高頻增量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化交互實(shí)現(xiàn)方法

童艷 陶鶴丹 王萬金

摘? 要： 為滿足測控系統(tǒng)對(duì)高頻增量數(shù)據(jù)跨平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示與分析能力需求，采用空間換時(shí)間的思想，通過態(tài)勢顯示與細(xì)節(jié)展示相結(jié)合的方式，減輕大數(shù)據(jù)量條件下的圖形渲染時(shí)間壓力。設(shè)計(jì)前端顯示頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整與數(shù)據(jù)量自動(dòng)優(yōu)化算法二者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高頻增量信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示與交互的流暢性。通過Echarts工具組件的使用和面向地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)，提高了測控信息實(shí)時(shí)可視化數(shù)據(jù)分析能力。測試結(jié)果表明，通過設(shè)定合適的優(yōu)化系數(shù)能夠保證可視化軟件長時(shí)間運(yùn)行流暢不卡頓，可滿足高頻增量測控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化交互需求。

關(guān)鍵詞： 實(shí)時(shí)； 動(dòng)態(tài)顯示； 可視化交互； 優(yōu)化算法； 地理信息

中圖分類號(hào)：TP319? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2023）04-127-03

Abstract： In order to meet the requirements of the measurement and control system for real-time cross-platform display and analysis capability of high-frequency incremental data， the idea of space for time is used to reduce the time pressure of graphics rendering under the condition of large data volume through the combination of situation display and detail display. The combination of front-end display frequency dynamic adjustment and data volume automatic optimization algorithm is designed to realize the smoothness of real-time dynamic display and interaction of high-frequency incremental data. Through the use of Echarts tools and the secondary development of geographic information system， the ability of visual data interaction and analysis is enhanced. The test results show that this method can ensure the smooth running of the visualization software for a long time by setting appropriate optimization coefficients. It meets the requirements of real-time visual interaction of high-frequency incremental data.

Key words： real-time; dynamic display; visual interaction; optimization algorithm; geographic information

0 引言

在飛行器測控任務(wù)中，中心機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理飛行目標(biāo)的跟蹤測量數(shù)據(jù)、目標(biāo)解算軌跡等測控信息，這些信息需要實(shí)時(shí)顯示供指揮決策者分析測控任務(wù)完成情況，并作為安控決策依據(jù)[1]。由于這類數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、更新頻率高、數(shù)據(jù)積累量大等特點(diǎn)，對(duì)這類數(shù)據(jù)的可視化顯示分析要考慮在大數(shù)據(jù)量條件下的實(shí)時(shí)性和交互性，防止顯示界面出現(xiàn)丟點(diǎn)、卡頓、信息監(jiān)視不及時(shí)而導(dǎo)致測控失利。同時(shí)，隨著測控綜合保障平臺(tái)的建設(shè)發(fā)展，搭載可視化分析軟件的平臺(tái)存在多樣性特點(diǎn)，這就要求顯示分析軟件能夠不受軟硬件平臺(tái)的限制。因此需要設(shè)計(jì)出可跨平臺(tái)運(yùn)行的高頻增量測控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化交互軟件。

本文提出了一種空間換時(shí)間的思想，通過Echarts提供的多種數(shù)據(jù)圖表可視化解決方案，實(shí)現(xiàn)了不受軟硬件平臺(tái)約束的測控?cái)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示與交互。應(yīng)用過程中針對(duì)顯示需求作了必要的二次開發(fā)和算法設(shè)計(jì)，滿足了高頻增量測控信息的實(shí)時(shí)可視化交互需求。

1 跨平臺(tái)軟件構(gòu)架

用于顯示分析測控信息的軟件運(yùn)行在工作站或終端節(jié)點(diǎn)[2]，這些平臺(tái)通常基于Windows或Linux操作系統(tǒng)搭建?？紤]多種平臺(tái)適應(yīng)性，Qt+Web是不錯(cuò)的選擇。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架，它提供的Web引擎能夠?qū)崿F(xiàn)瀏覽器功能。因此本文選擇Qt+Web作為軟件開發(fā)平臺(tái)，滿足軟件的跨平臺(tái)運(yùn)行需求。

