基于GIS的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)技術(shù)研究

鄒曉天,余 俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

基于GIS的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)技術(shù)研究

鄒曉天,余 俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

傳統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)系統(tǒng)在虛擬的邏輯環(huán)境中繪制呈現(xiàn),沒有充分利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息,存在顯示單一、無法進(jìn)行拓?fù)浞治龅缺姸嗑窒?。地理信息系統(tǒng)(GIS)的應(yīng)用賦予了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫碌奶匦?彌補(bǔ)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)的眾多局限。通過對(duì)基于GIS的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)技術(shù)的研究,給出了針對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的GIS拓?fù)涑尸F(xiàn)技術(shù)的常用方法,并在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)管理軟件環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用,取得了較好的顯示效果。

地理信息系統(tǒng) 戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn) 層次化地圖模型

0 引 言

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)是移動(dòng)通信環(huán)境下的柵格網(wǎng)絡(luò)[1],戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑cGIS地圖有效地結(jié)合是戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中必須解決的關(guān)鍵問題,目前在該應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在網(wǎng)絡(luò)GIS地圖模型研究、基于GIS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃技術(shù)、基于GIS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砑夹g(shù)和基于GIS的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治黾夹g(shù),極少有針對(duì)基于GIS的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)技術(shù)的研究。文中基于網(wǎng)絡(luò)層次化地圖模型[2],建立了基本的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制模型,設(shè)計(jì)了基于多緩存的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖倮L制算法、戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謱永L制技術(shù)以及用戶網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D的交互引擎,將研究成果在網(wǎng)絡(luò)管理軟件環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用,取得了較好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示效果。

1 地理信息系統(tǒng)(GIS)

GIS是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng),具有對(duì)地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、管理、查詢和分析及輸出等功能,它具有以下幾方面的特征:①具有空間性和動(dòng)態(tài)性;②有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)管理,并由計(jì)算機(jī)程序模擬地理分析算法,作用于空間數(shù)據(jù),產(chǎn)生有用信息,完成普通信息系統(tǒng)難以完成的任務(wù);③計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持是地理信息系統(tǒng)的重要特征,因而使得地理信息系統(tǒng)能以快速、精確、綜合的對(duì)復(fù)雜的地理信息系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過程動(dòng)態(tài)分析。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟位Ｐ?/h2>

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)在一定的地域上分布,特定的地理范圍只會(huì)與部分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蜖顟B(tài)信息相對(duì)應(yīng)。將這一特性與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶哟位Y(jié)構(gòu)相結(jié)合,可以在不同尺度的地圖中呈現(xiàn)不同層次的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?尺度愈小的網(wǎng)絡(luò)GIS地圖呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)信息越詳細(xì)。

根據(jù)這個(gè)原則,再結(jié)合戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),建立基本的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?模型包括4個(gè)基本的抽象對(duì)象:域,用于表示各抽象對(duì)象的奴屬關(guān)系;節(jié)點(diǎn),表示一個(gè)通信單元,通信單元又由一系列戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備組成,包括短波電臺(tái)、超短波電臺(tái)等常用戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備;子網(wǎng),表示一組對(duì)象集合以及這些對(duì)象的互聯(lián),對(duì)象可以是一系列通信設(shè)備的組合,即節(jié)點(diǎn);鏈路,鏈路表示節(jié)點(diǎn)與子網(wǎng)之間的連接。其中,一個(gè)域下可以有多個(gè)域、節(jié)點(diǎn)和子網(wǎng)對(duì)象。

