一种基于数据持久化的电子对抗系统数据记录与回放设计

宫 斌，张名明，李安然

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

电子对抗系统显控终端的数据记录与回放是系统的重要功能模块，其主要任务是记录整个作战过程的数据和指令信息，形成文件并存储，在作战任务结束后利用存储的文件进行作战过程回放。数据记录与回放能够完整地记录下整个作战的过程，并能够对过程中的每一个步骤进行准确的重新回放演示，其重要作用是能够在作战任务结束后对作战过程的每个流程、步骤进行分析，并能够对记录的信息数据(侦察目标、干扰目标等)进行全面深入的分析，对于电子对抗系统作战过程中的问题分析查找、作战流程的优化、情报数据收集等都有着非常重要的作用。

在原有的电子对抗系统显控终端的数据记录回放设计中，由于信号环境和设备相对简单，数据量和记录文件都比较小，因此设计仅支持从记录文件中顺序播放，基本可以满足使用需要。随着战场电磁环境和电子对抗系统本身的复杂程度不断增大，电子对抗系统终端的数据记录文件的数据量和记录时长也不断增大。由于电子对抗数据具有较强的时序关联性，较大的数据文件、较长的回放时间与回放时的快速定位成为矛盾，因此设计一种可在数据记录文件的任意时间点进行回放控制的方法成为亟待解决的问题。

1 需求分析

由于无源侦察的隐蔽性和探测范围大等特性，电子对抗系统成为武器装备中获取情报非常重要的装备。尤其是在舰载系统中，无论在作战或是值班状态下，无论其他有源探测设备(如雷达)是否工作，电子对抗的侦察装备基本上是全程开机，进行目标侦收、电磁环境探测、情报收集等工作。在舰船远海任务中，舰载电子对抗系统侦察设备的工作时间经常在24 h以上，有时甚至达到一周甚至更长的工作时间；同时随着战场电磁环境日益复杂，电子侦察目标获取的信息量也不断增加。这些都使得电子对抗系统终端数据记录文件的数据量和时间长度越来越大。

电子对抗系统的数据(尤其是侦察目标数据和干扰对抗数据及指令)具有很强的时序关联性，如电子侦察数据，侦察设备在侦收到一批目标后以一条较长的目标信息报文发送到终端显控，其后对于该目标的信息更新、补充(包括方位、幅度、扫描信息等等)都是以其他较短的报文发送的，终端显控以目标批号为索引条件进行目标信息的更新补充；再如电子干扰设备，其工作状态中的预热、高压、发射等都有着严格的顺序并需要进行相应的操作锁定控制，跳过其中的某个数据或指令报文将使得后续的状态错乱。这种情况下原有的记录回放设计必须按照顺序进行回放控制，才能使得整个作战过程正确、完整，而对于较大的记录文件，往往需要耗费较长的回放时间，例如对于一个记录时间超过24 h、报文数量达到数十万条的文件，按照记录报文顺序回放，将耗费数小时甚至更长的时间，对于作战使用非常不便。

上述情况对电子对抗系统终端的数据记录和回放工作提出了新的课题，即如何在大数据量、超长时间的记录文件情况下，进行可选择时间跳转的回放控制，使得操作员可以更快地“复盘”作战的全部或部分过程，更迅速有效地对作战过程进行分析研究。解决这一问题的关键在于如何解决电子对抗数据的时序性和关联性问题，即在任意时间点开始回放时，需要恢复该时刻的数据、指令以及与当前数据、指令、状态相关的所有信息，这样才能保证从该时刻回放时后续数据和状态的完整性和正确性。

2 方法设计

本设计以某型电子对抗系统为基础，按照可跳转到任意时间点进行回放控制的要求对系统显控终端的数据记录和回放控制软件进行设计。该型电子对抗系统显控终端的体系架构如图1所示。显控终端采用集中处理分布控制的架构，所有外部数据先经过信息处理服务器处理并转发到显控台A和B，显控台下发的指令或数据经过信息处理服务器转发到相应的外部侦察干扰设备。

图1 显控终端架构示意图

显控终端数据记录和回放运行的基本过程是：在作战过程中，信息处理服务器将所有经其处理或转发的报文记录形成数据记录文件(软件运行一次形成一个文件，即一次作战过程形成一个文件)；在作战结束后进入回放过程时，由操作员对记录文件进行选择后，信息处理服务器将文件内容读入并按照报文记录顺序发送到显控台，对作战过程进行回放重演。

本文阐述的记录和回放设计方法是针对可以任意指定时间点进行回放的需求，以固定时间片为间隔定时生成全局信息并记录，作为回放时的历史数据恢复依据。为了对回放过程中的时间点进行快速定位，我们采用将定位时间点的内存信息(包括数据和状态等)进行持久化的方法保存；在回放的过程中，根据持久化保存的全局信息进行数据和显示界面的恢复，这样从该时间点后回放的报文有了基础，将可以正确完整地进行后续的回放。设计中将时间片间隔设置为1 min，则可以实现回放控制的分钟级定位，从而大大缩短回放的时间；同时解决了原有回放设计在时间上只能顺序向后单向查看的问题，能够跳转到记录文件的任意时间点进行回放。

