面向战场关键信息需求的态势信息保障框架设计.pdf

722024年2 月Feb.2024信息化研究InformatizationResearchVol.50 No.1期第50 卷第面向战场关键信息信息保障框架设计刘孜成，刘凯，郑佳佳，高靖（中国电子科技集团第2 8 研究所，南京，2 10 0 0 7）摘要：围绕战场关键信息需求，本文在总结“驱、订、拉、荐”4类态势信息保障模式的基础上，提出了一种新的构建高效智能态势信息保障框架的设计方法，从关键信息需求自适应感知、态势信息产品自适应筛选、推送信道自适应优选和态势视图自适应呈现4大流程模块设计了保障框架，为态势信息产品对战场关键信息需求的精准保障提供了指导意义。关键词：关键信息需求；信息保障；态势分发中图分类号：TP311.10引言在信息化联合作战背景下，大量信息的汇聚和纷繁复杂的需求正日益阻碍作战指挥人员对战场的高效认知，同时也增大了态势信息保障的难度。美军提出了作战指挥关键信息需求理念，旨在帮助指挥员通过提出少而精的关键信息需求，拔开作战迷雾做出科学快速决策，从而避免被一般信息没以及被表象信息迷惑。如何在海量异构态势信息中，针对指挥员关键信息需求，建立正确全面、合理有效、安全智能的态势信息保障方法框架，保障各级作战指挥人员从全域、多维、各层级信息中快速准确获取辅助决策信息，是本文的研究方向。1现状分析态势信息保障依托信息分发方法，在指挥控制系统各节点间实现信息交换和共享，为指挥员的信息需求提供支撑2 。其要求主要体现在以下3个方面：（1）正确性：正确性主要为信息的正确性，态势要素涵盖陆、海、空、天、电、网等各域信息，以及复杂的作战环境信息，保证信息传输的可靠性与信息处理的准确性是极其重要的。（2）有效性：态势信息保障对象的层级不一，既可能是指控系统，也可能是武器平台，在确保信息正确性的同时，需采用最可靠与最优化的分发方式，保证信息流转过程的实时性和连续性。收稿日期：2 0 2 3-12-12（3）合理性：以往的态势信息保障系统往往只重视信息本身的正确性，而忽视了信息流向的合理性。在联合作战态势信息保障的条件下，态势信息种类多、范围广、数据量大、流向复杂，如果存在大量无用情报发送给用户，势必加重联合指挥系统与用户处理的负担，造成信息负效应的累积。目前，在指挥控制和协同作战领域，针对态势分发共享方法存在广泛的研究2 。文献3 研究了基于发布/订阅模式的信息分发方法，该模式能够保证将数据实时、可靠地分发到所有订阅者，保障态势信息的可靠共享；文献4研究了面向任务的信息分发技术，通过分析用户的身份特征和行为特征来提高信息需求分析的命中率，从而实现准确有效的态势信息保障；文献5提出了一种应用于联合作战的态势分发共享技术，可以实现指挥所内和指挥所间的态势共享；文献6 针对舰艇编队网络化防空作战中传统信息分发机制的不足，提出智能推送、自主查询、临时订购和终端过滤的信息共享机制，确保实现不同级别、不同作战实体间的信息共享。上述研究在一定程度上为不同的作战应用场景提供了态势信息保障的新思路，然而，从信息保障的正确性、有效性与合理性角度来说，往往只针对部分特性阐述了独立的分发方法，并未从信息保障的全局角度做出有效研究，这就导致了联合作战信息保障背景下这些方法的片面性。本文针对上述问题，面向指挥员关键信息需求，力图建立一套合理有效、安全智能的态势信息保障框架，为各级指挥员辅助决策提供高效支撑。73技术与应用刘孜成，等日口战场关键信息保障框架设计第50 卷第1期2态势信息保障模式综述复杂环境下的联合作战保障，为态势信息保障提出了按需精准推送的要求。按需精准推送本质上是构建多样化态势信息产品与差异化用户需求间的动态映射机制，实现态势信息产品的精准筛选与按需推送，并进行多层级、多维度、多场景的呈现，智能灵活地适配军委、战区、任务部队等各级用户不同的态势信息保障需求。本文总结了“驱、订、拉、荐”4种保障模式实现态势信息产品的精准筛选与按需推送，即“任务驱动、订阅分发、适时推送、智能推荐”，灵活适配了用户差异化的态势信息保障需求，态势信息保障方法如图1所示。