基于GIS的戰術通信網絡拓撲呈現技術研究

鄒曉天,余 俊

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

基于GIS的戰術通信網絡拓撲呈現技術研究

鄒曉天,余 俊

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

傳統戰術通信網絡拓撲呈現系統在虛擬的邏輯環境中繪制呈現,沒有充分利用節點的地理位置信息,存在顯示單一、無法進行拓撲分析等眾多局限。地理信息系統(GIS)的應用賦予了戰術通信網絡拓撲新的特性,彌補了傳統網絡拓撲呈現的眾多局限。通過對基于GIS的戰術通信網絡拓撲呈現技術的研究,給出了針對戰術通信網絡的GIS拓撲呈現技術的常用方法,并在實際網絡管理軟件環境中進行應用,取得了較好的顯示效果。

地理信息系統 戰術通信網絡 網絡拓撲呈現 層次化地圖模型

0 引 言

戰術通信網是移動通信環境下的柵格網絡[1],戰術通信網絡拓撲與GIS地圖有效地結合是戰術通信網絡管理系統中必須解決的關鍵問題,目前在該應用領域主要集中在網絡GIS地圖模型研究、基于GIS的網絡拓撲規劃技術、基于GIS的網絡拓撲管理技術和基于GIS的網絡拓撲分析技術,極少有針對基于GIS的戰術通信網絡拓撲呈現技術的研究。文中基于網絡層次化地圖模型[2],建立了基本的戰術通信網絡拓撲繪制模型,設計了基于多緩存的戰術通信網絡拓撲快速繪制算法、戰術通信網絡拓撲分層繪制技術以及用戶網絡拓撲視圖的交互引擎,將研究成果在網絡管理軟件環境中進行應用,取得了較好的網絡拓撲顯示效果。

1 地理信息系統(GIS)

GIS是一種計算機系統,具有對地理空間數據與屬性數據進行輸入、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具有空間性和動態性;②有計算機系統支持進行空間地理數據管理,并由計算機程序模擬地理分析算法,作用于空間數據,產生有用信息,完成普通信息系統難以完成的任務;③計算機系統支持是地理信息系統的重要特征,因而使得地理信息系統能以快速、精確、綜合的對復雜的地理信息系統進行空間定位和過程動態分析。

2 網絡拓撲層次化模型

戰術通信網絡在一定的地域上分布,特定的地理范圍只會與部分網絡拓撲信息和狀態信息相對應。將這一特性與網絡拓撲的層次化結構相結合,可以在不同尺度的地圖中呈現不同層次的網絡拓撲,尺度愈小的網絡GIS地圖呈現的網絡信息越詳細。

根據這個原則,再結合戰術通信網絡的特點,建立基本的戰術通信網絡拓撲模型,模型包括4個基本的抽象對象:域,用于表示各抽象對象的奴屬關系;節點,表示一個通信單元,通信單元又由一系列戰術通信設備組成,包括短波電臺、超短波電臺等常用戰術通信設備;子網,表示一組對象集合以及這些對象的互聯,對象可以是一系列通信設備的組合,即節點;鏈路,鏈路表示節點與子網之間的連接。其中,一個域下可以有多個域、節點和子網對象。

基于文獻[2]提出的網絡層次化地圖模型,建立網絡拓撲基本對象模型如下:域可用二元組表示U=＜I,Ui＞,其中,I表示單元的標識,Ui表示單元所屬的上級域;節點用四元組表示N=＜I,L,S,Ui＞,其中I表示節點的標識,L表示節點的地理位置,S表示節點狀態,Ui表示節點所屬域的id標識;子網可用三元組表示S=＜I,Ui,N1,2…n＞,其中I表示子網的標識,Ui表示子網所屬域的id標識,N1,2…n表示組網的節點集合;鏈路表示如下L=＜I,Pn,Ps,S＞,其中I表示鏈路的標識,Pn表示鏈路連接的節點端,Ps表示鏈路連接的子網端,S表示鏈路狀態。

