基于GIS的战术通信网络拓扑呈现技术研究

邹晓天,余 俊

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

基于GIS的战术通信网络拓扑呈现技术研究

邹晓天,余 俊

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

传统战术通信网络拓扑呈现系统在虚拟的逻辑环境中绘制呈现,没有充分利用节点的地理位置信息,存在显示单一、无法进行拓扑分析等众多局限。地理信息系统(GIS)的应用赋予了战术通信网络拓扑新的特性,弥补了传统网络拓扑呈现的众多局限。通过对基于GIS的战术通信网络拓扑呈现技术的研究,给出了针对战术通信网络的GIS拓扑呈现技术的常用方法,并在实际网络管理软件环境中进行应用,取得了较好的显示效果。

地理信息系统 战术通信网络 网络拓扑呈现 层次化地图模型

0 引 言

战术通信网是移动通信环境下的栅格网络[1],战术通信网络拓扑与GIS地图有效地结合是战术通信网络管理系统中必须解决的关键问题,目前在该应用领域主要集中在网络GIS地图模型研究、基于GIS的网络拓扑规划技术、基于GIS的网络拓扑管理技术和基于GIS的网络拓扑分析技术,极少有针对基于GIS的战术通信网络拓扑呈现技术的研究。文中基于网络层次化地图模型[2],建立了基本的战术通信网络拓扑绘制模型,设计了基于多缓存的战术通信网络拓扑快速绘制算法、战术通信网络拓扑分层绘制技术以及用户网络拓扑视图的交互引擎,将研究成果在网络管理软件环境中进行应用,取得了较好的网络拓扑显示效果。

1 地理信息系统(GIS)

GIS是一种计算机系统,具有对地理空间数据与属性数据进行输入、管理、查询和分析及输出等功能,它具有以下几方面的特征:①具有空间性和动态性;②有计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟地理分析算法,作用于空间数据,产生有用信息,完成普通信息系统难以完成的任务;③计算机系统支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合的对复杂的地理信息系统进行空间定位和过程动态分析。

2 网络拓扑层次化模型

战术通信网络在一定的地域上分布,特定的地理范围只会与部分网络拓扑信息和状态信息相对应。将这一特性与网络拓扑的层次化结构相结合,可以在不同尺度的地图中呈现不同层次的网络拓扑,尺度愈小的网络GIS地图呈现的网络信息越详细。

根据这个原则,再结合战术通信网络的特点,建立基本的战术通信网络拓扑模型,模型包括4个基本的抽象对象:域,用于表示各抽象对象的奴属关系;节点,表示一个通信单元,通信单元又由一系列战术通信设备组成,包括短波电台、超短波电台等常用战术通信设备;子网,表示一组对象集合以及这些对象的互联,对象可以是一系列通信设备的组合,即节点;链路,链路表示节点与子网之间的连接。其中,一个域下可以有多个域、节点和子网对象。

基于文献[2]提出的网络层次化地图模型,建立网络拓扑基本对象模型如下:域可用二元组表示U=＜I,Ui＞,其中,I表示单元的标识,Ui表示单元所属的上级域;节点用四元组表示N=＜I,L,S,Ui＞,其中I表示节点的标识,L表示节点的地理位置,S表示节点状态,Ui表示节点所属域的id标识;子网可用三元组表示S=＜I,Ui,N1,2…n＞,其中I表示子网的标识,Ui表示子网所属域的id标识,N1,2…n表示组网的节点集合;链路表示如下L=＜I,Pn,Ps,S＞,其中I表示链路的标识,Pn表示链路连接的节点端,Ps表示链路连接的子网端,S表示链路状态。

3 GIS网络拓扑呈现方法

网络拓扑可视化[3]包含对域、节点、子网和链路的可视化呈现,根据各对象具有的地理位置信息,通过坐标变换将地理位置信息映射到屏幕坐标绘制出来。其中域有两种呈现方式,一种为收缩状态,用于在地图上无法展开域范围的时候表示为地图上一点;另一种为展开状态,在地图上用面状图形表示,同时域具有等级划分,越上层的域等级越大,可通过图表区分。根据战术通信网络的特点,节点的地理位置是可移动和变化的,当节点地理位置改变后将其位置信息在本节点内部网络管理系统中进行更新,同时将其上传到上级网管中心,上级网管中心存储节点最新位置,并更新网络拓扑视图。子网由于是虚拟的网络元素,与域相同,在地图上没有实际存在的点来表示,但由于网络对象增加后,会出现重叠现象,同时,子网的位置对网络拓扑的美观性起着很大作用,因此,子网的位置可由用户自定义,以避免重叠现象,同时可使得拓扑视图更美观。链路是连接车辆与子网的线路表示,战术通信网络中多为无线通信手段,针对无线链路用虚线表示,针对有线链路用实线表示。

