基于发布订阅机制的态势信息实时分发框架

张帆，周晓红，董龙明

（1.长春职业技术学院，长春130033；2.军委总装备发展部驻南京地区军事代表室，南京210000）

基于发布订阅机制的态势信息实时分发框架

张帆1，周晓红1，董龙明2

（1.长春职业技术学院，长春130033；2.军委总装备发展部驻南京地区军事代表室，南京210000）

针对战场态势分发信息量大、实时性要求高、不同用户需求差异大的特点，提出了一种基于发布订阅机制的态势信息实时分发框架。构建态势元数据模型，能够描述战场态势信息和需求方的偏好，将态势更新看成发布事件，需求方看成订阅者，设计基于态势数据元模型设计合适的匹配算法。在此基础上给出了态势信息实时分发框架，能够指导构建面向服务架构的新型战场态势信息分发系统。

战场态势，信息实时分发框架，发布订阅机制，元数据模型

0 引言

未来战争是由“网络中心战”模式所主导的集空、天、地、海、电磁五维一体并以信息化条件为背景的高技术战争。在高技术信息化战争中，实时获取有用态势信息往往能赢得战争的主动权。五维作战空间下的态势信息是由描述地形地貌、空海情、作战力量协同、敌我目标识别等多个方面的海量信息构成，态势信息必然是分布存储在战场多个作战单元，并且是异构的。战场全谱态势信息是一种可见、可获取、可理解的形式，对信息优势的实时获取和态势信息实时分发具有重要意义。

战场态势信息一方面信息量巨大，另一方面随着敌我力量的变化随时间动态变化，呈现递增。在态势数据表示方面，美军的MLIL-STD-2525C公共作战符号标准规范了战场对象的符号化表示，我军使用的军标处理软件是由我国自主研发的平台要图标绘工具，为我军一体化平台提供了丰富的图元要素符号。但是，由于我国大多数军队信息化系统还处于独立研究开发阶段，各系统之间不能很好地进行战场态势信息的共享和交换，限制了现代化军队间的协同作战能力。

网络中心战条件下，随着侦查手段的进步和作战空间的拓展，一方面，战场态势的内涵越来越丰富：敌我战场目标基本属性更加复杂齐全、战场环境（地形地貌环境、气象条件、、电磁空间）、战场态势信息呈现出海量、多元、复杂、动态、异构、移动的特点，增加了服务器关于态势信息处理、检索、存储和分发的负载难度；另一方面，随着作战单元编组的模块化和指挥体系扁平化，参与作战单元的种类和数量也越来越多，态势需求方呈现动态、多样、个性化等特点。当前，如何降低指挥信息平台服务器的负载和及时为各作战单元提供合适的态势信息，成为各种指挥控制信息平台急需解决的问题。

针对战场态势信息分发技术，国内外将先进的网络和计算机技术应用到指挥信息系统并进行一系列研究。战场态势信息表示方面，文献［1-2］分别对数据模型表示和可视化进行研究。陈洪辉等人［3］针对信息分发信息量大的特点，提出了一种基于服务的态势信息订阅分发方法；巴海涛等人［4］根据战场实时态势信息分发需求，提出一种基于DDS规范的实时信息分发服务平台框架。将通信在时间、空间和控制流解耦的发布订阅技术［5］应用在态势信息分发领域成为趋势。但是，这两方面相结合研究比较少，本文首先基于元数据模型构建描述战场基本元素的战场态势元数据模型，能够精确统一描述战场作战环境和敌我静动态对象；然后，基于该元数据提出了发布订阅算法，能够将合适的战场态势信息主动实时推荐给需要的作战单元；最后，给出了态势信息实时分发框架，能够指导先进指挥控制信息C4ISR系统的开发。

1 战场态势元数据模型

战场态势信息的种类纷繁复杂，可以从不同的角度进行区分与分类，以陆地战场为例大致可以分为3类：军事地理信息、战场敌我实体和作战任务目标描述。在基于发布订阅机制下，将战场态势的获取或更新表示为发布事件，作战单位索取态势信息表示订阅条件。

基于Map的数据模型将发布事件和订阅条件表示成三元组形式（属性名，谓词，属性值），例如：事件（速度，=，100）表示：“速度等于100 km/h”的事件；订阅条件（速度，>，100）表示：“速度大于100 km/h”的订阅条件。属性名一般可以用战场态势对象某个方面有意义的概念表示，谓词通常是一些逻辑预算符，如：“=”、“>”、“＜”、“>=”、“＜=”、“⊂”、“⊃”等。复合式订阅条件，可以使用逻辑运算符表示，如：（方位，⊂，东南方）&&（速度，>，100）表示来自东南方并且速度大于100 km/h的潜在威胁目标。

