章琦鸿

(华北计算技术研究所，北京100083)

0 引 言

使用共用态势图(common operational picture，COP)系统，可以快速地对态势数据进行协同处理并转化可视化的态势信息，成为对指挥员和参与者真正有价值的知识，从而发现解决问题的办法，做出适当且快速的决策。用户定义作战图(user definedoperationalpicture，UDOP)关注作战环境的决策视角，它将分布在网络中心环境中的分散数据源组织起来以提供精确的态势感知和及时的决策支持。通过选择信息 (信息源和信息过滤器)使得用户可以创建他们自己的作战图，并为原始的数据添加有附加价值的信息产品。因此，UDOP在重要态势信息的创建、可视化、增强、完善和共享过程中是关键的模块。COP系统的用户可以依据他们各自的组织层次及所属角色来配置态势信息视图，或者为了满足特定的需求创建视图，作为UDOP存储或分发。预期事件或方案的作战图可以预先设计并存储起来，在需要的时候向用户提供预先订制的态势信息的访问。本文通过对已有 COP系统的体系结构及其所需具有的能力进行研究，提出了在网络中心环境中分布式COP系统的集成技术，并设计和实现原型系统，其中，简单的结合了UDOP，发挥了其在态势信息访问中的优势。

1 体系结构及能力

一个成功的 COP系统框架的最根本基础是通用态势数据库，该数据库需要有统一的元数据，识别输入输出需求的标准与允许基于用户角色和组织进行访问的框架，以保证数据能在恰当的访问权限下共享及被使用者按需访问。当有一个中心化的仓库后，各级别组织和机构输入的数据可以被收集、分析、综合并用来产生UDOP。

用户对COP系统的需求主要有3个：输入态势信息、处理态势信息和访问态势信息。根据COP系统的功能，可以将这3个需求进一步分解为以下5个服务：流数据输入服务、报告提交服务、情报处理服务、COP支撑服务和COP信息访问服务：

(1)无论是在军事作战还是在应急响应中，报告都是COP系统的一个重要组成部分，因为大量的物资(包括人员和救援物资)和相关的地理环境的位置以及状态等信息，威胁的信息等都需要以报告的形式通过报告提交服务传送到COP系统的信息仓库中。

(2)情报处理服务是以报告提交服务输入的报告信息为基础，创造有价值的、精确的态势信息。情报处理的大部分工作都是由操作员人工完成，主要包括搜索、分析和分类相关态势信息。

(3)COP支撑服务提供人工操作态势信息的方法。为情报处理以及自动化的流数据处理过程提供必要的态势操作手段和工具，从而使操作员可以人工地进行态势数据的创建、移动、编辑、关联、聚合以及删除等操作。

(4)流数据通常是来自于雷达等传感器的轨迹数据等，进入到COP系统的流数据由流数据处理器来完成态势数据的跟踪、关联和聚合等操作。

(5)信息访问服务是获取COP系统中的态势信息的输出接口，该服务从不同的态势信息仓库中获取并综合态势信息，最后展示给用户。通过灵活地设置信息访问服务的参数，如需要的信息源(包括态势仓库以及其它各种相关的数据仓库)以及与信息源相关的过滤参数等，用户可以订制自己需要的态势信息，这也是实现UDOP的主要接口。

COP系统的服务通过系统内部3个组件相联系，这3个组件是流数据处理器、非流数据处理器和信息仓库。流数据在进入系统后经过流数据处理器地处理，用来更新信息仓库中的数据。而通过报告提交服务提交的报告被临时存储在信息仓库中，用户通过情报处理服务使用非流数据处理器中的工具对报告评估后，可以将评估的结果作为已处理的情报存储到信息仓库中，或者使用COP支撑服务将评估结果以目标态势数据的形式存储到信息仓库中。最后用户可以通过COP信息访问系统在信息仓库中查看其需要的且可以访问的信息，并订阅重要事件的通知。其中，流数据输入、报告提交、情报处理、COP支撑这4个服务以及流数据处理器和非流数据处理器主要完成态势信息的采集和协同处理功能，它们将原始的态势数据转化为有价值的态势知识存储在信息仓库中。图1描述了COP系统的架构，说明了COP系统的服务与内部功能模块之间的联系。

