基于云端架構(gòu)的核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)

閻耀宏，謝海松，劉國永，李曉婷，孫 娟

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

戰(zhàn)場核生化態(tài)勢感知信息是廣域分布的多元信息，其信息量巨大，信息種類多，且對(duì)實(shí)時(shí)性有很高要求。這一發(fā)展趨勢表明，核生化態(tài)勢感知信息已經(jīng)具備了大數(shù)據(jù)典型的“4V”特征，即海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（volume）、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)體系（velocity）、多樣的數(shù)據(jù)類型（variety）和巨大的數(shù)據(jù)價(jià)值（value），因此，提出了更高的數(shù)據(jù)處理要求。

以往的核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)，由于計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限，不具備大數(shù)據(jù)處理能力，多采用逐級(jí)串聯(lián)處理方式。系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)無法匯集處理所有的感知數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理嚴(yán)重依賴下級(jí)節(jié)點(diǎn)的處理結(jié)果。在核生化態(tài)勢認(rèn)知上，不同的節(jié)點(diǎn)態(tài)勢感知側(cè)重點(diǎn)不同，系統(tǒng)底層對(duì)戰(zhàn)場核生化細(xì)節(jié)感知程度深，但不夠全面完整；系統(tǒng)頂層對(duì)宏觀戰(zhàn)場核生化態(tài)勢感知全面，但細(xì)節(jié)信息缺失；因此，系統(tǒng)各級(jí)在戰(zhàn)場核生化態(tài)勢的認(rèn)知上存在局限性，制約了指揮員對(duì)戰(zhàn)場形勢的全面分析。

針對(duì)目前核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)存在的上述問題，本文提出了基于“云-端”架構(gòu)的核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)對(duì)核生化態(tài)勢感知進(jìn)行“云-端”功能重分布，充分利用“云”的存儲(chǔ)、計(jì)算優(yōu)勢，提升了傳統(tǒng)流程的數(shù)據(jù)處理能力，使系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)具備了態(tài)勢三級(jí)感知的處理能力。

1 設(shè)計(jì)思路

態(tài)勢感知［1-2］的概念源于軍事需求，1988年Endsley首次明確提出了態(tài)勢感知的定義，把態(tài)勢感知分成覺察、理解和預(yù)測［4］3個(gè)層級(jí)的信息處理。將態(tài)勢感知定義為“在一定的時(shí)空范圍內(nèi)，認(rèn)知、理解環(huán)境因素，并且對(duì)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測”［3］。核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)主要是指情報(bào)偵察、預(yù)警探測和環(huán)境監(jiān)測等傳感探測資源的協(xié)同運(yùn)用和探測數(shù)據(jù)的多級(jí)融合處理、深度分析和預(yù)測。

本文引入云端架構(gòu)，構(gòu)建了基于“云-端”架構(gòu)的核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)。利用“云”的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和態(tài)勢綜合計(jì)算能力，生成全域戰(zhàn)場核生化態(tài)勢“一張圖”，為各級(jí)作戰(zhàn)指揮所、作戰(zhàn)部隊(duì)和武器平臺(tái)按需提供精確信息支撐。

構(gòu)建云端核生化態(tài)勢感知框架，統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)核生化態(tài)勢的3個(gè)層級(jí)感知，實(shí)現(xiàn)思路如下：

“覺察”層級(jí)是指核生化態(tài)勢感知框架正確且全面地接收外部核生化信息和戰(zhàn)場情況信息，根據(jù)信息映射提取模板，獲取環(huán)境中的重要線索或元素，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場物理實(shí)體到賽博空間［5-6］信息要素的一一映射。態(tài)勢感知將提取后的信息要素，建立特征機(jī)制，分類分群，轉(zhuǎn)化生成態(tài)勢實(shí)體，并進(jìn)行態(tài)勢一致性處理。

“理解”層級(jí)是指核生化態(tài)勢感知分析由“覺察”層級(jí)接收態(tài)勢元素屬性，根據(jù)態(tài)勢數(shù)據(jù)的特征及關(guān)聯(lián)原則，對(duì)態(tài)勢數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、歸并、關(guān)聯(lián)，理解情報(bào)處理相關(guān)態(tài)勢實(shí)體，從而生成核生化沾染、污染區(qū)域信息等理解態(tài)勢。

“預(yù)測”層級(jí)是指基于核生化態(tài)勢感知框架的知識(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，形成預(yù)測知識(shí)、偏差知識(shí)，進(jìn)而生成核生化威脅、核生化危害、核化危害趨勢預(yù)測、次生核化危害等專題態(tài)勢。

