王 雪,鞠曉杰,王 鐸,周曉和,雷雪媛
(中國運載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)
軍事電子沙盤是掌握立體戰(zhàn)場空間態(tài)勢、實施高效指揮、支撐科學(xué)化指揮訓(xùn)練的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)平臺,其核心是利用地理信息技術(shù)、軍事仿真技術(shù)、先進(jìn)顯示技術(shù)等,代替?zhèn)鹘y(tǒng)地圖、沙盤工具,實現(xiàn)地理信息、態(tài)勢信息集成化顯示,讓指揮人員深刻理解作戰(zhàn)環(huán)境,在指揮作業(yè)系統(tǒng)的輔助下,極大地提高指揮輔助決策能力和響應(yīng)速度,提高指揮訓(xùn)練的質(zhì)量效應(yīng)[1]。但是,目前的軍用電子沙盤大多為獨立系統(tǒng)[2-6],無法和指揮中心實現(xiàn)有效連通,某種程度上僅起到展示作用,不具備指揮訓(xùn)練和輔助決策功能,同時現(xiàn)有文獻(xiàn)對電子沙盤實際作戰(zhàn)應(yīng)用的研究較少,且成果集中體現(xiàn)在交互和顯示方面[7-11]。為使電子沙盤系統(tǒng)真正面向?qū)崙?zhàn),本文提出了軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)設(shè)計方案,從應(yīng)用場景構(gòu)建、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備連接、業(yè)務(wù)流程4 個方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計,能夠支持和指揮中心的有效連通,充分發(fā)揮作戰(zhàn)指揮和指揮訓(xùn)練的實戰(zhàn)效能。
在軍事應(yīng)用中,電子沙盤系統(tǒng)一般部署在固定指揮中心或機(jī)動指揮所,是指揮訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成部分,其基本功能是二三維地理信息展示和戰(zhàn)場仿真,常見部署形式見圖1。本文從實戰(zhàn)角度出發(fā),在兼容傳統(tǒng)物理沙盤地形描述功能、繼承傳統(tǒng)電子沙盤地理信息顯示功能的基礎(chǔ)上,面向高級指揮人員的作戰(zhàn)、訓(xùn)練需求,重點實現(xiàn)電子沙盤和指揮中心其他操作席位的互聯(lián)互通,設(shè)計提出了一套戰(zhàn)時用于指揮作戰(zhàn)、平時用于演訓(xùn)演練的智能化交互式指揮訓(xùn)練作業(yè)平臺。戰(zhàn)時,電子沙盤作為首長指揮作戰(zhàn)的顯控終端,融合各操作席位作戰(zhàn)要素保障信息,實時接收戰(zhàn)場信息,顯示戰(zhàn)場二三維態(tài)勢圖,提供標(biāo)繪、測量、計算等基礎(chǔ)輔助手段,同時基于數(shù)據(jù)挖掘、人工智能技術(shù),為首長提供可智能學(xué)習(xí)調(diào)整的作戰(zhàn)預(yù)案并進(jìn)行推演仿真,輔助首長定下作戰(zhàn)決心。平時,電子沙盤作為首長演訓(xùn)演練的指控終端,具備想定設(shè)置、訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)功能,支持訓(xùn)練想定從制定、部署到訓(xùn)練全過程的數(shù)據(jù)記錄、輔助評估、復(fù)盤推演及歷史數(shù)據(jù)查詢。同時也可作為指揮中心機(jī)關(guān)部隊人員交流、培訓(xùn)的研究平臺和部隊軍情信息發(fā)布、展示、應(yīng)用的服務(wù)平臺。
圖1 電子沙盤系統(tǒng)部署示意圖
軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。軟件平臺是電子沙盤系統(tǒng)的核心,其工作原理是接入多源外部數(shù)據(jù),融合處理和存儲數(shù)據(jù),基于業(yè)務(wù)需求分析數(shù)據(jù),二三維動態(tài)展示數(shù)據(jù)。因此,數(shù)據(jù)處理平臺是基礎(chǔ),數(shù)據(jù)接入平臺和可視化顯示平臺是支撐。可視化顯示終端是電子沙盤最直觀的認(rèn)知形象,包括移動端、桌面端和大屏幕顯示終端。其中大屏幕顯示終端可支持多點紅外觸控,是實現(xiàn)人機(jī)交互的主要形式。
圖2 軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)工作原理圖
