張健 趙洪利

1.裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì),北京 101416 2.裝備學(xué)院訓(xùn)練部,北京101416

自動(dòng)化指揮系統(tǒng)簡(jiǎn)稱C3I系統(tǒng),是指揮、控制、通信、情報(bào)等詞的縮寫(xiě).該系統(tǒng)以電子計(jì)算機(jī)為核心,集信息傳遞、指揮決策、戰(zhàn)術(shù)控制和情報(bào)收集為一體的高效作戰(zhàn)指揮系統(tǒng).20世紀(jì)50年代,自動(dòng)化指揮系統(tǒng)被稱為C2(指揮、控制)系統(tǒng),后來(lái)逐漸發(fā)展成為C3(指揮、控制、通信),C3I(指揮、控制、通信、情報(bào)),C4I(指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)),最后演變?yōu)镃4ISR[1](指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視、偵查).2014年8月美陸軍綜合空中與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(IBCS)由波音公司提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試任務(wù),它將目前和未來(lái)的空中與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)綜合到一個(gè)共同的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中.2014年12月,美空軍將戰(zhàn)略自動(dòng)化指揮控制系統(tǒng)(SACCS)進(jìn)行升級(jí),旨在為決策者檢索和驗(yàn)證關(guān)鍵數(shù)據(jù)提供方便.中國(guó)空軍也相繼開(kāi)發(fā)和研制了多種類(lèi)型的防空作戰(zhàn)C3I系統(tǒng),如電子戰(zhàn)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、地空導(dǎo)彈指揮自動(dòng)化系統(tǒng)等.

科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)以電子計(jì)算機(jī)為核心,輔以其他現(xiàn)代化智能設(shè)備并與指揮人員相結(jié)合的信息系統(tǒng)[2?3].該系統(tǒng)利用信息采集、信息處理、信息融合、信息分發(fā)和綜合顯示等技術(shù),為科研試驗(yàn)的指揮決策提供信息化支持,是保障各項(xiàng)科研試驗(yàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施.

現(xiàn)有科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu),主要由指揮顯示系統(tǒng)、指揮平臺(tái)、IPTV圖像系統(tǒng)、信息安全保系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)等組成.各個(gè)分系統(tǒng)擁有各自的客戶端,分散獨(dú)立運(yùn)行,沒(méi)有達(dá)到科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)一體化的要求.這種分散的模式難以將指揮決策所需的所有信息呈現(xiàn)給指揮員和決策者.

本文針對(duì)科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)在信息呈現(xiàn)方面的不足,提出了適用于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化模型,并介紹了組成該模型的各個(gè)模塊的原理和功能,為指揮員或決策者提供全面的信息提供了支持.

1 數(shù)據(jù)顯示模型

IP網(wǎng)是科研試驗(yàn)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò),在IP網(wǎng)已全面建設(shè)的情況下,可以此為依托,將科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行集成,把各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、融合、處理、分發(fā)、顯示,為科研試驗(yàn)的各級(jí)指揮人員提供更加全面的信息顯示.科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模型設(shè)計(jì)如圖1所示.該數(shù)據(jù)可視化模型系統(tǒng)以IP網(wǎng)為依托,利用現(xiàn)有的各個(gè)試驗(yàn)分系統(tǒng),從中提取控制、通信、安全等各類(lèi)數(shù)據(jù),按照統(tǒng)一的格式進(jìn)行處理及存儲(chǔ),最后通過(guò)可視化把各類(lèi)信息呈現(xiàn)給各級(jí)指揮人員.

圖1 科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化模型

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

對(duì)于科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù),一種采集方案是利用分布式結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取.分布式結(jié)構(gòu)采用服務(wù)器/客戶端模式,服務(wù)器統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)采集任務(wù),并對(duì)采集任務(wù)進(jìn)行劃分.安裝客戶端的設(shè)備獲取采集任務(wù),完成數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行上傳,由服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的融合、處理、存儲(chǔ).另一種方案是利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),加入相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸功能,把各個(gè)分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器,由數(shù)據(jù)服務(wù)器按照一定格式統(tǒng)一進(jìn)行處理并存儲(chǔ),其架構(gòu)如圖2所示.

