基于發(fā)布訂閱機制的態(tài)勢信息實時分發(fā)框架

張帆，周曉紅，董龍明

（1.長春職業(yè)技術(shù)學院，長春130033；2.軍委總裝備發(fā)展部駐南京地區(qū)軍事代表室，南京210000）

基于發(fā)布訂閱機制的態(tài)勢信息實時分發(fā)框架

張帆1，周曉紅1，董龍明2

（1.長春職業(yè)技術(shù)學院，長春130033；2.軍委總裝備發(fā)展部駐南京地區(qū)軍事代表室，南京210000）

針對戰(zhàn)場態(tài)勢分發(fā)信息量大、實時性要求高、不同用戶需求差異大的特點，提出了一種基于發(fā)布訂閱機制的態(tài)勢信息實時分發(fā)框架。構(gòu)建態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型，能夠描述戰(zhàn)場態(tài)勢信息和需求方的偏好，將態(tài)勢更新看成發(fā)布事件，需求方看成訂閱者，設(shè)計基于態(tài)勢數(shù)據(jù)元模型設(shè)計合適的匹配算法。在此基礎(chǔ)上給出了態(tài)勢信息實時分發(fā)框架，能夠指導構(gòu)建面向服務架構(gòu)的新型戰(zhàn)場態(tài)勢信息分發(fā)系統(tǒng)。

戰(zhàn)場態(tài)勢，信息實時分發(fā)框架，發(fā)布訂閱機制，元數(shù)據(jù)模型

0 引言

未來戰(zhàn)爭是由“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”模式所主導的集空、天、地、海、電磁五維一體并以信息化條件為背景的高技術(shù)戰(zhàn)爭。在高技術(shù)信息化戰(zhàn)爭中，實時獲取有用態(tài)勢信息往往能贏得戰(zhàn)爭的主動權(quán)。五維作戰(zhàn)空間下的態(tài)勢信息是由描述地形地貌、空海情、作戰(zhàn)力量協(xié)同、敵我目標識別等多個方面的海量信息構(gòu)成，態(tài)勢信息必然是分布存儲在戰(zhàn)場多個作戰(zhàn)單元，并且是異構(gòu)的。戰(zhàn)場全譜態(tài)勢信息是一種可見、可獲取、可理解的形式，對信息優(yōu)勢的實時獲取和態(tài)勢信息實時分發(fā)具有重要意義。

戰(zhàn)場態(tài)勢信息一方面信息量巨大，另一方面隨著敵我力量的變化隨時間動態(tài)變化，呈現(xiàn)遞增。在態(tài)勢數(shù)據(jù)表示方面，美軍的MLIL-STD-2525C公共作戰(zhàn)符號標準規(guī)范了戰(zhàn)場對象的符號化表示，我軍使用的軍標處理軟件是由我國自主研發(fā)的平臺要圖標繪工具，為我軍一體化平臺提供了豐富的圖元要素符號。但是，由于我國大多數(shù)軍隊信息化系統(tǒng)還處于獨立研究開發(fā)階段，各系統(tǒng)之間不能很好地進行戰(zhàn)場態(tài)勢信息的共享和交換，限制了現(xiàn)代化軍隊間的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

網(wǎng)絡中心戰(zhàn)條件下，隨著偵查手段的進步和作戰(zhàn)空間的拓展，一方面，戰(zhàn)場態(tài)勢的內(nèi)涵越來越豐富：敵我戰(zhàn)場目標基本屬性更加復雜齊全、戰(zhàn)場環(huán)境（地形地貌環(huán)境、氣象條件、、電磁空間）、戰(zhàn)場態(tài)勢信息呈現(xiàn)出海量、多元、復雜、動態(tài)、異構(gòu)、移動的特點，增加了服務器關(guān)于態(tài)勢信息處理、檢索、存儲和分發(fā)的負載難度；另一方面，隨著作戰(zhàn)單元編組的模塊化和指揮體系扁平化，參與作戰(zhàn)單元的種類和數(shù)量也越來越多，態(tài)勢需求方呈現(xiàn)動態(tài)、多樣、個性化等特點。當前，如何降低指揮信息平臺服務器的負載和及時為各作戰(zhàn)單元提供合適的態(tài)勢信息，成為各種指揮控制信息平臺急需解決的問題。