為使電子沙盤真正面向?qū)崙?zhàn),實現(xiàn)和指揮中心的互聯(lián)互通,需和指揮信息系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,采用統(tǒng)一的軟硬件接口。為實現(xiàn)電子沙盤業(yè)務(wù)的靈活擴(kuò)展、外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的快速接入,本文提出的軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)基于統(tǒng)一技術(shù)體制,采用SOA 架構(gòu),規(guī)范了作戰(zhàn)數(shù)據(jù)接口和訓(xùn)練數(shù)據(jù)接口,提供定制服務(wù)開發(fā)功能。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖3所示,主要包括:資源支撐層、基礎(chǔ)服務(wù)層、平臺應(yīng)用層。
圖3 軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)架構(gòu)圖
基礎(chǔ)設(shè)施層,是支撐系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)環(huán)境,包括圖形工作站、存儲設(shè)備、計算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、顯示設(shè)備、操作系統(tǒng)等,為原型系統(tǒng)提供統(tǒng)一、高速、安全的網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)運行基礎(chǔ)平臺。
基礎(chǔ)服務(wù)層,是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源承載與基礎(chǔ)服務(wù)提供層,對上支撐平臺應(yīng)用層,提供數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理器、SOA 引擎等基礎(chǔ)功能,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)提供業(yè)務(wù)相關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)。核心服務(wù)包括地理信息服務(wù)、數(shù)據(jù)接入服務(wù)、態(tài)勢顯示服務(wù)、仿真推演服務(wù)、互聯(lián)互通服務(wù)、軍標(biāo)標(biāo)繪服務(wù)等等,服務(wù)類型可根據(jù)需求進(jìn)行定制開發(fā),滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。
平臺應(yīng)用層,包括業(yè)務(wù)平臺和面向用戶的應(yīng)用類插件。業(yè)務(wù)平臺包括數(shù)據(jù)接入平臺、數(shù)據(jù)處理平臺、可視化顯示平臺。
數(shù)據(jù)接入平臺用于接入、處理、存儲、分發(fā)各類型信息,構(gòu)建自定義的專業(yè)軍情數(shù)據(jù)庫。具體表現(xiàn)為:能夠接收不同來源、格式、特點的作戰(zhàn)過程、綜合保障、地理信息、仿真推演等數(shù)據(jù),并在邏輯或物理上有機(jī)綜合集成,為態(tài)勢顯示、作戰(zhàn)研討、指揮決策、訓(xùn)練評估等不同應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。在平時,收集各類軍用基礎(chǔ)信息,如裝備信息、人員信息、陣地信息、目標(biāo)信息、作戰(zhàn)方案等,處理為可供數(shù)據(jù)處理平臺調(diào)用的數(shù)據(jù)格式,以本地存儲或云存儲的形式保存;在戰(zhàn)時,實時引接指揮中心各操作席位的氣象水文、電磁環(huán)境、地理環(huán)境、人文環(huán)境數(shù)據(jù),戰(zhàn)場中人員和裝備的實時位置及屬性、北斗信息、視頻信息等,并處理為可供數(shù)據(jù)處理平臺調(diào)用的數(shù)據(jù)格式。
數(shù)據(jù)處理平臺以地理信息數(shù)據(jù)為背景,接收或調(diào)用數(shù)據(jù)接入平臺的各類數(shù)據(jù),構(gòu)建態(tài)勢一張圖,實現(xiàn)敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境、目標(biāo)分析、行動進(jìn)程、標(biāo)繪和干預(yù)過程可視化。在此基礎(chǔ)上,提供標(biāo)準(zhǔn)化接口,與其他系統(tǒng)實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)銜接,保障功能擴(kuò)展和其他系統(tǒng)接入,支持業(yè)務(wù)應(yīng)用插件定制開發(fā),為作戰(zhàn)指揮業(yè)務(wù)擴(kuò)展提供支撐。在平時,基于積累的數(shù)據(jù)構(gòu)建仿真戰(zhàn)場態(tài)勢,制定作戰(zhàn)計劃和方案,進(jìn)行演習(xí)訓(xùn)練和仿真推演,相關(guān)成果存入數(shù)據(jù)接入平臺,供戰(zhàn)時調(diào)用。
