王 浩，邵高平，胡澤明

（解放軍信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院，河南 鄭州450002）

0 引 言

隨著軍事現(xiàn)代化的高速發(fā)展，軍事通信技術(shù)已成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的決定性因素之一［1］。而集信息獲取、存儲與分發(fā)等功能于一體的移動終端設(shè)備是軍事通信技術(shù)中實現(xiàn)信息交互的重要環(huán)節(jié)。如美軍的 “地面勇士單兵系統(tǒng)［2］”，能夠為士兵提供各種實時戰(zhàn)場態(tài)勢信息，并存儲歷史作戰(zhàn)態(tài)勢信息以供查詢，進而為作戰(zhàn)人員準(zhǔn)確判斷戰(zhàn)場形勢提供可靠依據(jù)。由于傳統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫如Oracle、Sybase以及其他桌面環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在嵌入式移動環(huán)境下難以發(fā)揮優(yōu)勢［3］，而嵌入式數(shù)據(jù)庫因其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用于軍事、航空航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中［4］，因此在軍用移動終端設(shè)備中采用嵌入式數(shù)據(jù)庫進行態(tài)勢信息的存儲是一種較為合理的選擇。

然而，當(dāng)前國內(nèi)一般采用Oracle等大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲戰(zhàn)場態(tài)勢信息并進行相關(guān)研究［5，6］，而使用嵌入式數(shù)據(jù)庫進行態(tài)勢信息的存儲研究較少。本文首先概要的介紹嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，說明選取其作為戰(zhàn)場態(tài)勢信息存儲數(shù)據(jù)庫的原因；然后對戰(zhàn)場態(tài)勢信息進行分類，根據(jù)各類信息的描述方式提出了一種態(tài)勢信息存儲模型－ITT，并在此基礎(chǔ)上借鑒Hash表檢索思想對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，進而提出了一種實時查詢預(yù)處理方法；最后通過仿真實驗比較說明了該存取方法的有效性。

1 嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite

SQLite是2000年發(fā)布的一款開源的、嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。它沒有獨立運行的進程，其代碼嵌入應(yīng)用程序代碼中，作為托管它的程序的一部分，可以方便地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。SQLite支持大多數(shù)SQL92，簡單易用，速度也很快，同時還提供了豐富的數(shù)據(jù)庫接口；不需要特殊的數(shù)據(jù)庫管理器和配置數(shù)據(jù)庫；代碼僅需極小的存儲空間，完整配置的少于250KB；運行速度比普通的C／S數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)更快；移植性強，可以應(yīng)用于很多嵌入式平臺如QNX、VxWorks、Symbian、Palm OS和 Windows CE。由于其源代碼完全開放，可以免費應(yīng)用于任何領(lǐng)域，甚至包括商業(yè)應(yīng)用［7］。

SQLite體系結(jié)構(gòu)簡潔，并采用一些獨特的方法進行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理。它由劃分為3個子系統(tǒng)的共8個獨立模塊組成，如圖1所示。

圖1 SQLite體系結(jié)構(gòu)

接口由SQLite C API組成，程序、腳本語言以及與SQLite交互的庫文件最終都是通過接口函數(shù)與SQLite交互。詞法分析器 （tokenizer）和語法分析器 （paraser）協(xié)同處理文本形式的結(jié)構(gòu)化查詢語句 （structured query language，SQL），SQL語句先被分解為一個個詞法符號 （Token），經(jīng)過評估后以語法樹形式重組，然后下傳給代碼生成器。代碼生成器將語法樹翻譯成一種SQLite專用的匯編代碼，這些匯編語言由一些最終由虛擬機執(zhí)行的指令組成。虛擬機也叫做虛擬數(shù)據(jù)庫引擎 （virtual database engine，VDBE），其獨立于頂層操作系統(tǒng)、CPU和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。后端由B－Tree、頁緩存 （pager）以及操作系統(tǒng)接口組成。一個數(shù)據(jù)庫由多個B樹組成－每張表以及每個索引各對應(yīng)一個B樹 （表使用B＋Tree，索引使用B－Tree），B樹為VDBE提供O （log N）級時間復(fù)雜度的查詢和插入，pager根據(jù)B樹的請求從磁盤讀?。瘜懭腠撁?。