針對戰(zhàn)場態(tài)勢信息分發(fā)技術(shù)，國內(nèi)外將先進的網(wǎng)絡和計算機技術(shù)應用到指揮信息系統(tǒng)并進行一系列研究。戰(zhàn)場態(tài)勢信息表示方面，文獻［1-2］分別對數(shù)據(jù)模型表示和可視化進行研究。陳洪輝等人［3］針對信息分發(fā)信息量大的特點，提出了一種基于服務的態(tài)勢信息訂閱分發(fā)方法；巴海濤等人［4］根據(jù)戰(zhàn)場實時態(tài)勢信息分發(fā)需求，提出一種基于DDS規(guī)范的實時信息分發(fā)服務平臺框架。將通信在時間、空間和控制流解耦的發(fā)布訂閱技術(shù)［5］應用在態(tài)勢信息分發(fā)領(lǐng)域成為趨勢。但是，這兩方面相結(jié)合研究比較少，本文首先基于元數(shù)據(jù)模型構(gòu)建描述戰(zhàn)場基本元素的戰(zhàn)場態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型，能夠精確統(tǒng)一描述戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境和敵我靜動態(tài)對象；然后，基于該元數(shù)據(jù)提出了發(fā)布訂閱算法，能夠?qū)⒑线m的戰(zhàn)場態(tài)勢信息主動實時推薦給需要的作戰(zhàn)單元；最后，給出了態(tài)勢信息實時分發(fā)框架，能夠指導先進指揮控制信息C4ISR系統(tǒng)的開發(fā)。

1 戰(zhàn)場態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型

戰(zhàn)場態(tài)勢信息的種類紛繁復雜，可以從不同的角度進行區(qū)分與分類，以陸地戰(zhàn)場為例大致可以分為3類：軍事地理信息、戰(zhàn)場敵我實體和作戰(zhàn)任務目標描述。在基于發(fā)布訂閱機制下，將戰(zhàn)場態(tài)勢的獲取或更新表示為發(fā)布事件，作戰(zhàn)單位索取態(tài)勢信息表示訂閱條件。

基于Map的數(shù)據(jù)模型將發(fā)布事件和訂閱條件表示成三元組形式（屬性名，謂詞，屬性值），例如：事件（速度，=，100）表示：“速度等于100 km/h”的事件；訂閱條件（速度，>，100）表示：“速度大于100 km/h”的訂閱條件。屬性名一般可以用戰(zhàn)場態(tài)勢對象某個方面有意義的概念表示，謂詞通常是一些邏輯預算符，如：“=”、“>”、“＜”、“>=”、“＜=”、“?”、“?”等。復合式訂閱條件，可以使用邏輯運算符表示，如：（方位，?，東南方）&&（速度，>，100）表示來自東南方并且速度大于100 km/h的潛在威脅目標。

定義1戰(zhàn)場態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型可以用一個三元組BIM=＜GIM，EIM，TGM>表示，其中：GIM表示軍事地理信息概念模型，EIM表示戰(zhàn)場敵我實體概念模型，TGM表示作戰(zhàn)任務目標概念模型。

定義2軍事地理信息概念模型可以用一個九元組GIM=＜PN，RD，VG，WA，MT，BD，RS，RT，ES>來描述，其中：PN表示地名，基本屬性包括名稱、中心點坐標（維度、經(jīng)度）、類型標識；RD表示道路，基本屬性包括：類型、名稱、材料、長度、路寬；VG表示植被，基本屬性包括：植被類型、植物指數(shù)、土壤指數(shù)、水體指數(shù)等；WA表示水系，基本屬性包括：類型、寬度、深度、面積、流速、高程等；BD表示橋梁，基本屬性包括類型、材料、長、寬、高、載重等；RS表示氣象，基本屬性包括類型、氣壓、氣溫、溫度、濕度、風速、風向、日照指數(shù)；RT表示居民地，基本屬性包括：類型、坐標、人口、面積等；ES表示電磁空間，基本屬性包括：類型、發(fā)射源、頻譜強度等。

