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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (5): 79-84  DOI: 10.11991/yykj.201609001
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引用本文  

王英伟, 向先波, 杨运桃, 等. 基于空海任务协同的信息管理系统设计与实现[J]. 应用科技, 2017, 44(5), 79-84. DOI: 10.11991/yykj.201609001.
WANG Yingwei, XIANG Xianbo, YANG Yuntao, et al. Design and implementation of information management systembased on air-sea task collaboration[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(5), 79-84. DOI: 10.11991/yykj.201609001.

基金项目

湖北省自然科学基金项目(2014CFB253);海洋工程国家重点实验室研究基金项目(201504)

通信作者

向先波, E-mail:xbxiang@hust.edu.cn

作者简介

王英伟(1991-), 男, 硕士研究生;
向先波(1978-), 男, 副教授, 博士

文章历史

收稿日期:2016-09-01
网络出版日期:2017-03-31
基于空海任务协同的信息管理系统设计与实现
王英伟1, 向先波1, 杨运桃2, 朱莹1, 熊恒1    
1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院, 湖北 武汉 430074;
2. 中国船舶工业系统工程研究院, 北京 100094
摘要:针对目前舰船信息管理系统多以资源管理为主,面向任务决策支持的信息管理系统研究相对较少的问题,提出一种基于空海任务协同的信息决策与管理系统设计方法。该方法拟先给出空海协同任务想定环境,构建空海协同信息系统架构,并对系统进行功能分析与总体设计,然后选定合适的系统开发环境,采用可视化界面与数据库交互编程技术,联合编组技术与态势感知技术进行空海任务协同信息管理系统开发,最后对系统进行原理验证,确保系统的合理性与可行性,为信息管理系统在多维空间协同任务领域的应用提供一定的参考。
关键词信息管理    空海任务协同    决策支持    想定环境    可视化界面    交互编程    联合编组    态势感知    
Design and implementation of information management systembased on air-sea task collaboration
WANG Yingwei1, XIANG Xianbo1, YANG Yuntao2, ZHU Ying1, XIONG Heng1    
1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. China Ships System Engineering Research Institute, Beijing 100094, China
Abstract: Most of the ship management systems are oriented to resource managements, while the study on the information management systems orienting to the decision support for onboard tasks is relative few. In the paper, a design method on the information decision & management system based on air-sea task collaboration was proposed. First, a combat scenario environment was predefined, the system framework was built by dedicated analysis and design for the functions of the combat system; second, the appropriate software development tool was selected to support visual interfaces and database programming, so that the joint grouping and situation awareness can be implemented; finally, numerical verification tests were preformed to assure the rationality and feasibility of the proposed system, so as to provide a reference for the application of the information management system in the coordination task field of the multidimensional space.
Key words: information management    air-sea task collaboration    decision support    scenario environment    visual interfaces    database programming    joint grouping    situation awareness    

空海任务协同的目的是促进空、海两大技术平台在发展规划、备战、化解全球战略危机等方面进行深度融合[1],通过提升横向协同任务处理能力来提高纵向综合作战效能。联合执行空海协同任务是未来信息化作战的基本作战形式,深入研究多维空间的联合作战,将多种类型的军事力量科学合理的联合编组[2],形成多种军事力量的功能互补,并利用强大的信息基础网络以收集、处理、分发战场信息,达到信息共享,获取信息优势,最终将信息优势转化为决策优势[3]。在多兵种联合作战过程中,有效的任务计划是任务处理策略的关键,任务计划的核心问题是资源分配与任务并行处理,该问题常出现在多兵种联合作战的兵力规划以及舰艇与飞机的动态调度上[4]。此外,现代战争逐渐演变为体系对抗,强调“一体化”思想[5-6]。因此,深入研究现代联合作战体系,设计一种面向联合作战的信息管理系统合理有效地整合各类作战资源、融入作战体系以提升作战效能是很有必要的[7-8]

目前,国内关于作战软件的研究主要集中在围绕以网络为中心的作战软件支持技术和舰艇编队指挥决策方案生成模式的研究,这些研究多以资源信息的综合管理以及功能集成实现为主[9-10],缺乏面向作战态势感知和任务决策问题的研究,研究内容的整体性尚待完善,任务决策和战时态势感知是研究联合作战系统的重要组成部分,全面研究联合作战系统对于我军装备建设具有重要意义。

