信息訪問服務：

(1)無論是在軍事作戰(zhàn)還是在應急響應中，報告都是COP系統(tǒng)的一個重要組成部分，因為大量的物資(包括人員和救援物資)和相關(guān)的地理環(huán)境的位置以及狀態(tài)等信息，威脅的信息等都需要以報告的形式通過報告提交服務傳送到COP系統(tǒng)的信息倉庫中。

(2)情報處理服務是以報告提交服務輸入的報告信息為基礎，創(chuàng)造有價值的、精確的態(tài)勢信息。情報處理的大部分工作都是由操作員人工完成，主要包括搜索、分析和分類相關(guān)態(tài)勢信息。

(3)COP支撐服務提供人工操作態(tài)勢信息的方法。為情報處理以及自動化的流數(shù)據(jù)處理過程提供必要的態(tài)勢操作手段和工具，從而使操作員可以人工地進行態(tài)勢數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、移動、編輯、關(guān)聯(lián)、聚合以及刪除等操作。

(4)流數(shù)據(jù)通常是來自于雷達等傳感器的軌跡數(shù)據(jù)等，進入到COP系統(tǒng)的流數(shù)據(jù)由流數(shù)據(jù)處理器來完成態(tài)勢數(shù)據(jù)的跟蹤、關(guān)聯(lián)和聚合等操作。

(5)信息訪問服務是獲取COP系統(tǒng)中的態(tài)勢信息的輸出接口，該服務從不同的態(tài)勢信息倉庫中獲取并綜合態(tài)勢信息，最后展示給用戶。通過靈活地設置信息訪問服務的參數(shù)，如需要的信息源(包括態(tài)勢倉庫以及其它各種相關(guān)的數(shù)據(jù)倉庫)以及與信息源相關(guān)的過濾參數(shù)等，用戶可以訂制自己需要的態(tài)勢信息，這也是實現(xiàn)UDOP的主要接口。

COP系統(tǒng)的服務通過系統(tǒng)內(nèi)部3個組件相聯(lián)系，這3個組件是流數(shù)據(jù)處理器、非流數(shù)據(jù)處理器和信息倉庫。流數(shù)據(jù)在進入系統(tǒng)后經(jīng)過流數(shù)據(jù)處理器地處理，用來更新信息倉庫中的數(shù)據(jù)。而通過報告提交服務提交的報告被臨時存儲在信息倉庫中，用戶通過情報處理服務使用非流數(shù)據(jù)處理器中的工具對報告評估后，可以將評估的結(jié)果作為已處理的情報存儲到信息倉庫中，或者使用COP支撐服務將評估結(jié)果以目標態(tài)勢數(shù)據(jù)的形式存儲到信息倉庫中。最后用戶可以通過COP信息訪問系統(tǒng)在信息倉庫中查看其需要的且可以訪問的信息，并訂閱重要事件的通知。其中，流數(shù)據(jù)輸入、報告提交、情報處理、COP支撐這4個服務以及流數(shù)據(jù)處理器和非流數(shù)據(jù)處理器主要完成態(tài)勢信息的采集和協(xié)同處理功能，它們將原始的態(tài)勢數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的態(tài)勢知識存儲在信息倉庫中。圖1描述了COP系統(tǒng)的架構(gòu)，說明了COP系統(tǒng)的服務與內(nèi)部功能模塊之間的聯(lián)系。

2 COP系統(tǒng)的集成技術(shù)

在大范圍的應急響應行動中，各個組織和機構(gòu)都分布在不同的地理位置，為支持應急響應中組織內(nèi)部與組織之間的協(xié)作，使處于不同網(wǎng)絡節(jié)點上的COP系統(tǒng)相互連接而實現(xiàn)無縫集成，達到態(tài)勢信息的共享以及決策的協(xié)同支持的目的，就需要建立可靠的、松耦合的、冗余的且具有互操作性的COP系統(tǒng)。

圖1 通用作戰(zhàn)圖的功能分解

2.1 數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)

在COP系統(tǒng)中，有多種不同類型的數(shù)據(jù)需要通過多種不同的技術(shù)進行分發(fā)。根據(jù)所需分發(fā)數(shù)據(jù)的類型及不同數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)的特征，可以為不同類型的數(shù)據(jù)選擇合適的分發(fā)技術(shù)。

當今有很多可行的分發(fā)技術(shù)，滿足系統(tǒng)中不同的數(shù)據(jù)分發(fā)能力要求。表1描述了不同的數(shù)據(jù)所適合的分發(fā)技術(shù)。

2.2 流數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)

