動態航天指揮關系圖系統的設計與實現

汪榮峰

(裝備學院 航天指揮系, 北京 101416)

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動態航天指揮關系圖系統的設計與實現

汪榮峰

(裝備學院 航天指揮系, 北京 101416)

為了在航天指揮過程中以形象、直觀的方式表現指揮關系的動態變化和指揮信息的動態傳遞，設計并實現了動態航天指揮關系圖系統;給出了指揮節點、指揮關系、指揮信息流所構成的動態航天指揮關系圖定義，在此基礎上設計了動態航天指揮關系圖系統的結構；研究實現了所涉及的關鍵技術，包括指揮節點、指揮關系的二維和三維繪制方法，指揮信息流的動態可視化方法等。實際應用表明：該系統可在航天指揮演練中輔助掌控、評估指揮進程，或接入航天指揮信息系統以支持把握作戰態勢。

指揮關系；航天；信息流；紋理；Bezier曲線

指揮關系是指揮者與指揮對象之間，指揮員與指揮機關之間，平行指揮機構之間，按照指揮職能規定和權限劃分所形成的相互關系[1]142。明確、順暢的指揮關系是實施作戰指揮的關鍵，航天指揮也不例外。在實施作戰指揮、訓練、演習，以及作戰想定教學研討等場合，以簡潔、易于理解的圖形方式將指揮關系表現出來，呈現給指戰員、參訓參演人員，非常必要且十分有效。目前我軍實際應用中，多以WORD、WPS等字處理軟件或Visio之類的繪圖軟件，繪制指揮關系、指揮結構圖。

美軍在體系結構框架發展過程中，始終對指揮關系的可視化表達非常重視。在C4ISR體系結構框架，以及后續國防部體系結構框架DoDAF1.0、DoDAF1.5[2]82、DoDAF2.0[3]169-171，所定義產品始終包括組織關系圖OV-4，用于描述各組織之間的指揮、控制、協調關系。英軍體系機構框架MoDAF1.2[4]中也定義了OV-4。DoDAF1.5給出了2種OV-4表示方式[2]83：(1) 以實線表示指揮控制關系，虛線表示其他關系，矩形框表示節點；(2) 以UML(Unified Modeling Language)的用例、節點、關系來描述指揮關系及其數量。DoDAF2.0建議采用元模型[3]23-138來描述OV-4，其可視化表現仍基于UML。

對于航天指揮而言，必須在上述指揮關系可視化表現方式上有所突破：

1) 航天指揮關系可視化需要反映指揮過程的動態變化。航天指揮體系復雜，支援聯合作戰涉及部門多，信息流動快，必須及時反映作戰過程中指揮關系的動態調整和指揮信息的動態傳遞。在航天作戰、訓練或演練過程中，信息交換及其重要屬性的實時可視化表達對于指揮員把握態勢、演練導演分析評價指揮進程都具有重要意義。

2) 航天指揮關系可視化需要可視化形式與指揮關系的規范映射。UML以各種箭頭表示聚合、關聯、泛化等關系[5]，便于設計開發人員使用。而我軍指揮關系主要包括隸屬、配屬、支援等[1]142-143，指揮關系的含義和UML中關系相去甚遠，軍事人員難于理解和使用，因此更需要采用類似軍隊標號的方法，定義或規定指揮關系的圖形表示方式。

3) 航天指揮關系可視化需要與地理信息的有效結合。航天指揮的客體分布在廣闊的太空戰場，三維形式已成為表現空間態勢的基本手段，指揮關系與指揮信息也有必要在三維場景中得到有效展現。

1　動態航天指揮關系圖定義

動態航天指揮圖定義為G={N,R,F}，其中N為指揮節點集合，R為指揮關系集合，F為指揮信息流集合，核心是指揮關系。

指揮節點用于表示指揮者、指揮對象和指揮機關，包括2類節點：一是指揮所，指揮所與地理位置相關，在二維地圖或三維場景中以軍標表示[6]，在與地理信息無關的圖形表示中以矩形框內加文字表示；二是內部節點，表示位于指揮所內部參與指揮信息處理、傳遞的各個指揮崗位。

