郝利云，　冉　達(dá)，　鄧　維，　吳玲達(dá)

(1. 裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室, 北京 101416；　2. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

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一種遠(yuǎn)程標(biāo)繪指揮方法

郝利云1，冉達(dá)2，鄧維1，吳玲達(dá)1

(1. 裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室, 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 光電裝備系, 北京 101416)

在山區(qū)林地等地區(qū)的搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中，后方指揮與前方行動(dòng)端之間，用語言文字溝通易發(fā)生理解的偏差，延緩救援行動(dòng)，甚至產(chǎn)生不可挽回的后果。為解決該問題，研究了基于遠(yuǎn)程標(biāo)繪的搶險(xiǎn)救災(zāi)遠(yuǎn)程指揮方法——指揮人員在指揮平臺繪制精確的行動(dòng)信息，行動(dòng)人員依據(jù)行動(dòng)端同步顯示的行動(dòng)指令開展救援。為此，通過采用基于模糊形狀模型(BSM)特征的圖符識別手繪標(biāo)繪方法、基于TCP協(xié)議的多客戶端通信機(jī)制和三維態(tài)勢顯示技術(shù)，建立了原型系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可有效解決遠(yuǎn)程指揮問題。

手繪標(biāo)繪；態(tài)勢顯示；遠(yuǎn)程標(biāo)繪；模糊形狀模型

我國是世界上受自然災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一[1]。頻發(fā)的自然災(zāi)害，對人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來了重大威脅。搶險(xiǎn)救災(zāi)是挽救生命、減少損失的必要途徑。但地震、泥石流等發(fā)生在山區(qū)的自然災(zāi)害讓救援隊(duì)伍難以到達(dá)。直升機(jī)由于具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，在搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用[2]。直升機(jī)深入災(zāi)區(qū)后，與指揮所間只能通過語音和文字進(jìn)行通信，不利于指揮所對直升機(jī)上的救援小隊(duì)進(jìn)行準(zhǔn)確的指揮。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為增強(qiáng)指揮所和救援小隊(duì)通信能力，有效保障救援任務(wù)順利完成提供了條件。

通過在指揮端建立標(biāo)繪指揮系統(tǒng)，對救災(zāi)任務(wù)進(jìn)行指揮控制；在行動(dòng)端建立態(tài)勢展示系統(tǒng)，通過傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)將指揮端的指揮信息傳送到行動(dòng)端，以可視化的方式展現(xiàn)出來。這樣行動(dòng)端的執(zhí)行人員可以直觀準(zhǔn)確的理解指揮端的意圖，進(jìn)而有效完成救災(zāi)任務(wù)。

1　指揮端手繪標(biāo)繪方法

指揮端綜合處理各種情報(bào)信息后，對救援行動(dòng)進(jìn)行指揮。需要標(biāo)繪的信息有：救援目標(biāo)、救援力量、集結(jié)位置、行動(dòng)方向以及危險(xiǎn)區(qū)域。救援目標(biāo)、救援力量與集結(jié)位置為點(diǎn)狀信息，是規(guī)則圖符；行動(dòng)方向?yàn)榫€狀信息，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槊鏍钚畔ⅲ瑸榉且?guī)則圖符。前者不依比例尺標(biāo)繪，其外觀形狀、線畫構(gòu)成以及各圖元比例關(guān)系保持不變，圖符只會發(fā)生整體的縮放或旋轉(zhuǎn)變化。后者為半依賴比例尺標(biāo)繪的線狀圖符和依比例尺標(biāo)繪的面狀圖符[3]。

為使標(biāo)繪指揮方法簡便快捷，參照軍事行動(dòng)態(tài)勢圖的標(biāo)繪方法，基于二維的地理信息顯示平臺，設(shè)定特殊符號進(jìn)行標(biāo)繪。采用基于方向BSM特征的圖符識別方法進(jìn)行圖符的識別。

BSM特征是一種基于輪廓的全局形狀描述方法，最初由Escalera等[4]提出并用于二值圖像識別，后被Almazan等[5]用于手繪圖符識別。其基本思想是對形狀輪廓采樣點(diǎn)的概率分布進(jìn)行描述，計(jì)算過程主要含有2個(gè)步驟：網(wǎng)格劃分和BSM特征計(jì)算。

原始的BSM特征僅考慮了圖符采樣點(diǎn)的空間分布，通過模擬采樣點(diǎn)分布密度來描述圖符。將采樣點(diǎn)的局部方向信息加入BSM特征，有助于提高圖符描述能力[6]。方向BSM特征的基本思想是：利用采樣點(diǎn)的局部方向信息，將原始圖符分解成多個(gè)方向相關(guān)子圖，然后對每一個(gè)子圖計(jì)算一個(gè)BSM特征，最后將所有子圖的BSM特征矢量進(jìn)行聯(lián)合，即為原始圖符的方向BSM特征矢量。主要步驟為：