目前，市場上有多種為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的關(guān)系數(shù)據(jù)庫產(chǎn) 品，如 Sybase SQL Anywhere、Oracle TimesTen 和BerkleyDB、Pervasive PSQL以及微軟的Jet Engine。一些廠家將其大型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品裁剪開發(fā)出嵌入式的變種，如IBM的DB2Everyplace、Oracle的Database Lite和微軟的SQL Server Express。開源數(shù)據(jù)庫 MySQL和Firebird也提供了嵌入式版本。所有這些產(chǎn)品中，只有SQLite是開源的、不受許可證費用約束，而且是專門為嵌入式設(shè)計的。文獻 ［8］通過比較分析證實在嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)方面，SQLite是嵌入式輕量級數(shù)據(jù)庫的首選。

2 基于Hash表的態(tài)勢信息存取方法

選取好合適的數(shù)據(jù)庫后，需要從用戶角度并結(jié)合所要存儲的信息特性設(shè)計數(shù)據(jù)存儲方案，以滿足用戶實時存儲與查詢需求。下面先對戰(zhàn)場態(tài)勢信息進行分類，然后通過討論態(tài)勢信息的描述方式提出了一種態(tài)勢信息存儲模型－ITT，并在該模型的基礎(chǔ)上結(jié)合Hash表的檢索思想對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，據(jù)此提出了一種戰(zhàn)場態(tài)勢信息的實時查詢方法。

2.1 戰(zhàn)場態(tài)勢信息分類

戰(zhàn)場態(tài)勢信息主要包括自然環(huán)境、與空間密切相關(guān)的人文環(huán)境、軍事目標(biāo)和作戰(zhàn)集團以及作戰(zhàn)行動的位置、狀態(tài)和進展等信息［9］，種類多、數(shù)量巨大。戰(zhàn)場環(huán)境下，作戰(zhàn)單元通過其所攜帶的相關(guān)終端設(shè)備獲取戰(zhàn)場綜合態(tài)勢信息。文獻 ［10］將態(tài)勢信息分為地理空間信息、目標(biāo)屬性信息和屬性信息這三類，為方便設(shè)計存儲模型及表結(jié)構(gòu)，將其劃分為定位信息、標(biāo)繪信息、代碼指揮信息和戰(zhàn)果戰(zhàn)損四類。各類信息的說明如下：

（1）定位信息：由定位導(dǎo)航衛(wèi)星所提供的目標(biāo) （敵、我作戰(zhàn)單元）位置信息，其主要屬性包括目標(biāo)ID、定位時間、經(jīng)度、緯度、高程、速度、方向等。定位信息的記錄條數(shù)在所有態(tài)勢信息中是最多的。

（2）標(biāo)繪信息：敵我雙方的兵力部署、障礙物位置等需要在終端屏幕上標(biāo)繪顯示的信息。這類信息的主要屬性有目標(biāo)ID、發(fā)現(xiàn)時間、經(jīng)度、緯度、高程、作戰(zhàn)任務(wù)、地名等。

（3）代碼指揮信息：上級下達的文電文書等作戰(zhàn)指揮命令信息，其主要屬性包括部隊ID、發(fā)報時間、優(yōu)先級別、秘密等級、壓縮方式、用戶報文、發(fā)送方式等。