定義3戰(zhàn)場敵我實體概念模型可以用三元組EIM=＜TY，SP，AR>來描述，其中：TY表示類型，是靜態(tài)實體（機場、車站還是碼頭等）還是移動實體（是運兵裝甲車、指揮車、導彈發(fā)射架、坦克還是自行火炮等）；SP表示速度，刻畫移動實體的動態(tài)特征，包括：最大速度、公路速度、越野速度、爬坡度或涉水深等；AR表示面積，描述靜態(tài)實體的面積大小、動態(tài)實體通過雷達或光器件可探測的面積。

定義4作戰(zhàn)任務目標概念模型可以用一個六元組TGM=＜TA，CS，AS，ET，MA，ET>來描述，其中：TA表示任務區(qū)域；CS表示指揮方；AS表示行動方，參與完成此次行動的各作戰(zhàn)單元；ET表示敵方目標；MA表示打擊手段；ET表示該作戰(zhàn)任務的有效時間。

在發(fā)布事件和訂閱條件之間進行匹配需要量化這些概念的匹配程度，量化標準取值在0～1之間。量化時可以根據(jù)概念特征選擇量化標準進行量化：有些概念具有層次結(jié)構(gòu)，可根據(jù)概念在層次的距離進行量化；有些概念具有一個確定值，可根據(jù)值的大小進行量化；有些概念值在一個范圍，可根據(jù)范圍進行量化。對任意一個戰(zhàn)場態(tài)勢事件與訂閱條件的滿意度定義為：Sat=w1*GIM+w2*EIM+w3* TGM，其中w1+w2+w3=1，w1，w2，w3>0，GIM表示滿意度，EIM表示滿意度，TGM表示滿意度。

GIM=w11*PN+w12*RD+w13*VG w14*WA+w15* MT+w16*BD+w17*RS+w18*RT+w19*ES，其中：w11+ w12+w13+w14+w15+w16+w17+w18+w19=1，w11，w12，w13，w14，w15，w16，w17，w18，w19>=0。

EIM=w21*TY+w22*SP+w23*AR，其中：w21+w22+ w23=1，w21，w22，w23>0。

TGM=w31*TA+w32*CS+w33*AS+w34*ET+w35* MA+w36*ET，其中：w31+w32+w33+w34+w35+w36=1，w31，w32，w33，w34，w35，w36>=0。

2 基于元數(shù)據(jù)模型發(fā)布訂閱算法

基于戰(zhàn)場態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型的事件和訂閱條件采用多索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，如圖1和圖2所示。

其中各字段表示的含義如下：

concept：軍事地理信息概念、戰(zhàn)場敵我實體概念模型或作戰(zhàn)任務目標概念模型；

datatype：數(shù)據(jù)類型；

value：屬性值；

operator：謂詞；

index：事件或訂閱序號。

在態(tài)勢信息分發(fā)平臺中，存在著兩種發(fā)布訂閱場景：一是態(tài)勢更新時需要實時分發(fā)給需要的作戰(zhàn)單元，稱之為：“一事件，多訂閱”；二是作戰(zhàn)單元訂閱新領(lǐng)受的作戰(zhàn)任務目標后，系統(tǒng)將已發(fā)布的滿足訂閱條件的戰(zhàn)場態(tài)勢分發(fā)給作戰(zhàn)單元，稱之為“一訂閱，多事件”。

2.1 “一事件，多訂閱”匹配算法

“一事件，多訂閱”要求事件代理服務器能夠?qū)偢碌膽B(tài)勢事件對訂閱索引表進行匹配，找到所有和該事件匹配的訂閱條件。

輸入：態(tài)勢信息事件描述P

輸出：所有和事件P匹配的訂閱條件S

①將事件P加入事件索引表；

②在訂閱條件索引表中分別根據(jù)事件概念屬性名查找與之匹配的訂閱條件屬性名；

③若找到匹配的屬性名，則根據(jù)事件的數(shù)據(jù)類型查找與之匹配的訂閱條件數(shù)據(jù)類型；

④若找到匹配的數(shù)據(jù)類型，則根據(jù)事件的屬性值與訂閱條件屬性值進行比較。根據(jù)關(guān)系運算符規(guī)則，判斷事件的屬性值與訂閱條件屬性值求得真假值，如為真，則將該值下的訂閱事件號index加入到訂閱條件集合TSet，否則將該值下的訂閱事件號index加入到訂閱條件集合FSet；

