多模式一体化指挥监控系统框架设计与实现
陈 雄1，陈 冰1，李爱光1，郭 健1，徐 旺1
(1.信息工程大学，河南 郑州 450001)
摘 要： 针对现有指挥监控系统集成复杂度高，交互不友好，扩展性差等问题，提出了多模式一体化指挥监控系统框架解决方案。介绍了多模式一体化指挥监控系统的原理，将现有指挥监控系统按模式进行划分，并详细描述了实现多模式管理的技术。设计了多模式一体化指挥监控系统的框架，利用插件技术实现了系统业务逻辑的有效集成；并通过测绘导航分队指挥监控系统验证了该系统框架的可行性与实用性。
关键词： 指挥监控；多模式；一体化；系统框架；GIS
随着信息化建设与发展，指挥监控系统得到长足发展，已广泛应用于智能交通[1]、应急灾害监控[2]、公安治安[3]、军事演习与训练[4]等领域。指挥监控系统不仅可对动态变化的对象进行规划、监控与指挥，还可对动态事件进行科学分析与研究，为后续科学制定任务计划和决策提供理论依据，如美国的C4ISR[5]系统就在社会生活、生产和国防建设中发挥着重要作用。
随着各种高新技术的发展和业务需求的拓展，指挥监控系统集成的功能越来越多，导致系统框架越来越复杂[6]，涉及的数据量和数据类型越来越多，通信链路越来越多样化。当前的指挥监控系统存在的主要问题为：①集成功能越来越多，导致操作界面非常复杂，用户需经过专业培训才能使用，还存在误操作以及数据操作的一致性问题；②随着功能的扩展，系统体系框架越来越复杂，由于许多系统采用分散部署，使得部分系统功能衔接不足，用户操作不连贯[6]；③为了适应新的业务需求，系统必须易于扩展，在统一的开发原则下，开发人员可快速开发新的功能并集成到现有系统中，因此系统框架结构应支持系统功能的拓展。针对上述问题，本文提出了一种多模式一体化指挥监控系统框架，并对该系统框架的设计思想和关键技术进行了论述和分析。
1 多模式一体化指挥监控系统概述
1.1 系统原理
通常，传统的指挥监控系统利用专业的数据采集和处理软件获取底层数据，并制定相应的计划方案；再由监控软件对监控对象进行实时监控和预警，并由通信软件完成指挥控制。系统集成的功能如此之多，必然导致系统界面非常复杂，在多个软件中来回切换，并需准确找到所需的功能，对于用户而言是非常不友好的，极大地增加了误操作的可能性。一个合理的指挥监控系统应以用户需求为主导，提供相应的操作界面，以提高用户的使用效率。
与传统的指挥监控系统不同，在多模式一体化指挥监控系统中用户直接对应系统多种模式，特定模式映射具体的操作界面。系统中的模式是完成特定业务的功能集。一体化是指用户按照业务逻辑有序组合多种模式完成整个指挥监控过程，如图1所示。
图1 多模式一体化系统示意图
Mode=
为系统模式的集合，
为系统界面的集合，Mj与UIj一一对应。用户可根据需求从Mj开始进行指挥监控中的某一任务操作，也可按照业务需求从M1到Mn有序进行整个指挥监控过程。
安防监控软件面对的是许多不熟悉软件甚至不太懂计算机的安保人员，对专业术语、界面结构及菜单布置的熟悉掌握有一定难度，设计不合理的软件操作不符合用户习惯，影响使用情绪，难以得到用户认同。只有最简洁实用的功能才能最有效地满足用户的需求。应用越简单，用户越喜欢，才能持续保持用户黏性。
由图3可知，指挥监控系统中一个模式对应的操作界面已经很多了，且每个界面又包含多种控件，若将模式与每个功能的控件直接绑定，会造成以下主要问题：
1.2 系统通用模式分析