综合态势产品任务驱动式保障（驱）按任务订阅分发式保障（订）指挥员态势信息产品筛选领域态势产品分发策略生成一按流程阶段用户订阅条件发布/订阅框架如如参谋人员5势信息筛选匹配按关键需分发推送按类型订阅0按区域订阅订阅信息关联求筛选被指挥关系任务关联信息关一按订阅关系分发推送需求分析按任务订阅发布态势匹配分发指挥所1态势分析成果按事件筛选适时推送式保障（拉）智能推荐式保障（荐）指挥所2基础业务数据按区域范按条件检索分类推送态势智能推送任务受领用户浏览导航用户偏好分析一围筛选分类导航态势数据排序推送角色关注用户身份用户偏好关系指挥所3条件查询厂兴趣爱好智能推荐算法主动共享态势分类管理定制推送行为习惯态势信息资源池协同过滤内容推荐图1态势信息保障方法1）任务驱动式保障任务驱动式保障通过分析用户的信息保障任务和需求，制定信息保障关系和分发策略，以推送满足作战区域、属性条件等过滤条件的态势信息。该方式主要运用专题态势按需生成、分发链路动态适配等关键技术，将各级用户的态势信息使用需求，通过分发条件及分发模型动态生成分发要素，按照可变消息编码格式形成报文，向指挥所、任务部队、武器平台按需提供精准保障2）订阅分发式保障订阅分发式保障主要提供信息内容精细订阅分发能力。该方式支持基于内容、空间地域、关键词等信息订阅态势要素和文本信息，同时能够在多个数据中心之间自动路由订阅请求。态势订阅分发基于目录服务实现信息资源“分区注册，统一管理”机制，根据订单抽取信息类型、过滤区域、关注对象等订阅条件，按照共享对象、任务保障需求等共享范围，计算筛选符合条件的态势信息作为分发的订阅态势信息。3）适时推送式保障适时推送式保障指在任务背景下，根据确定任务，采用规则匹配的方式实现任务需求自动分析，形成请求约束条件，信息通过自动汇集、提取匹配、排序筛选，生成满足需求的资源，并实现推送。该方法本质是从大量分布和异构信息中自主按需提取、过滤和挖掘出符合任务与用户角色需求的高质量信息，最终目标是使用户获得信息的质量和效用最大化门4）智能推荐式保障智能推荐式保障主要采用基于协同过滤的智能推送技术，协同过滤算法认为有相似兴趣的用户可能会喜欢相似的态势信息。该保障方式首先搜集态势用户需求偏好，形成用户一态势评分矩阵；接着将具有相同特征偏好的用户聚类。推荐时，首先确定目标用户需求特征类型，再计算与所有聚类中心的相似性，从而确定最近邻居的所属簇，形成专家用户一态势评分矩阵。最后寻找最近邻居预测评分，完成对目标用户的信息推送。3态势信息保障框架设计本文设计的面向指挥员关键信息需求的态势保障框架，融合借鉴了几类信息保障模式的设计精髓，通过建立关键信息需求与态势产品资源的映射关系，形成横向互联、纵向贯通的态势产品分发应用和共享机制，如图2 所示。针对不同用户的态势保障需求，通过需求画像、事信映射驱动实现基于任务、角色、阶段等情景，自适应感知用户关键信息需求；通过特征向量抽取、匹配计算，实现态势信息产品自适应筛选与排序，并将形成的态势保障产品按照优选信道推送至相应用户，然后根据用户定制的显示需求实现态势数据的自适应可视化呈现。下面选取一些典型方法，介绍本文的框架设计思路。742024年2 月技术与应用信息化研究综合态势产品态势视图的自适应呈现指挥员态势信息产品参谋人员领域态势产品态势信息产品的自适应推送信道的自啡指挥所1态势分析成果筛选适应优选指挥所2基础业务数据个指挥所3关键信息需求的自适应感知态势信息资源池图2基于关键信息需求的态势信息保障框架3.1关键信息需求的自适应感知关键信息需求的自适应感知方法，通过接人用户订阅条件、用户访问请求、用户习惯兴趣等信息，结合用户偏好分析，构建信息需求特征画像；以需求特征画像为基础，结合事务表征模型，通过基于信息需求模板的事信映射，生成关键信息需求的统一结构化表达，具体流程如图3所示。需求特征画像构建用户需求感知关键信息需求生成事信映射显式需求隐式需求用户订阅条件描述描述事物表征模型信息类型信息需求模板主体用户访问请求用户用户信息特征用户偏好分析事物操作对象模板库时效要求行为操作用户角色）用户兴趣用户习惯兴趣偏偏好标签图3关键信息需求自适应感知设计1）基于用户需求感知的需求特征画像构建需求特征画像结合信息需求内容与用户偏好的描述和表征，通过挖掘用户显式需求与隐式需求，理解用户的需要和任务，从而更好地提供用户所需要的态势信息资源。