在COP系統(tǒng)中有一種重要的數(shù)據(jù)類型是“流數(shù)據(jù)”。這是一種面向消息的連續(xù)流式數(shù)據(jù)，即有很多小消息在數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費者之間連續(xù)傳送。通常會使用一個訂閱進程來建立這樣的數(shù)據(jù)傳送會話，即數(shù)據(jù)消費者向數(shù)據(jù)生產(chǎn)者訂閱消息。

為了處理這種類型的數(shù)據(jù)，需要分發(fā)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費者之間可靠得傳送數(shù)據(jù)，管理發(fā)布和訂閱過程以及實現(xiàn)消息中介功能。這種分發(fā)機制應該具備以下能力：

·處理生產(chǎn)者和消費者之間的發(fā)布和訂閱交互；

·為不同的消費者、請求或數(shù)據(jù)類型分配不同的服務質(zhì)量等級；

·存儲轉(zhuǎn)發(fā)消息，保證消費者和生產(chǎn)者之間的松耦合結(jié)構(gòu)；

·扮演虛擬的生產(chǎn)者的角色，使得消費者向中間件系統(tǒng)建立訂閱而不是向數(shù)據(jù)源建立訂閱；

·實現(xiàn)消息分發(fā)和路由；

·轉(zhuǎn)換消息，即實現(xiàn)消息在已定義格式之間的轉(zhuǎn)換；

·實現(xiàn)在不同應用程序和網(wǎng)絡協(xié)議及API間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，如SOAP或JMS，UDP或TCP。

在表1列舉的分發(fā)技術(shù)中，企業(yè)服務總線(ESB)為流數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)帶來了明顯的優(yōu)勢，通過ESB，可以很好得解決COP系統(tǒng)間流數(shù)據(jù)的傳輸問題。ESB對信息的調(diào)解和傳輸具有健壯和靈活的方式，它主要有以下幾個能力：在服務間路由消息；在服務請求者和服務之間轉(zhuǎn)換傳輸協(xié)議；在服務請求者和服務之間變換消息格式；處理來自不同信息源的業(yè)務事件；另外ESB可以管理服務質(zhì)量(QoS)，這意味著它可以區(qū)別對待不同的消費者。

表1 數(shù)據(jù)類型和建議的分發(fā)技術(shù)

ESB通過服務注冊來查找和發(fā)布服務，使用已存在的服務綁定來請求這些服務；然后和應用服務交互并路由消息，轉(zhuǎn)換協(xié)議以及變換在其間傳送的消息。典型的ESB系統(tǒng)有兩個主要的運行時組件：ESB消息代理和ESB管理器。ESB消息代理負責消息的分發(fā)和轉(zhuǎn)換，ESB管理器負責創(chuàng)建可以由消息代理解釋的轉(zhuǎn)換規(guī)則，定義消息模型等。

在組織和機構(gòu)較分散的應急響應環(huán)境中，因為協(xié)同決策的需要，ESB消息代理的實現(xiàn)是有必要的。ESB消息代理的實現(xiàn)意味著橋接服務的實現(xiàn)，它可以有選擇的將服務展示給其它域的合作者。

3 原型系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)的設計

根據(jù)COP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和集成需求，設計了原型系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)邏輯類。實現(xiàn)原型系統(tǒng)的目的是驗證COP系統(tǒng)所具有的基本功能和能力。

圖2描述了原型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以分層的、松耦合的方法進行設計，分為數(shù)據(jù)層、傳輸層和服務層以及應用層。數(shù)據(jù)層提供驅(qū)動COP系統(tǒng)的必要數(shù)據(jù)信息，包括最重要的具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型標準的共享態(tài)勢數(shù)據(jù)庫，同時也包括提供其它基礎數(shù)據(jù)的信息倉庫，如氣象信息倉庫、地理信息倉庫等；態(tài)勢數(shù)據(jù)庫間的信息共享以及服務層和數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)交換都通過數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)進行，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型使用相應的數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)；服務層提供的服務以COP系統(tǒng)的5個服務為主，向客戶端提供必要的服務；為了保證COP系統(tǒng)有足夠的靈活性，各種客戶端平臺以松耦合的方式與COP系統(tǒng)的服務交互，因此在COP系統(tǒng)的實現(xiàn)中無需考慮使用這些服務的客戶端是瘦客戶端還是胖客戶端。