可視化顯示平臺,基于自主化三維仿真引擎實時渲染生成與作戰(zhàn)及訓(xùn)練區(qū)域一致的三維戰(zhàn)場環(huán)境,運用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)技術(shù)及靈活可編輯的邏輯數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)“圖層化”信息數(shù)據(jù)融合顯示及輸出,并實現(xiàn)多點紅外觸摸控制及語音控制等。
平臺應(yīng)用層的相關(guān)插件是針對作戰(zhàn)規(guī)劃需求進(jìn)行設(shè)計,包括數(shù)據(jù)引接與管理類、過程分析與展示類以及方案推演與評估類的功能插件,定制實現(xiàn)了作戰(zhàn)規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的引接和綜合管理。作戰(zhàn)過程中戰(zhàn)場環(huán)境與戰(zhàn)場態(tài)勢的“一幅圖”綜合展示,以及作戰(zhàn)過程涉及的偵察、部隊行動、戰(zhàn)場防抗和火力打擊各類方案的綜合仿真推演與展示。
電子沙盤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計,支持分布式部署以及和指揮大廳的互聯(lián)互通。軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)由LED 高清顯示分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)、計算存儲分系統(tǒng)組成,具體如圖4 所示。
圖4 軍用交互式電子沙盤系統(tǒng)硬件組成
LED 高清顯示分系統(tǒng)用于高清顯示戰(zhàn)場信息,部署在指揮大廳;信號處理分系統(tǒng)中,圖形工作站用于部署可視化顯示平臺和數(shù)據(jù)處理平臺相關(guān)應(yīng)用;視頻拼接器用于接入外部視頻信息并在電子沙盤LED 顯示屏上進(jìn)行拼接或開窗顯示;計算存儲分系統(tǒng)中,計算/存儲服務(wù)器用于部署數(shù)據(jù)接入平臺和數(shù)據(jù)處理平臺相關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng),用于實現(xiàn)沙盤系統(tǒng)內(nèi)部及外部的數(shù)據(jù)交互,這3 類設(shè)備部署在設(shè)備間,系統(tǒng)部署及設(shè)備連接情況如下頁圖5所示。
圖5 軍用交互式電子沙盤設(shè)備連接關(guān)系圖
電子沙盤系統(tǒng)對外提供視頻信號、控制信號以及數(shù)據(jù)3 類信息的接入和輸出。光口交換機(jī),對內(nèi)提供萬兆光纖接口,實現(xiàn)計算/存儲服務(wù)器和圖形工作站之間的復(fù)雜地理信息和模型數(shù)據(jù)交互;對外提供萬兆光纖接口,用于接入指揮中心專用信息子網(wǎng),實現(xiàn)和指揮大廳各操作席位的作戰(zhàn)信息交互,并可接入民用數(shù)據(jù)、北斗數(shù)據(jù)等。千兆交換機(jī),對內(nèi)提供網(wǎng)線接口,實現(xiàn)計算/存儲服務(wù)器、圖形工作站、視頻拼接器、電子沙盤LED 顯示屏之間的控制信號交互;對外提供網(wǎng)線接口,用于接入指揮中心專用控制子網(wǎng),實現(xiàn)和指揮大廳的控制信號交互,接受指揮大廳顯控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和遠(yuǎn)程控制。視頻拼接器,對內(nèi)對外均提供光纖接口,可直接通過光纖和指揮大廳的數(shù)字信號綜合處理平臺連接,實現(xiàn)指揮大廳的視頻畫面在電子沙盤上顯示,并支持將電子沙盤畫面輸出至指揮中心顯示大屏。通過上述連接關(guān)系,可全面支撐電子沙盤系統(tǒng)和指揮中心在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、控制信號以及視頻畫面的互聯(lián)互通。
