鄭貴省，車亞輝，李月明

(1.軍事交通學院 基礎(chǔ)部，天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

?

● 基礎(chǔ)科學與技術(shù)Basic Science & Technology

運輸方案推演態(tài)勢回放系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄭貴省1，車亞輝2，李月明2

(1.軍事交通學院 基礎(chǔ)部，天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

針對運輸方案推演態(tài)勢回放系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大、對繪制的實時性要求較高的特點，提出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取動態(tài)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，選擇態(tài)勢回放算法基于緩沖思想調(diào)度動態(tài)數(shù)據(jù)，解決了態(tài)勢回放系統(tǒng)的效率問題，實現(xiàn)了運輸任務(wù)態(tài)勢回放功能。

運輸任務(wù)；態(tài)勢回放；動態(tài)存儲結(jié)構(gòu)；動態(tài)調(diào)度

運輸態(tài)勢是對當前運輸區(qū)域內(nèi)運輸力量的部署、運輸力量的行動、自然地理、水文氣象、交通設(shè)施狀況等形成的運輸進程狀態(tài)與形態(tài)的綜合描述，如運輸發(fā)生的時空分布，當前運輸位置、運行要素及其發(fā)展趨勢等。態(tài)勢回放是一種提供事后反饋的機制，可以對完整的運輸方案推演的態(tài)勢演變過程進行重演。一般演習結(jié)束后，需要對方案的推演情況提供反饋和講評，因此，記錄整個運輸態(tài)勢變化過程并能夠加以回放，是十分必要的[1]。

實現(xiàn)運輸態(tài)勢回放需要將輸送過程中所有中間狀態(tài)結(jié)果按時間順序保存下來，但是，由于一些運輸任務(wù)涉及范圍廣、持續(xù)時間長、保障力量多，實施過程中會產(chǎn)生海量的中間態(tài)勢數(shù)據(jù)。系統(tǒng)要將整個運輸態(tài)勢根據(jù)仿真時間軸較好地展現(xiàn)出來，就必須面臨如何采集存儲態(tài)勢數(shù)據(jù)并進行高效調(diào)度復盤的問題。本文針對態(tài)勢回放系統(tǒng)的特點，分析研究相關(guān)問題，提出系統(tǒng)總體設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)層、中間層以及應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層提供整個系統(tǒng)運行所需數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、實體數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)以及控制數(shù)據(jù)等。環(huán)境數(shù)據(jù)常以背景地圖形式存儲，用于繪制輸送區(qū)域；實體數(shù)據(jù)用于展現(xiàn)運輸過程中各類實體狀態(tài)的變化；事件數(shù)據(jù)一般由時間索引信息以及相應(yīng)實體狀態(tài)改變信息組成；控制數(shù)據(jù)是對前三者的補充、轉(zhuǎn)換和加工，作用是展現(xiàn)用戶自定義的附加屬性、過濾機制等。其中，用于繪制表現(xiàn)整個運輸態(tài)勢的事件數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)包含在外存的回放文件之中。

中間層實現(xiàn)文件解析，為系統(tǒng)提供回放算法以及處理調(diào)度數(shù)據(jù)、環(huán)境繪制等功能。數(shù)據(jù)調(diào)度要求能夠保證數(shù)據(jù)的時序性，繪制態(tài)勢時能夠提高系統(tǒng)效率。

當前WebGIS已成為實現(xiàn)GIS互操作的一條最佳解決途徑[2]。因此，應(yīng)用層利用Flex具體實現(xiàn)對存儲的態(tài)勢數(shù)據(jù)進行繪制管理與控制的過程，提供用戶交互界面，響應(yīng)操作人員的各類指令，使系統(tǒng)能夠在復盤界面上繪制表現(xiàn)整個運輸過程、過濾顯示回放態(tài)勢、進行個性化的配置，實現(xiàn)整個態(tài)勢的更新、暫停、跳轉(zhuǎn)、進退等。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

2.1態(tài)勢數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

為滿足系統(tǒng)對于態(tài)勢回放展示的要求，數(shù)據(jù)需要進行合理高效的采集存儲，并要求存儲的數(shù)據(jù)信息包含全面，方便回放控制。目前，態(tài)勢數(shù)據(jù)存儲通常有靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)和動態(tài)存儲結(jié)構(gòu)兩種方式[3]。靜態(tài)結(jié)構(gòu)的特點是存儲每個時刻的全部實體信息，不考慮該數(shù)據(jù)先前是否存在，即使該實體先前已經(jīng)存在且不再發(fā)生變化，靜態(tài)結(jié)構(gòu)也會在之后的每一幀數(shù)據(jù)中進行存儲，該結(jié)構(gòu)會使存儲文件的空間增長較快。區(qū)別于靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)，動態(tài)結(jié)構(gòu)僅保存變化的實體，對于不再發(fā)生變化的實體，僅存儲其最后一次發(fā)生變化時的狀態(tài)信息。