2 COP系统的集成技术

在大范围的应急响应行动中，各个组织和机构都分布在不同的地理位置，为支持应急响应中组织内部与组织之间的协作，使处于不同网络节点上的COP系统相互连接而实现无缝集成，达到态势信息的共享以及决策的协同支持的目的，就需要建立可靠的、松耦合的、冗余的且具有互操作性的COP系统。

图1 通用作战图的功能分解

2.1 数据分发技术

在COP系统中，有多种不同类型的数据需要通过多种不同的技术进行分发。根据所需分发数据的类型及不同数据分发技术的特征，可以为不同类型的数据选择合适的分发技术。

当今有很多可行的分发技术，满足系统中不同的数据分发能力要求。表1描述了不同的数据所适合的分发技术。

2.2 流数据分发技术

在COP系统中有一种重要的数据类型是“流数据”。这是一种面向消息的连续流式数据，即有很多小消息在数据生产者和数据消费者之间连续传送。通常会使用一个订阅进程来建立这样的数据传送会话，即数据消费者向数据生产者订阅消息。

为了处理这种类型的数据，需要分发系统在数据生产者和数据消费者之间可靠得传送数据，管理发布和订阅过程以及实现消息中介功能。这种分发机制应该具备以下能力：

·处理生产者和消费者之间的发布和订阅交互；

·为不同的消费者、请求或数据类型分配不同的服务质量等级；

·存储转发消息，保证消费者和生产者之间的松耦合结构；

·扮演虚拟的生产者的角色，使得消费者向中间件系统建立订阅而不是向数据源建立订阅；

·实现消息分发和路由；

·转换消息，即实现消息在已定义格式之间的转换；

·实现在不同应用程序和网络协议及API间的协议转换，如SOAP或JMS，UDP或TCP。

在表1列举的分发技术中，企业服务总线(ESB)为流数据分发技术带来了明显的优势，通过ESB，可以很好得解决COP系统间流数据的传输问题。ESB对信息的调解和传输具有健壮和灵活的方式，它主要有以下几个能力：在服务间路由消息；在服务请求者和服务之间转换传输协议；在服务请求者和服务之间变换消息格式；处理来自不同信息源的业务事件；另外ESB可以管理服务质量(QoS)，这意味着它可以区别对待不同的消费者。

表1 数据类型和建议的分发技术

ESB通过服务注册来查找和发布服务，使用已存在的服务绑定来请求这些服务；然后和应用服务交互并路由消息，转换协议以及变换在其间传送的消息。典型的ESB系统有两个主要的运行时组件：ESB消息代理和ESB管理器。ESB消息代理负责消息的分发和转换，ESB管理器负责创建可以由消息代理解释的转换规则，定义消息模型等。

在组织和机构较分散的应急响应环境中，因为协同决策的需要，ESB消息代理的实现是有必要的。ESB消息代理的实现意味着桥接服务的实现，它可以有选择的将服务展示给其它域的合作者。

3 原型系统的设计与实现

3.1 原型系统的设计

根据COP系统的体系结构和集成需求，设计了原型系统的系统结构以及静态逻辑类。实现原型系统的目的是验证COP系统所具有的基本功能和能力。

图2描述了原型系统的结构，该结构以分层的、松耦合的方法进行设计，分为数据层、传输层和服务层以及应用层。数据层提供驱动COP系统的必要数据信息，包括最重要的具有统一数据模型标准的共享态势数据库，同时也包括提供其它基础数据的信息仓库，如气象信息仓库、地理信息仓库等；态势数据库间的信息共享以及服务层和数据层的数据交换都通过数据分发系统进行，根据不同的数据类型使用相应的数据分发技术来传输数据；服务层提供的服务以COP系统的5个服务为主，向客户端提供必要的服务；为了保证COP系统有足够的灵活性，各种客户端平台以松耦合的方式与COP系统的服务交互，因此在COP系统的实现中无需考虑使用这些服务的客户端是瘦客户端还是胖客户端。

