張宏宇，李祥

（1.海軍指揮所，北京 100841；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007）

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

張宏宇1，李祥2

（1.海軍指揮所，北京 100841；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007）

0　引言

隨著中國(guó)周邊形勢(shì)日益嚴(yán)峻，與周邊國(guó)家領(lǐng)海主權(quán)爭(zhēng)議不斷，我國(guó)海上維權(quán)行動(dòng)力度不斷加強(qiáng)，隨時(shí)可能出現(xiàn)突發(fā)事件，為了保證前后方指揮員在突發(fā)事件時(shí)能夠快速交互對(duì)當(dāng)前形勢(shì)的研判，并形成作戰(zhàn)決心供前方指揮員實(shí)施，需要即時(shí)會(huì)商系統(tǒng)滿足指揮員基于共同戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的協(xié)同研討需求。

隨著多點(diǎn)觸控和手勢(shì)識(shí)別技術(shù)以及大屏顯示設(shè)備的成熟，近年來(lái)基于觸控屏的電子白板交互技術(shù)發(fā)展迅速，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異地多用戶基于同一工作區(qū)的文字書寫和文件瀏覽等功能。但該技術(shù)沒(méi)有作戰(zhàn)應(yīng)用背景，無(wú)法與指揮信息系統(tǒng)互通，工作區(qū)無(wú)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)背景；同時(shí)，用戶意圖只能通過(guò)手寫批注表達(dá)，不具備軍事背景的軍隊(duì)標(biāo)號(hào)繪制支撐。將電子白板系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)［2-3］和協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)和整合，形成“基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)”，有效解決指揮員異地協(xié)同研討和決策需求。

1　交互要素分析

指揮員進(jìn)行異地協(xié)同研討主要是通過(guò)交換各自對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)的意見(jiàn)來(lái)形成決策決心，因此，研討有兩個(gè)要素：“態(tài)勢(shì)”和“意見(jiàn)”。“態(tài)勢(shì)”通常是指戰(zhàn)場(chǎng)空間中兵力分布和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)及發(fā)展變化趨勢(shì)的總稱［2-3］，一幅完整的態(tài)勢(shì)圖形由背景地圖、動(dòng)態(tài)目標(biāo)和靜態(tài)部署情報(bào)組成，其中，靜態(tài)部署通過(guò)軍隊(duì)標(biāo)號(hào)表示；“意見(jiàn)”是指揮員對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)的看法或想法，通過(guò)具有軍事含義的軍隊(duì)標(biāo)號(hào)和不限定應(yīng)用場(chǎng)景的任意書寫批注來(lái)表達(dá)。

通過(guò)以上分析，可將指揮員研討交互要素歸納為一個(gè)五元組T=（B，J，H，P，W），其中：

●B為背景地圖，可以為海圖、空?qǐng)D、陸圖或三軍協(xié)同圖，地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于指揮所內(nèi)的地圖服務(wù)器中；

●J為軍隊(duì)標(biāo)號(hào)，軍隊(duì)標(biāo)號(hào)符合作戰(zhàn)標(biāo)圖規(guī)定，通過(guò)軍標(biāo)標(biāo)號(hào)可以構(gòu)成作戰(zhàn)計(jì)劃圖、敵我雙方部署情況，也可供指揮員標(biāo)注戰(zhàn)斗發(fā)展過(guò)程和作戰(zhàn)決心，各指揮所使用一致的標(biāo)號(hào)庫(kù)文件；

●H為實(shí)時(shí)?？涨閼B(tài)勢(shì)，由情報(bào)處理中心根據(jù)雷達(dá)站、觀通站等探測(cè)的實(shí)時(shí)目標(biāo)數(shù)據(jù)融合處理形成，一批實(shí)時(shí)?？涨榈娘@示要素有軍標(biāo)、航跡和標(biāo)牌；

●P為手寫批注，批注是不規(guī)則的，指用戶手指（或觸控筆）在工作區(qū)中形成的軌跡點(diǎn)的連線，用于便捷、直觀表達(dá)指揮員作戰(zhàn)意圖。批注不受標(biāo)號(hào)形狀限制，是表達(dá)作戰(zhàn)意圖的有效補(bǔ)充手段；

●W為格式化文檔 （.doc、.ppt、.xls、.pdf等）和圖片，輔助指揮員進(jìn)行意圖表述。

B、J、H為態(tài)勢(shì)構(gòu)成基本要素，P和W附加于態(tài)勢(shì)之上?；趯?shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異地間研討交互要素的同步。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)能夠通過(guò)指揮專網(wǎng)同步會(huì)商組內(nèi)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、兵力部署、作戰(zhàn)計(jì)劃、標(biāo)繪、文檔和批注等信息，能夠同步指揮員對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)操作，如地圖操作、航跡調(diào)整、要圖標(biāo)繪和批注書寫等。