（4）戰(zhàn)果戰(zhàn)損信息：作戰(zhàn)過程中和戰(zhàn)斗結(jié)束各個作戰(zhàn)單元的人員、武器裝備損傷，以及擊斃擊傷敵人員、武器裝備數(shù)量信息。其屬性包括部隊ID、發(fā)報時間、擊傷數(shù)量、擊傷乘 （武器裝備）數(shù)、擊斃數(shù)量、擊斃乘數(shù)、俘虜數(shù)量、俘虜乘數(shù)、受傷數(shù)量、受傷乘數(shù)、犧牲數(shù)量、犧牲乘數(shù)等。

2.2 存儲模型及表結(jié)構(gòu)

態(tài)勢信息的存儲是為了滿足用戶快速查詢的需求，存儲模型的設(shè)計應(yīng)充分考慮用戶需求，即用戶的查詢習(xí)慣。語法中對于歷史事件的描述一般由 “三要素”組成，即“主體對象”、“歷史時刻 （段）”和 “事件”。結(jié)合2.1中對于四類態(tài)勢信息屬性的說明，可知描述戰(zhàn)場態(tài)勢信息的“三要素”為 “部隊編號 （ID）”、“報告時間 （Time）”、“信息類型 （Type）”。這種描述方式符合使用移動終端設(shè)備用戶的查詢習(xí)慣，如查詢 “某一支部隊在某一歷史時刻段的某 （幾種）類型信息”。結(jié)合態(tài)勢信息該種描述形式，提出如圖2所示的態(tài)勢信息存儲模型。

圖2 戰(zhàn)場態(tài)勢信息存儲模型－ITT

其中虛線框內(nèi)的1：N表示信息類型和態(tài)勢信息之間是一對多的關(guān)系。按照本文對于態(tài)勢信息的分類方法，N＝4。依據(jù)該存儲模型對態(tài)勢信息進行存儲，供作戰(zhàn)人員查詢檢索。根據(jù)檢索過程中的存儲位置不同，檢索方法分為內(nèi)部檢索和外部檢索；而根據(jù)檢索的環(huán)境的不同分為靜態(tài)檢索和動態(tài)檢索［11］。而無論哪一種查詢，結(jié)構(gòu)中記錄的相對位置是隨機的，與其關(guān)鍵字之間不存在確定的關(guān)系，其檢索時需一系列和關(guān)鍵字的比較，且其查找效率與記錄個數(shù)相關(guān)。理想的情況是不經(jīng)過任何比較，一次存取即能得到所查記錄。Hash表正是基于這種理想情況而建立的。在Hash查找中，記錄的存儲位置與其關(guān)鍵字之間有一個確定的對應(yīng)關(guān)系f，使得每個關(guān)鍵字與結(jié)構(gòu)中的唯一一個存儲位置對應(yīng)。故在查找時只需根據(jù)映射函數(shù)f找到給定值K的像f （K）。聯(lián)系態(tài)勢信息的存儲模型，結(jié)合Hash表的搜索思想對戰(zhàn)場態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫表設(shè)計如下。

表1 hash＿table

表1的作用類似于Hash表。由上述的戰(zhàn)場態(tài)勢信息的描述方式可知，信息生成時間、部隊編號和信息類型這3個字段能唯一確定一條態(tài)勢信息記錄。RecordNum與其他三字段為映射關(guān)系，即

通過映射函數(shù)f得到RecordNum的值，該值作為具體的態(tài)勢信息的唯一標(biāo)識符，通過該值即能快速準(zhǔn)確定位某一條態(tài)勢信息記錄。設(shè)ReportTime的值為x，x∈N＋且x≥103；ID的值為y，y∈N＋且103＞y≥102；Type的值為z，z∈ ｛0，1，2，3｝；RecordNum的值p由下式確定

由式 （2）可知，作戰(zhàn)時間、部隊編號和信息類型確定唯一的一個p，保證了態(tài)勢信息標(biāo)識符不會發(fā)生沖突。定位信息表設(shè)計如下。

