張健 趙洪利

1.裝備學院研究生管理大隊,北京 101416 2.裝備學院訓練部,北京101416

自動化指揮系統(tǒng)簡稱C3I系統(tǒng),是指揮、控制、通信、情報等詞的縮寫.該系統(tǒng)以電子計算機為核心,集信息傳遞、指揮決策、戰(zhàn)術控制和情報收集為一體的高效作戰(zhàn)指揮系統(tǒng).20世紀50年代,自動化指揮系統(tǒng)被稱為C2(指揮、控制)系統(tǒng),后來逐漸發(fā)展成為C3(指揮、控制、通信),C3I(指揮、控制、通信、情報),C4I(指揮、控制、通信、計算機、情報),最后演變?yōu)镃4ISR[1](指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視、偵查).2014年8月美陸軍綜合空中與導彈防御系統(tǒng)(IBCS)由波音公司提供系統(tǒng)設計、開發(fā)和測試任務,它將目前和未來的空中與導彈防御系統(tǒng)綜合到一個共同的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中.2014年12月,美空軍將戰(zhàn)略自動化指揮控制系統(tǒng)(SACCS)進行升級,旨在為決策者檢索和驗證關鍵數(shù)據(jù)提供方便.中國空軍也相繼開發(fā)和研制了多種類型的防空作戰(zhàn)C3I系統(tǒng),如電子戰(zhàn)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、地空導彈指揮自動化系統(tǒng)等.

科研試驗指揮信息系統(tǒng)以電子計算機為核心,輔以其他現(xiàn)代化智能設備并與指揮人員相結合的信息系統(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,為科研試驗的指揮決策提供信息化支持,是保障各項科研試驗的關鍵基礎設施.

現(xiàn)有科研試驗指揮信息系統(tǒng)采用客戶端/服務器(C/S)架構,主要由指揮顯示系統(tǒng)、指揮平臺、IPTV圖像系統(tǒng)、信息安全保系統(tǒng)、綜合網管系統(tǒng)等組成.各個分系統(tǒng)擁有各自的客戶端,分散獨立運行,沒有達到科研試驗指揮信息系統(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.

本文針對科研試驗指揮信息系統(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網是科研試驗的基礎設施網絡,在IP網已全面建設的情況下,可以此為依托,將科研試驗指揮信息系統(tǒng)的各個分系統(tǒng)進行集成,把各個模塊的數(shù)據(jù)進行提取、融合、處理、分發(fā)、顯示,為科研試驗的各級指揮人員提供更加全面的信息顯示.科研試驗指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模型設計如圖1所示.該數(shù)據(jù)可視化模型系統(tǒng)以IP網為依托,利用現(xiàn)有的各個試驗分系統(tǒng),從中提取控制、通信、安全等各類數(shù)據(jù),按照統(tǒng)一的格式進行處理及存儲,最后通過可視化把各類信息呈現(xiàn)給各級指揮人員.

圖1 科研試驗指揮信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化模型

2 模塊設計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

對于科研試驗指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù),一種采集方案是利用分布式結構對試驗網中的數(shù)據(jù)進行抓取.分布式結構采用服務器/客戶端模式,服務器統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)采集任務,并對采集任務進行劃分.安裝客戶端的設備獲取采集任務,完成數(shù)據(jù)采集后進行上傳,由服務器對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的融合、處理、存儲.另一種方案是利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),加入相應的數(shù)據(jù)傳輸功能,把各個分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務器,由數(shù)據(jù)服務器按照一定格式統(tǒng)一進行處理并存儲,其架構如圖2所示.

2.2 數(shù)據(jù)預處理模塊

數(shù)據(jù)處理是以最終呈現(xiàn)給各級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)類型的不同,對采集上來的數(shù)據(jù)需要進行不同方式的處理.如監(jiān)控圖像、實況圖像等對實時性要求比較低,并不需要做過多的數(shù)據(jù)預處理;控制指令等數(shù)據(jù)要求實時性比較高,因此,需要優(yōu)先保證這類數(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)每個維度的標準化處理過程按下式計算:式中:m為樣本的均值,a為樣本的方差,x為標準化的樣本值.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

設數(shù)據(jù)集X∈RN×D,包含N條數(shù)據(jù)記錄,每個數(shù)據(jù)記錄有D個維度.設計一個準則,找到數(shù)據(jù)在低維空間的映射Z={zi}∈Rd(d=2 ord=3 andd

當降維方法為非線性時,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(非負矩陣分解)[9]等;非線性方法主要有 MVU(最大方差展開)[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各種狀態(tài)圖表、三維動畫、彈道曲線、實況錄像等方式為各級指揮人員及決策者動態(tài)呈現(xiàn)系統(tǒng)運行的實時狀況.對于采用何種可視化方式對指揮控制等數(shù)據(jù)進行直觀展現(xiàn),而不是僅僅顯示數(shù)據(jù)指令或者簡單圖表,圖3[16]顯示了選擇可視化方式的過程,按照指揮控制數(shù)據(jù)類型及各級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)類型,判斷數(shù)據(jù)屬于分布型、關系型、比較型、趨勢型的哪一種.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、主機內存占用情況、磁盤占用情況等幾個維度,按照圖3可以選擇Treemap方式,根據(jù)IP連接構建網絡拓撲,節(jié)點可以用其他可視化元素如顏色、面積分別表示內存占用情況、磁盤占用情況等信息.

圖3 可視化方法選擇

對于實況錄像可以不加處理地進行顯示,而對于各個試驗場的調度情況可以采用基于地圖的可視化技術,而對于軌道顯示可以用二維或者三維的曲線圖來表示,對于安全數(shù)據(jù)可以通過預處理將其映射到低維可視空間中進行顯示或者采用平行坐標進行顯示.

不同層級人員對可視化的需求不同,重點關注的內容也不同.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,實時性要求較高;呈現(xiàn)給決策者的信息是試驗的實況錄像等,實時性要求較低;呈現(xiàn)給安全管理員的是安全日志等信息,用于保障網絡的可用和穩(wěn)定.

3 結論

基于IP網的指揮信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化模型對于科研試驗指揮信息系統(tǒng)的建設具有重要意義,通過數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合、處理實現(xiàn)各個分系統(tǒng)信息的全面顯示,為各級指揮人員以及決策者提供決策支持.通過分等級的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)滿足用戶對不同信息顯示的差異化需求.