2“云-端”核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文貫徹態(tài)勢提取、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測的內(nèi)涵和理念，面向感知信息的處理過程和態(tài)勢的認(rèn)知階段，劃分子系統(tǒng)范疇并進(jìn)行核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)核生化信息接入子系統(tǒng)，完成核生化信息的接入、戰(zhàn)場情況信息匯集、數(shù)據(jù)預(yù)處理；設(shè)計(jì)核生化情報(bào)融合綜合子系統(tǒng)、核生化危害估算子系統(tǒng)、核生化危害趨勢預(yù)測子系統(tǒng)、次生核化危害估算子系統(tǒng)、核生化態(tài)勢處理子系統(tǒng)，完成核生化態(tài)勢的理解和預(yù)測等深度分析處理；設(shè)計(jì)核生化態(tài)勢綜合子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)核生化態(tài)勢的展現(xiàn)；設(shè)計(jì)核生化情報(bào)分發(fā)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)核生化態(tài)勢的多維度、分級(jí)的智能分發(fā)。系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示。

圖1 核生化態(tài)勢感知信息系統(tǒng)功能模塊圖

2.1 核生化信息匯集功能設(shè)計(jì)

核生化信息匯集功能由核生化信息接入子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：1）向戰(zhàn)略情報(bào)數(shù)據(jù)中心訂閱、接入所需的戰(zhàn)略情報(bào)信息。2）互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘功能。根據(jù)用戶定制信息類型，接入互聯(lián)網(wǎng)上的情報(bào)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)用戶設(shè)定的主題來挖掘分析互聯(lián)網(wǎng)情報(bào)。該功能需要分布在“云”上，通過“云”與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通，可獲得更大信息量的情報(bào)信息。3）訂閱和接收其他來自上級(jí)、友鄰、合成部隊(duì)的敵情、我情和戰(zhàn)場核生化環(huán)境信息。4）匯集防化部（分）隊(duì)生產(chǎn)的各類戰(zhàn)場核生化環(huán)境信息。5）核生化態(tài)勢感知映射功能。采集、分類、解析、清洗不同來源、不同類型的核生化感知數(shù)據(jù)，提取感知要素，實(shí)現(xiàn)感知信息的一體化處理，為應(yīng)用提供可認(rèn)知的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，支撐后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和展現(xiàn)。該功能也需要分布在“云”上，需要使用“云”平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和態(tài)勢綜合計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的核生化態(tài)勢感知信息的提取和統(tǒng)一處理，如圖2所示。

圖2 核生化信息收集功能示意圖

上述功能中，除了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘功能，核生化信息接入子系統(tǒng)的其他所有功能都需部署在“端”上。其中部署在“端”上的核生化態(tài)勢感知映射功能只有當(dāng)“端”與“云”斷開時(shí)才能生效，用來保證傳統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2 核生化信息分析處理功能設(shè)計(jì)

核生化信息分析處理功能由核生化情報(bào)融合綜合子系統(tǒng)、核生化危害估算子系統(tǒng)、核生化危害趨勢預(yù)測子系統(tǒng)、次生核化危害估算子系統(tǒng)、核生化態(tài)勢處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

核生化情報(bào)融合綜合子系統(tǒng)能夠綜合分析戰(zhàn)場多源核生化情報(bào)信息，利用樣條插值算法模型分析計(jì)算地域受染情況（極其嚴(yán)重、嚴(yán)重、中度、輕微）。該子系統(tǒng)功能需要分布在“云”上，可以利用“云”更加廣域的情報(bào)信息，使得融合結(jié)果更加準(zhǔn)確、覆蓋范圍更廣。

核生化態(tài)勢處理子系統(tǒng)初始化核生化態(tài)勢感知環(huán)境，主要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)等操作。能夠基于感知數(shù)據(jù)和融合處理生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品提取態(tài)勢要素，并進(jìn)行一致性處理，完成賽博空間內(nèi)感知要素的標(biāo)識(shí)和態(tài)勢實(shí)體的映射。該子系統(tǒng)功能需要分布在“云”上，利用“云”平臺(tái)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，匯集加載全系統(tǒng)的映射模板，實(shí)現(xiàn)核生化態(tài)勢感知信息的提取和存儲(chǔ)。

核生化危害估算子系統(tǒng)能夠根據(jù)核、化學(xué)與生物襲擊的規(guī)模、襲擊方式、氣象水文地理環(huán)境等信息估算核生化襲擊造成的傷害半徑、殺傷半徑等危害后果。