其中表2中字段名稱加粗顯示的為基本信息字段，無論態(tài)勢信息屬于四類中的哪一類，在其表結(jié)構(gòu)中基本信息字段必不可少。軍標(biāo)庫號和軍標(biāo)代號是為實現(xiàn)態(tài)勢信息在電子地圖上的實時顯示。其他三類態(tài)勢信息的表結(jié)構(gòu)類似定位信息。四類態(tài)勢信息表的主鍵 （RecordNum）值集合Ui，i，j∈ ｛0，1，2，3｝與 hash＿table表 的 主 鍵 （Record－Num）值集合Up的關(guān)系滿足下式

表2 定位報告表position＿report

當(dāng)需要查詢 “某部隊在某時刻段的某類型態(tài)勢信息”時，先通過檢索hash＿table表，進而定位到某具體態(tài)勢信息表，即表hash＿table與四類態(tài)勢信息表之間存在如圖3所示的關(guān)系。

圖3 四類態(tài)勢信息表與hash＿table之間的關(guān)系

圖3中1－∞表示在不同表的兩同名字段間實施參照完整性約束 （referential integrity constraint）。即無論在哪一類態(tài)勢信息表中，其每行的RecordNum值都與hash＿table中某項RecordNum值相匹配。

2.3 實時查詢預(yù)處理方法

戰(zhàn)場態(tài)勢信息按照2.2中所設(shè)計的存儲模型存入各類態(tài)勢信息表中后，還需要進一步對用戶的實時查詢需求進行考慮。當(dāng)輸入語義為 “查詢某一部隊在某時刻段的某類型信息”的SQL語句時，其查詢處理步驟為：

步驟1 在hash＿table上執(zhí)行該SQL語句，得到多個信息標(biāo)識符，用集合U′0表示；

步驟2 將集合U′0中的所有元素作為查詢參數(shù)，在該類信息表中定位到具體信息。

由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，當(dāng)集合U′0中元素個數(shù)眾多時，具體態(tài)勢信息的查詢以及查詢后在終端屏幕上的繪制顯示將耗費很長時間，這并不能滿足作戰(zhàn)人員的實時性要求 （一般態(tài)勢信息的查詢到顯示時間應(yīng)不大于1.5s）。如當(dāng)查詢某幾個作戰(zhàn)單元在歷史某幾個小時內(nèi)的軌跡信息時，假定終端一秒鐘定位一次，集合U′0的元素個數(shù)將有可能達到幾十萬甚至上百萬。由于終端屏幕尺寸有限，且只需少量的點 （關(guān)鍵點，其個數(shù)與縮放等級相關(guān)）即能確定作戰(zhàn)單元的軌跡，因此在step2中完全沒有必要將所有的定位信息都取出。為此，提出一種采用抽取壓縮的查詢預(yù)處理方法。

令序列x（n）＝ ｛x1，x2，x3，…，xn｝為在hash＿table上的查詢結(jié)果集合，其元素個數(shù)為n，滿足用戶態(tài)勢信息查詢耗時要求的最大的集合元素個數(shù) （即抽取門限值）為Δ，當(dāng)n＞Δ時對x（n）進行D倍抽取，即在x（n）中每隔D個點取一個點，抽取后的元素集合為y （m），其元素個數(shù)為m；當(dāng)n≤Δ時不抽取，即抽取壓縮函數(shù)FD有如下形式

其中y（m）＝x（Dn）。為盡量保證抽取壓縮后的序列不過多的損失其細(xì)節(jié)，抽取倍數(shù)D應(yīng)滿足如下表達式

3 實驗分析

圖4 戰(zhàn)場態(tài)勢信息實時查詢流程

為了分析在ITT基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性，以及實時查詢預(yù)處理方法的性能，針對常規(guī)存取策略 （簡稱方法A）和本文所提的存取方法 （簡稱方法B）進行比較。在方法A（該方法應(yīng)用于某大型實裝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不同類型的態(tài)勢信息存儲于不同的表中，每一個表的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 方案A表結(jié)構(gòu)