指揮關系包括：(1) 隸屬，指命令或編制規定的下級對上級的從屬關系[1]142，本文采用實心菱形箭頭表示，如圖1a)所示，表示指揮所B隸屬于指揮所A；(2) 配屬，是將上級配屬或建制內某些兵力，臨時調歸所屬某一單位指揮或使用[1]142，用空心菱形箭頭表示，如圖1b)所示，表示指揮所B配屬于指揮所A；(3) 支援，是上級指揮員為增強擔負主要作戰任務部隊的作戰實力，調動其他軍兵種部隊支援其作戰所構成的指揮關系[1]143，用實心三角箭頭表示，如圖1c)所示，表示指揮所B支援指揮所A；(4) 關聯，嚴格說這并非一種指揮關系，定義其主要是為了表示指揮所內部指揮崗位之間關系和信息交換，用無箭頭線段表示，如圖1d)所示，表示2個崗位之間存在信息交換需求，相當于DoDAF中的需求線；(5) 其他航天指揮特有的指揮關系。2個指揮節點之間最多只能有1個指揮關系。

a) 隸屬　　　 b) 配屬 　 　 c) 支援　　　 d) 關聯圖1　指揮關系的圖形表示方式

指揮信息流是指揮節點之間所交換的指揮控制信息，依托于指揮關系而存在，即只有存在指揮關系的節點之間才可有指揮信息流。指揮信息流主要有如下屬性：(1) 類型，包括指示、命令、請示等；(2) 密級，包括公開、秘密等；(3) 緊急程度，包括一般、加急等；(4) 時間，指揮控制發生的時間；(5) 源節點和目的節點，表示信息的流向。此外還包括用于傳遞指揮信息的文書等。

2　動態航天指揮關系圖系統結構

系統結構如圖2所示。

圖2　動態航天指揮關系圖系統的組成結構

虛線框內為系統內部結構，包括：(1) 指揮關系圖，即第一部分定義的實現；(2) 二維可視化與編輯模塊，與地理信息無關，以二維圖形形式顯示指揮關系圖及其動態變化情況，包括指揮節點、指揮關系、信息流的繪制模塊和指揮節點、指揮關系的編輯模塊，編輯功能包括節點和關系的創建、刪除、屬性修改等；(3) 三維可視化與編輯模塊，在三維場景地形繪制的基礎上，通過軍標繪制(指揮節點)、指揮關系繪制和信息流繪制，顯示指揮關系圖及其動態變化情況，三維編輯只針對節點和關系的三維顯示屬性。

虛線框之外為系統提供數據支持：(1) 數據文件，將系統編輯的結果保存在文件中，需要時加載到系統中；(2) 指揮推演腳本，主要存儲動態變化信息，包括指揮節點、指揮關系和指揮信息流的動態變化情況，該腳本可以根據作戰想定等預先編輯，也可以在實際指揮或演訓過程中記錄相關信息；(3) 指揮信息系統，將系統與真實的指揮信息系統連接，實時獲得動態變化情況和時統信息。

根據作戰、演訓實際，編輯建立指揮關系圖并存儲到文件中之后，系統既可以接入指揮信息系統，在指揮信息系統時統驅動下，實時顯示指揮過程中的動態變化情況，以利于指揮員把握態勢；也可以加載推演腳本，在仿真時間控制下，回放指揮過程中的動態變化，供研討、分析、教學等使用。

3　二維可視化與編輯模塊關鍵技術

二維可視化與編輯模塊界面如圖3所示。

圖3　二維可視化與編輯模塊界面

圖中為使用系統編輯得到的航天指揮關系圖，指揮關系遵循第1節的定義。其中，航天部隊指揮所1和航天部隊指揮所2隸屬于統帥部；航天大隊1隸屬于航天部隊指揮所1，航天大隊2配屬于航天部隊指揮所1；航天大隊3隸屬于航天部隊指揮所2，空軍XX部隊與航天部隊指揮所2構成支援關系；在統帥部、航天部隊指揮所1、航天部隊指揮所2內部還有多個崗位，崗位之間存在關聯關系。

圖中航天部隊指揮所1到統帥部之間的指揮關系線下方文字即為指揮信息流，表示依托于該隸屬關系,由后者發送到前者的“預先號令”。信息流以文字表示其含義；以不同的顏色區分信息流的類型；文字前“*”符號個數表示密級，個數越多、密級越高；文字位置不固定，由源節點向目的節點移動，移動頻率反映信息緊急程度，頻率越高、信息越緊急。