核生化危害趨勢預(yù)測子系統(tǒng)能夠根據(jù)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)，預(yù)測核化危害在大氣中的擴(kuò)散趨勢，給出核生化可能對(duì)我方造成的危害程度。危害趨勢報(bào)告生成過程如圖3所示。

圖3 核化危害趨勢報(bào)告的生成過程

次生核化危害估算子系統(tǒng)能夠根據(jù)我方核設(shè)施、化學(xué)設(shè)施遭襲后的核化泄露情況，結(jié)合氣象、地形條件，估算次生核化危害范圍和危害程度。

為了確保傳統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，核生化信息分析處理的所有功能都要部署在“端”。當(dāng)“端”與“云”斷開后，“端”上的核生化態(tài)勢處理子系統(tǒng)功能才生效。

2.3 核生化信息展現(xiàn)功能設(shè)計(jì)

2.3.1 信息展現(xiàn)內(nèi)容

當(dāng)前核生化信息展現(xiàn)都是以靜態(tài)信息為主，并且信息種類有限，大量的信息還依賴于其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)去展現(xiàn)。本文力圖突破目前的局限，通過態(tài)勢關(guān)聯(lián)和流程控制等手段，使得更豐富的信息可以直接展現(xiàn)在態(tài)勢圖當(dāng)中。這些信息包括部隊(duì)基本情況、任務(wù)狀態(tài)信息、敵情信息、戰(zhàn)場環(huán)境信息、核生化專業(yè)信息、戰(zhàn)術(shù)控制線信息、通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

2.3.2 展現(xiàn)能力

秉承“一張圖”指揮控制的原則，除了需要完成基本的態(tài)勢標(biāo)繪、態(tài)勢綜合、態(tài)勢顯示等功能以外，還必須能夠作為指揮控制的核心應(yīng)用實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。核生化信息展現(xiàn)功能都需要部署在“端”，以保證傳統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

1）態(tài)勢標(biāo)繪。態(tài)勢標(biāo)繪作為防化態(tài)勢綜合子系統(tǒng)的基本功能，在集成圖形支撐環(huán)境提供的手工標(biāo)繪基礎(chǔ)上，通過深度學(xué)習(xí)擴(kuò)展形成防化專題態(tài)勢的標(biāo)繪方法，典型處理流程如圖4所示。

圖4 典型軍標(biāo)標(biāo)繪管理流程

2）態(tài)勢綜合。防化態(tài)勢綜合子系統(tǒng)不再單純將所接收到的態(tài)勢信息進(jìn)行記錄式的羅列和線性疊加，而是將所有信息進(jìn)行分類和關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)。通過將信息與業(yè)務(wù)建立關(guān)系映射，形成業(yè)務(wù)和流程驅(qū)動(dòng)的態(tài)勢綜合，通過條件去觸發(fā)態(tài)勢，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間、環(huán)境提供適當(dāng)?shù)膽B(tài)勢內(nèi)容，避免線性疊加所帶來的無序和無目的。該功能需要部署在“云”，利用“云”的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力，獲取全系統(tǒng)的核生化態(tài)勢感知數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類及態(tài)勢關(guān)聯(lián)分析處理。

3）態(tài)勢顯示。當(dāng)前防化態(tài)勢綜合子系統(tǒng)的態(tài)勢顯示內(nèi)容主要是地理信息、軍標(biāo)（包括了各類戰(zhàn)場目標(biāo)、固定目標(biāo)、部隊(duì)部署、氣象水文、核生化專題態(tài)勢）等，為了更加突出以態(tài)勢為核心的理念，展現(xiàn)更豐富的戰(zhàn)場信息，本文設(shè)計(jì)的態(tài)勢顯示功能更加強(qiáng)大，展現(xiàn)方式更加豐富。