图3是COP系统的静态逻辑类视图。该逻辑类的关系结构将图1中的COP系统的内部功能进一步分解成任务更细的静态逻辑类，这些静态逻辑类作为COP系统核心能力的逻辑表示，描述了一组彼此联系紧密的操作和数据，这些类不直接地对应一个实现的软件或硬件单元，而是对应一个或多个与COP系统子功能相应的COP系统组件。正中的COPS逻辑类聚合了向COP系统提供信息和处理信息的许多类，其中有一些类不在当前原型系统的设计与实现过程的关注中，如流数据处理器的许多逻辑子类都是自动化的具体业务处理过程。逻辑类COPS在系统中扮演一个非常重要的角色，它既是完成关联、融合和聚合等重要功能的容器，也是存储态势信息的分布式信息仓库的容器，该类由其它的逻辑类组成，通过这些类来完成由具体操作定义的任务。

信息仓库由7个子数据仓库组成，其存储内容与功能如下：

(1)本地轨迹库：存储由特定信息源(传感器)产生的轨迹数据，提供实时数据的临时存储，用于及时地轨迹数据共享和互操作；

(2)全局轨迹库：不同于本地轨迹库，全局轨迹库保存的是态势数据，它由本地的和全局的态势信息数据库组成；

(3)未处理情报库：存储经由报告提交服务传入的情报信息；

(4)已处理情报库：存储经情报处理服务处理过的情报信息；

(5)传感器报告库：存储由传感器提供的图片、视频片段等信息；

(6)模板库：信息对象的结构和交互样式，如情报输入的样式模板等；

(7)流数据存储库：本地轨迹库是为了满足数据实时性的需要，当过了一定的期限或满足一定条件后，就会将这些数据长期存储在流数据存储库中；

流数据处理器由以下几个传感器数据处理标准类组成：传感器数据处理器；关联引擎；融合引擎；聚合引擎；安全评估引擎。

图2 COPS原型系统设计

图3 COP系统的静态逻辑类

非流数据处理器由一组人工操作的工具集组成，用以图像分析、搜索和数据挖掘。这些工具不包括COP系统中。

流数据处理器与非流数据处理器的逻辑类的具体实现与特定的操作过程与业务流程相关，因此在原型系统的设计与实现中不考虑这两部分。

3.2 COP原型系统的实现

依据 COP系统的体系结构以及静态逻辑类的概念构建原型系统，实现了5个主要服务以及内部的功能模块。COP系统的服务以两种方式向用户和应用程序提供与服务端的交互，一种是使用基于Web的接口，通过浏览器向用户提供COP系统的基本功能，另一种是将COP系统的服务封装为Web服务向其它应用系统提供必要的功能。

COP系统5个服务的实现：COP支撑服务同时以Web的表格交互方式和Web服务方式分别向用户和应用系统提供对态势信息的处理；报告提交服务通过表格方式以基于模板的方式实现情报的创建、提交和查看；情报处理服务以两种方式来完成：一是通过Web根据报告提交服务输入的报告，使用COP支撑服务来提供和处理态势信息，二是以Web服务的方式向情报处理系统提供服务，将情报系统的处理结果提交到COP系统中，创建相应的态势信息；流数据服务以JMS为基础，管理COP系统与轨迹数据提供端的连接和数据传输，以发布订阅的方式实现流数据的分发，从而使系统快速、及时地获取和共享态势信息，其中流数据处理器将轨迹数据转化系统中可以被访问的态势信息，同时对轨迹数据进行简单的融合处理；COP信息访问服务通过使用过滤器，查询订阅处理过后的态势感知，并将得到的态势信息组合成可以通过地图展示的数据。

在原型系统实现过程中，对UDOP的基本概念也做了初步的实现，在基于Web的态势信息访问中，用户可以根据自己所关心的内容将对选择的过滤器保存为模板以XML文档格式保存，用户可以在需要时通过已保存的UDOP快速地查询态势信息。图4是原型系统的Web运行界面。

