面向实战的军用交互式电子沙盘系统设计

王 雪，鞠晓杰，王 铎，周晓和，雷雪媛

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

0 引言

军事电子沙盘是掌握立体战场空间态势、实施高效指挥、支撑科学化指挥训练的现代化信息系统平台，其核心是利用地理信息技术、军事仿真技术、先进显示技术等，代替传统地图、沙盘工具，实现地理信息、态势信息集成化显示，让指挥人员深刻理解作战环境，在指挥作业系统的辅助下，极大地提高指挥辅助决策能力和响应速度，提高指挥训练的质量效应［1］。但是，目前的军用电子沙盘大多为独立系统［2-6］，无法和指挥中心实现有效连通，某种程度上仅起到展示作用，不具备指挥训练和辅助决策功能，同时现有文献对电子沙盘实际作战应用的研究较少，且成果集中体现在交互和显示方面［7-11］。为使电子沙盘系统真正面向实战，本文提出了军用交互式电子沙盘系统设计方案，从应用场景构建、系统架构、设备连接、业务流程4 个方面进行了详细设计，能够支持和指挥中心的有效连通，充分发挥作战指挥和指挥训练的实战效能。

1 应用场景构建

在军事应用中，电子沙盘系统一般部署在固定指挥中心或机动指挥所，是指挥训练系统的重要组成部分，其基本功能是二三维地理信息展示和战场仿真，常见部署形式见图1。本文从实战角度出发，在兼容传统物理沙盘地形描述功能、继承传统电子沙盘地理信息显示功能的基础上，面向高级指挥人员的作战、训练需求，重点实现电子沙盘和指挥中心其他操作席位的互联互通，设计提出了一套战时用于指挥作战、平时用于演训演练的智能化交互式指挥训练作业平台。战时，电子沙盘作为首长指挥作战的显控终端，融合各操作席位作战要素保障信息，实时接收战场信息，显示战场二三维态势图，提供标绘、测量、计算等基础辅助手段，同时基于数据挖掘、人工智能技术，为首长提供可智能学习调整的作战预案并进行推演仿真，辅助首长定下作战决心。平时，电子沙盘作为首长演训演练的指控终端，具备想定设置、训练导调功能，支持训练想定从制定、部署到训练全过程的数据记录、辅助评估、复盘推演及历史数据查询。同时也可作为指挥中心机关部队人员交流、培训的研究平台和部队军情信息发布、展示、应用的服务平台。

图1 电子沙盘系统部署示意图

2 系统架构设计

2.1 工作原理

军用交互式电子沙盘系统的工作原理如图2所示。软件平台是电子沙盘系统的核心，其工作原理是接入多源外部数据，融合处理和存储数据，基于业务需求分析数据，二三维动态展示数据。因此，数据处理平台是基础，数据接入平台和可视化显示平台是支撑。可视化显示终端是电子沙盘最直观的认知形象，包括移动端、桌面端和大屏幕显示终端。其中大屏幕显示终端可支持多点红外触控，是实现人机交互的主要形式。

图2 军用交互式电子沙盘系统工作原理图

2.2 系统架构

为使电子沙盘真正面向实战，实现和指挥中心的互联互通，需和指挥信息系统进行统筹规划，采用统一的软硬件接口。为实现电子沙盘业务的灵活扩展、外部系统数据的快速接入，本文提出的军用交互式电子沙盘系统基于统一技术体制，采用SOA 架构，规范了作战数据接口和训练数据接口，提供定制服务开发功能。系统架构设计如图3所示，主要包括：资源支撑层、基础服务层、平台应用层。

图3 军用交互式电子沙盘系统架构图

基础设施层，是支撑系统运行的基础环境，包括图形工作站、存储设备、计算设备、网络设备、显示设备、操作系统等，为原型系统提供统一、高速、安全的网络和主机运行基础平台。

基础服务层，是系统的数据资源承载与基础服务提供层，对上支撑平台应用层，提供数据库管理系统、通信管理器、SOA 引擎等基础功能，并在此基础上开发提供业务相关的基础服务。核心服务包括地理信息服务、数据接入服务、态势显示服务、仿真推演服务、互联互通服务、军标标绘服务等等，服务类型可根据需求进行定制开发，满足不同业务应用需求。

平台应用层，包括业务平台和面向用户的应用类插件。业务平台包括数据接入平台、数据处理平台、可视化显示平台。

数据接入平台用于接入、处理、存储、分发各类型信息，构建自定义的专业军情数据库。具体表现为：能够接收不同来源、格式、特点的作战过程、综合保障、地理信息、仿真推演等数据，并在逻辑或物理上有机综合集成，为态势显示、作战研讨、指挥决策、训练评估等不同应用提供数据支撑。在平时，收集各类军用基础信息，如装备信息、人员信息、阵地信息、目标信息、作战方案等，处理为可供数据处理平台调用的数据格式，以本地存储或云存储的形式保存；在战时，实时引接指挥中心各操作席位的气象水文、电磁环境、地理环境、人文环境数据，战场中人员和装备的实时位置及属性、北斗信息、视频信息等，并处理为可供数据处理平台调用的数据格式。