需求特征画像的技术原理基于本体论和知识图谱等相关理论，采用“概念、属性、关系、实例”等基本元语，按照“实体一关系一实体”和“实体一属性一取值 的描述形式8 O2）基于信息需求模板的事信映射方法军事领域中，系统用户的信息需求与用户角色、任务类型、业务流程和态势变化等因素（统称用户事务)之间有较为确定的映射关系，即事信映射关系。本质上，该映射关系反映了军事信息系统业务功能活动与各种信息之间的支撑规律。将这些映射关系发掘出来并定义成计算机可识别形式（即事信映射模板），就能根据用户事务自动生成信息需求。基于模板的事信映射是基于事务表征模型与需求特征图谱，刻画需求形成关键信息需求的过程。具体方法为通过感知登录信息、业务操作等用户事务，建立事务表征模型；再将用户事务模型映射为信息需求模型，生成关键信息需求结构化信息93.2态势信息产品的自适应筛选态势信息产品包含基础数据、业务分析成果、领域信息产品与综合信息产品，具有领域范围广、分布分散、数据结构复杂等特点。本文提出的方法描述了如何建立统一的态势信息产品表征，并基于指挥员关键信息需求筛选出合理态势信息产品的过程。态势信息产品自适应筛选设计如图4所示。基于关键信息需求的学习筛选匹配主成分特征基于领域特征的特征学习态势内容特征抽取ET匹配信息权限审核相似度计算排序筛选控制需求内容特征抽取筛选结果图4态势信息产品自适应筛选设计1）态势信息产品的一致性表达态势一致性主要体现在物理域和信息域层面上的一致性、信息域和指挥员认知域层面上的一致性、认知和行动实际的统一、时空一致性等。美军基于通用作75技术与应用刘孜成，等：面向战场关键信息需求的态势信息保障框架设计第50 卷第1期战图(Common Operational Picture,COP)图族，建立了战场态势感知的统一10。态势信息产品的一致性表达，旨在抽取态势内容特征，建立各层级态势信息的统一描述，其表达方式为：将态势基础数据进行分类，根据每类要素目标的目标属性和实时状态，构建基础要素的描述矩阵，矩阵从要素类别、属性、状态3个维度,形成态势基础数据表达；在态势基础数据表达的基础上，定义固定表达结构与扩展表达结构，描述业务分析成果表达；基于态势基础数据与业务分析成果表达，在此基础上补充定义数据关系，添加任务、权限、时空基准等信息，形成全域态势信息产品的一致表达。2）基于相似度计算的信息筛选匹配信息筛选匹配实现思路如下：首先结合态势内容与需求信息，基于主成分特征分析法和逻辑回归法对信息相关性进行计算；然后基于混合推荐和隐马尔可夫模型的信息推荐算法对结果进行筛选与推荐，将结果排序经权限审核后输出。（1）按需筛选：使用基于主成分分析法和逻辑回归法的按需筛选方法进行态势内容与信息需求之间的相关度计算，提取文档的主要特征，对任务信息内容中抽取的特征关键词向量进行降维，进而采用逻辑回归法分析低维特征，计算该信息的任务相关度，并根据相关度进行排序筛选。（2）信息推荐：使用基于混合推荐算法和隐马尔可夫模型的军事信息推荐方法，将任务信息纳人协同过滤推荐算法，从任务、用户和项目3个维度进行协同过滤，并采用混合模式推荐将协同过滤推荐与基于内容的信息推荐结合起来，采用隐马尔可夫模型进行穴余信息消解，采用加权求和方法得到综合相似度，对推荐结果进行排序筛选，相似度计算公式为：pep(ra-Ta)(r,-Ta)sim(a,b)=vep(r.-T.)/Zvep(-m)(1)式中,P为信息标签向量；ra，p 为a的P标签属性值；r。为a的标签属性均值。3.3态势信息推送信道自适应优选态势信息推送信道自适应优选是态势信息分发的可靠性保障，传输信道优选和动态路由按照分发网络拓扑、传输信道带宽以及信道质量等条件，自动选取传输链路和最优路由。本文使用文献11 提出的分布式信息分发算法，在分布式通信网络节点的环境下，设计路由动态更新算法，使用相关性原则解决路由下一跳的问题；借鉴复杂网络理论中相邻节点通信子网的概率评估方法，解决信息有效传输的问题。3.4态势视图的自适应呈现态势视图的自适应呈现利用组件化思想，在态势数据的驱动下编排态势要素，并基于聚合解聚、视图交互等方式，实现态势视图的自适应呈现。其核心在于态势视图表达模型，该模型旨在借鉴组件化建模的思想，通过组合各类“态”表达组件和“势”表达组件12 ，构建以态势数据驱动为中心的态势表达机制，辅以视图交互过程中的自适应算法，来实现态势的灵活显示和功能的灵活扩展，如图5所示。