面向服务的战场态势感知与协同技术研究

仇建伟，王 川，程向力

(中国电子科技集团公司第15研究所，北京 100083)

0 引言

共用态势图(COP)简称态势图，是军事指挥部门了解战场态势的主要手段，是广泛的战场态势感知系统、服务和应用的一个关键部分，是服务于决策制定的共用战场态势信息仓库，能更快、更好地引导同步规划和执行决策。类似商业和工业部门的许多信息管理系统，当前的态势图建立在管理数据资产的观点上，即获取信息并且放置在容易访问的信息中心。其结果是当前的态势图变成了一个存放庞大战场信息的“数据仓库”，其中大量的信息缺乏有效组织，难于搜索和利用，与指挥决策的相关性较低。为了克服这些不足，新型的态势图必须建立在清晰地理解军事指挥组织内的认知过程的基础上，实现把有用的信息转换成及时和聚焦的行动中。文献［1］中基于信息管理、感知、知识创建和决策的过程模型和概念提出了新型COP所需的特定功能，其关键技术领域涉及灵活的知识编码和管理、协同的感知、多视角的知识创建、多层次决策的信息体系结构和管理工具。当前的COP设计反映了一种归纳式的推理过程，能较好地处理战术级决策制定。未来的COP设计必须解决怎样动态地采集和根据情况组织信息，使之成为对指挥员决策过程更实用的信息和态势管理方法，因此未来的COP设计将既是“数据驱动”的也是“概念驱动”的，同时也必须考虑逐渐增长的军事行动复杂性和多类型用户的存在，另外支持COP的信息技术必须考虑影响军事指挥运作的关键认知和群体因素。

下面从未来态势图应用背景和需求、服务和能力体系结构、态势图数据模型和面向服务的标绘应用等方面展开技术论述。

1 背景和需求

美军近十年的几场局部战争已经验证了网络中心战［2］的基本原则及示范了COP技术促成军事决策人员了解战场态势的价值。在信息管理、感知、知识创建和决策制定领域的近期研究也取得了积极的进展。美军在新技术和新的作战环境下开展新型COP系统的研究和开发，旨在提高复杂的、常常是非对称的战场环境中联合和联盟的指挥组织的运行效能，推动当前“数据仓库”模式的COP转换到能够有效支持在变化的作战环境中态势感知和知识的创建。

从历史角度看，为了支持指挥控制，军事组织已经把“作战中心”开发成了“网络中心”。共享的态势感知和协同注重改善联网能力，因此产生了共用态势图(COP)、通用关联作战图(CROP)和用户自定义作战图(UDOP)等概念和术语［3］。用户自定义的“图”使得可利用的作战信息能直接地分发到个体的桌面，实现用户在指挥控制支持下执行他们的任务［4］。UDOP的概念更加体现了网络中心的理念，从技术和作战的背景为用户提供信息的选择、过滤、转换、样式、渲染和更新等功能。因此UDOP成为在关键态势信息的创建、可视化、组合、剪裁和共享过程中的核心功能模块。

信息管理、感知、知识创建和决策这四个方面相互关联，形成了一个完整的作战指挥过程，这个过程对未来态势图的设计和应用需求提出了八大目标。

(1)联网 网络中心的信息管理是战场态势获取、存储、处理和使用的基础，建立和维护一个有效的战场信息网络需要了解战场赛博空间的运行态势和行动监控;

(2)建模 管理共用的态势信息需提供集成的态势数据模型和基于Web服务的数据存储与访问机制;

(3)创建 基于先进信息网络的战场态势感知首先要对网络中心环境的信息资源有全面、正确和深度的了解，需要利用企业级的信息发布、发现、访问和订阅等服务创建任务和用户需要的基本态势信息，其中要确定包括或拒绝的内容;

(4)可视化 指定所选内容如何在Web环境下表现、交互和绘制;

(5)提升 态势图的扩展注重基于领域知识派生的增值，态势认知的聚合;

(6)剪裁 态势图内容的调整能够满足每个用户或梯队的需求;

(7)共享 态势图的共享能够提供和引导跨越组织的、灵活的和多方式的指挥协同所期待的战场态势信息共享的能力;