通过分析当前指挥监控系统发现，系统主要包括数据采集与处理、动态监控、监控预警、指挥通信、实景联动和历史监控信息查询回放等功能。根据现有功能，将系统划分为基础模式、数据管理模式、监控方案制定模式、指挥监控模式和总结分析模式。
考生首先输入正确的用户名和密码，系统将自动对后台的数据库进行搜索认证，只有找到相对应的考生记录信息时，才能进入该考试系统。
郝关排闸布置1孔，孔深15m。闸基高程3.8～7.8m为第②层壤土，具中等压缩性，微弱透水性，强度较高，构成地基主要持力层；高程3.8m以下为第③壤土，含大量腐殖质和贝壳、螺壳碎屑，局部呈淤泥质，工程性质相对较差。
如图5所示，与传统3层体系架构不同，本文根据指挥监控平台特点，按照数据存储管理、传输、处理和表达以及用户交互行为将系统划分为数据服务层、通信协议层、业务逻辑层、表现层、模式层以及功能插件。本文严格按照GIS基础平台规范开发GIS功能插件，并根据设定的接口规范构建系统中非GIS功能插件，各插件相互独立，有利于提高系统开发效率，且功能插件“即插即用”，可大幅度提高系统的扩展性。系统中各层业务逻辑由各种插件组合完成。
春播马铃薯在7月中旬收获完。贮藏以选择干净、通风、凉爽的半地下窖为好，不要与农药、化肥、机油以及大葱、大蒜、洋葱等辛辣味产品共存。薯块堆放于干净的砂土上，每10 d翻检1次，随时捡出烂薯。商品薯应暗光保存，防止变绿。
3)监控方案制定模式。该模式主要负责制定相应监控方案，首先对监控对象进行编程分组，为每组监控对象匹配对应的设备信息；再根据各组监控对象的任务特点，通过GIS分析与运筹等方法确定相应的行动计划，并设置相应的预警阈值等。例如，在测绘导航分队指挥监控系统中以参与训练的部队为监控对象，将北斗和军用电台等通信设备与部队进行匹配；再根据训练任务需要，结合训练环境，辅助分析部队行动的最优路径以及设置该行动中可能出现的异常情况等。
支气管哮喘(以下简称哮喘)是儿童时期最常见的慢性气道疾病。20余年来我国儿童哮喘的患病率呈明显上升趋势[1]。目前，哮喘已成为患病率逐年上升、受累人群最多的医疗问题之一。哮喘一旦确诊，就意味着反复发作和漫长的用药品过程[2]。在儿科，哮喘治疗除了进行规范化的诊断和治疗外，长期规范用药也是相当重要。故我院开创一种新的哮喘就诊模式，即让临床药师走进门诊，服务患儿，以下是对哮喘门诊新工作模式的探讨及药学服务效果的研究。
4)指挥监控模式。该模式是根据监控方案进行指挥监控，需对监控对象所处位置、态势进行有效监控。监控对象通过通信设备将位置和态势信息发送给指挥监控系统，系统先将位置、态势实时动态标绘在电子地图上，再利用预设预警功能对监控对象发送的位置和态势进行分析，然后根据用户意图和位置、态势等信息，利用GIS分析与运筹等辅助决策方式生成决策方案，并通过通信设备指挥控制监控对象下一步行为，如图2所示。
图2 指挥监控模式工作流程图
5)总结分析模式。该模式负责对整个系统进行分析、总结与评价，是衡量数据管理是否合理、监控方案制定是否科学、监控对象行动成败的有效手段。该模式可回放与查询监控对象的历史行动轨迹，制定与修改评价体系。导出的分析结果，可作为科学研究资料，为后续的方案制定与指挥监控提供理论依据。
1.3 系统关键技术
系统中各模式均与特定界面一一对应，且每个操作界面均包含众多控件，以辅助用户完成该模式对应的业务逻辑。以指挥监控模式为例，该模式包括监控方案加载、监控实施、态势标绘、监控预警和指挥通信等功能，各类功能均对应具体的操作界面，其中指挥通信包括通信列表、通信窗口、文电传输显示、历史记录等，此外，根据不同的通信方式又可将通信窗口划分为固网、电台和解调器等，如图3所示。