为发挥信息管理软件在多维空间联合作战中的重要作用,文中拟设计开发一种基于空海任务协同的信息管理系统。通过描述空海任务协同想定环境,搭建系统体系架构,并对作战系统进行功能细分,联合编组和态势感知技术实现空海协同任务决策,最后选择合适的开发环境进行系统开发,并在拟定的空海协同任务环境下对所提出的信息管理系统进行原理验证。

1 问题描述

有效的任务计划是作战胜负的关键,特别是在空海任务协同强调多维空间对抗的情况下,任务计划对海、陆、空作战装备有多元化的需求,为同时满足多项任务需求,现代作战武器装备种类不断增加,规模日益扩大,与数量受限的水面舰艇、两栖登陆艇和战机的有效载重吨位、空间、人员保障以及全寿命期维护和升级之间的矛盾日益突出。

图 1为空海任务想定环境图,战场资源包括登陆艇、气垫艇、飞机、各类作战兵种等,战场信息包括海岸线、路径节点、出发点及登陆点等。文中的目标是针对空海任务协同想定环境,从作战决策支持层面出发,开发一套信息管理系统,实现登陆艇、气垫艇、飞机的联合编制与联合编组,提高舰艇、飞机的使用效率与决策生成速率,对作战态势进行在线实时模拟,使指挥决策者对战况有全局掌控。

图 1 空海任务协同想定环境
2 系统架构与软件设计

在系统设计过程中,开放式体系结构和基础软件的标准化、通用化是信息管理系统的基础。文中基于空海任务协同想定环境,构建了系统体系架构,从软件功能角度对作战系统进行细分,并完成软件模块化设计。

2.1 系统架构

空海任务协同体系是以各类作战资源、作战兵种、作战武器等作战要素为核心,以上级指挥控制台与下级指挥控制台为主导,协同指挥作战。为使上、下级指挥台能更加直观、全面地掌握战场实时态势,文中在传统的信息管理系统的基础上,搭建了空海协同任务场景,构建了系统体系架构,如图 2所示。

图 2 系统体系架构示意

作战系统体系架构主要分为信息获取、显示控制与计算处理、作战态势感知3部分,信息获取部分包括获取人员信息、武器信息、装备信息与任务信息;显示控制与计算处理部分包括资源编号设定、优先顺序设定、联合编制与联合编组;态势感知包括环境搭建、航路规划、信息显示与任务控制。

2.2 软件设计

作战信息管理系统软件的信息管理部分对安全性及可靠性要求较高,软件设计采用后台数据库管理模式,增强系统的相对独立性,提高系统的可塑性、适应性及扩展性[11]。根据系统体系架构与软件功能进行软件设计,如图 3所示。

图 3 软件设计框架

软件前端界面包括信息管理界面与态势感知界面:信息管理界面主要负责数据处理,态势感知界面主要显示空海任务协同态势。通信模块实现上、下级指挥端通信,获取各类战场资源信息;信息管理模块实现对信息的基本操作,包括增加、删除、修改等;决策支持模块根据作战任务对战场资源进行联合编制与联合编组,实现信息决策化;环境搭建模块利用第三方地图插件搭建战场背景,提供动态感知开发平台;航路规划模块实现飞机的航路规划,目的是避免航路冲突,同时保障航路相对最短;任务控制模块主要实现当前时间、作战历时、舰艇、飞机实时坐标的显示以及舰艇、飞机的速度设置。

3 软件开发环境

软件主要由前端界面以及后台数据库组成,前端界面采用微软公司强大的可视化编程工具VC进行开发,后台数据库采用微软公司的SQL Server。VC不仅提供了相当完备的基础类库和友好的界面,还为后台数据库的开发提供了较好的开发环境以及多种数据库访问技术,如此次采用的ADO数据库访问技术[12]。此外,它对第三方开发插件的兼容性也较好,如此次采用的MapX地图插件。因此借助VC可以开发出功能强、应用广且占用资源较少的信息管理系统。