(8)协同 有效的态势信息协同环境是提供战场态势和认知的手段，是推动任务与作战规划过程和行动同步的条件。

上述八大目标为快速发展的网络中心作战所需的战场态势图应用设计和开发提供了指南。

2 战场态势感知服务框架

一个具有适应发展的、灵活的态势感知系统的实现依赖多个关键的系统设计模式，包括面向服务的体系结构(SOA)、插件机制、能力分层、滤波器模型和松耦合的连接等。战场态势感知服务能力框架设计的核心是SOA，这种模式强调期望的计算(处理)能由组合多种服务实现，每个服务仅需要知道服务类型(如接口和能力)及服务提供的数据资产。Web服务体系结构的主要特性包括以下6个方面。

(1)各类服务构件被组成为多个层次;

(2)各类服务的使用常常是级联的;

(3)各类服务接口使用开放的标准并且是相对简单的;

(4)各类服务通信使用开放的互联网标准;

(5)不限制服务器和客户的实现方法;

(6)各类数据被分布存储。

对战场态势感知服务和能力框架的设计和描述按照Web服务体系结构的概念分为客户层、应用服务层、处理服务层和信息管理层［5，6］，如图 1 所示。下面对每个层面涉及的战场态势信息感知服务模块做了详细的能力分类和概述，为未来全面实现面向服务的战场态势应用系统设计和实现提供了一致的体系结构参照模型。

图1 战场态势感知服务和能力框架

2.1 通信与服务基础设施

战场态势感知服务和应用系统需要良好的通信环境和通用的服务平台的支持，对潜在的战场数据源和服务的发现、确认和授权的访问是基本的要求，这类信息基础设施通常要求整合互联网、企业内联网、无线网、分布式计算平台、核心Web服务和企业服务总线(ESB)等通用的基础信息处理能力。

2.2 信息管理服务

信息管理服务层是获取战场态势信息的服务接口，这类服务实现了对外部数据源的存储和访问功能，每个服务通常能够处理多种分散的数据集，此外这类服务也提供存储和搜索描述多种数据集的元数据。信息管理服务层假定通过Web机制提供对任何期望的数据源的访问。绝大多数的数据存储在信息管理层的数据服务器内，但是某些数据可以并且常常存储在其他服务层面的服务器中。对于实际的态势数据存储管理，服务器可以紧耦合地处理存储在本地的数据，也可以松耦合地处理来自另外服务器上被检索到的数据。本层服务主要包括

(1)RSS传播服务，及时传递各类地理参照的事件;

(2)作战轨迹广播服务，通过基于事件的Web服务传递战场目标动态数据;

(3)标准GIS服务类，提供符合OGC或国际地理标准的地理数据，如:地图数据服务(WMS)、地理要素数据服务(WFS)、数据覆盖服务(WCS)、目录服务(CSW)和地名录服务等;

(4)战场环境数据服务，由请求-应答Web服务模式支持对诸如战场气象水文数据和空间电磁数据和指挥控制(JC3IEDM)数据访问;

(5)发布-订阅服务，通过数据发布-订阅机制提供各类信息产品的常备定制服务。

2.3 处理服务

处理服务层提供应用所需的一些通用数据处理服务，产生的结果数据提供给应用服务层存储或使用，服务类型主要有

(1)各类标准的地理数据处理服务，如:地图服务(WMS)、地形服务(WTS)、三维地理要素服务(W3DS)、坐标系转换服务(WCTS)、图象分类服务(WICS)、要素图示表达服务(FPS)、数据覆盖图示表达服务(CPS)、地理解析服务和地理编码服务等;

(2)各类地理信息分析服务，如:地理数据抽取服务、尺度测量服务、路径判定服务、邻近分析服务、变化检测服务、数据校正服务、格式变换服务和语义转化服务等;

(3)二三维图形图像处理服务，提供战场态势数据的通用图象数据处理、目标识别、格式和编码转换，战场态势二三维图形生成等;

(4)综合环境数据服务，如:空天实体、气象水文、空天电磁场等数据的综合处理、编码和传递(SEDRIS);

(5)其他指挥控制数据处理服务，如:指挥控制数据格式转换、数据模型处理等。

2.4 应用服务

应用服务层提供特定应用相关的处理能力，这些功能通常是由多个客户软件共享和使用，尤其是支持类似Web浏览器的瘦客户的门户应用服务，这些应用服务替代每个客户直接地执行那些经常需要支撑的通用功能，服务主要包括6个方面。

