后装综合态势共享交换文件模型设计

邓晨，许双伟，孙文虎，陈晓东

（1.北京机电工程研究所，北京 100074；2.国防大学联合勤务学院，北京 100858）

0 前言

为实现战场感知，辅助指挥人员掌控战场局势，需要在地图上标绘与任务相关的环境、敌我双方力量部署情况、战场想定等军事要素，生成可视化的态势制图成果。应用于后装保障领域，通常采用一种基于电子地图的实时态势标绘系统将各渠道收集的保障信息要素进行关联展示，准确地描述资源的需求与流向，面向作战人员提供各种后装保障规划能力，精确地对物资进行定位、查询和处理，根据实际需求评估物资的补给策略。

联合作战背景下的后装保障任务更加复杂，不仅需要协调分布在整个战争体系的人员、装备、物资等作战、指挥、保障实体，还需同步规划非线性、不规则、广域疏散、动态配置的跨域保障节点。由此带来的挑战则是，支撑并描述战场态势的基础图元数据[1]数量剧增会从影响态势图绘制的时效指标、保障方案的评估与反馈，导致涉及多部门的战事进展动态规划与统筹协调需要不断的修正与更新[2]。以往的单人单机标绘方式，已经不能适应现阶段后装保障应用的业务需求，有必要建立面向后装保障需求的多人协同标绘场景，通过多人同时共享操作一张地图，同步并发式地进行协同标绘，结合业务数据快速地形成各类作战、救灾、检修等保障专题态势图。建立协同的分布式工作环境，使得地理空间相对分散的各级部门合理通过分布式标绘机位协同完成保障任务规划，提升联合作战背景下各级部门实时协作能力，准确作出正确决断[3]。

本文针对上述多人协同标绘环节中比较突出的消息交互与标绘冲突等问题，设计了一种用于存储多人协同标绘过程信息的后装综合态势共享交换文件模型，并基于该模型设计多人协同标绘方案，提高多人协同标绘的工作效率。

1 研究现状

徐瑞[4]结合CSCW与WebSocket，通过长连接形式分发和接收数据，实现了三维协同规划模型。

赵建[5]采用协同工具Collaboration实现协同控制，并在处理冲突时，采用并发控制协商会议的策略,解决协同标绘时的操作冲突问题。

李苏军[6]等人通过设计并发控制策略及其算法，描述了数据传输过滤机制，解决了多用户协同标绘与多视角演示的难题，实现了作战构想快速生成与演示。

针对多人协同冲突消解方向，李袁帅[7]等人基于语义理解机制，提出了一种多人协同冲突控制机制，实现了一种在虚拟地理环境中的协同交互方案。

邹峥嵘[8]等人通过结合ArcGIS中版本更新模式，采用"单人单版本"模式的数据编辑和更新模式，解决协同标绘过程中的冲突问题。

龚芳海[9]针对分布式环境下的大数据流的处理技术进行了探讨。李立夏[10]等人通过协同管理标绘行为，给出了一种冲突控制策略及算法，提出了一种解决分布式环境下多用户同时标绘的方案。

徐进[11]、朱晓宇[12]等人通过消息通信管理机制，实现了多人的协同工作方案。

上述态势图协同标绘的研究基本都是基于消息交换机制与计算机支持协同工作（CSCW）进行结合设计来实现，并没有针对交换数据量进行优化，也没有考虑到态势标绘信息与冲突处理规则的统一管理与展示。类似本文通过设计一种多机位共享的态势共享交换文件，从而实现标绘信息最小交换和冲突消解的多人协同标绘方案，目前暂未见到相关研究。

2 态势共享交换文件模型设计

在协同标绘的过程中不仅要检测识别当前用户的交互操作，还要识别来自协同服务器的其他用户的标绘消息。用户在共享视图中触发标绘动作时都会根据当前动作产生一系列的操作描述与标绘请求事件，需要及时交由服务器端对分布式协作请求进行操作同步与数据融合处理。为了满足多人协同标绘方案的态势共享和最小消息交换需求，本文在后装态势标绘定义文件的基础上，增添了机位定义、操作定义，以及为冲突消融机制提供处理方案的规则列表，最终设计出了一种服务于后装综合态势应用的共享交换文件模型，如图1所示。