本系統(tǒng)采用動態(tài)存儲結(jié)構(gòu)，將采集的數(shù)據(jù)按照周期劃分，每一個周期中的態(tài)勢數(shù)據(jù)稱為一幀數(shù)據(jù)。將實體分為新增的實體(Increase)、變化的實體(Change)、消失的實體(Disappear)3類，方便判斷其變化情況，決定如何對其進行存儲。在周期開始時，加載一個全信息幀，展現(xiàn)初始態(tài)勢，之后加載的幀僅記錄發(fā)生變化的實體。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)存儲邏輯結(jié)構(gòu)

其中，靜態(tài)幀(static)包含了當前t時刻的所有實體的態(tài)勢數(shù)據(jù)，動態(tài)幀(dynamic)中包含的是該仿真時刻相對于前一靜態(tài)幀發(fā)生變化的實體信息。圖3為時間軸跳轉(zhuǎn)示意圖，要從時刻T1跳轉(zhuǎn)到T2，只需加載靜態(tài)幀S2并疊加D22中的實體變化信息，這樣做大大縮減了存儲的數(shù)據(jù)量。

圖3　時間軸跳轉(zhuǎn)

2.2態(tài)勢回放算法

實現(xiàn)系統(tǒng)態(tài)勢回放需要兩種算法，分別是順序訪問算法1以及隨機訪問算法2[4]。算法1實現(xiàn)從時刻0至時刻n-1的順序播放，并可在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)變速播放、過濾等功能；算法2實現(xiàn)了對t時刻態(tài)勢的隨機播放，以及拖動跳播、編輯態(tài)勢等功能。

(1)順序播放。在繪制每一幀態(tài)勢前，先對該幀態(tài)勢數(shù)據(jù)中的實體類型進行判斷，根據(jù)其相應(yīng)的標記類型決定在繪制該幀態(tài)勢時進行更新或是刪除。在更新每一幀態(tài)勢時，不需要完全清空內(nèi)存后重新加載，而是將存在的實體數(shù)據(jù)一直保存，在后續(xù)態(tài)勢展現(xiàn)中僅進行相應(yīng)的更新。其具體算法為

for each time from time_index[0…n-1]//讀取時間索引

begin

for each entity from entity_index[0…m-1]

begin

read entity from file; //根據(jù)索引讀取實體數(shù)據(jù)

if entity is Increase type then insert it to memory //判斷該實體類別后，Increase type的實體載入內(nèi)存

else if entity is Change type then update entity //Change type的實體在內(nèi)存中進行更新

else delete entity;//Disappear type實體從內(nèi)存中刪除

end for

show all entity; //顯示所有實體，展現(xiàn)態(tài)勢

end for

(2)隨機播放。事實上是對態(tài)勢數(shù)據(jù)的一種偽隨機訪問，其算法與順序播放算法幾乎相同，區(qū)別在于順序播放顯示每個時刻的實體態(tài)勢數(shù)據(jù)，而隨機播放不顯示t時刻之前的實體態(tài)勢數(shù)據(jù)。具體算法為

for each time from time_index[0…n-1]

begin

for each entity from entity_index[0…m-1]

begin

read entity from file;

if entity is Increase type then insert it to memory

else if entity is Change type then update entity

else delete entity;//Disappear type

end for

end for

show all entity;

2.3數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸

中間層除了提供算法以外，還需要提供一種高效的數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸方法，提高系統(tǒng)的運行效率。數(shù)據(jù)調(diào)度是將回放文件中解析出來的需要使用的數(shù)據(jù)傳輸給繪制線程，用以展現(xiàn)運輸態(tài)勢的過程。當輸送規(guī)模較大時，一幀態(tài)勢中的數(shù)據(jù)量也會比較大，給數(shù)據(jù)的處理調(diào)度帶來了很大負擔。因此，采用基于緩沖思想的數(shù)據(jù)調(diào)度方法，在載入解析數(shù)據(jù)的同時，調(diào)度傳輸繪制所需的數(shù)據(jù)，以此來保證態(tài)勢回放過程的效率以及流暢程度。

由于文件解析是從外存載入數(shù)據(jù)，而用于更新態(tài)勢的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)從內(nèi)存中讀取，因此，采用雙緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)緩存策略，利用A緩沖區(qū)緩存回放文件解析出的數(shù)據(jù)，B緩沖區(qū)緩存繪制態(tài)勢所需的待用數(shù)據(jù)。在設(shè)計緩存區(qū)大小時，過大會減緩系統(tǒng)的啟動速度，過小則作用不明顯，所以要以幀為單位，視情況而定。