ActiveX数据对象(ActiveX data object, ADO)是微软提供用于开发数据库应用程序的面向对象接口。ADO访问数据库技术是通过访问OLE DB数据提供程序来实现的,它提供了一种对OLE DB数据提供程序的简单高层访问接口。ADO库提供了3个基本接口:_ConnectionPtr接口、_CommandPtr接口、_RecordsetPtr接口。该系统使用ADO对象开发应用程序技术,但与ODBC等访问技术不同的是,ADO接口对对象之间的层次和顺序关系没有严格的要求[13-14]。这种接口有力地简化了程序设计,增强了程序的灵活性。SQL Server数据库可以组织管理各类数据,选用它进行数据库的开发和管理,使后台数据库管理具有多重安全性、可靠性,同时也使得前台开发的应用程序具有面向对象、模块化、事件驱动等特点,符合作战软件的开发环境需求。

MapX是美国MapInfo公司在其开发的可视化地图组件DataMap基础上,向用户提供的具有强大地图分析功能的ActiveX控件产品。MapX以OCX的方式提供了真正的对象连接与嵌入式OLE的地理信息系统应用开发方案。将MapX集成于VC开发环境[15],只需在设计阶段将MapX控件嵌入窗体中,并对其进行编程、设置属性或调用方法或相应事件,即可实现数据可视化、地理查询、地理编码等丰富的地图信息系统功能,为作战系统态势感知界面的开发提供了便利。

4 软件实现

作战信息管理系统软件主要采用Visual C++平台下的MFC对话框进行开发,软件界面包括信息管理界面与态势感知界面。其中信息管理界面实现了信息获取、信息管理、决策支持等功能;态势感知界面实现了环境搭建、航路规划、信息显示与任务控制等功能。

4.1 信息获取

作战系统通过与上级指挥台建立网络通信连接获取初始资源信息,网络通信有多种实现方式,Windows Socket是一种比较简单的实现方法,本系统采用基于Socket套接字的TCP/IP网络编程,在TCP/IP网络中,通信的两个进程之间采用客户机/服务器的交互模式。客户机服务器建立通信连接前先要完成“三次握手”,具体流程为:客户机首先发送连接请求报文,服务器接收到请求后回复ACK报文,并为这次连接分配资源。客户机接收到ACK报文后也向服务器发送ACK报文并分配资源,这样就完成了TCP连接的建立,上级指挥台与下级指挥台即可进行网络通信,上级指挥端将相关的作战信息发送给下级指挥端,下级指挥端获取到信息并进行处理。

4.2 信息管理

下级指挥端完成信息获取后,需要对各类信息进行处理,包括对信息进行分类、编号、排序及存储等。本软件的信息管理是借助ADO数据库访问技术实现的,ADO数据库访问技术的第一步是建立程序与目标数据库的连接,主要实现代码如表 1所示。

表 1 数据库链接

数据库连接首先要引入ADO库定义文件,在FileView中的Header Files里找到stdafx.h并加入import语句,该语句的作用是在代码编译的时候系统会生成msado15.tlh、ado15.tli两个C++头文件来定义ADO库。然后通过调用CoInitialize(NULL)函数初始化COM库环境,创建一个Connection实例,获取连接字符串并调用Open()函数建立与目标数据库的连接,通过catch捕捉异常。最后调用CoUninitialize()函数关闭当前线程的COM库。

建立好数据库连接之后,通过_RecordPtr对象处理记录集,本系统的数据库基本操作包括增加、删除、修改记录等。以增加记录为例,实现代码如表 2所示。

表 2 数据库操作

首先创建一个_RecordPtr实例,再用相应的格式定义要打开的表名,利用_RecordPtr对象调用Open()函数打开表,再调用AddNew()函数声明操作类型,给增加的记录相应字段赋值,然后调用Update()函数来更新记录集,最后调用ExitConn()函数(自定义)释放实例,至此完成了利用ADO技术访问目标数据库的目标表格并给表格增加记录的操作。

4.3 决策支持

作战系统的决策支持作用对象是登陆艇、气垫艇、飞机、人员及武器装备,联合编制主要是对各类舰艇、飞机进行编号,并设定默认的优先使用顺序,若优先顺序不满足任务要求则进行人工设置,联合编组将人员及武器按联合编制获得的各类舰艇、机顺序进行装载。决策支持实现流程如图 4所示。