⑤從集合TSet中將FSet中元素剔除，剩下的集合S則為所有和事件P匹配的訂閱條件S。

2.2 “一訂閱，多事件”匹配算法

“一訂閱，多事件”要求事件代理服務器能夠從事件索引表中找出所有滿足該訂閱條件的所有相關(guān)態(tài)勢信息。

輸入：訂閱條件S

輸出：所有滿足該訂閱條件S的態(tài)勢信息集合

①將訂閱條件S加入到訂閱條件索引表；

②判斷訂閱條件S是復合訂閱條件還是原子訂閱條件，如果是原子訂閱條件則跳轉(zhuǎn)到③；如果是復合訂閱條件，根據(jù)邏輯運算符進行分解直至分解為原子訂閱條件，根據(jù)步驟③分別求得滿足原子訂閱條件的事件集合P；

③對原子訂閱條件，對每個事件索引表每個屬性，如果事件屬性名==S.屬性名/事件索引表二級節(jié)點的事件數(shù)據(jù)類型==S.數(shù)據(jù)類型，那么，對每屬性值滿足訂閱條件的關(guān)系運算符，則：將該事件加入到事件集合P；

④如果訂閱條件為原子訂閱條件，則集合P是所有滿足該訂閱條件S的態(tài)勢信息事件集合。如果是復合原子事件，則求得多個滿足原子事件集合P，根據(jù)兩個原子訂閱條件Si和Sj間的邏輯運算符按照如下規(guī)則逐層求得集合Pi和Pj運算結(jié)果：

Ⅰ、Si和Sj間的邏輯運算符為：/，則P=Pi∩Pj；

Ⅱ、Si和Sj間的邏輯運算符為：/，則P=Pi∪Pj。

3 態(tài)勢信息實時分發(fā)框架

及時準確獲取戰(zhàn)場態(tài)勢是取得信息優(yōu)勢的關(guān)鍵，分布式戰(zhàn)場態(tài)勢信息的分發(fā)是網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的重要特征，基于發(fā)布訂閱機制的實時態(tài)勢信息分發(fā)系統(tǒng)框架如圖3所示。系統(tǒng)由多個分布式事件代理通過網(wǎng)絡互連組成，每個事件代理與一個局域網(wǎng)絡連接，為一定數(shù)量的用戶提供服務。

管理者負責維護一個或多個事件代理，保證事件代理的正常運轉(zhuǎn)。具體包括監(jiān)控最近一段時間內(nèi)代理收到的數(shù)量、發(fā)出的消息數(shù)量、處理事件數(shù)量、匹配事件和消息的丟包情況等。

用戶包括訂閱者（作戰(zhàn)單元、指揮所）和發(fā)布者（態(tài)勢發(fā)布者、態(tài)勢更新者），用戶需要知道連接事件代理的地址信息，在建立連接后，訂閱者向事件代理注冊訂閱條件，發(fā)布者向事件代理發(fā)布事件。而事件代理負責訂閱的建立與存儲、事件匹配和路由、發(fā)布事件通知到訂閱者。整個過程中，系統(tǒng)對于用戶來說是透明的，發(fā)布者只需關(guān)注事件的發(fā)布，訂閱者只需關(guān)心注冊訂閱興趣和接收事件通知，無需關(guān)注系統(tǒng)的具體運行機制。

