一種基于數據持久化的電子對抗系統數據記錄與回放設計

宮 斌，張名明，李安然

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電子對抗系統顯控終端的數據記錄與回放是系統的重要功能模塊，其主要任務是記錄整個作戰過程的數據和指令信息，形成文件并存儲，在作戰任務結束后利用存儲的文件進行作戰過程回放。數據記錄與回放能夠完整地記錄下整個作戰的過程，并能夠對過程中的每一個步驟進行準確的重新回放演示，其重要作用是能夠在作戰任務結束后對作戰過程的每個流程、步驟進行分析，并能夠對記錄的信息數據(偵察目標、干擾目標等)進行全面深入的分析，對于電子對抗系統作戰過程中的問題分析查找、作戰流程的優化、情報數據收集等都有著非常重要的作用。

在原有的電子對抗系統顯控終端的數據記錄回放設計中，由于信號環境和設備相對簡單，數據量和記錄文件都比較小，因此設計僅支持從記錄文件中順序播放，基本可以滿足使用需要。隨著戰場電磁環境和電子對抗系統本身的復雜程度不斷增大，電子對抗系統終端的數據記錄文件的數據量和記錄時長也不斷增大。由于電子對抗數據具有較強的時序關聯性，較大的數據文件、較長的回放時間與回放時的快速定位成為矛盾，因此設計一種可在數據記錄文件的任意時間點進行回放控制的方法成為亟待解決的問題。

1 需求分析

由于無源偵察的隱蔽性和探測范圍大等特性，電子對抗系統成為武器裝備中獲取情報非常重要的裝備。尤其是在艦載系統中，無論在作戰或是值班狀態下，無論其他有源探測設備(如雷達)是否工作，電子對抗的偵察裝備基本上是全程開機，進行目標偵收、電磁環境探測、情報收集等工作。在艦船遠海任務中，艦載電子對抗系統偵察設備的工作時間經常在24 h以上，有時甚至達到一周甚至更長的工作時間；同時隨著戰場電磁環境日益復雜，電子偵察目標獲取的信息量也不斷增加。這些都使得電子對抗系統終端數據記錄文件的數據量和時間長度越來越大。

電子對抗系統的數據(尤其是偵察目標數據和干擾對抗數據及指令)具有很強的時序關聯性，如電子偵察數據，偵察設備在偵收到一批目標后以一條較長的目標信息報文發送到終端顯控，其后對于該目標的信息更新、補充(包括方位、幅度、掃描信息等等)都是以其他較短的報文發送的，終端顯控以目標批號為索引條件進行目標信息的更新補充；再如電子干擾設備，其工作狀態中的預熱、高壓、發射等都有著嚴格的順序并需要進行相應的操作鎖定控制，跳過其中的某個數據或指令報文將使得后續的狀態錯亂。這種情況下原有的記錄回放設計必須按照順序進行回放控制，才能使得整個作戰過程正確、完整，而對于較大的記錄文件，往往需要耗費較長的回放時間，例如對于一個記錄時間超過24 h、報文數量達到數十萬條的文件，按照記錄報文順序回放，將耗費數小時甚至更長的時間，對于作戰使用非常不便。

上述情況對電子對抗系統終端的數據記錄和回放工作提出了新的課題，即如何在大數據量、超長時間的記錄文件情況下，進行可選擇時間跳轉的回放控制，使得操作員可以更快地“復盤”作戰的全部或部分過程，更迅速有效地對作戰過程進行分析研究。解決這一問題的關鍵在于如何解決電子對抗數據的時序性和關聯性問題，即在任意時間點開始回放時，需要恢復該時刻的數據、指令以及與當前數據、指令、狀態相關的所有信息，這樣才能保證從該時刻回放時后續數據和狀態的完整性和正確性。

2 方法設計

本設計以某型電子對抗系統為基礎，按照可跳轉到任意時間點進行回放控制的要求對系統顯控終端的數據記錄和回放控制軟件進行設計。該型電子對抗系統顯控終端的體系架構如圖1所示。顯控終端采用集中處理分布控制的架構，所有外部數據先經過信息處理服務器處理并轉發到顯控臺A和B，顯控臺下發的指令或數據經過信息處理服務器轉發到相應的外部偵察干擾設備。

圖1 顯控終端架構示意圖

顯控終端數據記錄和回放運行的基本過程是：在作戰過程中，信息處理服務器將所有經其處理或轉發的報文記錄形成數據記錄文件(軟件運行一次形成一個文件，即一次作戰過程形成一個文件)；在作戰結束后進入回放過程時，由操作員對記錄文件進行選擇后，信息處理服務器將文件內容讀入并按照報文記錄順序發送到顯控臺，對作戰過程進行回放重演。

本文闡述的記錄和回放設計方法是針對可以任意指定時間點進行回放的需求，以固定時間片為間隔定時生成全局信息并記錄，作為回放時的歷史數據恢復依據。為了對回放過程中的時間點進行快速定位，我們采用將定位時間點的內存信息(包括數據和狀態等)進行持久化的方法保存；在回放的過程中，根據持久化保存的全局信息進行數據和顯示界面的恢復，這樣從該時間點后回放的報文有了基礎，將可以正確完整地進行后續的回放。設計中將時間片間隔設置為1 min，則可以實現回放控制的分鐘級定位，從而大大縮短回放的時間；同時解決了原有回放設計在時間上只能順序向后單向查看的問題，能夠跳轉到記錄文件的任意時間點進行回放。