数据处理平台以地理信息数据为背景，接收或调用数据接入平台的各类数据，构建态势一张图，实现敌情、我情、战场环境、目标分析、行动进程、标绘和干预过程可视化。在此基础上，提供标准化接口，与其他系统实现有效数据衔接，保障功能扩展和其他系统接入，支持业务应用插件定制开发，为作战指挥业务扩展提供支撑。在平时，基于积累的数据构建仿真战场态势，制定作战计划和方案，进行演习训练和仿真推演，相关成果存入数据接入平台，供战时调用。

可视化显示平台，基于自主化三维仿真引擎实时渲染生成与作战及训练区域一致的三维战场环境，运用结构化数据技术及灵活可编辑的逻辑数据模型，实现“图层化”信息数据融合显示及输出，并实现多点红外触摸控制及语音控制等。

平台应用层的相关插件是针对作战规划需求进行设计，包括数据引接与管理类、过程分析与展示类以及方案推演与评估类的功能插件，定制实现了作战规划业务数据的引接和综合管理。作战过程中战场环境与战场态势的“一幅图”综合展示，以及作战过程涉及的侦察、部队行动、战场防抗和火力打击各类方案的综合仿真推演与展示。

3 硬件组成及设备连接关系

电子沙盘系统的硬件结构设计，支持分布式部署以及和指挥大厅的互联互通。军用交互式电子沙盘系统由LED 高清显示分系统、信号处理分系统、数据传输分系统、计算存储分系统组成，具体如图4 所示。

图4 军用交互式电子沙盘系统硬件组成

LED 高清显示分系统用于高清显示战场信息，部署在指挥大厅；信号处理分系统中，图形工作站用于部署可视化显示平台和数据处理平台相关应用；视频拼接器用于接入外部视频信息并在电子沙盘LED 显示屏上进行拼接或开窗显示；计算存储分系统中，计算/存储服务器用于部署数据接入平台和数据处理平台相关应用数据传输分系统，用于实现沙盘系统内部及外部的数据交互，这3 类设备部署在设备间，系统部署及设备连接情况如下页图5所示。

图5 军用交互式电子沙盘设备连接关系图

电子沙盘系统对外提供视频信号、控制信号以及数据3 类信息的接入和输出。光口交换机，对内提供万兆光纤接口，实现计算/存储服务器和图形工作站之间的复杂地理信息和模型数据交互；对外提供万兆光纤接口，用于接入指挥中心专用信息子网，实现和指挥大厅各操作席位的作战信息交互，并可接入民用数据、北斗数据等。千兆交换机，对内提供网线接口，实现计算/存储服务器、图形工作站、视频拼接器、电子沙盘LED 显示屏之间的控制信号交互；对外提供网线接口，用于接入指挥中心专用控制子网，实现和指挥大厅的控制信号交互，接受指挥大厅显控系统的统一调度和远程控制。视频拼接器，对内对外均提供光纤接口，可直接通过光纤和指挥大厅的数字信号综合处理平台连接，实现指挥大厅的视频画面在电子沙盘上显示，并支持将电子沙盘画面输出至指挥中心显示大屏。通过上述连接关系，可全面支撑电子沙盘系统和指挥中心在业务数据、控制信号以及视频画面的互联互通。

4 业务流程设计

系统提供作战和训练两种应用模式。在作战模式下，电子沙盘实时引接指挥中心各席位作战要素数据，结合基础地理信息数据，构建要素齐全的战场态势图，为辅助首长决策提供可视化数据支撑；在训练模式下，系统基于自身数据库，构建仿真战场态势，制定训练想定，实现对各席位作战要素的作战指挥训练，也可引接部队训练信息，展示部队的位置部署、训练内容、训练成果等。根据实际作战需求，电子沙盘系统提供6 种类型的基本业务应用插件，如图3 所示，包括多源信息汇集与分发类插件、态势展示类插件、筹划交互类插件、仿真推演类插件、进程监控类插件和考核评估类插件。

4.1 作战模式

在实战模式下，首长基于电子沙盘开展指挥工作，此时电子沙盘处于信息的实时接收状态，业务流程如图6 所示。具体流程如下：

图6 作战模式业务流程图

1）首长在态势显示界面查看全局战场态势，此时指挥中心各操作席位将处理后的气象水文、电磁、情报侦察、后装保障等态势信息实时协同给电子沙盘态势显示界面，供首长掌握敌情、我情、战场环境等全局战场态势。首长亦可根据自身需求定制专题态势，专题态势由指挥中心相应席位完成标注后提交给电子沙盘进行显示。数据接收通过多源信息汇集与分发类插件实现，态势融合显示由态势展示类插件实现。

2）首长基于态势信息，进行作战筹划，筹划过程通过军标标绘形式在态势图上进行，筹划结果以标绘完成的态势图形式下发给指挥中心相应操作席位，各操作席位根据作战筹划图拟制详细的作战计划，并上报首长审批，首长通过电子沙盘下发作战指令和接收指令回复。通常，作战计划在平时完成制定，并进行仿真推演，基于推演结果进行方案调优，调整后的作战计划可存入数据库进行储备供战时调用。上述功能由筹划交互类插件、仿真推演类插件、多源信息汇集与分发类插件实现。