基于文獻(xiàn)[2]提出的網(wǎng)絡(luò)層次化地圖模型,建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠緦?duì)象模型如下:域可用二元組表示U=＜I,Ui＞,其中,I表示單元的標(biāo)識(shí),Ui表示單元所屬的上級(jí)域;節(jié)點(diǎn)用四元組表示N=＜I,L,S,Ui＞,其中I表示節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí),L表示節(jié)點(diǎn)的地理位置,S表示節(jié)點(diǎn)狀態(tài),Ui表示節(jié)點(diǎn)所屬域的id標(biāo)識(shí);子網(wǎng)可用三元組表示S=＜I,Ui,N1,2…n＞,其中I表示子網(wǎng)的標(biāo)識(shí),Ui表示子網(wǎng)所屬域的id標(biāo)識(shí),N1,2…n表示組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)集合;鏈路表示如下L=＜I,Pn,Ps,S＞,其中I表示鏈路的標(biāo)識(shí),Pn表示鏈路連接的節(jié)點(diǎn)端,Ps表示鏈路連接的子網(wǎng)端,S表示鏈路狀態(tài)。

3 GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)方法

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢暬痆3]包含對(duì)域、節(jié)點(diǎn)、子網(wǎng)和鏈路的可視化呈現(xiàn),根據(jù)各對(duì)象具有的地理位置信息,通過坐標(biāo)變換將地理位置信息映射到屏幕坐標(biāo)繪制出來。其中域有兩種呈現(xiàn)方式,一種為收縮狀態(tài),用于在地圖上無法展開域范圍的時(shí)候表示為地圖上一點(diǎn);另一種為展開狀態(tài),在地圖上用面狀圖形表示,同時(shí)域具有等級(jí)劃分,越上層的域等級(jí)越大,可通過圖表區(qū)分。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的地理位置是可移動(dòng)和變化的,當(dāng)節(jié)點(diǎn)地理位置改變后將其位置信息在本節(jié)點(diǎn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中進(jìn)行更新,同時(shí)將其上傳到上級(jí)網(wǎng)管中心,上級(jí)網(wǎng)管中心存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)最新位置,并更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D。子網(wǎng)由于是虛擬的網(wǎng)絡(luò)元素,與域相同,在地圖上沒有實(shí)際存在的點(diǎn)來表示,但由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)象增加后,會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象,同時(shí),子網(wǎng)的位置對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拿烙^性起著很大作用,因此,子網(wǎng)的位置可由用戶自定義,以避免重疊現(xiàn)象,同時(shí)可使得拓?fù)湟晥D更美觀。鏈路是連接車輛與子網(wǎng)的線路表示,戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中多為無線通信手段,針對(duì)無線鏈路用虛線表示,針對(duì)有線鏈路用實(shí)線表示。

為提高GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D繪制效率,文中提供兩種優(yōu)化方式,一種是按域逐級(jí)呈現(xiàn)方法,另一種是多級(jí)繪圖緩存方法[4]。按域逐級(jí)呈現(xiàn)方法:結(jié)合戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)特點(diǎn),根據(jù)層次化模型劃分,戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖采取由頂?shù)较?以域?yàn)閱挝恢饘诱归_的方式進(jìn)行繪制。在小比例尺地圖上,由于無法在地圖上展開節(jié)點(diǎn),僅繪制域?qū)ο?展現(xiàn)域與域之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系,隨著地圖的放大,比例尺逐級(jí)變大,可逐層展開域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系,如此遞歸循環(huán)繪制,一方面符合用戶的操作流程,可取得良好的人機(jī)交互體驗(yàn),另一方面由于此方式下減少了冗余數(shù)據(jù)的繪制,需要繪制的對(duì)象極大的減少,繪制效率將大大提高。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒从蛑鸺?jí)呈現(xiàn)方法示意圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒从蛑鸺?jí)呈現(xiàn)方法示意Fig.1 Schematic diagram of network topology display method in step by step by region