图1 态势共享交换文件模型设计

该态势共享文件模型遵循通用Web交换标准JSON的规范，在此基础上定制了后装态势图协同标绘标准模型，其文件内容主要由标绘列表、操作列表、机位列表等模块组成，共同构成了多机位标绘请求的全局视图统一描述。

（1）标绘列表。主要存储态势地图上标绘过的图元，依据最后操作时间倒序排列。每个标绘图元都包含基本属性、创建时间、最后操作时间、是否锁定、锁定机位、是否显示等属性。其中，基本属性即通用的GIS属性，如描述物资部署状态的图元表达方式，展示效果依赖于底层可视化平台与标绘指令集。在此基础之上，附加了其他用于多机位协作的额外的属性。

（2）机位列表。机位列表包含所有的正在进行协同态势标绘的机位。每个操作机位的属性包括基本属性（机位ID、IP、操作人员等基础信息）、锁定图元以及优先级。

（3）冲突处理规则列表。冲突处理规则列表记录了在冲突发生时的处理规则。包含左方对象、右方对象，以及其优先级连接符（大于、等于、小于）。规则设计遵循现今常用的Drools规则引擎标准规范，具体规则参数需要参考联合指挥部对各保障部门的任务配置。

（4）操作列表。操作列表包含历史操作列表与当前操作列表。历史操作列表用于版本回溯，存储在协同标绘时经冲突消解后的有效操作，包括操作图元、操作时间、操作机位、操作内容等属性。当前操作列表存储在当前时刻中所有机位的操作信息。与历史操作列表不同，当前操作列表中以基础操作图元作为对象。因为在实际的协同标绘时，用户的标绘过程分解后其实是多个图元的创建、删除、修改、移动等操作，将这些操作信息以最直接的形式进行存储，能够有效地节省传输数据以及后台的转换时间。另一方面，以操作图元为对象进行存储，方便与标绘列表进行一一对应，在标绘数量较大时，方便快速找到对应标绘图元，有效地提高协同标绘的响应速度。

每一个操作图元都对应一个或多个标绘操作，每个标绘操作除了标绘内容以外，还应包括操作时间与标绘机位。多机位同一时间对同一个标绘的所有操作以时间正序排列。

3 基于态势共享交换文件的冲突消解机制

根据多机位协同标绘的特点，本文在态势共享交换文件模型的基础上提出了以下几种冲突消解方案。

3.1 悲观锁机制

悲观锁机制，指的是对图元被外界修改持保守态度，在对该图元的操作过程中，将数据处于锁定状态。

当多个机位同时对同一图元进行编辑操作时，需要态势共享交换文件的当前操作列表中的图元下生成一个互相冲突的操作队列，安装时间先后顺序进行排序。标绘服务器首先查询该图元是否已经上锁，如果没有上锁，则获取队列中的最前方的标绘操作，对该操作进行处理，并废弃其他操作，同时发送消息到各个机位上，每个机位收到消息会对于该图元进行加锁操作。所有参与协同标绘的其他机位都不能对该图元以及其相关的图元进行操作。如该图元在此之前已经上锁，则依据队列依次搜索列表中是否存在对其进行上锁的机位的操作，如不存在，则废弃所有操作。如存在，则执行该机位的操作。

这种机制可以有效地解决协同标绘中的冲突问题，但是降低了各个机位的参与度，而且频繁的加锁解锁也会带来很大的开销，适合标绘数量较少时使用，如图2所示。

图2 悲观锁基本流程设计

3.2 协商机制

当多个机位同时对同一个图元进行操作时，通过发送该图元的所有请求给操作机位，让其自行协商处理。具体的流程与上图类似，不同之处在于在多个机位同时操作同一图元时，标绘服务器会发送该图元的当前的所有操作队列给操作机位，由多机位协商解决并确认单一操作后再进行交换文件的更新。协商机制适用于冲突操作比较少的情况。当冲突较多时，协商次数越多越影响标绘效率。