圖5 可控的態(tài)勢綜合

a）固化顯示。對(duì)于需要長期關(guān)注的信息，如時(shí)統(tǒng)信息、用戶信息、位置信息、通信狀態(tài)、天氣狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前任務(wù)等，將其固定顯示于態(tài)勢主圖邊緣，如窗口頂欄，窗口側(cè)邊，懸掛窗口等。

b）浮動(dòng)顯示。針對(duì)用戶接收到的信息進(jìn)行通知性顯示或者懸浮式半透明顯示，顯示內(nèi)容不會(huì)太復(fù)雜，也不會(huì)影響到用戶對(duì)于主界面信息的閱讀。

c）關(guān)聯(lián)顯示。當(dāng)用戶移動(dòng)鼠標(biāo)，點(diǎn)擊某個(gè)按鈕、軍標(biāo)，執(zhí)行某項(xiàng)操作或者收到某項(xiàng)信息時(shí)，通過關(guān)聯(lián)分析將與其相關(guān)的信息以半透明懸浮窗，或者收容式懸掛窗的形式在主視圖之上進(jìn)行疊加顯示。

d）智能顯隱。包括全態(tài)勢級(jí)別的智能顯隱和圖元、窗口級(jí)別的智能顯隱。全態(tài)勢級(jí)別的智能顯隱可以在用戶縮放地圖或者點(diǎn)選地圖時(shí)，根據(jù)用戶的身份和比例尺等因素有選擇地展現(xiàn)態(tài)勢圖上的態(tài)勢圖元和信息詳細(xì)程度，避免對(duì)用戶在態(tài)勢解讀時(shí)造成不必要的干擾。圖元和窗口級(jí)的智能顯隱是指根據(jù)用戶身份和用戶操作，在向用戶進(jìn)行信息展現(xiàn)時(shí)臨時(shí)隱藏部分圖元或者窗口內(nèi)容，比如在用戶選擇進(jìn)行化學(xué)危害趨勢態(tài)勢查看時(shí)，突出顯示當(dāng)前區(qū)域內(nèi)氣象、水文、戰(zhàn)場目標(biāo)而弱化其他不相關(guān)信息。

2.4 核生化情報(bào)共享功能設(shè)計(jì)

核生化情報(bào)共享支持發(fā)布/訂閱［7-8］、信息推送、信息推薦3種模式。

1）發(fā)布/訂閱模式。用戶可以通過客戶端向信息分發(fā)服務(wù)器訂閱所需信息，也可以將自己的信息向信息分發(fā)服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，信息分發(fā)服務(wù)器完成發(fā)布信息和訂閱的匹配工作，將信息分發(fā)給匹配成功的用戶。2）信息推送模式。信息分發(fā)服務(wù)器保存有事先制定好的信息推送規(guī)則，當(dāng)有用戶向信息分發(fā)服務(wù)器發(fā)布了新的信息時(shí)，服務(wù)器會(huì)綜合待分發(fā)信息的內(nèi)容、訂閱用戶的狀態(tài)以及信息推送規(guī)則，向滿足推送條件的用戶強(qiáng)制推送該信息。3）信息推薦模式。信息推薦服務(wù)保存了所有用戶的歷史訂閱信息，通過設(shè)計(jì)好的信息推薦算法在線實(shí)時(shí)地對(duì)用戶的訂閱信息進(jìn)行分析，以預(yù)測用戶目前的興趣，形成各個(gè)用戶的信息推薦模板。當(dāng)待分發(fā)的信息與某個(gè)用戶的興趣項(xiàng)相吻合時(shí)，將該信息推送給該用戶。核生化信息推薦模式由戰(zhàn)場信息屬性和關(guān)聯(lián)建模子系統(tǒng)、推薦信息模板編輯子系統(tǒng)、推薦信息模板動(dòng)態(tài)更新子系統(tǒng)、信息推薦子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

核生化情報(bào)共享功能需要同時(shí)部署在“云”“端”上。使用“云”平臺(tái)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，在“云”平臺(tái)上存儲(chǔ)完整的態(tài)勢數(shù)據(jù)，計(jì)算、比較、發(fā)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)缺少的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢數(shù)據(jù)差量同步。與“云”斷開時(shí)，“端”上功能生效，由于“端”的匯總數(shù)據(jù)有限，數(shù)據(jù)量僅相當(dāng)于全局態(tài)勢的一個(gè)邏輯圖層。因此，只能檢測態(tài)勢圖層的完整性，分發(fā)態(tài)勢圖層，不具備全局態(tài)勢的檢測、分發(fā)能力。

3 結(jié)論

通過分析目前核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)存在的問題，通過引入云端架構(gòu)解決現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性，設(shè)計(jì)了基于“云-端”架構(gòu)的核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)核生化態(tài)勢感知系統(tǒng)的信息匯集、信息分析處理、信息展現(xiàn)、情報(bào)共享四大功能模塊進(jìn)行“云-端”功能重分布。在確保傳統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的前提下，充分利用“云”的大數(shù)據(jù)處理能力，提升了現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理能力，并提高了核生化態(tài)勢認(rèn)知層次及核生化態(tài)勢信息質(zhì)量。