多級(jí)繪圖緩存方法:根據(jù)拓?fù)湟晥D呈現(xiàn)內(nèi)容,將GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D劃分為4層,分別是:基礎(chǔ)地理信息層,用于顯示電子地圖文件;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?顯示根據(jù)地理位置繪制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?拓?fù)浞治鼋Y(jié)果層,繪制拓?fù)浞治鼋Y(jié)果;其他層,如測(cè)量結(jié)果、特殊標(biāo)圖等結(jié)果層。針對(duì)這種視圖分層劃分,文中采用一種多級(jí)緩存繪圖機(jī)制,通過建立多級(jí)緩存繪圖提高呈現(xiàn)效率。基礎(chǔ)地理信息層的繪制效率與地理信息數(shù)據(jù)文件大小和詳細(xì)程度有關(guān),數(shù)據(jù)量越大繪制時(shí)間越長(zhǎng),為了避免因其他圖層重繪引起基礎(chǔ)地理信息層的繪制,將地理信息層單獨(dú)建立一個(gè)繪制緩存CacheMap,當(dāng)其他圖層更新時(shí)僅需提取CacheMap層與其他圖層疊加,避免重新繪制,提高了繪制效率;同樣,對(duì)主要的圖層分別建立繪制緩存如下:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵咏⒁粋€(gè)繪制緩存CacheTopo,對(duì)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果層建立繪制緩存CacheTopoAnalyse。這樣建立多級(jí)緩存后,當(dāng)GIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟晥D中某一層需要更新時(shí),僅需對(duì)更新層進(jìn)行重繪操作,其他層僅需要做位圖拷貝操作,而不用重新繪制所有圖層。用戶視圖組成與各層緩存模型如圖2所示。

圖2 用戶視圖組成與各層緩存模型示意Fig.2 Schematic diagram of the composition of users view and layers caching model

4 用戶視圖的交互機(jī)制

用戶視圖交互主要有基礎(chǔ)地理信息層交互、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵咏换?、拓?fù)浞治鰧咏换サ?地理信息層主要是地圖交互,包括地圖放大、地圖縮小、地圖漫游等操作,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵咏换ブ饕菍?duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木庉嫴僮?包括網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的添加、刪除、移動(dòng)等,由于用戶視圖各層的交互互相之間存在消息響應(yīng)沖突,若沒有處理這種交互沖突,用戶消息將像無頭的蒼蠅一樣發(fā)往各層,造成消息混亂,使實(shí)際操作結(jié)果與用戶操作結(jié)果不一致。因此,必須建立一套合理消息分發(fā)機(jī)制將消息正確發(fā)往指定圖層。這種機(jī)制我們命名為消息分發(fā)引擎機(jī)制。

消息分發(fā)引擎專門接收來自用戶的界面操作消息,引擎內(nèi)部有一套消息歸屬判斷機(jī)制,消息歸屬判斷機(jī)制以用戶當(dāng)前在各圖層中選擇的編輯工具和活躍編輯圖層作為輸入條件,根據(jù)條件判斷哪些圖層上的編輯工具為有效狀態(tài),同時(shí)不會(huì)引發(fā)消息沖突,再將消息發(fā)往正確的圖層,使之有序高效。消息分發(fā)引擎工作示意圖如圖3所示。

圖3 消息分發(fā)引擎工作示意Fig.3 Schematic diagram of message distribution engine work

地理信息層交互主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的一系列操作,包括地圖放大、縮小、漫游等操作。都是有選用的地理信息引擎實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵咏换ブ饕菍?shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的添加、編輯、刪除、移動(dòng)、入網(wǎng)和編輯等操作。在實(shí)現(xiàn)上,主要向用戶提供一個(gè)拓?fù)涔ぞ呦?工具箱中包含所有域、節(jié)點(diǎn)、子網(wǎng)、鏈路的模板,均可以選擇相應(yīng)編輯工具將模板的實(shí)例化對(duì)象添加到視圖中。關(guān)于模板的編輯,可在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)選擇模板模式對(duì)模板進(jìn)行編輯操作。下面對(duì)基本的對(duì)象操作實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行介紹:

添加對(duì)象:在拓?fù)渚庉嫻ぞ咧羞x擇添加工具;在拓?fù)涔ぞ呦渲羞x擇要添加的對(duì)象模板;選擇添加對(duì)象所屬域?qū)ο?在GIS視圖上添加位置處單擊,完成元素的添加。