系統(tǒng)提供作戰(zhàn)和訓(xùn)練兩種應(yīng)用模式。在作戰(zhàn)模式下,電子沙盤實時引接指揮中心各席位作戰(zhàn)要素數(shù)據(jù),結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),構(gòu)建要素齊全的戰(zhàn)場態(tài)勢圖,為輔助首長決策提供可視化數(shù)據(jù)支撐;在訓(xùn)練模式下,系統(tǒng)基于自身數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建仿真戰(zhàn)場態(tài)勢,制定訓(xùn)練想定,實現(xiàn)對各席位作戰(zhàn)要素的作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練,也可引接部隊訓(xùn)練信息,展示部隊的位置部署、訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練成果等。根據(jù)實際作戰(zhàn)需求,電子沙盤系統(tǒng)提供6 種類型的基本業(yè)務(wù)應(yīng)用插件,如圖3 所示,包括多源信息匯集與分發(fā)類插件、態(tài)勢展示類插件、籌劃交互類插件、仿真推演類插件、進(jìn)程監(jiān)控類插件和考核評估類插件。
在實戰(zhàn)模式下,首長基于電子沙盤開展指揮工作,此時電子沙盤處于信息的實時接收狀態(tài),業(yè)務(wù)流程如圖6 所示。具體流程如下:
圖6 作戰(zhàn)模式業(yè)務(wù)流程圖
1)首長在態(tài)勢顯示界面查看全局戰(zhàn)場態(tài)勢,此時指揮中心各操作席位將處理后的氣象水文、電磁、情報偵察、后裝保障等態(tài)勢信息實時協(xié)同給電子沙盤態(tài)勢顯示界面,供首長掌握敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境等全局戰(zhàn)場態(tài)勢。首長亦可根據(jù)自身需求定制專題態(tài)勢,專題態(tài)勢由指揮中心相應(yīng)席位完成標(biāo)注后提交給電子沙盤進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)接收通過多源信息匯集與分發(fā)類插件實現(xiàn),態(tài)勢融合顯示由態(tài)勢展示類插件實現(xiàn)。
2)首長基于態(tài)勢信息,進(jìn)行作戰(zhàn)籌劃,籌劃過程通過軍標(biāo)標(biāo)繪形式在態(tài)勢圖上進(jìn)行,籌劃結(jié)果以標(biāo)繪完成的態(tài)勢圖形式下發(fā)給指揮中心相應(yīng)操作席位,各操作席位根據(jù)作戰(zhàn)籌劃圖擬制詳細(xì)的作戰(zhàn)計劃,并上報首長審批,首長通過電子沙盤下發(fā)作戰(zhàn)指令和接收指令回復(fù)。通常,作戰(zhàn)計劃在平時完成制定,并進(jìn)行仿真推演,基于推演結(jié)果進(jìn)行方案調(diào)優(yōu),調(diào)整后的作戰(zhàn)計劃可存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行儲備供戰(zhàn)時調(diào)用。上述功能由籌劃交互類插件、仿真推演類插件、多源信息匯集與分發(fā)類插件實現(xiàn)。
3)作戰(zhàn)過程中,首長通過電子沙盤實時接收各操作席位上報的戰(zhàn)場情況,包括目標(biāo)毀傷情況、裝備實時位置、裝備儲備及戰(zhàn)損情況、人員傷亡情況等,并可在關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行指令干預(yù)。該功能通過進(jìn)程監(jiān)控類插件實現(xiàn)。
4)作戰(zhàn)結(jié)束后,基于電子沙盤記錄的作戰(zhàn)情況,可開展本次作戰(zhàn)的整體評估,評估結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫供后續(xù)作戰(zhàn)參考。該功能由考核評估類插件實現(xiàn)。
訓(xùn)練模式按照訓(xùn)練準(zhǔn)備、訓(xùn)練、訓(xùn)練評估3 個階段開展,業(yè)務(wù)流程如圖7 所示。相比于作戰(zhàn)模式而言,訓(xùn)練模式增加了訓(xùn)練方案庫,可對訓(xùn)練過程進(jìn)行導(dǎo)調(diào)控制,其他內(nèi)容與作戰(zhàn)模式一致,確保實現(xiàn)“按作戰(zhàn)的方式訓(xùn)練”。
圖7 訓(xùn)練模式業(yè)務(wù)流程圖
訓(xùn)練準(zhǔn)備階段:1)啟動籌劃交互類插件,對本次訓(xùn)練目的、訓(xùn)練任務(wù)、參訓(xùn)人員和裝備進(jìn)行設(shè)置,形成訓(xùn)練方案,該方案通過多源信息匯集與分發(fā)類插件發(fā)送給相關(guān)訓(xùn)練業(yè)務(wù)終端,存入訓(xùn)練方案庫,并且在態(tài)勢展示類插件上可視化展示;2)態(tài)勢展示類插件從態(tài)勢數(shù)據(jù)庫調(diào)用作戰(zhàn)歷史態(tài)勢,或從多源信息匯集與分發(fā)類插件接收外部態(tài)勢信息,在可視化顯示平臺上進(jìn)行融合展示,為指揮員提供仿真實時戰(zhàn)場態(tài)勢。