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理是以最終呈現(xiàn)給各級(jí)指揮人員可視信息為目的,可按照每種信息呈現(xiàn)的要求定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式.根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同,對(duì)采集上來(lái)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行不同方式的處理.如監(jiān)控圖像、實(shí)況圖像等對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較低,并不需要做過(guò)多的數(shù)據(jù)預(yù)處理;控制指令等數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性比較高,因此,需要優(yōu)先保證這類(lèi)數(shù)據(jù)的處理及顯示;安全數(shù)據(jù)的采集采用抽樣的方式,并定義統(tǒng)一的格式.數(shù)據(jù)每個(gè)維度的標(biāo)準(zhǔn)化處理過(guò)程按下式計(jì)算:式中:m為樣本的均值,a為樣本的方差,x為標(biāo)準(zhǔn)化的樣本值.如果數(shù)據(jù)維度較高,難以在二維或者三維可視空間中呈現(xiàn),可以通過(guò)降維的方法把高維數(shù)據(jù)映射到二維或三維空間中.

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

設(shè)數(shù)據(jù)集X∈RN×D,包含N條數(shù)據(jù)記錄,每個(gè)數(shù)據(jù)記錄有D個(gè)維度.設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)則,找到數(shù)據(jù)在低維空間的映射Z={zi}∈Rd(d=2 ord=3 andd

當(dāng)降維方法為非線性時(shí),就不需要求得W,而是直接從原始數(shù)據(jù)映射到Z.降維方法分為線性降維方法和非線性降維方法.線性降維方法主要有 LDA(線性判別分析)[5]、DCA(判別成分分析)[6]、PCA(主成分分析)[7]、MDS(多維尺度分析)[8]、NMF(非負(fù)矩陣分解)[9]等;非線性方法主要有 MVU(最大方差展開(kāi))[10]、ISOMAP[11]、SOM(自組織映射)[12]、GDA(廣義判別分析)[13]、LLE(局部線性嵌套)[14]、LE(拉普拉斯特征映射)[15]等.

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示主要目的是通過(guò)各種狀態(tài)圖表、三維動(dòng)畫(huà)、彈道曲線、實(shí)況錄像等方式為各級(jí)指揮人員及決策者動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況.對(duì)于采用何種可視化方式對(duì)指揮控制等數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展現(xiàn),而不是僅僅顯示數(shù)據(jù)指令或者簡(jiǎn)單圖表,圖3[16]顯示了選擇可視化方式的過(guò)程,按照指揮控制數(shù)據(jù)類(lèi)型及各級(jí)指揮人員及決策者的需求選取不同的可視化方法.

首先需確定數(shù)據(jù)類(lèi)型,判斷數(shù)據(jù)屬于分布型、關(guān)系型、比較型、趨勢(shì)型的哪一種.其次根據(jù)維度的數(shù)量及主要維度的特性選擇合適的可視化方式.例如,如果數(shù)據(jù)包括終端IP地址、主機(jī)內(nèi)存占用情況、磁盤(pán)占用情況等幾個(gè)維度,按照?qǐng)D3可以選擇Treemap方式,根據(jù)IP連接構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?節(jié)點(diǎn)可以用其他可視化元素如顏色、面積分別表示內(nèi)存占用情況、磁盤(pán)占用情況等信息.

圖3 可視化方法選擇

對(duì)于實(shí)況錄像可以不加處理地進(jìn)行顯示,而對(duì)于各個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的調(diào)度情況可以采用基于地圖的可視化技術(shù),而對(duì)于軌道顯示可以用二維或者三維的曲線圖來(lái)表示,對(duì)于安全數(shù)據(jù)可以通過(guò)預(yù)處理將其映射到低維可視空間中進(jìn)行顯示或者采用平行坐標(biāo)進(jìn)行顯示.

不同層級(jí)人員對(duì)可視化的需求不同,重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容也不同.如呈現(xiàn)給指揮員的信息是火箭飛船的姿態(tài)、軌道參數(shù)等,實(shí)時(shí)性要求較高;呈現(xiàn)給決策者的信息是試驗(yàn)的實(shí)況錄像等,實(shí)時(shí)性要求較低;呈現(xiàn)給安全管理員的是安全日志等信息,用于保障網(wǎng)絡(luò)的可用和穩(wěn)定.

3 結(jié)論

基于IP網(wǎng)的指揮信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化模型對(duì)于科研試驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義,通過(guò)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合、處理實(shí)現(xiàn)各個(gè)分系統(tǒng)信息的全面顯示,為各級(jí)指揮人員以及決策者提供決策支持.通過(guò)分等級(jí)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)滿足用戶對(duì)不同信息顯示的差異化需求.