為保證實(shí)時(shí)性，軟件采用C-S架構(gòu)。用C++完成后端開發(fā)，實(shí)時(shí)接收測控網(wǎng)絡(luò)的組播數(shù)據(jù)[3]，按照信息流程解包，將顯示信息加工成json格式，采取主動(dòng)推送模式驅(qū)動(dòng)前端界面進(jìn)行實(shí)時(shí)更新顯示。Web前端采用HTML5+CSS+Echarts技術(shù)，其中HTML5和CSS用于控制網(wǎng)頁布局和樣式，Echarts用于創(chuàng)建動(dòng)態(tài)圖表。Echarts是目前流行的商業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)圖表庫，提供了包括地理坐標(biāo)、直方圖、曲線圖等多種數(shù)據(jù)圖表可視化解決方案。作為一個(gè)JS插件，其底層依賴輕量級(jí)的Canvas封裝類庫ZRender，兼容當(dāng)前絕大部分瀏覽器[4]，無軟硬件平臺(tái)限制，是構(gòu)建跨平臺(tái)測控信息可視化交互軟件的理想選擇。

基于Echarts的實(shí)時(shí)測控信息跨平臺(tái)可視化交互軟件設(shè)計(jì)流程如圖1所示。軟件采用多線程設(shè)計(jì)，主線程創(chuàng)建Web窗口負(fù)責(zé)前端圖表顯示和人機(jī)交互分析，子線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收、解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，當(dāng)有新數(shù)據(jù)到來時(shí)以4Hz頻率向Web窗口發(fā)送消息。窗口根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)化算法控制顯示刷新，為用戶提供顯示分析服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

為了保證高頻增量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新動(dòng)態(tài)顯示，這里提出一種空間換時(shí)間的思想進(jìn)行前端圖表原型設(shè)計(jì)，采用態(tài)勢顯示與細(xì)節(jié)展示相結(jié)合的方式展示數(shù)據(jù)。其中態(tài)勢顯示主要展示目標(biāo)飛行全程時(shí)間段的測控信息，大部分時(shí)間刷新頻率較低，對(duì)大數(shù)據(jù)量條件下的圖形渲染時(shí)間沒有壓力，不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)量大更新頻率高導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓和丟點(diǎn)。細(xì)節(jié)展示是給用戶提供一個(gè)滑動(dòng)窗口，展示最近T（如40秒）時(shí)刻內(nèi)的數(shù)據(jù)，刷新頻率固定為4Hz。由于受時(shí)間窗口約束，細(xì)節(jié)窗口顯示的數(shù)據(jù)量小，高頻刷新也不會(huì)造成渲染不及時(shí)而卡頓的現(xiàn)象。態(tài)勢顯示與細(xì)節(jié)展示相結(jié)合是解決大數(shù)據(jù)量條件下實(shí)時(shí)顯示測控信息的有效方案。

在態(tài)勢顯示圖上，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選以防止資源耗盡或產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，從而完成有效顯示[5]。如在視圖可見范圍較大時(shí)，有可能在一個(gè)像素點(diǎn)附近高頻刷新大量數(shù)據(jù)，而這樣做卻并不會(huì)引起太大的視覺反應(yīng)，反而浪費(fèi)了資源。

這里設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)優(yōu)化算法，使顯示刷新頻率根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和視圖縮放系數(shù)動(dòng)態(tài)地調(diào)整。該算法的原理為：當(dāng)實(shí)時(shí)更新的測控信息前后數(shù)據(jù)差異相對(duì)態(tài)勢底圖窗口比例較小時(shí)，配合細(xì)節(jié)顯示窗口以4Hz頻率實(shí)時(shí)更新顯示數(shù)據(jù)，態(tài)勢顯示刷新頻率需求則大大降低，此時(shí)態(tài)勢顯示呈現(xiàn)“低功耗待機(jī)”模式，惰性刷新可達(dá)3-5秒一次；當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)干擾，跳點(diǎn)較大時(shí)，超過了惰性刷新門限，顯示界面能夠立即啟動(dòng)“積極響應(yīng)”模式。兩種模式動(dòng)態(tài)切換既不會(huì)使異常點(diǎn)數(shù)據(jù)延遲更新，又可以達(dá)到實(shí)時(shí)高效監(jiān)視的目的。與此同時(shí)為了防止大數(shù)據(jù)量條件下圖形渲染對(duì)資源產(chǎn)生的壓力，態(tài)勢圖顯示的數(shù)據(jù)量可根據(jù)目標(biāo)數(shù)量和飛行時(shí)長選擇性優(yōu)化。根據(jù)底圖窗口大小動(dòng)態(tài)調(diào)整顯示刷新步長門限，對(duì)比前后數(shù)據(jù)差異與步長的關(guān)系決定數(shù)據(jù)取舍，從而可以大大降低每周期內(nèi)顯示刷新的數(shù)據(jù)數(shù)量。