定义1战场态势元数据模型可以用一个三元组BIM=＜GIM，EIM，TGM>表示，其中：GIM表示军事地理信息概念模型，EIM表示战场敌我实体概念模型，TGM表示作战任务目标概念模型。

定义2军事地理信息概念模型可以用一个九元组GIM=＜PN，RD，VG，WA，MT，BD，RS，RT，ES>来描述，其中：PN表示地名，基本属性包括名称、中心点坐标（维度、经度）、类型标识；RD表示道路，基本属性包括：类型、名称、材料、长度、路宽；VG表示植被，基本属性包括：植被类型、植物指数、土壤指数、水体指数等；WA表示水系，基本属性包括：类型、宽度、深度、面积、流速、高程等；BD表示桥梁，基本属性包括类型、材料、长、宽、高、载重等；RS表示气象，基本属性包括类型、气压、气温、温度、湿度、风速、风向、日照指数；RT表示居民地，基本属性包括：类型、坐标、人口、面积等；ES表示电磁空间，基本属性包括：类型、发射源、频谱强度等。

定义3战场敌我实体概念模型可以用三元组EIM=＜TY，SP，AR>来描述，其中：TY表示类型，是静态实体（机场、车站还是码头等）还是移动实体（是运兵装甲车、指挥车、导弹发射架、坦克还是自行火炮等）；SP表示速度，刻画移动实体的动态特征，包括：最大速度、公路速度、越野速度、爬坡度或涉水深等；AR表示面积，描述静态实体的面积大小、动态实体通过雷达或光器件可探测的面积。

定义4作战任务目标概念模型可以用一个六元组TGM=＜TA，CS，AS，ET，MA，ET>来描述，其中：TA表示任务区域；CS表示指挥方；AS表示行动方，参与完成此次行动的各作战单元；ET表示敌方目标；MA表示打击手段；ET表示该作战任务的有效时间。

在发布事件和订阅条件之间进行匹配需要量化这些概念的匹配程度，量化标准取值在0～1之间。量化时可以根据概念特征选择量化标准进行量化：有些概念具有层次结构，可根据概念在层次的距离进行量化；有些概念具有一个确定值，可根据值的大小进行量化；有些概念值在一个范围，可根据范围进行量化。对任意一个战场态势事件与订阅条件的满意度定义为：Sat=w1*GIM+w2*EIM+w3* TGM，其中w1+w2+w3=1，w1，w2，w3>0，GIM表示满意度，EIM表示满意度，TGM表示满意度。

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 基于元数据模型发布订阅算法

基于战场态势元数据模型的事件和订阅条件采用多索引数据结构存储，如图1和图2所示。

其中各字段表示的含义如下：

concept：军事地理信息概念、战场敌我实体概念模型或作战任务目标概念模型；

datatype：数据类型；

value：属性值；

operator：谓词；

index：事件或订阅序号。

在态势信息分发平台中，存在着两种发布订阅场景：一是态势更新时需要实时分发给需要的作战单元，称之为：“一事件，多订阅”；二是作战单元订阅新领受的作战任务目标后，系统将已发布的满足订阅条件的战场态势分发给作战单元，称之为“一订阅，多事件”。

2.1 “一事件，多订阅”匹配算法

“一事件，多订阅”要求事件代理服务器能够将刚更新的态势事件对订阅索引表进行匹配，找到所有和该事件匹配的订阅条件。

输入：态势信息事件描述P

输出：所有和事件P匹配的订阅条件S

①将事件P加入事件索引表；

②在订阅条件索引表中分别根据事件概念属性名查找与之匹配的订阅条件属性名；

③若找到匹配的属性名，则根据事件的数据类型查找与之匹配的订阅条件数据类型；

④若找到匹配的数据类型，则根据事件的属性值与订阅条件属性值进行比较。根据关系运算符规则，判断事件的属性值与订阅条件属性值求得真假值，如为真，则将该值下的订阅事件号index加入到订阅条件集合TSet，否则将该值下的订阅事件号index加入到订阅条件集合FSet；