3 GIS網絡拓撲呈現方法

網絡拓撲可視化[3]包含對域、節點、子網和鏈路的可視化呈現,根據各對象具有的地理位置信息,通過坐標變換將地理位置信息映射到屏幕坐標繪制出來。其中域有兩種呈現方式,一種為收縮狀態,用于在地圖上無法展開域范圍的時候表示為地圖上一點;另一種為展開狀態,在地圖上用面狀圖形表示,同時域具有等級劃分,越上層的域等級越大,可通過圖表區分。根據戰術通信網絡的特點,節點的地理位置是可移動和變化的,當節點地理位置改變后將其位置信息在本節點內部網絡管理系統中進行更新,同時將其上傳到上級網管中心,上級網管中心存儲節點最新位置,并更新網絡拓撲視圖。子網由于是虛擬的網絡元素,與域相同,在地圖上沒有實際存在的點來表示,但由于網絡對象增加后,會出現重疊現象,同時,子網的位置對網絡拓撲的美觀性起著很大作用,因此,子網的位置可由用戶自定義,以避免重疊現象,同時可使得拓撲視圖更美觀。鏈路是連接車輛與子網的線路表示,戰術通信網絡中多為無線通信手段,針對無線鏈路用虛線表示,針對有線鏈路用實線表示。

為提高GIS網絡拓撲視圖繪制效率,文中提供兩種優化方式,一種是按域逐級呈現方法,另一種是多級繪圖緩存方法[4]。按域逐級呈現方法:結合戰術通信網絡拓撲呈現特點,根據層次化模型劃分,戰術通信網絡拓撲結構圖采取由頂到下,以域為單位逐層展開的方式進行繪制。在小比例尺地圖上,由于無法在地圖上展開節點,僅繪制域對象,展現域與域之間的網絡連接關系,隨著地圖的放大,比例尺逐級變大,可逐層展開域內各節點的網絡連接關系,如此遞歸循環繪制,一方面符合用戶的操作流程,可取得良好的人機交互體驗,另一方面由于此方式下減少了冗余數據的繪制,需要繪制的對象極大的減少,繪制效率將大大提高。

網絡拓撲按域逐級呈現方法示意圖如圖1所示。

圖1 網絡拓撲按域逐級呈現方法示意Fig.1 Schematic diagram of network topology display method in step by step by region

多級繪圖緩存方法:根據拓撲視圖呈現內容,將GIS網絡拓撲視圖劃分為4層,分別是:基礎地理信息層,用于顯示電子地圖文件;網絡拓撲層,顯示根據地理位置繪制的網絡拓撲;拓撲分析結果層,繪制拓撲分析結果;其他層,如測量結果、特殊標圖等結果層。針對這種視圖分層劃分,文中采用一種多級緩存繪圖機制,通過建立多級緩存繪圖提高呈現效率。基礎地理信息層的繪制效率與地理信息數據文件大小和詳細程度有關,數據量越大繪制時間越長,為了避免因其他圖層重繪引起基礎地理信息層的繪制,將地理信息層單獨建立一個繪制緩存CacheMap,當其他圖層更新時僅需提取CacheMap層與其他圖層疊加,避免重新繪制,提高了繪制效率;同樣,對主要的圖層分別建立繪制緩存如下:網絡拓撲層建立一個繪制緩存CacheTopo,對拓撲分析結果層建立繪制緩存CacheTopoAnalyse。這樣建立多級緩存后,當GIS網絡拓撲視圖中某一層需要更新時,僅需對更新層進行重繪操作,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 用戶視圖的交互機制

用戶視圖交互主要有基礎地理信息層交互、網絡拓撲層交互、拓撲分析層交互等,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,網絡拓撲層交互主要是對網絡拓撲的編輯操作,包括網絡對象的添加、刪除、移動等,由于用戶視圖各層的交互互相之間存在消息響應沖突,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往各層,造成消息混亂,使實際操作結果與用戶操作結果不一致。因此,必須建立一套合理消息分發機制將消息正確發往指定圖層。這種機制我們命名為消息分發引擎機制。