作戰(zhàn)單元獲取實時戰(zhàn)場態(tài)勢信息至關(guān)重要，基于戰(zhàn)場態(tài)勢信息分發(fā)系統(tǒng)框架，描述了實時戰(zhàn)場態(tài)勢信息的具體分發(fā)過程，如圖4所示。首先，各態(tài)勢采集源（如：雷達、觀察所、紅外探測器等）向態(tài)勢服務注冊中心登記身份信息，態(tài)勢注冊中心建立態(tài)勢服務目標，以方便用戶登錄查找定位該態(tài)勢源。然后，態(tài)勢采集源根據(jù)態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型將態(tài)勢的特征量和數(shù)據(jù)發(fā)布到態(tài)勢信息分發(fā)服務器中，態(tài)勢信息分發(fā)服務器同步更新其他節(jié)點的發(fā)布特征表，使得各個節(jié)點的發(fā)布特征表保持一致；用戶通過web客戶端登錄到態(tài)勢服務注冊中心，選擇合適的態(tài)勢信息服務，通過Web服務器向態(tài)勢信息分發(fā)服務器發(fā)送訂閱條件信息。最后，實時態(tài)勢信息分發(fā)服務根據(jù)態(tài)勢訂閱者和發(fā)布者的態(tài)勢元數(shù)據(jù)特征量進行匹配，將實時更新的態(tài)勢信息及時發(fā)送給態(tài)勢信息用戶。

4 結(jié)論

為了保證網(wǎng)絡中心戰(zhàn)下分布式態(tài)勢信息實時分發(fā)到作戰(zhàn)單元，本文提出了一種基于發(fā)布訂閱機制的態(tài)勢信息分發(fā)框架。該框架將態(tài)勢感知源感知的態(tài)勢和作戰(zhàn)單元需求的態(tài)勢信息統(tǒng)一使用戰(zhàn)場態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型進行描述，然后，提出了兩種態(tài)勢實時分發(fā)匹配算法——“一事件多訂閱”和“一訂閱多事件”，最后從系統(tǒng)框架和信息分發(fā)流程兩方面提出了態(tài)勢信息實時分發(fā)框架，能夠指導構(gòu)建面向服務架構(gòu)的新型戰(zhàn)場態(tài)勢信息分發(fā)系統(tǒng)。如何在面向服務或云計算等主流的分布式架構(gòu)下實現(xiàn)基于發(fā)布訂閱機制的態(tài)勢信息實時分發(fā)框架是下一步工作的重點和研究的方向。

［1］馬亞明，華一新，張亞軍.戰(zhàn)場態(tài)勢信息數(shù)據(jù)模型研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（4）：948-953.

［2］侯鋒，張軍，李國輝.共用戰(zhàn)場態(tài)勢信息系統(tǒng)研究綜述［J］.測繪科學，2007，32（6）：17-20.

［3］陳洪輝，宛海寧，陳濤.一種基于服務的態(tài)勢信息訂制分發(fā)方法［J］.計算機應用研究，2009，26（4）：1428-1431.

［4］巴海濤，許銳鋒.基于DDS規(guī)范的戰(zhàn)場態(tài)勢信息分發(fā)框架［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2012，3（1）：45-48.

［5］EUGSTER P T，F(xiàn)ELBER P，GUERRAOUI R.The many faces of publish/subscribe［J］.ACM Journal of Computing，2003，35（2）：114-131.

Battlefield Information Real-time Distributed Framework Based on Publish/Subscribe Mechanism

ZHANG Fan1，ZHOU Xiao-hong1，DONG Long-ming2
（1.Changchun Vocational Institute of Technology，Changchun 130033，China；
2.Nanjing Military Representative Office of the General Armament Department，Nanjing 210000，China）

The battlefield has a large amount of information to be distributed real-timely，and the information also has different characteristics in user demand.To solve them，this paper presents a battlefield information real-time distributed framework based on the publish/subscribe mechanism. Firstly，a meta-data about the battlefield information is constructed，which can describe the information of the battlefield and the preference of the demanders.The update of the battlefield is as the publish event，and the demander is as the subscriber.Then，the appropriate matching algorithm is designed based on this meta-data.Finally，a distribution framework of battlefield information is proposed on this basis，which can guide to build the new service-oriented battlefield information distribution system.

battlefield information，information real-time distributed framework，publish/subscribe mechanism，meta-data model

TP39

A

1002-0640（2017）01-0133-04

2015-11-05

2016-01-07

張帆（1982-），男，吉林長春人，碩士，講師。研究方向：計算機應用技術(shù)。