為了支持信息流的動態效果，二維模塊基于OpenGL進行開發，涉及關鍵技術包括指揮節點、指揮關系、指揮信息流的繪制和指揮節點、指揮關系的交互編輯，主要討論繪制技術。

1) 指揮節點、指揮關系的繪制。無內部節點時，指揮節點用矩形圖元繪制；有內部節點時，根據內部節點計算所占區域，繪制節點并遞歸完成內部節點繪制。指揮關系是由2個或多個點連接而成的線段集合，繪制線后根據指揮關系的類型按第1節定義繪制箭頭。

2) 指揮信息流的繪制。為了表現指揮信息的動態傳遞效果，采用紋理技術實現。(1) 紋理數據生成。根據指揮信息流字體大小、文字個數，計算紋理分辨率，然后將字符串寫入位圖中并讀取(字符串逐字豎排寫入)，根據位圖值和顏色，生成紋理數據。(2) 繪制幾何形狀構造。在指揮關系線集左側，構造系列矩形(矩形寬度可設置)。如圖4，對于由線集ABCD所描述的配屬關系，數據流由D向A傳遞，所構造的系列矩形如圖4a)所示。在線集各中間點處，根據矩形寬度保留一定空白，以避免由于幾何重疊導致顯示混亂的情形，如圖4b)所示。如果單純把CD段矩形向下擴展到與BC邊相接、CB段矩形右移，也可以確保各矩形不重疊，但是經試驗，圖4a)方式顯示效果更優。(3) 紋理坐標計算。指揮信息流從起點向終點按一定頻率移動，且在整條指揮關系線集上只能出現一次，不能重復。在指定紋理坐標卷繞模式為GL_CLAMP(垂直方向，水平方向固定為0或1)的情況下，隨時間改變各點紋理坐標：首先根據字符串長寬比和矩形高度(圖4中與指揮關系線垂直方向的距離)，計算指揮信息流紋理所映射的幾何長度；累加得到所有矩形寬度，除以總長度，得到映射的紋理值范圍；根據時間以及頻率(由信息流的緊急程度確定)，計算紋理坐標1所對應的位置到起點的距離，基于該距離計算每個頂點的紋理坐標。

a) 顯示清晰　　 b) 顯示混亂圖4　指揮信息流繪制幾何形狀的構造

以圖4為例說明紋理坐標計算：指揮信息流為“預先號令”，文字寬高相等，信息流需為密級增加2個字，則其長寬比為6，矩形高度20，紋理映射的幾何長度為120；設AB、BC、CD段的各個矩形寬度總長為180，則映射紋理坐標總范圍為1.5；在信息流傳遞開始時刻，紋理坐標1映射位置為D點(此時A的紋理坐標為2.5)，隨時間推進，坐標為1的位置不斷向C、B、A方向前進，形成了信息流動的動態效果。

4　三維可視化模塊關鍵技術

三維可視化模塊界面如圖5所示，圖中描述的指揮關系與圖3完全一致。其中，指揮節點以軍標形式表示，指揮關系以直線或曲線表示，箭頭形狀遵循第1節的定義。

圖5　三維可視化界面

三維模塊編輯功能通過對話框完成，關鍵技術主要是指揮節點、指揮關系和指揮信息流的繪制。

1) 指揮節點繪制。指揮節點用軍標表示，三維場景中非規則軍標繪制主要有基于紋理的方法、基于幾何的方法或基于位移映射的方法[7]，規則軍標往往采用公告板技術實現[8]。采用如下技術繪制指揮節點：每次視點改變，根據指揮所位置、視點、投影面參數，計算指揮所在投影面上的位置；然后將投影面上固定大小的指揮所軍標形狀(如果有2個或多個指揮所位置相同，將其按層級疊加排列，如圖5中“統帥部”和“航天部隊指揮所1”)，反算到過指揮所位置且垂直于視線的平面上，從而得到顯示所需幾何數據；最后根據文字內容和軍標大小，調整字體大小完成文字顯示。如圖6a)所示，E為視點，2為指揮所位置，與視點連線與投影面ABCD相交于點1，在投影平面上以像素為單位(或按比例關系的世界坐標單位)計算軍標，再計算其中每個關鍵點與視點構成射線與過點2與視線垂直的平面abcd的交點，得到世界坐標系下軍標幾何數據。之所以未使用公告板技術，主要有2點原因：一是指揮所地理位置重合導致的軍標變體和指揮所內文字顯示需要動態生成公告板紋理；二是后續指揮關系繪制必須使用指揮節點的幾何數據。