圖3是COP系統(tǒng)的靜態(tài)邏輯類視圖。該邏輯類的關(guān)系結(jié)構(gòu)將圖1中的COP系統(tǒng)的內(nèi)部功能進一步分解成任務更細的靜態(tài)邏輯類，這些靜態(tài)邏輯類作為COP系統(tǒng)核心能力的邏輯表示，描述了一組彼此聯(lián)系緊密的操作和數(shù)據(jù)，這些類不直接地對應一個實現(xiàn)的軟件或硬件單元，而是對應一個或多個與COP系統(tǒng)子功能相應的COP系統(tǒng)組件。正中的COPS邏輯類聚合了向COP系統(tǒng)提供信息和處理信息的許多類，其中有一些類不在當前原型系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程的關(guān)注中，如流數(shù)據(jù)處理器的許多邏輯子類都是自動化的具體業(yè)務處理過程。邏輯類COPS在系統(tǒng)中扮演一個非常重要的角色，它既是完成關(guān)聯(lián)、融合和聚合等重要功能的容器，也是存儲態(tài)勢信息的分布式信息倉庫的容器，該類由其它的邏輯類組成，通過這些類來完成由具體操作定義的任務。

信息倉庫由7個子數(shù)據(jù)倉庫組成，其存儲內(nèi)容與功能如下：

(1)本地軌跡庫：存儲由特定信息源(傳感器)產(chǎn)生的軌跡數(shù)據(jù)，提供實時數(shù)據(jù)的臨時存儲，用于及時地軌跡數(shù)據(jù)共享和互操作；

(2)全局軌跡庫：不同于本地軌跡庫，全局軌跡庫保存的是態(tài)勢數(shù)據(jù)，它由本地的和全局的態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫組成；

(3)未處理情報庫：存儲經(jīng)由報告提交服務傳入的情報信息；

(4)已處理情報庫：存儲經(jīng)情報處理服務處理過的情報信息；

(5)傳感器報告庫：存儲由傳感器提供的圖片、視頻片段等信息；

(6)模板庫：信息對象的結(jié)構(gòu)和交互樣式，如情報輸入的樣式模板等；

(7)流數(shù)據(jù)存儲庫：本地軌跡庫是為了滿足數(shù)據(jù)實時性的需要，當過了一定的期限或滿足一定條件后，就會將這些數(shù)據(jù)長期存儲在流數(shù)據(jù)存儲庫中；

流數(shù)據(jù)處理器由以下幾個傳感器數(shù)據(jù)處理標準類組成：傳感器數(shù)據(jù)處理器；關(guān)聯(lián)引擎；融合引擎；聚合引擎；安全評估引擎。

圖2 COPS原型系統(tǒng)設計

圖3 COP系統(tǒng)的靜態(tài)邏輯類

非流數(shù)據(jù)處理器由一組人工操作的工具集組成，用以圖像分析、搜索和數(shù)據(jù)挖掘。這些工具不包括COP系統(tǒng)中。

流數(shù)據(jù)處理器與非流數(shù)據(jù)處理器的邏輯類的具體實現(xiàn)與特定的操作過程與業(yè)務流程相關(guān)，因此在原型系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)中不考慮這兩部分。

3.2 COP原型系統(tǒng)的實現(xiàn)

依據(jù) COP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)邏輯類的概念構(gòu)建原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了5個主要服務以及內(nèi)部的功能模塊。COP系統(tǒng)的服務以兩種方式向用戶和應用程序提供與服務端的交互，一種是使用基于Web的接口，通過瀏覽器向用戶提供COP系統(tǒng)的基本功能，另一種是將COP系統(tǒng)的服務封裝為Web服務向其它應用系統(tǒng)提供必要的功能。

COP系統(tǒng)5個服務的實現(xiàn)：COP支撐服務同時以Web的表格交互方式和Web服務方式分別向用戶和應用系統(tǒng)提供對態(tài)勢信息的處理；報告提交服務通過表格方式以基于模板的方式實現(xiàn)情報的創(chuàng)建、提交和查看；情報處理服務以兩種方式來完成：一是通過Web根據(jù)報告提交服務輸入的報告，使用COP支撐服務來提供和處理態(tài)勢信息，二是以Web服務的方式向情報處理系統(tǒng)提供服務，將情報系統(tǒng)的處理結(jié)果提交到COP系統(tǒng)中，創(chuàng)建相應的態(tài)勢信息；流數(shù)據(jù)服務以JMS為基礎，管理COP系統(tǒng)與軌跡數(shù)據(jù)提供端的連接和數(shù)據(jù)傳輸，以發(fā)布訂閱的方式實現(xiàn)流數(shù)據(jù)的分發(fā)，從而使系統(tǒng)快速、及時地獲取和共享態(tài)勢信息，其中流數(shù)據(jù)處理器將軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中可以被訪問的態(tài)勢信息，同時對軌跡數(shù)據(jù)進行簡單的融合處理；COP信息訪問服務通過使用過濾器，查詢訂閱處理過后的態(tài)勢感知，并將得到的態(tài)勢信息組合成可以通過地圖展示的數(shù)據(jù)。