在保持原有記錄文件不變的情況下，增加了全局信息定時記錄。我們將固定時間點的內存全局信息進行持久化形成的信息稱為關鍵幀(Key Frame)。本設計的主要工作流程是在作戰過程中，以固定的時間間隔(目前定為1 min)將終端顯控的各類全局數據進行序列化，生成關鍵幀文件進行記錄；在回放過程中，根據操作員選擇開始回放的時間點，找到對應時間點前最近的一個關鍵幀進行反序列化，進行內存數據及界面的恢復。

數據記錄文件與關鍵幀記錄文件的關系如圖2所示。

圖2 數據記錄文件與關鍵幀文件關系圖

3 持久化技術選擇

在數據持久化技術中，一般以序列化方法最常用，且擴展性強[1]。常用的序列化方法一般有表1中的幾種。本設計中考慮到終端顯控軟件的兼容性及后續采用跨平臺開發工具的趨勢，Boost.Serialization方法的可移植性及后續的擴展性都較好，因此采用該方法進行內存持久化[2]。

電子對抗系統除偵察設備外，還有有源干擾、無源干擾、激光、通信等設備，以及上級指揮系統。為了全面反映某個時刻的狀態，關鍵幀中必須包含以上所有相關設備/系統的數據、狀態信息。在電子對抗系統中，偵察目標所占信息最多，占整個關鍵幀內容比率最大，所以在持久化技術選型時主要根據偵察目標的數據持久化性能為主要參考。軟件測試過程中以偵察目標的序列化和反序列化時間作為主要參考，采用XML結構文件進行存儲，主要測試情況如表2所示。

表1 序列化方法

表2 序列化/反序列化時間測試表

在電子對抗系統中，一般偵察目標在400批之內，偵察目標的數據持久化時間占整個全局數據信息持久化的絕大部分，所以以上序列化方法能夠保證時間的有效性，同時基本不會對現有的顯控終端軟件運行造成影響。在選擇存儲方式上，XML文件可讀性最好，但是時間和空間消耗大，可作為軟件調試時使用；文本數據可讀性一般，時間和空間消耗一般；二進制數據可讀性差，時間和空間消耗性能最優，所以在最終軟件實現中采用二進制格式作為文件存儲的數據格式[3]。

4 工程應用

根據上述設計方法，軟件主要由信息處理服務器、顯控臺A和顯控臺B幾部分組成。顯控臺A主要生成關鍵幀和恢復關鍵幀，控制回放進度，服務器主要進行關鍵幀文件管理，顯控臺B只做關鍵幀恢復，不生成關鍵信息。在作戰過程中記錄數據文件的同時，從起始時間開始，每間隔1 min生成一個關鍵幀文件并存儲，作戰過程結束后將生成一組關鍵幀文件與一個數據記錄文件相匹配；回放由顯控臺A發起并控制，根據操作員選定的回放時間，找到之前最近的一個關鍵幀文件進行全局數據的反序列化，使得系統的數據和狀態保持完整，然后開始該時刻后的報文回放。如某記錄文件的起始和終止時間分別為XX年XX月XX日00：00:00和XX年XX月XX日23：00:00，即整個作戰過程時間為23 h，操作員如果需要最后1 h的作戰過程回放分析，可以直接選擇從22：00:00開始回放。軟件實現已在XX型電子對抗系統中應用，該系統中的設備節點超過10個，在實際工作過程中數據記錄包含關鍵幀的文件記錄占用的系統資源較低，對整個系統的運行基本沒有影響,軟件運行與回放模式大大縮短了回放的時間，極大地提高了作戰過程分析的效率。

5 通用化設計

軟件設計的通用化主要體現在以下幾個方面：

(1) 信息處理服務器軟件部分結構簡單，擴展性強。信息處理服務器軟件不解析和分析關鍵幀內容和報文信息內容，只負責數據文件和關鍵幀的記錄與管理，回放時根據時間點查找關鍵幀信息發送到顯控臺進行數據恢復。

(2) 關鍵幀記錄的可快速擴展性。在關鍵幀信息中添加或者刪除相應的字段信息較為容易；支持將序列化和反序列化進行統一定義或者分開定義；支持將數據保存為二進制數據、文本數據、XML結構或者用戶自定義的其他文件，只需要改動序列化歸檔格式，不需要改動具體序列化方法。通用化設計如圖3所示。

圖3 軟件通用化設計示意圖

通過通用化的設計，使得本方法擴展性強，移植方便，可以較快地在原有的電子對抗系統終端顯控軟件中進行改進優化，實現指定時間點回放的功能。

6 結束語

電子對抗系統終端顯控的數據記錄與回放軟件在原軟件功能不足、使用不便的情況下，引入了基于數據持久化的關鍵幀技術，實現了電子對抗系統的數據回放，能夠達到分鐘級別的快速定位并任意指定時間點回放，大大縮短了作戰過程回放的時間，并且支持前進和后退2個方向的回放，解決了之前電子對抗回放功能不滿足用戶需求的問題。

本設計方法作為電子對抗回放軟件的基礎，已經在實際工程應用中得到較好的驗證，也完全能夠滿足用戶的要求。但是受計算機性能等限制，現階段為平衡系統工作主流程和數據記錄的資源分配，只能做到分鐘級別跳轉，要做到更短時間片時刻跳轉，需要進一步研究相關技術和方法。