2.1體系結(jié)構(gòu)

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由觸控處理軟件、白板書寫軟件、作戰(zhàn)指揮應(yīng)用軟件和會(huì)商管理軟件組成。

圖1　軟件體系結(jié)構(gòu)圖

（1）觸控處理軟件

包括觸控?cái)?shù)據(jù)采集和手勢(shì)識(shí)別兩個(gè)模塊。觸控?cái)?shù)據(jù)采集模塊具備觸控設(shè)備產(chǎn)生的原始觸控?cái)?shù)據(jù)的接收和預(yù)處理功能；手勢(shì)識(shí)別模塊支持對(duì)用戶操作手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別的功能，能夠識(shí)別放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、切塊等手勢(shì)操作，識(shí)別結(jié)果作為白板書寫軟件和作戰(zhàn)指揮應(yīng)用軟件的人機(jī)交互觸發(fā)條件。

（2）作戰(zhàn)指揮應(yīng)用軟件

作戰(zhàn)指揮應(yīng)用軟件依托海軍指揮信息系統(tǒng)提供地圖信息、實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、兵力部署、作戰(zhàn)方案等信息，具有底圖選擇、比例尺切換、背景設(shè)置/轉(zhuǎn)換以及地圖放大/縮小、漫游等功能；提供對(duì)目標(biāo)航跡能按區(qū)域、目標(biāo)類別和屬性進(jìn)行分類顯示功能；具有路程計(jì)算、面積計(jì)算和方位距離計(jì)算等常用圖上量算功能；具有雷達(dá)探測(cè)范圍、軍事部署等信息的展現(xiàn)功能；提供態(tài)勢(shì)標(biāo)繪工具，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行標(biāo)繪、編輯；能夠調(diào)閱查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的作戰(zhàn)方案；能夠同步顯示計(jì)劃擬制部位擬制的作戰(zhàn)方案；能對(duì)擬制好的作戰(zhàn)方案計(jì)劃進(jìn)行基于二維地理態(tài)勢(shì)圖的推演。

（3）白板書寫軟件

白板書寫軟件在工作界面上使用手指或書寫筆自由勾畫完成相關(guān)功能，支持多格式文檔（.doc、.ppt、.xls、. pdf等）和圖片的瀏覽；支持手寫或筆書寫方式，提供豐富的形狀、筆形與筆色進(jìn)行批注書寫；支持書寫擦除、恢復(fù)操作和切塊功能；支持在文檔上進(jìn)行批注、繪畫等操作；支持對(duì)白板工作區(qū)進(jìn)行縮放、漫游、旋轉(zhuǎn)等干預(yù)操作。

（4）會(huì)商管理軟件

包括會(huì)商組管理，會(huì)商數(shù)據(jù)同步和會(huì)商重演重放三個(gè)模塊。會(huì)商組管理模塊提供會(huì)商管理功能，支持會(huì)商組的創(chuàng)建、加入、退出等操作；會(huì)商數(shù)據(jù)同步模塊提供會(huì)商數(shù)據(jù)同步功能，同一會(huì)商組內(nèi)的成員，能夠同步顯示實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、兵力部署、作戰(zhàn)計(jì)劃、要圖標(biāo)繪、調(diào)閱的文檔、批注信息等；會(huì)商重演重放模塊支持會(huì)商結(jié)果的存儲(chǔ)和重演重放。

2.2圖像分層顯示設(shè)計(jì)

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)的信息顯示分為三層，如圖 2所示。第一層為背景地圖；第二次為作戰(zhàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)信息，包括實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、兵力部署、作戰(zhàn)計(jì)劃和自繪軍標(biāo)；第三層為白板書寫信息，包括多格式文件、圖片和手寫批注。

圖2　信息顯示層次圖

2.3信息關(guān)系和流程

（1）與其他系統(tǒng)信息關(guān)系

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)作為作業(yè)終端與指揮信息系統(tǒng)相連，獲取實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、兵力部署、作戰(zhàn)計(jì)劃和地理信息，通過(guò)作戰(zhàn)指揮應(yīng)用軟件在顯示器上顯示。用戶通過(guò)觸控設(shè)備產(chǎn)生的干預(yù)操作和標(biāo)繪、批注操作經(jīng)觸控處理軟件處理后分發(fā)給白板書寫軟件和作戰(zhàn)指揮應(yīng)用軟件?；趯?shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互關(guān)系如圖3所示。