界面布局可视化视图自适应呈现页面窗口定制编排编排视态势数据数据可视图联动可视分析映射效能战局军标关系图表能力势势.4要素组件势聚合解聚表达“态”组件“势”组件视图自交互控制图5态势视图自适应呈现设计设计思想如下：依据共性特征组件化处理的原则和应用中表达各类信息的细分需求，在设计组件模型构成时，尽量将组件的划分进行细化，每一类组件只针对某一方面信息进行专项描述。综合战场“态”表达组件模型是对当前战场状态中各类信息的描述，其构成包括基础信息类组件、军标图形类组件、行动信息类组件、逻辑结构类组件等4类。综合战场“势”表达组件模型是对当前战场局势和发展趋势信息的描述，它主要由3类组件构成：能力势组件，主要描述由仿真实体某一方面能力聚合形成762024年2 月技术与应用信息化研究的能力势场。效能势组件，主要描述达成某一方面作战目的的效果和程度。战局势组件，主要描述某一局部或全局的高度抽象的战场态势。4应用实践本节以某态势信息保障软件设计为例，介绍框架在实践中的应用。在指挥控制领域，指挥员对战场的信息需求集中体现在对敌情、我情与战场环境等各方面的分析判断上，不同领域的指挥员所关注的重点领域也各有不同，所以系统核心在于对用户行为、作战需求与作战数据的分析。其中基础服务层提供了系统所需的存储、缓存、分析、调度等功能的基础资源；业务模型层支撑了关键需求自适应感知、态势产品自适应筛选的核心算法的实现运行；通信链路层负责按需调度各种通信链路；应用展示层主要着眼于不同端与不同席位对信息的展现。基于本文设计框架构建的系统架构如图6 所示。接人设备作战参谋应用展示层作战席位1作战席位2作战席位3电脑中控大屏军手持设备其它系统通信链路1通信链路2通信链路3通信链路层Nginx主机Nginx备机防火墙网关网关业务模型接口用户行为中心作战需求中心我方部署敌方部署战场环境防空体系行为事件最近行为聚合行为业务模型层人时间地点怎么做有多少做什么作战计划战场数据在线数据近线数据离线数据通信协议接口限流服务注册中心消息队列高可用服务HystrixNacosNacosAhas基础服务层存储资源计算引擎FeignRibbonRedisPaloSparkElastic Search图6态势信息保障系统架构图在系统架构设计中，业务模型层是框架算法逻辑和性能瓶颈的核心。本文借用Netflix的架构思路，将战场需求设计的态势数据分为在线数据、近线数据与离线数据，3类数据的差异性特点与算法适应性如表1所示。综合比较来看，数据实时性越高，对算法复杂度的要求越低，但对性能要求越高，所以基本思路为大量数据沉淀在离线层使用批处理任务计算，当日值班状态、飞机起降架次等近实时数据采用流式计算在近线层处理，机舰位置等实时数据采用简单算法在在线层处理，具体架构思路如图7所示。77技术与应用刘孜成，等：面向战场关键信息需求的态势信息保障框架设计期第50 卷第表1数据特点与适应性描述层级数据特点约束典型任务举例可以处理大数据量，可无法捕获最新的批量机器学习算法，矩阵分解，学习得到参谋隐因子向非实时（防空以运行批量任务，低成用户兴趣，无法给批量计算结果推荐，量和需求隐因子向量，学习50 0 棵离线力量、部队部本尝试多种算法可横用户最及时的挖掘用户标签，战场GBDT决策树,以 GBDT输出特征署等）向扩展机器提升效率推荐需求的内容分析作为特征学习LR模型参数能处理的数据量近实时（当日能捕捉到用户最新兴以用户新采纳的需求数据计算相有限，部分依赖离用最新事件补充召值班状态、飞趣，能运行较复杂的学似需求补进离线推荐结果，根据最近线线计算结果和离回推荐结果，小批量机起降架次习算法，能相对及时给新浏览提取新的标签补充到用户线无缝结合，有一样本更新模型参数等）用户响应标签中定的复杂度响应时间是硬要取出近现阶段的推荐信息及需求对场景信息敏感，立即实时（机舰实求，要准备降级服过滤逻辑的内容特征、用户特征，运行GBDT在线满足用户，运行简单算时位置等）务的推荐结果，计融合排序模型得到50 0 个新特征，运行LR法和逻辑算复杂度有限模型输出融合化排序批量抽取结果数据发布其他数据离线层模型训练模型Hadoop离线计算流计算框架近线计算在线数据近线层事件数据队列NoSQLMYSQLCache在线计算事件分发在线服务在线层产品UI图7应用模型层数据处理架构上述系统通过本文设计的信息保障框架实现了态势信息保障的全流程运行，但系统在研发过程中，仍然面临一些问题，其中冷启动问题和延迟问题最为典型。