1) 預(yù)處理。預(yù)處理主要包括規(guī)范化和重采樣。規(guī)范化是為了保證算法的尺度不變性和平移不變性。先將圖符坐標(biāo)點(diǎn)重心平移到原點(diǎn)，然后對圖符進(jìn)行縮放使二階原點(diǎn)矩等于預(yù)設(shè)定的常量。重采樣的采樣方式有等間隔采樣和等時(shí)間采樣2種，經(jīng)重采樣后的筆畫坐標(biāo)點(diǎn)等距離分布，有利于提取穩(wěn)定的圖符特征。

2) 方向分解。方向分解的主要步驟是：計(jì)算每一個(gè)采樣點(diǎn)的局部方向向量；采用平行四邊形法則，將局部方向向量分解到4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方向，即0°、45°、90°和135°，并得到4個(gè)子圖符。

3) 計(jì)算BSM特征。計(jì)算方法是：首先對圖符進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的幾何中心；然后分別計(jì)算每個(gè)子圖符中每個(gè)采樣點(diǎn)的BSM特征；最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，合并為原始圖符采樣點(diǎn)的BSM特征。

通過手繪的方式，指揮官的行動(dòng)指令以圖形符號的形式表示出來，通過方向BSM特征圖符識別方法，這些符號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的圖符。圖1～圖3為部分圖形符號的手繪識別示例。

圖1　點(diǎn)狀信息繪制示例

圖2　線狀信息繪制示例

圖3　面狀信息繪制示例

2　基于TCP的標(biāo)繪指揮通信機(jī)制

指揮端通過手繪標(biāo)繪的方式，將指揮端的行動(dòng)意圖表示在了指揮平臺。進(jìn)而，需要通過網(wǎng)絡(luò)的方式，將這些行動(dòng)信息傳送到行動(dòng)端。Qt中的傳輸控制協(xié)議(TCP)通信機(jī)制提供了一種可行的方法。TCP是一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?、可靠的，基于IP底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[7]。Qt將網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝成類，使得網(wǎng)絡(luò)編程簡潔、清晰、高效。Qt中與TCP有關(guān)的類主要有QTcpSocket、 QTcpServer。

QTcpSocket類繼承自QAbstractsocket，為TCP提供了一個(gè)接口。QTcpSocket用于實(shí)現(xiàn)POP3、SMTP等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，或者其他的自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于QTcpSocket傳輸?shù)氖沁B續(xù)的數(shù)據(jù)流，因此適合連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。其工作模式為：(1)調(diào)用connectToHost連接服務(wù)器；(2)調(diào)用waitForConnected判斷是否連接成功；(3)連接信號readyRead槽函數(shù)，異步讀取數(shù)據(jù)；(4)調(diào)用waitForReadyRead，阻塞讀取數(shù)據(jù)。

QTcpServer類直接繼承于QObject基類，用于處理到來的TCP連接。其工作模式為：(1)調(diào)用listen()設(shè)置服務(wù)器，監(jiān)聽某一地址和端口；(2)關(guān)聯(lián)newConnection()信號，當(dāng)收到客戶端連接請求時(shí)就發(fā)射該信號；(3)在槽中，調(diào)用nextPendingConnection()來接受這個(gè)連接；(4)創(chuàng)建一個(gè)QTcpSocket對象與客戶端進(jìn)行通信。

Qt的TCP通信，分為服務(wù)器端和客戶端。在搶險(xiǎn)救災(zāi)中，需要多個(gè)行動(dòng)小隊(duì)的協(xié)同配合，需要單服務(wù)器多客戶端的通信機(jī)制。因此，將指揮端設(shè)置為服務(wù)器，在行動(dòng)端布置多個(gè)客戶端。單服務(wù)器多客戶端的通信機(jī)制如圖4所示。

圖4　單服務(wù)器多客戶端的通信原理

服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)方式為：(1)調(diào)用Socket()函數(shù)來創(chuàng)建TCP套接口；(2)調(diào)用Bind函數(shù)將Socket與主機(jī)信息進(jìn)行綁定；(3)調(diào)用Listen()函數(shù)監(jiān)聽客戶端的連接；(4)接受客戶端的連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讀入并輸出服務(wù)器的應(yīng)答。

客戶端的實(shí)現(xiàn)方式為：(1)調(diào)用Socket()函數(shù)創(chuàng)建TCP套接口；(2)指定服務(wù)器IP地址和端口；(3)調(diào)用Connect()函數(shù)與服務(wù)器取得連接；(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，讀入并輸出客戶端的應(yīng)答。

指揮端行動(dòng)指令的圖形符號，需要轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的指令進(jìn)行傳輸。點(diǎn)狀圖符主要表示救援力量分布、威脅目標(biāo)分布等情報(bào)，需要傳輸?shù)拿枋鰯?shù)據(jù)格式化為：圖符編號、圖符種類、身份信息(友方/威脅)、坐標(biāo)位置。線狀圖符和面狀圖符形狀不定，需要多個(gè)控制點(diǎn)描述形狀，描述數(shù)據(jù)較多，包括：圖符編號、圖符種類、身份信息、控制點(diǎn)數(shù)量和每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。將這些信息完整的傳輸?shù)叫袆?dòng)端的顯示平臺，行動(dòng)端就可以繪制出同指揮端相同的圖符。