在保持原有记录文件不变的情况下，增加了全局信息定时记录。我们将固定时间点的内存全局信息进行持久化形成的信息称为关键帧(Key Frame)。本设计的主要工作流程是在作战过程中，以固定的时间间隔(目前定为1 min)将终端显控的各类全局数据进行序列化，生成关键帧文件进行记录；在回放过程中，根据操作员选择开始回放的时间点，找到对应时间点前最近的一个关键帧进行反序列化，进行内存数据及界面的恢复。

数据记录文件与关键帧记录文件的关系如图2所示。

图2 数据记录文件与关键帧文件关系图

3 持久化技术选择

在数据持久化技术中，一般以序列化方法最常用，且扩展性强[1]。常用的序列化方法一般有表1中的几种。本设计中考虑到终端显控软件的兼容性及后续采用跨平台开发工具的趋势，Boost.Serialization方法的可移植性及后续的扩展性都较好，因此采用该方法进行内存持久化[2]。

电子对抗系统除侦察设备外，还有有源干扰、无源干扰、激光、通信等设备，以及上级指挥系统。为了全面反映某个时刻的状态，关键帧中必须包含以上所有相关设备/系统的数据、状态信息。在电子对抗系统中，侦察目标所占信息最多，占整个关键帧内容比率最大，所以在持久化技术选型时主要根据侦察目标的数据持久化性能为主要参考。软件测试过程中以侦察目标的序列化和反序列化时间作为主要参考，采用XML结构文件进行存储，主要测试情况如表2所示。

表1 序列化方法

表2 序列化/反序列化时间测试表

在电子对抗系统中，一般侦察目标在400批之内，侦察目标的数据持久化时间占整个全局数据信息持久化的绝大部分，所以以上序列化方法能够保证时间的有效性，同时基本不会对现有的显控终端软件运行造成影响。在选择存储方式上，XML文件可读性最好，但是时间和空间消耗大，可作为软件调试时使用；文本数据可读性一般，时间和空间消耗一般；二进制数据可读性差，时间和空间消耗性能最优，所以在最终软件实现中采用二进制格式作为文件存储的数据格式[3]。

4 工程应用

根据上述设计方法，软件主要由信息处理服务器、显控台A和显控台B几部分组成。显控台A主要生成关键帧和恢复关键帧，控制回放进度，服务器主要进行关键帧文件管理，显控台B只做关键帧恢复，不生成关键信息。在作战过程中记录数据文件的同时，从起始时间开始，每间隔1 min生成一个关键帧文件并存储，作战过程结束后将生成一组关键帧文件与一个数据记录文件相匹配；回放由显控台A发起并控制，根据操作员选定的回放时间，找到之前最近的一个关键帧文件进行全局数据的反序列化，使得系统的数据和状态保持完整，然后开始该时刻后的报文回放。如某记录文件的起始和终止时间分别为XX年XX月XX日00：00:00和XX年XX月XX日23：00:00，即整个作战过程时间为23 h，操作员如果需要最后1 h的作战过程回放分析，可以直接选择从22：00:00开始回放。软件实现已在XX型电子对抗系统中应用，该系统中的设备节点超过10个，在实际工作过程中数据记录包含关键帧的文件记录占用的系统资源较低，对整个系统的运行基本没有影响,软件运行与回放模式大大缩短了回放的时间，极大地提高了作战过程分析的效率。

5 通用化设计

软件设计的通用化主要体现在以下几个方面：

(1) 信息处理服务器软件部分结构简单，扩展性强。信息处理服务器软件不解析和分析关键帧内容和报文信息内容，只负责数据文件和关键帧的记录与管理，回放时根据时间点查找关键帧信息发送到显控台进行数据恢复。

(2) 关键帧记录的可快速扩展性。在关键帧信息中添加或者删除相应的字段信息较为容易；支持将序列化和反序列化进行统一定义或者分开定义；支持将数据保存为二进制数据、文本数据、XML结构或者用户自定义的其他文件，只需要改动序列化归档格式，不需要改动具体序列化方法。通用化设计如图3所示。

图3 软件通用化设计示意图

通过通用化的设计，使得本方法扩展性强，移植方便，可以较快地在原有的电子对抗系统终端显控软件中进行改进优化，实现指定时间点回放的功能。

6 结束语

电子对抗系统终端显控的数据记录与回放软件在原软件功能不足、使用不便的情况下，引入了基于数据持久化的关键帧技术，实现了电子对抗系统的数据回放，能够达到分钟级别的快速定位并任意指定时间点回放，大大缩短了作战过程回放的时间，并且支持前进和后退2个方向的回放，解决了之前电子对抗回放功能不满足用户需求的问题。

本设计方法作为电子对抗回放软件的基础，已经在实际工程应用中得到较好的验证，也完全能够满足用户的要求。但是受计算机性能等限制，现阶段为平衡系统工作主流程和数据记录的资源分配，只能做到分钟级别跳转，要做到更短时间片时刻跳转，需要进一步研究相关技术和方法。