4 实验与结果分析

为了分析原型系统的能力，设计了如下的实验来模拟应对突发事件的情况，步骤如下：

图4 原型系统运行界面

(1)导入必要的态势数据。在初始态势数据库为空时导入XML格式的态势数据文件，转化为态势库中的初始态势数据，其中包括基本的态势对象类型以及必要的态势对象数据。采用XML格式的态势数据文件的优点是在应对突发事件时可以快速地导入所需要、所关心的态势数据，同时也有利于大量的态势数据共享。

(2)通过COP的流数据服务从轨迹发生器获取动态的未知轨迹信息，在浏览器页面上显示通知信息提示用户查看和处理接收到的态势信息。查看态势信息通过COP信息访问服务进行。然后根据由其它方式获取的信息，如通过提交情报服务得到的情报，判断接收到的轨迹目标的类型和其它信息，并通过COP支撑服务(或者以浏览器界面提供，或者以Web服务方式提供)，对接收到的轨迹目标信息进行修改，如更新轨迹目标的关联类型，创建轨迹目标与其它态势对象间的关系，关联轨迹目标的信息(如图片)，从而完善态势信息。

(3)通过COP信息访问服务，可以在浏览器中显示所关心的可视化态势信息，并查看态势对象的详细态势数据。在此过程中，用户可以定制自己所关心的态势信息，即创建UDOP，从而在以后的访问中省去重复筛选自己所需的态势信息的过程。

原型系统可以以报告和流数据接入的方式获取以网络为中心的环境中所产生的态势数据，经过由多个相关的组织和部门(如情报处理部门等)以不同的方式来协同处理这些态势数据，将其转化为态势信息；而在态势访问和共享时，可以通过UDOP，对态势信息进行裁剪以满足用户或组织只查看所需要或关心的内容的需求。实验验证了COP系统所提供的创建精确态势感知的方式和手段，以及访问一致的、自定义的态势信息的能力，从而为分布式环境中的用户提供了及时、快速地决策和协同行动的支持。

5 结束语

COP系统的主要能力是在分布式网络中心环境中为用户和组织提供精确的态势感知和及时地决策支持。本文对COP系统的体系结构进行了研究，提出了应用于不同场景的数据分发技术来满足COP系统的集成需求；结合UDOP概念，设计并初步实现了原型系统。通过对原型系统进行的实验，模拟了应对突发事件的过程，对COP系统提供的5个主要功能以及所具有的创造态势信息和提供态势访问的能力进行了验证，同时验证了UDOP提供地订制态势图可以进一步加强和完善COP系统所提供的协同行动和态势共享的能力。

[1]Kim Buike.Achieving a common operating picture[EB/OL].http://www.depiction.com/files/file/AchievingCommonOperatingPicture.pdf,2009.

[2]Louise K Comfort.Crisis management in hindsight:cognition,communication,coordination,and control[J].Public Administration Review,2007,67(12):189-197.

[3]梁炎,张仁茹,董岩.美国海军网络中心战浅析[J].船舶电子工程,2005,25(3):22-25.

[4]胡洪波,郭徽东.通用作战态势图的构成与实现方法[J].指挥控制与仿真,2006,28(5):28-31.

[5]Sandeep Mulgund,Seth Landsman.User defined operational pictures for tailored situation awareness[C].Bedford,MA:12th International Command and Control Research and Technology Symposium,2007.

[6]Jeremy Loomis,Rob Porter,Audie Hittle,et al.Net-centric collaboration and situational awareness with an advanced user-defined operational picture[C].Irvine,CA:CTS,2008.

[7]Ranjeev Mittu,Frank Segaria.Common operational picture(COP)and common tactical picture(CTP)management via a consistent networked information stream[C].Washington,DC:Command and Control Research and Technology Symposium,2004:101-112.

[8]Nedal Hanbali.Geo-Common operational picture,a new approach for utilizing GIS in real estate development[C].Saudi Arabia:GIS Saudi Arabia Symposium,2009.