(1)Web门户服务，允许用户与多个具有不同数据类型和用途的应用服务交互;

(2)开放的地理信息服务类，提供面向各类地理应用的Web服务，这类应用服务直接依赖处理服务层和信息管理服务层提供的相关服务，为应用提供定制的功能;

(3)军队标号处理服务，支持战场军事要素和指挥控制意图的可视化处理，如:美军的作战符号和图形规范(MIL-STD-2525C)［10］和我军军队标号［11］等;

(4)态势图应用服务，支持军事指挥和作战人员完成战场态势图的创建、显示、编辑、标绘、剪裁和高层态势图自动生成等处理;

(5)态势图信息库服务，用于态势图模板、订阅和采集的指控数据、战场环境数据、态势图快照等的发现、访问、存储和共享;

(5)指挥控制应用服务，涉及执行作战任务、决策制定和情报分析等;

(6)通用的应用服务，为复杂的战场态势业务处理提供应用支撑服务，如:协同服务、服务级联定义服务、工作流执行服务、访问控制服务和使用账目服务。

2.5 客户层

态势图应用客户端软件提供独立的桌面应用软件、其他应用的代理软件和应用特定的图形用户接口软件。提供用户访问态势图应用服务的软件可以是瘦型的(Web浏览器)、胖型的(桌面应用)或富型的(处于两者之间)，态势图应用客户软件主要分为

(1)二维态势图显示工具，如:通用的Web浏览器和媒体播放器，包含各类浏览器支持的通用插件，通常无需安装特定的态势图显示和处理插件;

(2)三维态势图显示工具，如:地理信息服务通常提供各类三维地球显示工具，典型的有ArcGIS Explorer、AGI Viewer和 Google Earth 等;

(3)态势图编辑工具，提供完整的态势图创建、编辑、发布和管理功能，桌面应用模式可以提供先进的三维处理能力，Web站点模式通常提供二维处理能力，常常需要下载必要的态势图处理插件。

3 态势图数据模型

战场态势感知服务是一个综合的战场信息管理系统，而态势图是战场态势信息的典型应用，是通过综合处理而得到的、满足指挥控制需要的实用信息产品。针对态势图系统和应用的开发，其关键任务是要设计一个良好的态势图数据模型，实现图与库的关联，清楚地描述其基本概念、组成、关系、规则和处理模式。目前国内外态势图应用系统通常是将指控数据模型和态势图可视化数据模型作为两个独立的内容分别实现，这极大地限制了战场态势信息的定制和灵活的图形表达和处理。本节综合战场信息、军标符号和态势显示模式提出了一种态势图数据模型，为态势图应用功能模块的设计和开发统一了基本数据实体的概念和保证处理逻辑对数据的正确处理、可扩展、可理解和可互操作，支撑未来复杂、灵活的态势图数据显示和定制所需的各类业务数据和功能数据的管理。

3.1 态势图数据建模

态势图数据模型的设计涉及广泛的数据类型、多种数据模型和各类数据规范。态势图数据模型设计的重点是描述战场环境要素、态势要素和可视化的基本组成、组成之间的关系和操作规则。态势图是一个军事应用概念，从技术角度可以描述为按要求聚合的战场态势要素和对象的数据集合和显示，通常由选定的态势图模板确定;从作战人员的角度，态势图就是一个指挥部门或作战小组共用的作战图。

态势图数据模型高层基本概念和实体包括

(1)战场环境要素，描述了地理参照的各类实体，包括海、陆、空、天四维空间中的物理的、非物理的和电磁的对象或现象;

(2)指挥控制要素，也称为态势要素，描述了战场指挥和行动的各类对象和概念，包括具体的军事目标、单位和抽象的指挥意图等;

(3)军事符号和图形对象，可视化战场对象的各类图形数据，包括二维、三维图形图像对象、战术图形对象等;

(4)战场传感器数据，来自不同地点和平台上采集的各类对象数据，包括静态的、动态的和连续的情报数据;

(5)态势图模板，描述态势图的组成规则、数据要求和显示风格，包括态势数据内容表;

(6)态势图快照，是态势图操作中的图形界面拷贝，可以是单帧的、也可以是连续的;