3.3 共同维护的规则处理机制

通过制定一个共同维护的处理规则，用以在冲突发生时，依据制定的规则选择合适的处理方式。具体流程设计如下：

首先，预先定义态势共享交换文件的冲突处理规则，规则的定义包括两个对象及其连接符。

针对不同的冲突，主要分为两类规则。第一类为不同操作的冲突处理规则，如：更新优先级>删除优先级。创建优先级>删除优先级。第二类为同一操作的处理规则，如，机位A的更新优先级>机位B的更新优先级，机位A的更新优先级=机位B的更新优先级，更新操作时间在前的优先级>更新时间在后的优先级。

该优先级列表由所有机位共同确认维护，当有人需要修改优先级时，采用协商机制，由标绘服务器发送消息给所有机位进行协商解决。当发生标绘冲突时，首先获取该图元的所有的冲突操作列表，依次对列表依据制定的规则进行判定，确认最终的标绘操作，并舍弃其他无用的操作。如果最后获取的规则的左右对象连接符不为等号，则采用悲观锁机制进行标绘，如果连接符为等号，则采用协商机制进行协商标绘，如图3所示。

图3 规则处理基本流程设计

在规则的设计过程中，应该尽可能地减少优先级相等的规则，以减少协商的时间花销。这种方式结合了以上两种方式的优势，但是需要预先制定规则且维护规则，适用于较复杂的需要进行大量图元标绘的场景。

4 基于态势共享交换文件的多人协同标绘方案设计

多人协同标绘的方案支持语音/文本标绘、触摸手势标绘、鼠标键盘标绘等多种模式进行标绘操作，通过WebSocket发送请求维护标绘服务器上的态势共享交换文件，而标绘服务器将各个机位的标绘请求进行统一整理后，通过三维平台绘制图层进行动态展示，并将新的态势共享交换文件的变化部分分发到各机位。每次进行信息交换时只交换变化的信息，减少网络带来延迟。在协同绘制中产生的标绘冲突，根据态势共享交换文件的规则列表，进行对应的冲突判断和冲突消解措施，自行处理或者提醒用户协商解决，如图4所示。

图4 多人协同标绘技术方案

5 方法实验

5.1 环境搭建

搭建四台态势标绘机位与一台态势标绘服务器进行测试。每台标绘机位包括调度与协作信息处理两个功能模块。

调度模块主要负责维护与解析态势共享交换文件，并与标绘服务器的进行各类信息的交换，更新态势共享交换文件，并执行相关的处理。

协作信息处理模块负责接收调度器发送的标绘指令，将它解析成GIS组件可以识别的制图操作，调用GIS组件完成标绘工作。同时负责监控GIS组件的发生事件（包括制图命令及该命令改变了的空间实体信息数据），并将它进行包装，上报到调度器。

最后，搭建标绘服务器，安装统一调度器模块。统一调度器负责维护与解析态势共享交换文件，通过获取各机位的标绘请求，更新态势共享交换文件，并执行相关的判断与处理，进行统一后分发变化的信息至各标绘机位。

5.2 实验方案

（1）制定标绘冲突处理规则。制定的规则如表1所示。

表1 预定义的冲突处理规则

（2）各个机位随机进行标绘，在标绘过程中，随机选择已有的标绘图元，进行更新操作。

（3）修改其中一个标绘冲突处理规则，将“机位C更新>机位D更新”修改为“机位C更新=机位D更新”，各个机位进行协商通过，然后继续进标绘。

（4）绘制完毕。

5.3 实验结果

如图5所示，实验通过4台标绘机位仿真演练某次模拟作战过程所需的战役保障规划，结果显示整个绘制过程耗时5分钟，标绘过程中各机位配合流畅，绘制冲突的实时消解状况良好，未发生死锁与其他意外情况。

图5 四机位协同进行保障演练实验的结果示例

6 结论

本文设计了一种面向多人协同标绘的态势共享交换文件模型，在保存标绘信息的同时，可以有效地减少协同标绘过程中的信息交换的次数与数据大小，并提供了解决标绘冲突的规则列表。

通过实验证明，本模型能够有效地支持多用户进行实时或异步的地图标绘、地图编辑等操作，无缝地交换、协调各军需、供给或运维部门的物资投送计划和维保行动,实现了后装综合态势信息交流和感知，实现了跨域背景下联合保障任务可视化效果，并提高了态势图协作规划的效率。