以上給出的顯示刷新頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)量自動(dòng)優(yōu)化算法二者結(jié)合能夠保證高頻增量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化交互的流暢性。

2.2 交互功能設(shè)計(jì)

測控信息可視化是實(shí)時(shí)掌握測控目標(biāo)飛行動(dòng)態(tài)的方法手段，其目的是分析目標(biāo)特性和狀態(tài)，因此可供人機(jī)交互的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析功能必不可少。為了能更好的實(shí)現(xiàn)交互分析，可利用Echarts提供的提示框組件tooltip獲取每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的詳細(xì)信息。以地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)為例，設(shè)計(jì)地圖系列數(shù)據(jù)的name和value組成。根據(jù)地理信息數(shù)據(jù)特點(diǎn)將name設(shè)計(jì)為飛行時(shí)，在value結(jié)構(gòu)中除了確定地理坐標(biāo)的二維數(shù)據(jù)外，可在value的三維以上數(shù)據(jù)中設(shè)計(jì)需要提供給用戶的信息，如目標(biāo)號(hào)、測量方案等。設(shè)計(jì)提示框浮層內(nèi)容格式為“數(shù)據(jù)名：數(shù)據(jù)值”，此時(shí)用戶可通過鼠標(biāo)拾取地圖上任意數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息，包括時(shí)間、經(jīng)緯度、目標(biāo)號(hào)和測量方案等，便于實(shí)時(shí)分析目標(biāo)測控和飛行情況。在多目標(biāo)飛行任務(wù)中，還可以利用Echarts提供的visualMap組件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的視覺映射，直觀區(qū)分多目標(biāo)信息，在同一地圖上完成多目標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

除了常規(guī)的地圖縮放、點(diǎn)選、提示信息等，對(duì)于地圖數(shù)據(jù)還有一個(gè)重要且常用的功能就是地圖量尺。Echarts提供的鼠標(biāo)響應(yīng)函數(shù)和像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換API使得我們在地圖上做二次開發(fā)成為可能。在鼠標(biāo)單擊響應(yīng)事件中，通過Echarts的API接口convertFromPixel可以輕松拾取大地坐標(biāo)，采用公式⑴計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離[6]，從而實(shí)現(xiàn)快速分析功能。

其中，Lat1、Lat2、Lon1、Lon2分別為兩點(diǎn)的經(jīng)度和緯度，a代表兩點(diǎn)的經(jīng)度差，R為地球半徑。

3 應(yīng)用效果測試

3.1 測試環(huán)境搭建

以地圖數(shù)據(jù)為例創(chuàng)建Web頁面，運(yùn)用Ajax技術(shù)從json文件異步讀取數(shù)據(jù)文件[7]，如站址數(shù)據(jù)、理論軌跡數(shù)據(jù)、安全管道數(shù)據(jù)，選用特效散點(diǎn)圖、普通散點(diǎn)圖、線圖繪制以上三種數(shù)據(jù)結(jié)合地圖作為地理信息顯示底圖。設(shè)計(jì)散點(diǎn)圖顯示增量地理信息數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)帶目標(biāo)標(biāo)識(shí)的線圖表示目標(biāo)實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)。采用跨平臺(tái)開發(fā)框架QT搭建C-S架構(gòu)應(yīng)用環(huán)境，主窗口通過QWebEngineView類加載Web頁面，同時(shí)創(chuàng)建多線程完成數(shù)據(jù)匯集，抽取飛行時(shí)、經(jīng)度、緯度、目標(biāo)號(hào)、方案號(hào)等信息加工成json數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)推送給Web頁面采用本文提出的優(yōu)化方法進(jìn)行顯示處理。設(shè)計(jì)目標(biāo)軌跡散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)格式為：{name："時(shí)間"，value：[經(jīng)度，緯度，方案號(hào)]}，tooltip的格式為：'：{c}'，將visualMap組件作用于不同目標(biāo)的散點(diǎn)圖系列完成視覺映射，實(shí)現(xiàn)區(qū)分多目標(biāo)信息的同時(shí)顯示。