图3 指挥监控模式界面
在教学德育课程中关于建设和谐文化的内容时，教师要充分利用微课视频功能播放各种不同的文化形式，比如：在讲解韩文化时，可以播放一些韩国典型电视剧镜头和流行音乐；在讲解美国文化时，可以播放好莱坞大片和爵士乐；在讲解中国传统文化时，可以播放皮影、戏剧等；在讲解网络文化时，播放一些二次元图片等，学生容易产生兴趣，从自己熟悉的事物中找到乐趣，从而对学习产生兴趣。播放完视频，教师要了解学生的兴趣爱好，给学生留下需要思考的问题，比如怎样追求自己喜欢的文化，以便激发学生思考问题的热情。
三是开展预算考评工作。预算体系是否能够起到作用还应该以具体的评价和考核为依据，根据绩效进行预算考评可以找出在预算体系建设中存在的不足，指导其进一步的改进工作。在考核中应该以业务完成的效率、达到的效果为主要指标，以达到进行财务内部控制的目的。
1)同一控件无法在多个模式中重复利用，导致资源浪费。例如，树控件在监控对象列表、图层显示和分派监控对象中均会使用，且该控件对应的属性、事件和方法都类似，因此完全可用同一个控件进行表示。
2)模式内部调用逻辑复杂。指挥监控模式包括5个功能、17个界面，还会根据系统特点扩展出更多的功能和界面。模式除了负责业务逻辑调度外，主要就是维护控件属性和方法，17个界面至少包括17个控件，且包含同类型的控件，将导致模式内部调用逻辑复杂、代码重复率很高。
3)不利于模式内部功能扩展。模式不仅需要维护业务逻辑调用，而且需要负责实现控件功能，若在模式中添加新功能，则需添加新的功能控件和业务逻辑，这样不利于模式功能的扩展。
鉴于此，本文采用了对象类别扩充组件(OCX)技术。OCX是一种可执行的文件，但不可直接被执行。OCX控件具有重用性高、接口使用简单、可在多个开发平台中使用等优点[7]，美国Esri公司利用OCX控件开发了地图控件MapObjects[8]。该技术充分利用了面向对象编程的优点，易于扩展、维护方便，使得软件生产“元件化”，运行“合作化”。本文将树控件、列表控件等简单且复用率很高的控件封装为一个OCX；并将功能复杂且功能相对独立的界面模块封装为一个OCX，如指挥通信、分派监控对象、态势标绘等。封装后的OCX通过界面管理器统一管理。界面管理器是装载OCX的通用容器管理类CCommonGISPane，该类共有继承CDockablePane类。指挥监控系统中模式界面容器的创建、加载、布局与显示，如图4所示。主程序运行时从配置文档中获取系统中包含的模式个数、OCX个数和各模式包含的具体OCX。界面管理先依据配置信息对OCX容器进行创建，并与对应的OCX进行绑定；再将属于该模式的OCX界面容器设置为显示，其余OCX界面容器设置为隐藏；最后根据用户交互行为和认知习惯设置界面的布局与样式。
②建立质控体系。实验室检验质量控制是检验人员对检验质量的把握,但不同实验室存在差距,因此,同一检测对象在不同实验室得出的检验结果不同,实验室检验要求任何一项检测质量均准确、精确,临床中对检验结果要求精确,不影响临床判断。对生物变异度小的指标,若出现相差10%就会导致临床干预行为,需要进行严格的质量控制。
图4 界面管理器
2)通信协议层。同一模式下界面窗体之间、界面窗体与模式之间的通信主要采用WinUser.h中定义的SendMessage方法；客户端与客户端、客户端与移动终端的通信一般采用GPS与北斗卫星通信相互补偿的方式，有些指挥监控系统也会采用军用电台、北斗卫星和其他专用卫星相结合的方式等[10-11]。