消息分發引擎專門接收來自用戶的界面操作消息,引擎內部有一套消息歸屬判斷機制,消息歸屬判斷機制以用戶當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,根據條件判斷哪些圖層上的編輯工具為有效狀態,同時不會引發消息沖突,再將消息發往正確的圖層,使之有序高效。消息分發引擎工作示意圖如圖3所示。

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

地理信息層交互主要是實現對地圖的一系列操作,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現。

網絡拓撲層交互主要是實現對網絡對象的添加、編輯、刪除、移動、入網和編輯等操作。在實現上,主要向用戶提供一個拓撲工具箱,工具箱中包含所有域、節點、子網、鏈路的模板,均可以選擇相應編輯工具將模板的實例化對象添加到視圖中。關于模板的編輯,可在系統啟動時選擇模板模式對模板進行編輯操作。下面對基本的對象操作實現流程進行介紹:

添加對象:在拓撲編輯工具中選擇添加工具;在拓撲工具箱中選擇要添加的對象模板;選擇添加對象所屬域對象;在GIS視圖上添加位置處單擊,完成元素的添加。

編輯對象:在拓撲編輯工具中選擇編輯工具;在地圖上對象繪制處單擊,彈出編輯框,在對相應參數進行修改后保存完成編輯。

刪除對象:選擇刪除對象工具;在用戶視圖中網絡對象處單擊選中,彈出確認刪除對話框,選擇確認刪除完成刪除操作(刪除域將刪除本域下所有對象)。

移動對象:選擇移動對象工具;在用戶視圖上選中要移動的對象

入網:首先選中操作的子網,選擇入網工具,再框選入網的節點,將彈出入網節點對話框,勾選各節點中加入子網的通信設備,單擊確定完成入網過程。

5 網絡管理軟件

網絡管理軟件用于集成文中研究技術和成果,綜合集成了層次化模型、逐級顯示和多級緩存、消息分發等功能。根據功能組成,將網絡管理軟件進行模塊劃分,主要由以下幾部分組成:網絡對象管理模塊,基于網絡拓撲層次化模型,建立基本的網絡對象管理模塊,用于實現網絡對象的管理與控制;地理信息模塊,基于地理信息系統平臺軟件設計,實現地圖文件打開和繪制,并提供拓撲繪制必須的接口和坐標轉換系統;拓撲呈現模塊,基于地理信息模塊,利用其接口實現網絡拓撲繪制;消息分發模塊,即消息引擎,實現用戶視圖操作消息的模塊分發等。網絡管理軟件模塊組成圖如圖4所示。

圖4 網絡管理軟件模塊組成Fig.4 Schematic diagram of network management software modules

6 結 語

文中通過對基于GIS的戰術通信網絡拓撲呈現技術的研究完成了戰術通信網絡拓撲層次化模型構建,實現了戰術通信網絡拓撲呈現,提出了按域逐級呈現方法和多級繪圖緩存方法用于優化拓撲繪制。同時針對這種層次化視圖構建的消息交互特點,提出了一種消息分發引擎用于實現消息的高效正確的傳遞。最后在網絡拓撲交互方面做了深入研究,實現幾種常用交互。通過對這些技術在實際網管軟件的使用取得了較好的用戶體驗效果。

[1] 王國民,丁兆忠,夏興宇.美軍戰術互聯網模擬與運用方法研究[J].通信技術,2013,46(06):69-71.

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[2] 王愷,楊峰,畢經平.一種基于GIS的網絡層次化地圖模型及實現算法[J].計算機工程,2005(06):12-15.

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ShEN Shan-hong,LI Long-jiang,XIA Qi.Network Management Topology Display Mechanism based on Mobile GIS System[J].Microcomputer&Its Application, 2013(07):53-57.

[4] 胡澤明,岳春生.嵌入式GIS系統多緩存地圖顯示方法[J].信息工程大學學報,2010(03):317-321.

HU Ze-ming,YUE Chun-sheng.Multi Buffer Map Show Method on Embedded GIS Platform[J].Journal of Information Engineering University,2010(03):317-321.

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

余 俊(1986—),男,助理工程師,學士,主要研究方向為戰術通信網絡管理,地理信息系統。

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,學士,主要研究方向為戰術通信網絡管理,地理信息系統;