圖3　與其他系統(tǒng)信息流程示意圖

（2）遠(yuǎn)程會(huì)商信息關(guān)系

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)組建會(huì)商組后，客戶機(jī)會(huì)同步主席機(jī)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、兵力部署、作戰(zhàn)計(jì)劃、標(biāo)繪、文檔和批注等信息，會(huì)商進(jìn)行時(shí)，組內(nèi)其他成員能夠同步某一成員對(duì)遠(yuǎn)程可視化交互系統(tǒng)的干預(yù)操作，如地圖操作、航跡調(diào)整、要圖標(biāo)繪和批注書寫等。基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)間的信息交互關(guān)系如圖4所示。

（3）協(xié)同研討信息流程

通過(guò)基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同研討的流程如圖5所示，共有四個(gè)步驟。

圖4　系統(tǒng)間信息流程示意圖

圖5　協(xié)同研討流程圖

①協(xié)同工作臺(tái)建立連接并同步戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)

將需要協(xié)同研討的協(xié)同工作臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，具體步驟是：某協(xié)同工作臺(tái)發(fā)起會(huì)商組，成為主席機(jī)，其他協(xié)同工作臺(tái)申請(qǐng)加入，成為客戶機(jī)；主席機(jī)將所在指揮所接收到的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)（實(shí)時(shí)目標(biāo)、兵力部署、作戰(zhàn)計(jì)劃等）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)推送到客戶機(jī)，客戶機(jī)與主席機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)保持一致。

②在協(xié)同工作臺(tái)上進(jìn)行研討操作

協(xié)同工作臺(tái)建立連接并同步戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)后，可以進(jìn)行協(xié)同研討，研討的手段為軍隊(duì)標(biāo)號(hào)、批注、文檔和圖片，也可調(diào)整背景地圖的顯示樣式和顯示范置。

標(biāo)號(hào)可以被編輯，而批注不能（可被擦除）?？烧{(diào)整標(biāo)號(hào)的位置、大小、角度、顏色和線寬等。當(dāng)在某一協(xié)同工作臺(tái)上對(duì)標(biāo)號(hào)進(jìn)行編輯時(shí)，其他協(xié)同工作臺(tái)上的該標(biāo)號(hào)被鎖定，編輯結(jié)果會(huì)被同步到其他協(xié)同工作臺(tái)上，編輯結(jié)束后該標(biāo)號(hào)被解鎖。

③對(duì)研討操作進(jìn)行數(shù)字化編碼并與其他協(xié)同工作臺(tái)同步

一個(gè)研討操作為一個(gè)有效的效互單元，如一個(gè)標(biāo)號(hào)或一個(gè)批注，交互單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼在協(xié)同工作臺(tái)間進(jìn)行同步。標(biāo)號(hào)交互單元包括標(biāo)號(hào)的顯示位置和顯示樣式，批注交互單元包括軌跡點(diǎn)、線寬和線色。

④解析并顯示標(biāo)號(hào)或批注編碼

協(xié)同工作臺(tái)收到研討操作編碼后進(jìn)行解析，如收到的是標(biāo)號(hào)或批注編碼，解析后在態(tài)勢(shì)圖上顯示。

3　實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

目前，已經(jīng)某綜合態(tài)勢(shì)展現(xiàn)軟件、某協(xié)同標(biāo)繪軟件和某商用電子白板系統(tǒng)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)，并已應(yīng)用于海軍某類指揮所，擔(dān)負(fù)部隊(duì)日常值班任務(wù)。本節(jié)將對(duì)基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行描述。

3.1協(xié)同信息傳輸實(shí)現(xiàn)

為了在異地指揮員面前呈現(xiàn)一致的意圖表達(dá)畫面，需要同步態(tài)勢(shì)圖及附加于態(tài)勢(shì)圖上的操作信息。同步信息轉(zhuǎn)化為API指令，通過(guò)指揮專網(wǎng)在系統(tǒng)間互通。指令格式為：指令=動(dòng)作類別+動(dòng)作+參數(shù)（1…n）。常用指令設(shè)計(jì)如下：