(7)图层，组织战场态势数据分类显示的一种方法，使用图层，态势数据能容易地被分类绘制、显示和修改。图层自身包括要素、图形和样式等内容。

态势图数据模型各类高层组成之间的关系，如图2所示。

图2 态势图数据模型高层结构

3.2 态势图模板和操作

态势图模板被用于定义创建态势图所必需的关键态势图要素和大量的元数据，例如基础数据、数据源、空间过滤器、时间过滤器、属性过滤器和符号集，主要的元数据包括访问权限、引用、描述、空间参照和数据质量等，但是这些模板不包含任何要检索的数据。态势图层的每个“层面”都指定了数据源、过滤器和符号集。

态势图模板提供的各类操作能方便地扩展态势图的应用，主要支持的操作有

(1)态势图模板聚合，态势模板“加”操作，即:态势图A+态势图B=态势图C，包括模板的合并和复制;

(2)态势图模板参照，对多个态势图模板的“连接”操作，即:态势图C“指向”态势图A和态势图B;

(3)数据源聚合，通过组合和关联现存的数据或馈入(流入)的新数据;

(4)梯队聚合，使用户能够收缩、扩张或细分单位实体，这类操作由多种因素驱动，如:(战略/战术)配置或(远/近)观察等。

3.3 态势图快照

完整的态势图信息产品包含态势图模板和态势图内容，即战场态势数据加使用规则。通过态势图编辑工具和态势图阅读器为用户提供定制的战场态势信息。态势图应用提供丰富的交互、数据的动态连接和多样化的显示，具有明显的业务操作特性。态势图快照是特定时间的态势图显示，具有明显的用户任务处理结果和使用意图，反映用户对态势的一种确定的判断或结论。态势图快照是一个“定格”的态势图，是一种实用的战场态势信息产品，通常用标准的图形、图像或流媒体格式输出和存储，为共享态势理解提供方便和有效的支持。

4 面向Web应用的协同态势标绘

面向服务体系的态势图应用客户软件推崇的用户交互工具采用通用的浏览器，通过态势图门户应用服务器支持类似虚拟桌面应用模式的战场态势感知。基于浏览器的态势显示从实现技术和应用上已有较好的解决方法［7～9］，基本上能满足作战指挥人员的需求，但是在浏览器环境下实现桌面态势图标绘应用还存在不少技术问题，离用户的要求还有不少差距，本节给出一种设计和实现方法，力求达到已有桌面态势标绘工具的交互和显示能力。

4.1 设计原则

目前大多数桌面版的态势标绘系统是基于C/C++开发的，如果将态势标绘系统的标号算法都在浏览器端重新实现，一方面无法重用以前的代码，并且针对采用不同客户前端技术都需要重写绘制算法，这将造成大量的重复劳动;另一方面，态势标绘系统符号数量大，要求高效率及高精度的图形计算能力，目前浏览器图形计算能力不是很强，比如在用JavaScript做高精度的运算时可能会出现错误，因此也不宜将复杂的军队标号算法放在浏览器端实现。

态势图标绘门户的实现依赖于Web服务、Web门户和先进的浏览器等相关技术的支持，丰富因特网应用(RIA)技术(富客户应用)为浏览器态势图标绘提供了很好的实现基础，富客户应用有多种可选择的实现技术，在技术分析和软件实现的评估基础上，Flex在实现态势标绘方面有独特的优势，并且通过对态势标绘功能的服务优化设计，能很好的满足应用的需求。

从态势标绘的发展来看，面向门户的态势标绘设计需要考虑的关键因素是

(1)态势图门户对外部数据源和基础数据的集成能力，需要实现与地理信息系统(GIS)与指挥控制信息系统(C2IS)的数据服务连接;

(2)封装态势图各类处理和服务功能，实现富客户应用的组件模式;

(3)军队标号处理功能的合理优化分配，服务器实现地图和军队标号图形生成和编码;

(4)客户端采用基于Flex基本和常规的图形绘制和交互实现地图和态势符号的显示;

(5)高效的门户与浏览器的数据通信，采用格式化编码的数据传递;

(6)态势标绘中的数据共享，通过协同会话或态势图信息仓库实现多个浏览器标绘客户的数据和控制的同步、异步标绘数据的传递和通告;