（1）冷启动问题：冷启动是指系统不能为尚未对任何信息进行评级或已对非常少的信息进行评级的冷(或新)用户产生有效推荐的情况。它通常在新用户使用系统或新信息流人系统时出现。此类问题后续通过用户主动的信息搜索并参与信息需求评分来解决（2）延迟问题：延迟问题频繁出现在新类型信息流人系统时，尤其是离线层时发生，此问题产生的原因是算法的计算延时无法快速满足新信息的用户偏好，在过度专业性的算法前会极大降低系统性能。为了提高性能，采用GPU计算或分布式并行处理方法来解决。5结束语态势信息保障是指挥决策和行动控制的基础环节，信息化战场上的海量异构态势信息阻碍了指挥员对关键信息的认知。围绕指挥员关键信息需求，本文提出的态势信息保障框架，能够建立合理有效、安全智能的态势信息保障体系，为辅助指挥员高效决策提供帮助。本文总结了“驱、订、拉、荐”4种态势信息保障模式，从需求感知、产品推荐、信道优选和视图展现出发设计了态势信息保障框架，为满足指挥员关键信息需求的精准保障提供了指导方法。参考文献1朱华巍.基于指挥员关键信息需求的系统能力构建方法J.指挥信息系统与技术，2 0 2 2,13（0 2）：37-40.78上接第7 1页）.a2024年2 月技术与应用信息化研究2 许银龙，都安平.战场实时综合态势信息分发技术研究J.中国电子科学研究院学报，2 0 2 2,17（0 2）：193-198,2 0 6.3董龙明，高天成，邱瑞波，等.基于语义发布订阅系统的战场态势实时分发技术J.火力与指挥控制，2 0 17，42（0 4）：110-113.4钱晓坚，梁艳.面向任务的信息分发技术研究J.舰船电子工程,2 0 16,36(0 7)：14-17,17 1.5崔燕，武建明.一种应用于联合作战的态势分发共享技术J.舰船电子工程，2 0 18,38（0 5）：10-13.6 卡泓斐，杨根源，张千宇.舰艇编队网络化防空作战信息分发研究J.兵工自动化，2 0 15,34（10）：47-51.7 宗士强，蒋炜，高璇，等.任务驱动的信息自动汇聚方法J.指挥信息系统与技术，2 0 15，6（0 4）：46-52.8陈昊，赵斐，王世珠，等.一种基于用户画像的态势信息精准推荐技术J.火力与指挥控制，2 0 2 1，46（0 2）：143-149.9金欣，牟苏斌，宗士强，等.知识驱动的事信映射方法J.指挥信息系统与技术，2 0 15,0 6（0 3）：31-36.10 邓连印，申志强.基于美军互操作作战图族的战场态势一致性研究J.航天电子对抗，2 0 18，34（0 3）：6 0-6 4.11曾斌，姚路，杨光.协同作战中信息分发算法研究J.火力与指挥控制，2 0 17,42（0 5）：6 3-6 7.12李路遥，杜国红，徐新伟.综合战场态势组件化表达模型研究J.指挥控制与仿真，2 0 16，38（0 4）：13-17.刘孜成（1992 一），男，工程师，主要研究方向为指挥控制信息系统等。Situation Information Guarantee Framework Designfor Key Information Needs for BattlefieldsLiu Zicheng,Liu Kai,Zheng Jiajia,Gao JingThe 28th Research Institute of China Electronics Technology Corporation,Nanjing 210007,ChinAbstract:Based on the key information needs of battlefield,this article summarizes four patterns of situa-tion information guarantee,including driving,ordering,pulling,and recommending.It proposes a method