为提高GIS网络拓扑视图绘制效率,文中提供两种优化方式,一种是按域逐级呈现方法,另一种是多级绘图缓存方法[4]。按域逐级呈现方法:结合战术通信网络拓扑呈现特点,根据层次化模型划分,战术通信网络拓扑结构图采取由顶到下,以域为单位逐层展开的方式进行绘制。在小比例尺地图上,由于无法在地图上展开节点,仅绘制域对象,展现域与域之间的网络连接关系,随着地图的放大,比例尺逐级变大,可逐层展开域内各节点的网络连接关系,如此递归循环绘制,一方面符合用户的操作流程,可取得良好的人机交互体验,另一方面由于此方式下减少了冗余数据的绘制,需要绘制的对象极大的减少,绘制效率将大大提高。

网络拓扑按域逐级呈现方法示意图如图1所示。

图1 网络拓扑按域逐级呈现方法示意Fig.1 Schematic diagram of network topology display method in step by step by region

多级绘图缓存方法:根据拓扑视图呈现内容,将GIS网络拓扑视图划分为4层,分别是:基础地理信息层,用于显示电子地图文件;网络拓扑层,显示根据地理位置绘制的网络拓扑;拓扑分析结果层,绘制拓扑分析结果;其他层,如测量结果、特殊标图等结果层。针对这种视图分层划分,文中采用一种多级缓存绘图机制,通过建立多级缓存绘图提高呈现效率。基础地理信息层的绘制效率与地理信息数据文件大小和详细程度有关,数据量越大绘制时间越长,为了避免因其他图层重绘引起基础地理信息层的绘制,将地理信息层单独建立一个绘制缓存CacheMap,当其他图层更新时仅需提取CacheMap层与其他图层叠加,避免重新绘制,提高了绘制效率;同样,对主要的图层分别建立绘制缓存如下:网络拓扑层建立一个绘制缓存CacheTopo,对拓扑分析结果层建立绘制缓存CacheTopoAnalyse。这样建立多级缓存后,当GIS网络拓扑视图中某一层需要更新时,仅需对更新层进行重绘操作,其他层仅需要做位图拷贝操作,而不用重新绘制所有图层。用户视图组成与各层缓存模型如图2所示。

图2 用户视图组成与各层缓存模型示意Fig.2 Schematic diagram of the composition of users view and layers caching model

4 用户视图的交互机制

用户视图交互主要有基础地理信息层交互、网络拓扑层交互、拓扑分析层交互等,地理信息层主要是地图交互,包括地图放大、地图缩小、地图漫游等操作,网络拓扑层交互主要是对网络拓扑的编辑操作,包括网络对象的添加、删除、移动等,由于用户视图各层的交互互相之间存在消息响应冲突,若没有处理这种交互冲突,用户消息将像无头的苍蝇一样发往各层,造成消息混乱,使实际操作结果与用户操作结果不一致。因此,必须建立一套合理消息分发机制将消息正确发往指定图层。这种机制我们命名为消息分发引擎机制。

消息分发引擎专门接收来自用户的界面操作消息,引擎内部有一套消息归属判断机制,消息归属判断机制以用户当前在各图层中选择的编辑工具和活跃编辑图层作为输入条件,根据条件判断哪些图层上的编辑工具为有效状态,同时不会引发消息冲突,再将消息发往正确的图层,使之有序高效。消息分发引擎工作示意图如图3所示。

图3 消息分发引擎工作示意Fig.3 Schematic diagram of message distribution engine work

地理信息层交互主要是实现对地图的一系列操作,包括地图放大、缩小、漫游等操作。都是有选用的地理信息引擎实现。

网络拓扑层交互主要是实现对网络对象的添加、编辑、删除、移动、入网和编辑等操作。在实现上,主要向用户提供一个拓扑工具箱,工具箱中包含所有域、节点、子网、链路的模板,均可以选择相应编辑工具将模板的实例化对象添加到视图中。关于模板的编辑,可在系统启动时选择模板模式对模板进行编辑操作。下面对基本的对象操作实现流程进行介绍:

添加对象:在拓扑编辑工具中选择添加工具;在拓扑工具箱中选择要添加的对象模板;选择添加对象所属域对象;在GIS视图上添加位置处单击,完成元素的添加。

编辑对象:在拓扑编辑工具中选择编辑工具;在地图上对象绘制处单击,弹出编辑框,在对相应参数进行修改后保存完成编辑。

删除对象:选择删除对象工具;在用户视图中网络对象处单击选中,弹出确认删除对话框,选择确认删除完成删除操作(删除域将删除本域下所有对象)。

移动对象:选择移动对象工具;在用户视图上选中要移动的对象

入网:首先选中操作的子网,选择入网工具,再框选入网的节点,将弹出入网节点对话框,勾选各节点中加入子网的通信设备,单击确定完成入网过程。

5 网络管理软件

网络管理软件用于集成文中研究技术和成果,综合集成了层次化模型、逐级显示和多级缓存、消息分发等功能。根据功能组成,将网络管理软件进行模块划分,主要由以下几部分组成:网络对象管理模块,基于网络拓扑层次化模型,建立基本的网络对象管理模块,用于实现网络对象的管理与控制;地理信息模块,基于地理信息系统平台软件设计,实现地图文件打开和绘制,并提供拓扑绘制必须的接口和坐标转换系统;拓扑呈现模块,基于地理信息模块,利用其接口实现网络拓扑绘制;消息分发模块,即消息引擎,实现用户视图操作消息的模块分发等。网络管理软件模块组成图如图4所示。

图4 网络管理软件模块组成Fig.4 Schematic diagram of network management software modules

6 结 语

文中通过对基于GIS的战术通信网络拓扑呈现技术的研究完成了战术通信网络拓扑层次化模型构建,实现了战术通信网络拓扑呈现,提出了按域逐级呈现方法和多级绘图缓存方法用于优化拓扑绘制。同时针对这种层次化视图构建的消息交互特点,提出了一种消息分发引擎用于实现消息的高效正确的传递。最后在网络拓扑交互方面做了深入研究,实现几种常用交互。通过对这些技术在实际网管软件的使用取得了较好的用户体验效果。

[1] 王国民,丁兆忠,夏兴宇.美军战术互联网模拟与运用方法研究[J].通信技术,2013,46(06):69-71.

WANG Guo-min,DING Zhao-zhong,XIA Xing-yu.Simulation and Implementation of U.S.Tactical Internet[J]. Communications Technologhy,2013,46(06):69-71.

[2] 王恺,杨峰,毕经平.一种基于GIS的网络层次化地图模型及实现算法[J].计算机工程,2005(06):12-15.

WANG Kai,YANG Feng,BI Jing-ping.A GIS-based Computer Network Hierarchical Map Model and Its ImplementationAlgorithms[J].ComputerEngineering, 2005(06):12-15.

[3] 申山宏,李龙江,夏棋.基于移动GIS系统的网管拓扑图呈现机制[J].微型机与应用,2013(07):53-57.

ShEN Shan-hong,LI Long-jiang,XIA Qi.Network Management Topology Display Mechanism based on Mobile GIS System[J].Microcomputer&Its Application, 2013(07):53-57.

[4] 胡泽明,岳春生.嵌入式GIS系统多缓存地图显示方法[J].信息工程大学学报,2010(03):317-321.

HU Ze-ming,YUE Chun-sheng.Multi Buffer Map Show Method on Embedded GIS Platform[J].Journal of Information Engineering University,2010(03):317-321.

ZOU Xiao-tian(1981-),male,engineer, bachelor,majoring in tactical communications networkmanagement,geographicinformation systems.

余 俊(1986—),男,助理工程师,学士,主要研究方向为战术通信网络管理,地理信息系统。

YU Jun(1981-),male,assistant engineer,bachelor,majoring in tactical communications network management,geographic information systems.

GIS-based Tactical Internet Network Topology Rendering Technology

ZOU Xiao-tian,YU Jun
(No.30 Institute of CECT,Chengdu Sichuan 610041,China)

The traditional tactical network topology display system displays in a virtuallized logical environment.It makes no full utilization of node location information,for some limitations such as existence of single display,unable to analyze the topology and so on.GIS(Geographic Information System)endows the tactical network topology with some new features,and remedies many limitations of the traditional network topology rendering technology.Based on the research of GIS-based tactical internet network topology rendering technology,the common approach to GIS network topology rendering technology is proposed,and it achieves fairly good display results in the application environment of actual network management software.

geographic information systems;tactical internet;network topology rendering;hierarchical map model

TP393

A

1002-0802(2014)02-0231-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.022

邹晓天(1981—),男,工程师,学士,主要研究方向为战术通信网络管理,地理信息系统;