(7)实现态势图模板的创建、剪裁、组合和显示，提供态势图的协同绘制、态势图快照和分发。

4.2 原型示范

基于门户的态势图标绘应用的一种实现方法，如图3所示。系统设计分为浏览器和服务器两部分。浏览器端需要提供完成标号绘制、态势数据管理、态势图模板、符号面板生成、基本态势图显示操作和协同信息处理等功能的用户界面。

态势图门户服务器通过Web服务接口模式提供如下功能服务支持用户的操作。

(1)态势与地图组合服务，通过定制地图和指挥控制数据形成用户标绘所需的基本态势图并且传递给用户浏览器，指控数据服务和地图数据服务分别提供对外部指控数据服务器和GIS服务器的数据访问，基本态势图数据访问由用户选择的态势图模板确定;

图3 基于门户的态势图标绘应用系统结构

(2)标绘服务，针对浏览器端的军队标号处理，用户在标绘交互时，浏览器调用态势图门户服务器提供的标绘Web服务接口传递标号绘制请求，标绘服务通过Java本地接口(JNI)调用标号库和算法库，生成标号的矢量描述返回给浏览器端，浏览器获得标号的矢量描述后解析和绘制图形。浏览器端图形绘制可以采用多种浏览器端图形绘制技术实现。矢量描述可以使用自定义的矢量描述，也可以调用算法核心库生成VML或SVG的矢量描述;

(3)态势数据管理服务，根据用户选择的态势图模板为用户提供定制的态势数据内容目录，态势图数据通过态势图存储模块提供对态势图信息仓库的访问，同时可以将修改和添加的态势图数据存入到态势图信息仓库中;

(4)符号界面管理服务，访问系统军队标号数据，提供给客户端系统中所有标号的树形结构描述，用户可以根据树形结构选择标号进行标绘;

(5)态势图模板管理服务，为用户提供方便的态势图模板创建、存储、修改、聚合和撤销等操作，态势图模板为用户定制标绘所需的基础态势信息提供了手段，态势图模板管理服务通过态势图存储模块访问态势图信息仓库中的态势图模板数据，并且存储新的或修改的态势图模板;

(6)协同服务，采用面向互联网的协同服务器，实现用户的即时消息传递、告警、白板协同和语音协同等功能，同时结合态势标绘服务，实现协同的态势标绘;

(7)态势图存储，这个功能模块提供对态势图信息仓库、指控数据服务器和协同服务器的数据访问和交换，可以将态势图中的目标数据存入指控数据库，也可以将需要的指控数据传递到态势图信息仓库;另外，也能将态势图数据通过协同服务器发送给其他用户，实现态势告警和同步标绘处理。

4.3 战场态势协同感知

态势图是战场态势感知的基础，协同是指挥和作战的手段，协同态势图的标绘是战场态势认知和知识创建的平台，指挥领域态势图标绘需要与协同管理技术有机的结合，支持即时的战场态势感知。

态势协同标绘能实现用户定制作战图(态势图)的多人共享、同步的显示和操作、共同的标绘标号和多人在线创建作战图和态势研讨，能提高协同规划和作战效率。Web协同标绘可集成各类开放的互联网实时通信协同规范，提供包括即时消息处理、到场管理、媒体会话管理、共享编辑、白板、文件传输、轻型的中间件、内容联合和普遍的XML路由等功能，这些功能为未来协同标绘能力的扩展提供了很好的技术和方法。

5 结语

通过论述和提出新型战场态势感知的服务框架、态势图数据模型、协同态势图应用新的技术实现方法与原型示范，为未来面向服务的战场态势感知应用的系统开发、演示和建设提供了新的实现途径。在网络中心环境下，战场态势感知需要加强态势信息交换数据模型的设计，推动跨组织和领域应用的数据互操作能力;战场态势图数据集成、综合处理和管理机制要向网络中心概念和面向服务的系统设计方法转型;态势图的信息获取需要灵活的按需定制和高效的传递;态势图客户软件要广泛地采用富客户模式的通用浏览器工具;需要解决浏览器环境下更先进的二三维态势图形显示和交互能力;需要进一步研究面向态势图的作战任务协同计划和执行技术，实现基于效果的作战目标。

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