方法B在方法A的基礎(chǔ)上增加了一個能夠快速定位的表－h(huán)ash＿table。執(zhí)行態(tài)勢信息查詢時，方法A直接在具體類型信息表中取出所有符合查詢條件的信息；方法B通過先查hash＿table得到信息標(biāo)識符集合，經(jīng)過抽取處理后再在具體類型信息表中取出相應(yīng)信息。

3.1 仿真設(shè)置

為對兩方案進行詳細(xì)分析比較，需要生成模擬態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫，并進行查詢響應(yīng)時間的測試。仿真實驗平臺為聯(lián)想開天M4600臺式機，Pentium （R）4處理器，主頻為2.8GHz，512MB內(nèi)存，SQLite數(shù)據(jù)庫版本為3.7.10。為簡化比對分析過程，假設(shè)共有100支作戰(zhàn)單元，每個作戰(zhàn)單元所攜帶的移動終端設(shè)備均能接收到本機以及其他所有終端的所有類型態(tài)勢信息，終端開機整型時間值為1000，其中定位信息每1s接收一次，每一類態(tài)勢信息只存儲于一個表中，每一個表中均包含基本信息字段。在VC6.0環(huán)境下使用兩種不同的方案建立數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建各類態(tài)勢信息表，并產(chǎn)生模擬態(tài)勢信息存儲于各個表中，其具體信息如表3所示。

表3 兩種方案下態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫說明

表3中乘號 “×”左邊數(shù)值表示部隊ID個數(shù)，右邊數(shù)值表示每一個ID所產(chǎn)生的某一類態(tài)勢信息條數(shù)。考慮到終端屏幕尺寸及其軍標(biāo)符號的繪制能力，抽取門限值Δ設(shè)定為200。

3.2 實驗結(jié)果

戰(zhàn)場環(huán)境下，及時掌握己方部隊的歷史行動軌跡以及當(dāng)前所處位置對于提升部隊的協(xié)同作戰(zhàn)能力有著重要影響，為此，實驗耗時測試的查詢語句設(shè)為 “查詢某一支部隊（ID＝188）在某一歷史時刻段內(nèi)的軌跡信息”，測試次數(shù)為12次，去掉一個最大值和一個最小值取均值作為查詢響應(yīng)耗時。表4和表5分別給出了兩種方案在不同時刻段內(nèi)的詳細(xì)的查詢耗時測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)單位秒。

其中表5中的查詢響應(yīng)耗時由兩部分構(gòu)成，一部分是在hash＿table上查詢耗時，另一部分是在具體類型信息表中批量查詢耗時。其中批量查詢耗時與抽取門限值Δ相關(guān)。方案A和方案B所產(chǎn)生的態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫大小分別為231MB和289MB，根據(jù)表4和表5測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，表6對兩者的測試數(shù)據(jù)進行了綜合對比。

表4 方案A查詢響應(yīng)耗時測試

表5 方案B查詢響應(yīng)耗時測試

表6 兩種方案查詢響應(yīng)耗時對比

采取本文提出的存儲模型設(shè)計的表結(jié)構(gòu)，雖然犧牲了一定的存儲空間，但在增加實時預(yù)處理模塊后，方案B的查詢效率比方案A的效率高。對于實時性要求很高的戰(zhàn)場環(huán)境而言，這種以存儲空間換取查詢響應(yīng)時間的做法是有意義的。

4 結(jié)束語

戰(zhàn)場信息系統(tǒng)的建設(shè)要求對于移動終端上的態(tài)勢信息高效存取加以研究。本文首先選取終端態(tài)勢信息管理數(shù)據(jù)庫－SQLite，然后根據(jù)信息描述方式提出存儲模型，結(jié)合Hash思想設(shè)計數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)并提出了一種態(tài)勢信息的實時查詢預(yù)處理方法。最后通過實驗說明本文所提出的態(tài)勢信息存取方法的有效性。下一步的工作是結(jié)合高效緩存原理對于實時查詢預(yù)處理方法進行改進。

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