toconstruct an efficient and intelligent situation information guarantee framework,and designs a method frame-work consisting of four major process modules:adaptive perception of key information needs,adaptive screen-ing of situation information products,adaptive optimization of push channels,and adaptive presentation of situationviews.This method provides guidance for accurately guaranteeing the key information needs of commanders.Key words:key information;situation information guarantee;situation distributionDesign of 5-7Horn AntennaYang Yang,Sun Quan?(l.Nanjing Second Military Representatives Office of the AirForce Equipment Department in Shanghai,Nanjing 211100,China;2.Nanjing Corad Electronic Equipment Co.,Nanjing 211100,China)Abstract:This paper proposed a practical engineering solution for the phenomenon of splitting in the mainlobe direction pattern of ultra-wideband horn antennas at high frequencies.A double-ridge horn antenna withmetal grids introduced on the sidewall of the horn is proposed.This antenna improves the low-frequency imped-ance characteristics,reduce the antenna size,and mitigates the splitting phenomenon in the main lobe directionpattern at high frequencies.The working principle of the ridge waveguide and the introduction of metal grids onthe sidewall are analyzed in this paper.The design process is described,and Ansoft HFSS electromagnetic sim-ulation software is used to optimize the shape and dimensions of the antenna.The optimized design achieves a5-40 GHz dual-ridge horn antenna with a VSWR of less than 2.5 across the entire frequency range.The an-tenna is fabricated,assembled,and subjected to electrical performance testing,which shows good agreementwith thesimulationresults.Key words:ultra-wideband;grid sidewall;double-ridge horn