图 4 决策支持流程

上级发送过来的数据包中包括“资源”、“人员”、“装备”、“运输工具”、“登陆点”等信息,由作战软件接收并存储到数据库中。其中“资源”表包含部队单位、登陆点及人员、携带装备与登陆工具等信息,从“资源”表提取人员信息并建立“编号”表,给“编号”表进行排序得到人员的“优先顺序”表;由“运输工具”表得到运输工具的“编号”表,进而得到运输工具的“优先顺序表”,结合“运输工具”表的“优先顺序”以及各“登陆点”表信息,进行联合编制,以实现各登陆点、各波次及各阵位登陆工具编号的分配。完成联合编制后,提取“资源”表中各类型人员数量、装备数量和“人员”表中各类型人员参数及“装备”表中的占用面积、占用体积以及占用载重等参数,根据联合编制得到的各登陆点、各波次及各阵位运输工具编号顺序,将部队按运输工具的装载要求进行联合编组,从而得到各登陆点各波次的艇机编号及其装载的部队单位信息,为态势感知提供数据支撑。

4.4 态势感知

态势感知界面以某洲地图为背景,选取地图中的某一区域作为作战区域,获取相应作战设备的实时经纬度信息以定时刷新图层的方式实现作战态势感知。态势感知包括环境搭建、航路规划以及信息显示与任务控制。

4.4.1 环境搭建

环境搭建是通过导入图元并通过定时器刷新图层方式实现的,部分代码如表 3所示。

表 3 环境搭建

首先调用GetLayers()函数获取MPAX控件的整个图层,创建当前需导入图元的图层,并为该图层取相应的名称以便后面刷新图层所用,主要函数为CreateLayer(),获取该图层的属性,并为该图层设置所需的样式,将图元初始位置坐标信息绑定到样式上,然后将该样式绑定到图层属性,将获得的图层属性加载到图层上,调用update()和Refresh()函数刷新图层,即可将BMP位图图元显示在MAPX的相应坐标点里。刷新图层的步骤是先启动定时器,将下一步所要移动点的屏幕坐标转化为经纬度坐标,再将经纬度坐标绑定到图层的属性当中并刷新图层。

4.4.2 航路规划

作战实施过程中,为规范飞机航行路径,避免出现飞机相撞,同时保障航路相对最短,确保任务顺利完成,需对飞机航路进行规划。作战软件采用对有效路径节点进行编号的方法,通过选择航线编号序列实现飞机航路的实时选择。

4.4.3 信息显示与任务控制

态势感知界面的信息显示包括作战历时、当前时间以及登陆艇、气垫艇和飞机的实时经纬度等重要战场态势要素,任务控制实现态势感知进程速度参数的控制,速度参数对象为舰艇与飞机,该参数由信息管理界面计算产生,由态势感知界面直接调用。

5 原理验证

针对所提出的系统体系架构,以空海任务协同的信息获取、显示控制与计算处理及态势感知为应用背景,构建原理验证系统,开展技术可行性原理验证。

原理验证系统如图 5所示,由上级指挥台、任务分配设备、任务处理服务器和作战显示与控制组成,有效的整合了资源,形成了作战系统对空海任务协同的通道。如图 6为信息管理界面,图 7为态势感知界面。

图 5 原理验证系统组成示意
图 6 信息管理界面
图 7 态势感知界面

具体验证步骤为:下级作战显示与控制台上的作战软件信息管理界面与上级指挥台的网络助手建立网络连接,上级指挥台将部队信息、区域信息与资源参数等信息发送到下级,下级获取信息后进行编号、优先顺序设置、联合编制、联合编组,并设置各登陆点舰艇、飞机的出发时间与前进速度,实现决策支持;态势感知界面先将地图定位到作战区域,然后设置飞机路径,完成以上操作即可进行态势获取,如图 7所示,信息管理界面的表格数据以及态势感知界面显示的各项参数均与预期结果一致,验证了软件的合理性与可行性。

6 结论

1) 文中提出了一种基于空海任务协同的信息管理系统设计方法,以空海任务协同为想定环境,在一般的信息管理系统模型基础上加入任务决策与态势感知功能。

2) 通过验证结果证明了系统设计的合理性与准确性。

3) 该方法的设计与实现为信息管理系统在多维空间联合作战领域的应用提供了有效的参考。

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