3　行動(dòng)端顯示方法

行動(dòng)端設(shè)置態(tài)勢顯示，實(shí)時(shí)同步顯示指揮端的指揮意圖。行動(dòng)人員參照指揮圖進(jìn)行救援。為增強(qiáng)顯示效果，在行動(dòng)端的顯示平臺上，采用三維地形場景進(jìn)行標(biāo)繪[8]。本文采用OSGEarth進(jìn)行標(biāo)繪信息的繪制。通過在OSGEarth上添加不同的繪制節(jié)點(diǎn)，顯示不同的行動(dòng)信息。對應(yīng)指揮端的標(biāo)繪信息，行動(dòng)端的標(biāo)繪信息如圖5所示。

a) 指揮端顯示效果

b) 行動(dòng)端顯示效果圖5　指揮端與行動(dòng)端顯示效果對比

三維顯示模式，不僅可以顯示指揮平臺發(fā)布的行動(dòng)命令，同時(shí)還可以幫助救援隊(duì)伍根據(jù)周圍地形，確定自己的位置和行進(jìn)線路。圖6為艙外視角示意圖。

圖6　行動(dòng)端顯示的三維效果

三維顯示增強(qiáng)了態(tài)勢顯示的真實(shí)性，但是當(dāng)行動(dòng)端需要觀察全局時(shí)，拉遠(yuǎn)視點(diǎn)后，標(biāo)繪三維模型反而會看不清楚。因此，本文采用了基于視點(diǎn)的二維三維切換顯示方法。通過設(shè)定閾值，當(dāng)視點(diǎn)距離小于該閾值時(shí)，采用三維模型，清晰逼真;當(dāng)視點(diǎn)距離大于該閾值后，采用二維圖片的方法顯示，同時(shí)該二維信息不隨場景的縮放而縮放，便于遠(yuǎn)距離觀察。顯示效果對比如圖7所示。

a) 直升機(jī)二維顯示效果

b) 直升機(jī)三維顯示效果圖7　直升機(jī)二維與三維顯示效果對比

4　結(jié) 束 語

針對當(dāng)前搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中指揮不暢的問題，提出了基于TCP協(xié)議的遠(yuǎn)程標(biāo)繪指揮方法。通過采用基于BSM特征的手繪識別技術(shù)、基于TCP的遠(yuǎn)程通信技術(shù)和基于OSGEarth的態(tài)勢標(biāo)繪技術(shù)，解決了指揮端與行動(dòng)端，指揮命令通過語音文字傳遞不準(zhǔn)確的問題。實(shí)驗(yàn)表明，借助于Qt的TCP通信機(jī)制，行動(dòng)端可以近實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確顯示指揮端繪制的命令符號，滿足任務(wù)執(zhí)行實(shí)時(shí)性的需求。指揮端命令符號的繪制簡單快捷，正確識別率高；行動(dòng)端的顯示逼真清晰，滿足任務(wù)需要。

References)

[1]趙宏,黎濤,何亞文.災(zāi)害應(yīng)急空間信息標(biāo)繪技術(shù)[J].地理空間信息,2011,9(5):32-34.

[2]吳希明 ,陳國華 ,陳平劍.從四川抗震救災(zāi)談我國重型直升機(jī)的發(fā)展[J].直升機(jī)技術(shù),2008(4):59-64.

[3]陳鴻,湯曉安,楊耀明,等.基于位移映射的非規(guī)則軍隊(duì)標(biāo)號繪制算法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2011,23(5): 797-804.

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[8]HAO L Y,JIAO Y,WU L D,et al.A novel terrain rending method for visual navigation[C]//10th Chinese Conference,IGTA 2015.Beijing: Springer Berlin Heidelberg,2015:308-316.

(編輯：李江濤)

A Remote Command Plotting Method

HAO Liyun1，RAN Da2，DENG Wei1，WU Lingda1

(1. Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416,China；2. Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416,China)

In the process of rescue and disaster relief in areas like mountain woodlands, in the communication process between rear command post and frontline action unit, voice and text communication is easy to cause deviation of understanding, delay the rescue operation, and even bring irreversible consequences. To solve this issue, the paper studies on rescue and disaster relief command method based on remote plotting: the command crew draws accurate action instruction on command platform and the operational staff carry out the rescue based on the action instructions synchronously displayed at action side. Therefore, through using hand plotting method based on characteristics of blurred shape model (BSM), multi-client communication mechanism and three dimensional display technology, a prototype system has been established. The experimental result shows that, this method can effectively solve the issues of the remote command.

hand plotting; situation display; remote plotting; blurred shape model (BSM)

2016-04-14

國家級資助項(xiàng)目(2013ZX01045-004)

郝利云(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)檐娛滦畔⑻幚怼aoliyun2006@sina.com

TP391.9

2095-3828(2016)05-0090-04

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.019