（1）地圖操作指令

初始化地圖：map init name layer+sjd swd ejd ewd

漫游地圖：map move sjd swd ejd ewd

縮放地圖：map zoom factor

（2）軍標(biāo)標(biāo)繪、編輯指令

創(chuàng)建要圖圖層：sitlayer new name

刪除要圖圖層：sitlayer delete name

重命名要圖圖層：sitlayer rename name

改變要圖圖層位置：sitlayer order name index

標(biāo)繪軍標(biāo)：marker new lib code［jbid］（jd wd）+

刪除軍標(biāo)：軍標(biāo)ID marker delete jbid

設(shè)置軍標(biāo)屬性：marker attrset jbid type value

改變軍標(biāo)定位點(diǎn)：marker changepos jbid［index］jd wd

調(diào)整軍標(biāo)疊放次序：marker order jbid index

組合軍標(biāo)：marker combine jbid+

取消組合軍標(biāo)：marker uncombine jbid

（3）航跡同步指令

更新航跡點(diǎn)：track new batchNo jd wd height time ［attr］

更新目標(biāo)屬性：track modify batchNo attr

目標(biāo)消失：track delete batchNo

（4）手寫批注指令

批注書寫：comment write bold color pos+

擦除：comment clear index

（5）文檔同步指令：

加載文檔數(shù)據(jù)：document new type data

移動(dòng)文檔：document move name spos epos

旋轉(zhuǎn)文檔：document rotate name sangle eangle

縮放文檔：document zoom name factor

3.2基于多點(diǎn)觸控的軍標(biāo)標(biāo)繪實(shí)現(xiàn)

觸控交互手勢(shì)是人類交流的直接形式，相對(duì)于鼠標(biāo)、鍵盤等間接交互方式而言更加直觀和自然［4-5］。目前應(yīng)用觸控技術(shù)實(shí)現(xiàn)軍標(biāo)標(biāo)繪的理論研究和工程實(shí)踐較少，且沒(méi)有完全解決標(biāo)繪的自然性。本文提出的標(biāo)繪手勢(shì)基于鼠標(biāo)標(biāo)繪進(jìn)行改進(jìn)，將多點(diǎn)觸控手勢(shì)與鼠標(biāo)事件相結(jié)合在觸控屏上便捷地進(jìn)行軍標(biāo)標(biāo)繪，表達(dá)指揮員規(guī)范化的作戰(zhàn)意圖。軍標(biāo)標(biāo)繪手勢(shì)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　標(biāo)號(hào)標(biāo)繪手勢(shì)定義

4　結(jié)語(yǔ)

基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)解決了指揮員基于共同戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)異地協(xié)同研討的難題，提出了基于指令的協(xié)同信息傳輸技術(shù)和基于多點(diǎn)觸控的軍標(biāo)標(biāo)繪技術(shù)。但是，該系統(tǒng)沒(méi)有集成語(yǔ)音和視頻系統(tǒng)，無(wú)法通過(guò)語(yǔ)音和視頻讓指揮員直接溝通。后續(xù)將研究將基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)與視頻會(huì)議系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的遠(yuǎn)程可視化交互系統(tǒng)，使指揮員異地協(xié)同研討更直觀。

［1］盧德兼，戴仔強(qiáng)，徐嵐.戰(zhàn)術(shù)級(jí)分布式協(xié)同研討關(guān)鍵技術(shù)［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2012，3（5）.

［2］李蘇軍，吳玲達(dá)，胡世才，寧漢辰.數(shù)字化海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)表現(xiàn)系統(tǒng)研究［M］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（19）

［3］蔡志浩，彭曉源.基于地理信息系統(tǒng)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（7）.

［4］陸錫高.軍交指揮空間用戶操作模型應(yīng)用研究［碩士學(xué)位論文］.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［5］Vlpavlovie，RShanna，TS Huang.Vision-Based Interpretation of Hand Gestures for Remote Control of a Computer Mouse［C］.IEEE Transactions on Patten Analysis and Machine，1997：5～8

Battle-Field Situation；Whiteboard；Command；Plotting

Research and Implementation of Whiteboard System Based on Real-time Battlefield Situation

ZHANG Hong-yu1，LI Xiang2
（1.Naval Command Post，Beijing 100841；2.China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007）

1007-1423（2015）31-0056-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.31.015

張宏宇（1982-），男，黑龍江人，本科，工程師，研究方向?yàn)橹笓]自動(dòng)化技術(shù)

2015-10-15

2015-10-28

針對(duì)異地協(xié)同研討和決策等可視化指揮的難題，提出基于指令的協(xié)同信息傳輸技術(shù)和基于多點(diǎn)觸控的軍標(biāo)標(biāo)繪技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，將電子白板系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示系統(tǒng)和協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)和整合，形成“基于實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的電子白板系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)異地指揮員基于同一幅戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖的研討和指揮決策。

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)；電子白板；指令；標(biāo)繪

李祥（1985-），男，江蘇南通人，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)可視化與展現(xiàn)技術(shù)

For visual command problems like collaborative research and decision，proposes a collaborative information transmission technology based on commands and a plot technology based on touch.Then，the existing systems including whiteboard system，battlefield situation display system and collaborative plotting system are reconstruction designed and integrated into a whiteboard system based on real-time battlefield situation which can apply research and decision based on the same situational figure.