3）作战过程中，首长通过电子沙盘实时接收各操作席位上报的战场情况，包括目标毁伤情况、装备实时位置、装备储备及战损情况、人员伤亡情况等，并可在关键节点进行指令干预。该功能通过进程监控类插件实现。

4）作战结束后，基于电子沙盘记录的作战情况，可开展本次作战的整体评估，评估结果存入数据库供后续作战参考。该功能由考核评估类插件实现。

4.2 训练模式

训练模式按照训练准备、训练、训练评估3 个阶段开展，业务流程如图7 所示。相比于作战模式而言，训练模式增加了训练方案库，可对训练过程进行导调控制，其他内容与作战模式一致，确保实现“按作战的方式训练”。

图7 训练模式业务流程图

训练准备阶段：1）启动筹划交互类插件，对本次训练目的、训练任务、参训人员和装备进行设置，形成训练方案，该方案通过多源信息汇集与分发类插件发送给相关训练业务终端，存入训练方案库，并且在态势展示类插件上可视化展示；2）态势展示类插件从态势数据库调用作战历史态势，或从多源信息汇集与分发类插件接收外部态势信息，在可视化显示平台上进行融合展示，为指挥员提供仿真实时战场态势。

训练阶段：1）筹划交互类插件接收训练方案，指挥员根据训练任务和实时战场态势，明确作战任务，制定作战方案，方案内容在态势展示类插件上可视化显示；2）制定完成的作战方案通过仿真推演类插件调整优化，最终方案由多源信息汇集与分发类插件发送给相应训练业务终端，同时方案存入数据库；3）指挥员通过进程监控类插件实时监控训练进程，并完成相应操作；同时，进程监控类插件记录指挥员操作和训练关键状态信息。

训练评估阶段：1）考核评估类插件对指挥员、训练过程中的关键点，以及整场训练情况3 个维度进行评估；2）评估结果存入训练评估数据库。

5 系统性能分析

5.1 数据交互性能分析

电子沙盘系统的数据交互主要体现在系统内部数据交互、系统和指挥中心之间的数据交互。电子沙盘系统支持的数据包括地理信息数据、模型数据等，存储容量为TB 级别，并基于业务需求进行扩充。

系统内部，计算存储服务器和图形工作站之间传输数据，主要是卫星影像数据、倾斜摄影数据、模型数据、高程及矢量数据等，瞬时传输峰值为GB级。所以通过万兆光口交换机连接，使用分布式文件系统以及并发访问模式。

电子沙盘和指挥中心各操作席位之间通过万兆光口交换机相连，传输数据主要是态势图、作战计划、作战指令，数据容量相对沙盘内部较小，瞬时传输峰值可为MB 级。

5.2 实时性分析

在指挥中心建设的电子沙盘其显示屏尺寸规模较大，长宽均为米（m）级，显示屏一般采用4 KLED高清显示，在软件性能、图形工作站性能、视频拼接器性能、显示屏性能的系统性配置和有效配合下，LED 显示屏外部输入刷新率不低于60 Hz、LED 单元刷新率不低于3 840 Hz 时画面显示较好，无任何卡顿和抖动现象。

为保证数据响应的实时性，对可能使用到的模型及地理信息进行缓冲。气象水文数据按照分钟级进行周期性更新，沙盘系统能够在毫秒（ms）级内响应并处理。作战计划、作战指令等非周期性数据在毫秒级内进行处理，标绘操作时可能涉及地图载入等动作，总体时间在秒（s）级以内。态势信息以秒（s）级频率更新，标绘时间在毫秒级以内。视点、视角变换以及缩放、漫游等操作的画面切换时间均在秒级以内。

5.3 仿真粒度分析

指挥中心电子沙盘应用一般面向一场战役或战术级的集训任务，综合考虑任务需求、显示清晰度、操作方便程度和计算资源消耗情况，仿真粒度为任务级，能够显示阵地及其属性、装备模型及装备属性、装备行进轨迹等。目前任务级模型粒度能够满足应用需求。

6 结论

随着军队信息化建设的深入，信息来源和种类的日益扩展，决策支持手段的不断丰富，针对各军兵种作战训练、指挥决策的需要，建立一套具备完整的指挥决策分析、任务推演及态势展示功能的电子沙盘系统成为当务之急。本文从实战角度出发，建设了一套综合态势展示直观、交互手段丰富多样、作战数据引接灵活、功能齐全兼具扩展的军事电子沙盘系统，满足首长的作战指挥和指挥训练的使用需求。该系统设计已经成功应用于某军种指挥中心，保障了多次集训任务，满足了首长通过一台电子沙盘实现信息化战场指挥的作战需求，大大提高指挥效率。同时，本文提出的建设框架对新一代指挥信息系统论证具有一定的借鉴意义。