a) 指揮節點繪制　　　 b) 指揮關系曲線計算圖6　指揮節點與指揮關系三維繪制

2) 指揮關系繪制。在三維場景中，為了避免指揮關系和指揮信息流過多的交錯混疊，實現了直線和曲線2種指揮關系表示方式。曲線采用3次Bezier曲線表示，為了使顯示的指揮信息流盡量面向觀察者，曲線所在平面與視線的夾角越接近90°效果越好，曲線需要4個控制點[9]。曲線的第1、第4控制點即為指揮關系的起點和終點，其確定方法與二維類似，采用指揮節點邊及在邊中比例的表示方法，根據指揮節點幾何數據計算。曲線的中間2控制點采用偏移系數描述：從起點至終點構造1矢量，計算該矢量與視線的矢量積，構造過上述2矢量的平面；根據偏移系數，計算平面上垂直于起點到終點矢量方向上的位置；最后將平面位置轉換到三維空間，得到控制點。

如圖6b)所示，指揮關系由指揮所A到指揮所B，起點位于指揮所A下邊、位置比例0.8，終點位于指揮所B右邊、位置比例0.1，計算得到曲線的1、4控制點；EC為視線方向矢量，14為起點至終點矢量方向，1a為上述2矢量的矢量積，構造過14和1a的平面；在平面上計算控制點2、3，與14平行的方向，坐標值為將14線段3等分得到，與14垂直的方向，按輸入的偏移系數計算，從而得到2、3點的平面位置。

3) 指揮信息流繪制。指揮信息流同樣借助于紋理技術實現，紋理數據生成、紋理坐標計算與第3節二維繪制相同。紋理繪制所需幾何數據生成方法為：將Bezier曲線離散為線集，將線集向數據流動方向左側擴展(擴展距離根據離散點與視點、投影面關系動態計算，采用指揮節點繪制中所描述方法，以確保信息流文字大小穩定)，生成一系列小的四邊形來進行繪制。

5　結 束 語

實現的動態航天指揮關系圖系統已用于航天指揮演訓，可實時顯示或事后回放，供導演、參演人員把握、評估指揮過程；系統中的指揮關系圖定義具有較好的可擴展性，二維模塊具有較強的通用性，易于支持其他指揮關系的動態可視化。主要創新有2點：(1) 定義了指揮關系的規范化圖形表示形式，并以此為核心設計了航天指揮關系圖系統，這對軍隊標號體系的研究和制定也具有一定的參考意義；(2) 研究了指揮信息流的動態表現方式和關鍵技術，在指揮過程可視化方面進行了初步探索，是對傳統的戰場態勢可視化的有益拓展和補充。

存在的主要局限是：(1) 系統中的三維模塊針對航天指揮中戰場環境依托全球地形、指揮層級相對簡單、指揮節點少且分散的情況設計開發，對于其他軍兵種部署在局部戰場環境下的復雜指揮關系，地形場景不能支持、指揮關系及信息流動態顯示效果不夠理想；(2) 尚未實現基于地理信息系統的二維模塊。

References)

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(編輯：李江濤)

Design and Implementation of Dynamic Space Command Relationship Graph System

WANG Rongfeng

(Department of Space Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To show the dynamic changes of command relationship and the dynamic delivery of command information in visual and intuitive manner in the space command process, the paper designs and realizes the dynamic space command relationship graph. Then, the paper defines the dynamic space relationship graph composed of command node, command relationship and command information flow and designs the structure of dynamic space command relationship graph system based on the definition; the study has realized the involved key technologies including the 2D and 3D mapping method of command node and command relationship, dynamic visualization method of command information flow, etc. The practical application shows, the system can be used to support control and assessment on process in space command training or to understand the operation status by directly entering into space command information system.

command relationship; space; information flow; texture; Bezier curve

2015-09-24

汪榮峰(1973—)，男，副教授，主要研究方向為空間態勢可視化與分析。wrflly@163.com

TP391

2095-3828(2016)04-0064-05

A

10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.014