⑤从集合TSet中将FSet中元素剔除，剩下的集合S则为所有和事件P匹配的订阅条件S。

2.2 “一订阅，多事件”匹配算法

“一订阅，多事件”要求事件代理服务器能够从事件索引表中找出所有满足该订阅条件的所有相关态势信息。

输入：订阅条件S

输出：所有满足该订阅条件S的态势信息集合

①将订阅条件S加入到订阅条件索引表；

②判断订阅条件S是复合订阅条件还是原子订阅条件，如果是原子订阅条件则跳转到③；如果是复合订阅条件，根据逻辑运算符进行分解直至分解为原子订阅条件，根据步骤③分别求得满足原子订阅条件的事件集合P；

③对原子订阅条件，对每个事件索引表每个属性，如果事件属性名==S.属性名/事件索引表二级节点的事件数据类型==S.数据类型，那么，对每属性值满足订阅条件的关系运算符，则：将该事件加入到事件集合P；

④如果订阅条件为原子订阅条件，则集合P是所有满足该订阅条件S的态势信息事件集合。如果是复合原子事件，则求得多个满足原子事件集合P，根据两个原子订阅条件Si和Sj间的逻辑运算符按照如下规则逐层求得集合Pi和Pj运算结果：

Ⅰ、Si和Sj间的逻辑运算符为：/，则P=Pi∩Pj；

Ⅱ、Si和Sj间的逻辑运算符为：/，则P=Pi∪Pj。

3 态势信息实时分发框架

及时准确获取战场态势是取得信息优势的关键，分布式战场态势信息的分发是网络中心战的重要特征，基于发布订阅机制的实时态势信息分发系统框架如图3所示。系统由多个分布式事件代理通过网络互连组成，每个事件代理与一个局域网络连接，为一定数量的用户提供服务。

管理者负责维护一个或多个事件代理，保证事件代理的正常运转。具体包括监控最近一段时间内代理收到的数量、发出的消息数量、处理事件数量、匹配事件和消息的丢包情况等。

用户包括订阅者（作战单元、指挥所）和发布者（态势发布者、态势更新者），用户需要知道连接事件代理的地址信息，在建立连接后，订阅者向事件代理注册订阅条件，发布者向事件代理发布事件。而事件代理负责订阅的建立与存储、事件匹配和路由、发布事件通知到订阅者。整个过程中，系统对于用户来说是透明的，发布者只需关注事件的发布，订阅者只需关心注册订阅兴趣和接收事件通知，无需关注系统的具体运行机制。

作战单元获取实时战场态势信息至关重要，基于战场态势信息分发系统框架，描述了实时战场态势信息的具体分发过程，如图4所示。首先，各态势采集源（如：雷达、观察所、红外探测器等）向态势服务注册中心登记身份信息，态势注册中心建立态势服务目标，以方便用户登录查找定位该态势源。然后，态势采集源根据态势元数据模型将态势的特征量和数据发布到态势信息分发服务器中，态势信息分发服务器同步更新其他节点的发布特征表，使得各个节点的发布特征表保持一致；用户通过web客户端登录到态势服务注册中心，选择合适的态势信息服务，通过Web服务器向态势信息分发服务器发送订阅条件信息。最后，实时态势信息分发服务根据态势订阅者和发布者的态势元数据特征量进行匹配，将实时更新的态势信息及时发送给态势信息用户。

4 结论

为了保证网络中心战下分布式态势信息实时分发到作战单元，本文提出了一种基于发布订阅机制的态势信息分发框架。该框架将态势感知源感知的态势和作战单元需求的态势信息统一使用战场态势元数据模型进行描述，然后，提出了两种态势实时分发匹配算法——“一事件多订阅”和“一订阅多事件”，最后从系统框架和信息分发流程两方面提出了态势信息实时分发框架，能够指导构建面向服务架构的新型战场态势信息分发系统。如何在面向服务或云计算等主流的分布式架构下实现基于发布订阅机制的态势信息实时分发框架是下一步工作的重点和研究的方向。

［1］马亚明，华一新，张亚军.战场态势信息数据模型研究［J］.系统仿真学报，2009，21（4）：948-953.

［2］侯锋，张军，李国辉.共用战场态势信息系统研究综述［J］.测绘科学，2007，32（6）：17-20.

［3］陈洪辉，宛海宁，陈涛.一种基于服务的态势信息订制分发方法［J］.计算机应用研究，2009，26（4）：1428-1431.

［4］巴海涛，许锐锋.基于DDS规范的战场态势信息分发框架［J］.指挥信息系统与技术，2012，3（1）：45-48.

［5］EUGSTER P T，FELBER 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

张帆（1982-），男，吉林长春人，硕士，讲师。研究方向：计算机应用技术。