张健 赵洪利

1.装备学院研究生管理大队,北京 101416 2.装备学院训练部,北京101416

自动化指挥系统简称C3I系统,是指挥、控制、通信、情报等词的缩写.该系统以电子计算机为核心,集信息传递、指挥决策、战术控制和情报收集为一体的高效作战指挥系统.20世纪50年代,自动化指挥系统被称为C2(指挥、控制)系统,后来逐渐发展成为C3(指挥、控制、通信),C3I(指挥、控制、通信、情报),C4I(指挥、控制、通信、计算机、情报),最后演变为C4ISR[1](指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦查).2014年8月美陆军综合空中与导弹防御系统(IBCS)由波音公司提供系统设计、开发和测试任务,它将目前和未来的空中与导弹防御系统综合到一个共同的作战指挥系统中.2014年12月,美空军将战略自动化指挥控制系统(SACCS)进行升级,旨在为决策者检索和验证关键数据提供方便.中国空军也相继开发和研制了多种类型的防空作战C3I系统,如电子战作战指挥系统、地空导弹指挥自动化系统等.

科研试验指挥信息系统以电子计算机为核心,辅以其他现代化智能设备并与指挥人员相结合的信息系统[2−3].该系统利用信息采集、信息处理、信息融合、信息分发和综合显示等技术,为科研试验的指挥决策提供信息化支持,是保障各项科研试验的关键基础设施.

现有科研试验指挥信息系统采用客户端/服务器(C/S)架构,主要由指挥显示系统、指挥平台、IPTV图像系统、信息安全保系统、综合网管系统等组成.各个分系统拥有各自的客户端,分散独立运行,没有达到科研试验指挥信息系统一体化的要求.这种分散的模式难以将指挥决策所需的所有信息呈现给指挥员和决策者.

本文针对科研试验指挥信息系统在信息呈现方面的不足,提出了适用于该系统的数据可视化模型,并介绍了组成该模型的各个模块的原理和功能,为指挥员或决策者提供全面的信息提供了支持.

1 数据显示模型

IP网是科研试验的基础设施网络,在IP网已全面建设的情况下,可以此为依托,将科研试验指挥信息系统的各个分系统进行集成,把各个模块的数据进行提取、融合、处理、分发、显示,为科研试验的各级指挥人员提供更加全面的信息显示.科研试验指挥信息系统的数据显示模型设计如图1所示.该数据可视化模型系统以IP网为依托,利用现有的各个试验分系统,从中提取控制、通信、安全等各类数据,按照统一的格式进行处理及存储,最后通过可视化把各类信息呈现给各级指挥人员.

图1 科研试验指挥信息系统数据可视化模型

2 模块设计

2.1 数据采集模块

对于科研试验指挥信息系统的数据,一种采集方案是利用分布式结构对试验网中的数据进行抓取.分布式结构采用服务器/客户端模式,服务器统一管理数据采集任务,并对采集任务进行划分.安装客户端的设备获取采集任务,完成数据采集后进行上传,由服务器对数据进行统一的融合、处理、存储.另一种方案是利用现有的数据管理系统,加入相应的数据传输功能,把各个分系统的数据上传到数据服务器,由数据服务器按照一定格式统一进行处理并存储,其架构如图2所示.

2.2 数据预处理模块

数据处理是以最终呈现给各级指挥人员可视信息为目的,可按照每种信息呈现的要求定义统一的数据格式.根据数据类型的不同,对采集上来的数据需要进行不同方式的处理.如监控图像、实况图像等对实时性要求比较低,并不需要做过多的数据预处理;控制指令等数据要求实时性比较高,因此,需要优先保证这类数据的处理及显示;安全数据的采集采用抽样的方式,并定义统一的格式.数据每个维度的标准化处理过程按下式计算:式中:m为样本的均值,a为样本的方差,x为标准化的样本值.如果数据维度较高,难以在二维或者三维可视空间中呈现,可以通过降维的方法把高维数据映射到二维或三维空间中.

图2 数据采集模块

设数据集X∈RN×D,包含N条数据记录,每个数据记录有D个维度.设计一个准则,找到数据在低维空间的映射Z={zi}∈Rd(d=2 ord=3 andd

当降维方法为非线性时,就不需要求得W,而是直接从原始数据映射到Z.降维方法分为线性降维方法和非线性降维方法.线性降维方法主要有 LDA(线性判别分析)[5]、DCA(判别成分分析)[6]、PCA(主成分分析)[7]、MDS(多维尺度分析)[8]、NMF(非负矩阵分解)[9]等;非线性方法主要有 MVU(最大方差展开)[10]、ISOMAP[11]、SOM(自组织映射)[12]、GDA(广义判别分析)[13]、LLE(局部线性嵌套)[14]、LE(拉普拉斯特征映射)[15]等.

2.3 数据显示模块

数据显示主要目的是通过各种状态图表、三维动画、弹道曲线、实况录像等方式为各级指挥人员及决策者动态呈现系统运行的实时状况.对于采用何种可视化方式对指挥控制等数据进行直观展现,而不是仅仅显示数据指令或者简单图表,图3[16]显示了选择可视化方式的过程,按照指挥控制数据类型及各级指挥人员及决策者的需求选取不同的可视化方法.

首先需确定数据类型,判断数据属于分布型、关系型、比较型、趋势型的哪一种.其次根据维度的数量及主要维度的特性选择合适的可视化方式.例如,如果数据包括终端IP地址、主机内存占用情况、磁盘占用情况等几个维度,按照图3可以选择Treemap方式,根据IP连接构建网络拓扑,节点可以用其他可视化元素如颜色、面积分别表示内存占用情况、磁盘占用情况等信息.

图3 可视化方法选择

对于实况录像可以不加处理地进行显示,而对于各个试验场的调度情况可以采用基于地图的可视化技术,而对于轨道显示可以用二维或者三维的曲线图来表示,对于安全数据可以通过预处理将其映射到低维可视空间中进行显示或者采用平行坐标进行显示.

不同层级人员对可视化的需求不同,重点关注的内容也不同.如呈现给指挥员的信息是火箭飞船的姿态、轨道参数等,实时性要求较高;呈现给决策者的信息是试验的实况录像等,实时性要求较低;呈现给安全管理员的是安全日志等信息,用于保障网络的可用和稳定.

3 结论

基于IP网的指挥信息系统数据可视化模型对于科研试验指挥信息系统的建设具有重要意义,通过数据采集和数据融合、处理实现各个分系统信息的全面显示,为各级指挥人员以及决策者提供决策支持.通过分等级的数据呈现满足用户对不同信息显示的差异化需求.