3.2 應(yīng)用效果

本軟件在保證實(shí)時(shí)交互流暢不卡頓的前提下作增量數(shù)據(jù)顯示分析測試。以中國地圖為底圖，仿真模擬多弧段理論軌跡，每個(gè)弧段理論軌跡前后點(diǎn)步長0.08-0.12公里，采用分弧段由西向東大跨步跳躍模仿異常點(diǎn)響應(yīng)測試，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新頻率20Hz。細(xì)節(jié)窗口初始化地圖縮放系數(shù)50，刷新頻率4Hz，時(shí)間窗口40s。態(tài)勢圖初始化地圖縮放系數(shù)zoom=12.5，步長d=4公里，最大數(shù)據(jù)量設(shè)置為3000。測試結(jié)果顯示態(tài)勢圖跳點(diǎn)刷新時(shí)間間隔為250ms，連續(xù)弧段點(diǎn)刷新時(shí)間間隔隨地圖縮放變化為1-5s，細(xì)節(jié)窗口數(shù)據(jù)保持最近40秒，顯示效果如圖2所示。進(jìn)行大數(shù)據(jù)量壓力測試，運(yùn)行時(shí)長大于10000秒后，態(tài)勢圖過濾數(shù)據(jù)量大于40000條，圖2中的態(tài)勢圖交互流暢，細(xì)節(jié)窗口仍然保持4Hz刷新，不丟點(diǎn)不卡頓。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，通過設(shè)定合適的優(yōu)化系數(shù)能夠保證可視化軟件長時(shí)間運(yùn)行流暢不卡頓，滿足高頻增量測控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示分析需求。

4 結(jié)束語

本研究提供了一種用于飛行器測控中心機(jī)系統(tǒng)跨平臺(tái)可視化建設(shè)的方法，可確保高頻增量測控信息得到實(shí)時(shí)有效的顯示并提供一定的人機(jī)交互分析能力，更好的輔助決策指揮。此方法首先通過態(tài)勢顯示與細(xì)節(jié)顯示結(jié)合的方式減輕大數(shù)據(jù)量條件下的圖形渲染時(shí)間壓力；其次，設(shè)計(jì)前端顯示頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整與數(shù)據(jù)量自動(dòng)優(yōu)化算法二者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高頻增量信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化交互的流暢性；最后，通過Echarts工具組件的使用和面向地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)，提高了測控信息實(shí)時(shí)可視化數(shù)據(jù)分析能力。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 劉德龍，樓順天，崔建國.指控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)[D].碩士，西安電子科技大學(xué)，2014

[2] 蔣充劍，夏紹志，等.靶場試驗(yàn)指揮控制中心系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].艦船電子工程，2009，29（2）：43-46

[3] 程委，李兵，吳增強(qiáng)，等.航天器飛行及測控過程可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（8）：22-27

[4] 洪敏，吳紅亞，楊保華，等.基于HTML的ECharts的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示前端設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2018（8）：27-32

[5] 宋剛.大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的數(shù)據(jù)可視化概念研究[J].無線互聯(lián)科技，2021，17（9）：25-26

[6] 劉軍偉.地球表面上兩點(diǎn)之間距離的幾種求算方法[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，26（5）：126-129

[7] 趙海國.Ajax支持下的ECharts圖形報(bào)表技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2018（4）：66-69

作者簡介：童艷（1982-），女，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向：實(shí)時(shí)測控軟件系統(tǒng)研究。