訓(xùn)練階段:1)籌劃交互類插件接收訓(xùn)練方案,指揮員根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)和實時戰(zhàn)場態(tài)勢,明確作戰(zhàn)任務(wù),制定作戰(zhàn)方案,方案內(nèi)容在態(tài)勢展示類插件上可視化顯示;2)制定完成的作戰(zhàn)方案通過仿真推演類插件調(diào)整優(yōu)化,最終方案由多源信息匯集與分發(fā)類插件發(fā)送給相應(yīng)訓(xùn)練業(yè)務(wù)終端,同時方案存入數(shù)據(jù)庫;3)指揮員通過進(jìn)程監(jiān)控類插件實時監(jiān)控訓(xùn)練進(jìn)程,并完成相應(yīng)操作;同時,進(jìn)程監(jiān)控類插件記錄指揮員操作和訓(xùn)練關(guān)鍵狀態(tài)信息。
訓(xùn)練評估階段:1)考核評估類插件對指揮員、訓(xùn)練過程中的關(guān)鍵點,以及整場訓(xùn)練情況3 個維度進(jìn)行評估;2)評估結(jié)果存入訓(xùn)練評估數(shù)據(jù)庫。
電子沙盤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互主要體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)和指揮中心之間的數(shù)據(jù)交互。電子沙盤系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)包括地理信息數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等,存儲容量為TB 級別,并基于業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)充。
系統(tǒng)內(nèi)部,計算存儲服務(wù)器和圖形工作站之間傳輸數(shù)據(jù),主要是衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、高程及矢量數(shù)據(jù)等,瞬時傳輸峰值為GB級。所以通過萬兆光口交換機(jī)連接,使用分布式文件系統(tǒng)以及并發(fā)訪問模式。
電子沙盤和指揮中心各操作席位之間通過萬兆光口交換機(jī)相連,傳輸數(shù)據(jù)主要是態(tài)勢圖、作戰(zhàn)計劃、作戰(zhàn)指令,數(shù)據(jù)容量相對沙盤內(nèi)部較小,瞬時傳輸峰值可為MB 級。
在指揮中心建設(shè)的電子沙盤其顯示屏尺寸規(guī)模較大,長寬均為米(m)級,顯示屏一般采用4 KLED高清顯示,在軟件性能、圖形工作站性能、視頻拼接器性能、顯示屏性能的系統(tǒng)性配置和有效配合下,LED 顯示屏外部輸入刷新率不低于60 Hz、LED 單元刷新率不低于3 840 Hz 時畫面顯示較好,無任何卡頓和抖動現(xiàn)象。
為保證數(shù)據(jù)響應(yīng)的實時性,對可能使用到的模型及地理信息進(jìn)行緩沖。氣象水文數(shù)據(jù)按照分鐘級進(jìn)行周期性更新,沙盤系統(tǒng)能夠在毫秒(ms)級內(nèi)響應(yīng)并處理。作戰(zhàn)計劃、作戰(zhàn)指令等非周期性數(shù)據(jù)在毫秒級內(nèi)進(jìn)行處理,標(biāo)繪操作時可能涉及地圖載入等動作,總體時間在秒(s)級以內(nèi)。態(tài)勢信息以秒(s)級頻率更新,標(biāo)繪時間在毫秒級以內(nèi)。視點、視角變換以及縮放、漫游等操作的畫面切換時間均在秒級以內(nèi)。
指揮中心電子沙盤應(yīng)用一般面向一場戰(zhàn)役或戰(zhàn)術(shù)級的集訓(xùn)任務(wù),綜合考慮任務(wù)需求、顯示清晰度、操作方便程度和計算資源消耗情況,仿真粒度為任務(wù)級,能夠顯示陣地及其屬性、裝備模型及裝備屬性、裝備行進(jìn)軌跡等。目前任務(wù)級模型粒度能夠滿足應(yīng)用需求。
隨著軍隊信息化建設(shè)的深入,信息來源和種類的日益擴(kuò)展,決策支持手段的不斷豐富,針對各軍兵種作戰(zhàn)訓(xùn)練、指揮決策的需要,建立一套具備完整的指揮決策分析、任務(wù)推演及態(tài)勢展示功能的電子沙盤系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。本文從實戰(zhàn)角度出發(fā),建設(shè)了一套綜合態(tài)勢展示直觀、交互手段豐富多樣、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)引接靈活、功能齊全兼具擴(kuò)展的軍事電子沙盤系統(tǒng),滿足首長的作戰(zhàn)指揮和指揮訓(xùn)練的使用需求。該系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于某軍種指揮中心,保障了多次集訓(xùn)任務(wù),滿足了首長通過一臺電子沙盤實現(xiàn)信息化戰(zhàn)場指揮的作戰(zhàn)需求,大大提高指揮效率。同時,本文提出的建設(shè)框架對新一代指揮信息系統(tǒng)論證具有一定的借鑒意義。