由此，將數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸?shù)倪^程分為兩部分：一是從外部回放文件解析數(shù)據(jù)到存儲區(qū)；二是從數(shù)據(jù)存儲區(qū)取數(shù)據(jù)用于更新繪制線程。其中，A緩沖區(qū)為數(shù)據(jù)預處理緩沖了時間；而B緩沖區(qū)則用于緩存未來幾幀態(tài)勢繪制所需數(shù)據(jù)，從而較好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層之間的交互。同時，為緩解數(shù)據(jù)頻繁更新給繪制帶來的壓力，在更新控制較大的位移數(shù)據(jù)時，并不更新每一幀數(shù)據(jù)，而是根據(jù)當前需播放幀數(shù)跳播更新，減少數(shù)據(jù)的吞吐量，保證數(shù)據(jù)的傳輸調(diào)度速度，提高整個系統(tǒng)的效率。

另外，通常運輸任務(wù)的區(qū)域范圍廣闊，地圖繪制量較大，因此采用分層分塊的方法，判斷當前可視區(qū)域需要參與繪制的地圖層或塊，從而提升該部分的繪制效率。

3　系統(tǒng)功能實現(xiàn)

應(yīng)用層從Flex、空間數(shù)據(jù)庫等服務(wù)器端技術(shù)及聚類分組、屏幕網(wǎng)格等方面進行探討和分析，實現(xiàn)了運輸任務(wù)態(tài)勢回放系統(tǒng)的功能[5]。對地形、資源與環(huán)境等空間信息，以及運輸態(tài)勢數(shù)據(jù)進行存儲、檢索、分析、顯示和輸出，為各級保障力量指揮人員提供全面的運輸態(tài)勢感知，便于對整個輸送過程進行回顧、分析和輔助講評。

用戶通過系統(tǒng)交互界面的“數(shù)據(jù)加載”菜單定義起始時間，從外存中加載態(tài)勢回放所需文件；在“模型操作”菜單中控制參加運輸任務(wù)的模型實體的疊加、過濾、高亮顯示等；通過“實時追蹤”菜單可選擇追蹤對象，解析該對象實時發(fā)回的北斗位置信息，并加以顯示；“態(tài)勢展現(xiàn)”在地圖上顯示運輸實體及其整個運輸過程，通過仿真時間軸來控制態(tài)勢回放速度、跳播展現(xiàn)指定時刻的運輸態(tài)勢。部分效果如圖4所示。

圖4　態(tài)勢回放效果

4　結(jié)　語

本文闡述了運輸方案推演態(tài)勢回放系統(tǒng)的設(shè)計思想、總體結(jié)構(gòu)，在確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集策略及其存儲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度傳輸，基本滿足系統(tǒng)功能的需求與實現(xiàn)。但目前系統(tǒng)對于推演態(tài)勢的回放尚處于二維平臺，下一步應(yīng)引入多維態(tài)勢信息，進一步滿足態(tài)勢回放需求，為推進運輸方案推演建設(shè)提供應(yīng)用價值。

[1]石書浩,張潔,呂品,等.模擬演練態(tài)勢回放系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2012,33(3):1079-1084.

[2]劉讓國,彭會湘,陳莉.基于WebGIS的態(tài)勢表達解決方案探討[J].計算機與網(wǎng)絡(luò),2013(2):61-63.

[3]景民,胡曉峰,吳琳,等.面向態(tài)勢回放的兩種海量數(shù)據(jù)采集存儲結(jié)構(gòu)分析[J].系統(tǒng)仿真學報,2012,24(5):989-998.

[4]臧勤,李樹文,劉佳媛.一種基于數(shù)據(jù)庫的綜合態(tài)勢生成方法[J].雷達與對抗,2015,35(2):19-21.

[5]聶俊嵐,陳歡歡,郭棟梁,等.多維數(shù)字戰(zhàn)場態(tài)勢可視化分析研究[J].小型微型計算機系統(tǒng),2014(3):626-629.

(編輯：張峰)

Design and Realization of Situation Replay System in Transportation Desktop Maneuvers

ZHENG Guixing1, CHE Yahui2, LI Yueming2

(1.General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To realize real time analysis and dispatch of the huge data in situation replay system for a transportation desktop maneuver, this paper presents a structure design of the system, in which dynamic storage structure is applied, situation replay algorithm is used and dynamic data is dispatched under the guidance of buffer idea. This design improves the efficiency of the situation replay system and realizes transporation task situation replay function.

transportation task; situation replay; dynamic storage structure; dynamic dispatch

2015-07-08；

2016-04-19．

鄭貴省(1975—)，男，博士，副教授，碩士研究生導師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.06.020

U491.1

A

1674-2192(2016)06- 0086- 04