在原型系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，對UDOP的基本概念也做了初步的實現(xiàn)，在基于Web的態(tài)勢信息訪問中，用戶可以根據(jù)自己所關(guān)心的內(nèi)容將對選擇的過濾器保存為模板以XML文檔格式保存，用戶可以在需要時通過已保存的UDOP快速地查詢態(tài)勢信息。圖4是原型系統(tǒng)的Web運行界面。

4 實驗與結(jié)果分析

為了分析原型系統(tǒng)的能力，設計了如下的實驗來模擬應對突發(fā)事件的情況，步驟如下：

圖4 原型系統(tǒng)運行界面

(1)導入必要的態(tài)勢數(shù)據(jù)。在初始態(tài)勢數(shù)據(jù)庫為空時導入XML格式的態(tài)勢數(shù)據(jù)文件，轉(zhuǎn)化為態(tài)勢庫中的初始態(tài)勢數(shù)據(jù)，其中包括基本的態(tài)勢對象類型以及必要的態(tài)勢對象數(shù)據(jù)。采用XML格式的態(tài)勢數(shù)據(jù)文件的優(yōu)點是在應對突發(fā)事件時可以快速地導入所需要、所關(guān)心的態(tài)勢數(shù)據(jù)，同時也有利于大量的態(tài)勢數(shù)據(jù)共享。

(2)通過COP的流數(shù)據(jù)服務從軌跡發(fā)生器獲取動態(tài)的未知軌跡信息，在瀏覽器頁面上顯示通知信息提示用戶查看和處理接收到的態(tài)勢信息。查看態(tài)勢信息通過COP信息訪問服務進行。然后根據(jù)由其它方式獲取的信息，如通過提交情報服務得到的情報，判斷接收到的軌跡目標的類型和其它信息，并通過COP支撐服務(或者以瀏覽器界面提供，或者以Web服務方式提供)，對接收到的軌跡目標信息進行修改，如更新軌跡目標的關(guān)聯(lián)類型，創(chuàng)建軌跡目標與其它態(tài)勢對象間的關(guān)系，關(guān)聯(lián)軌跡目標的信息(如圖片)，從而完善態(tài)勢信息。

(3)通過COP信息訪問服務，可以在瀏覽器中顯示所關(guān)心的可視化態(tài)勢信息，并查看態(tài)勢對象的詳細態(tài)勢數(shù)據(jù)。在此過程中，用戶可以定制自己所關(guān)心的態(tài)勢信息，即創(chuàng)建UDOP，從而在以后的訪問中省去重復篩選自己所需的態(tài)勢信息的過程。

原型系統(tǒng)可以以報告和流數(shù)據(jù)接入的方式獲取以網(wǎng)絡為中心的環(huán)境中所產(chǎn)生的態(tài)勢數(shù)據(jù)，經(jīng)過由多個相關(guān)的組織和部門(如情報處理部門等)以不同的方式來協(xié)同處理這些態(tài)勢數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為態(tài)勢信息；而在態(tài)勢訪問和共享時，可以通過UDOP，對態(tài)勢信息進行裁剪以滿足用戶或組織只查看所需要或關(guān)心的內(nèi)容的需求。實驗驗證了COP系統(tǒng)所提供的創(chuàng)建精確態(tài)勢感知的方式和手段，以及訪問一致的、自定義的態(tài)勢信息的能力，從而為分布式環(huán)境中的用戶提供了及時、快速地決策和協(xié)同行動的支持。

5 結(jié)束語

COP系統(tǒng)的主要能力是在分布式網(wǎng)絡中心環(huán)境中為用戶和組織提供精確的態(tài)勢感知和及時地決策支持。本文對COP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行了研究，提出了應用于不同場景的數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)來滿足COP系統(tǒng)的集成需求；結(jié)合UDOP概念，設計并初步實現(xiàn)了原型系統(tǒng)。通過對原型系統(tǒng)進行的實驗，模擬了應對突發(fā)事件的過程，對COP系統(tǒng)提供的5個主要功能以及所具有的創(chuàng)造態(tài)勢信息和提供態(tài)勢訪問的能力進行了驗證，同時驗證了UDOP提供地訂制態(tài)勢圖可以進一步加強和完善COP系統(tǒng)所提供的協(xié)同行動和態(tài)勢共享的能力。

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