編輯對(duì)象:在拓?fù)渚庉嫻ぞ咧羞x擇編輯工具;在地圖上對(duì)象繪制處單擊,彈出編輯框,在對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改后保存完成編輯。

刪除對(duì)象:選擇刪除對(duì)象工具;在用戶視圖中網(wǎng)絡(luò)對(duì)象處單擊選中,彈出確認(rèn)刪除對(duì)話框,選擇確認(rèn)刪除完成刪除操作(刪除域?qū)h除本域下所有對(duì)象)。

移動(dòng)對(duì)象:選擇移動(dòng)對(duì)象工具;在用戶視圖上選中要移動(dòng)的對(duì)象

入網(wǎng):首先選中操作的子網(wǎng),選擇入網(wǎng)工具,再框選入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn),將彈出入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)話框,勾選各節(jié)點(diǎn)中加入子網(wǎng)的通信設(shè)備,單擊確定完成入網(wǎng)過程。

5 網(wǎng)絡(luò)管理軟件

網(wǎng)絡(luò)管理軟件用于集成文中研究技術(shù)和成果,綜合集成了層次化模型、逐級(jí)顯示和多級(jí)緩存、消息分發(fā)等功能。根據(jù)功能組成,將網(wǎng)絡(luò)管理軟件進(jìn)行模塊劃分,主要由以下幾部分組成:網(wǎng)絡(luò)對(duì)象管理模塊,基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟位Ｐ?建立基本的網(wǎng)絡(luò)對(duì)象管理模塊,用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的管理與控制;地理信息模塊,基于地理信息系統(tǒng)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)地圖文件打開和繪制,并提供拓?fù)淅L制必須的接口和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng);拓?fù)涑尸F(xiàn)模塊,基于地理信息模塊,利用其接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制;消息分發(fā)模塊,即消息引擎,實(shí)現(xiàn)用戶視圖操作消息的模塊分發(fā)等。網(wǎng)絡(luò)管理軟件模塊組成圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)管理軟件模塊組成Fig.4 Schematic diagram of network management software modules

6 結(jié) 語(yǔ)

文中通過對(duì)基于GIS的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn)技術(shù)的研究完成了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟位Ｐ蜆?gòu)建,實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑尸F(xiàn),提出了按域逐級(jí)呈現(xiàn)方法和多級(jí)繪圖緩存方法用于優(yōu)化拓?fù)淅L制。同時(shí)針對(duì)這種層次化視圖構(gòu)建的消息交互特點(diǎn),提出了一種消息分發(fā)引擎用于實(shí)現(xiàn)消息的高效正確的傳遞。最后在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣换シ矫孀隽松钊胙芯?實(shí)現(xiàn)幾種常用交互。通過對(duì)這些技術(shù)在實(shí)際網(wǎng)管軟件的使用取得了較好的用戶體驗(yàn)效果。

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ZOU Xiao-tian(1981-),male,engineer, bachelor,majoring in tactical communications networkmanagement,geographicinformation systems.

余 俊(1986—),男,助理工程師,學(xué)士,主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)管理,地理信息系統(tǒng)。

YU Jun(1981-),male,assistant engineer,bachelor,majoring in tactical communications network management,geographic information systems.

GIS-based Tactical Internet Network Topology Rendering Technology

ZOU Xiao-tian,YU Jun
(No.30 Institute of CECT,Chengdu Sichuan 610041,China)

The traditional tactical network topology display system displays in a virtuallized logical environment.It makes no full utilization of node location information,for some limitations such as existence of single display,unable to analyze the topology and so on.GIS(Geographic Information System)endows the tactical network topology with some new features,and remedies many limitations of the traditional network topology rendering technology.Based on the research of GIS-based tactical internet network topology rendering technology,the common approach to GIS network topology rendering technology is proposed,and it achieves fairly good display results in the application environment of actual network management software.

geographic information systems;tactical internet;network topology rendering;hierarchical map model

TP393

A

1002-0802(2014)02-0231-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.022

鄒曉天(1981—),男,工程師,學(xué)士,主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)管理,地理信息系統(tǒng);