2 多模式一体化指挥监控系统框架设计
2.1 系统框架设计
多模式一体化指挥监控系统是集基础、数据管理、监控方案制定、指挥监控和总结分析等通用模式于一体的软件平台，功能高度集成，功能调用复杂，灵活性高且易于扩展。该系统与地理信息关系密切[9]，以GIS为基础指挥监控平台。系统中数据处理、监控方案制定和指挥监控等模式均以电子地图为基础，融合GIS数据处理分析等功能完成指挥监控中的业务逻辑。基于分层设计和分模块组装的设计思想，系统采用基于GIS基础平台的分层插件式开发方法。
2)数据管理模式。指挥监控中所涉及的数据类型较多，大体可分为监控对象、通信设备、地图、监控方案、监控数据、监控预警信息和指挥控制文书等。该模式主要负责录入监控对象和通信设备信息，管理地理要素与地图编辑等。例如，在测绘导航分队指挥监控系统中可通过该模式对部队信息和通信设备号码进行录入管理，还可对指挥监控中所涉及的网络数据、态势、兴趣点等进行编辑与管理。
1)基础模式。该模式是指挥监控系统中的默认模式，主要完成指挥监控中的基础设置工作，与指挥监控的核心业务逻辑无太大联系，包括地图的加载、缩放、漫游、样式设置，相应的地图量算以及通信串口的断开与链接等。
图5 多模式一体化指挥监控系统体系架构
1)数据服务层，主要存储系统中涉及的各类数据。基础地理数据库主要存储系统所涉及的基础地理环境；专题地图数据库主要存储与指挥监控任务相关的数据，如地形、交通状况、天气等；文件数据库主要存储监控对象属性信息、监控任务文件和工程配置文件等；属性数据库主要存储地理要素属性；遥感影像则根据系统监控任务需求进行动态加载。
界面管理器不仅可对整个系统的界面元素进行有效管理，而且可随意扩展功能界面。例如，在图显示模型中加载OCXj(K+1)，只需由负责界面开发的工作人员依据开发原则开发对应的OCX，再由系统维护人员修改对应的配置文件，便可把新功能界面加入到该模式中。另外，指挥监控系统利用界面管理模式可实现界面与数据的分离，界面管理器负责具体界面事件响应，将产生的数据操作通过消息机制发送给模式，模式则对消息进行组织和处理，完成该模式的业务逻辑。
3)业务逻辑层，主要描述模式内部制定的业务规则，通过调用组合不同插件的功能来实现相关业务流程，以完成相关业务需求。
4)表现层，主要通过界面管理器读取系统配置文件，对界面进行统一创建、加载、布局以及按模式进行管理和显示，可根据用户的业务需求提供统一风格的监控界面。
5)模式层。将传统指挥监控系统中独立存在的系统按照模式集成到一体化指挥监控系统中，各模式均包括管理该模式的用户操作界面、功能的调用逻辑等。
2.2 功能插件设计
插件是按照一定接口规范实现的功能构建，其本质是一种二进制文件[12]。插件式开发分为系统框架开发和插件管理器开发两个部分[13]。如图6所示，插件管理器管理着指挥监控系统的所有插件，按照功能将其划分为GIS功能插件和非GIS功能插件，GIS功能插件包括地图漫游、缩放、量算、图面绘制、增删要素和要素查询等基本地图操作；非GIS功能插件主要包括界面管理器、数据管理插件、指挥通信插件、北斗定位插件和算法工具插件等。
图6 插件式系统框架
插件管理器是一个组件接口类，每个插件均对应唯一的标识ID。系统运行时，先实例化组件接口类，通过显式加载的形式加载非GIS功能插件，并对GIS功能插件进行注册；再生成插件管理器对象，该对象通过标识ID访问插件管理器中的插件。系统中各层通过插件对象访问插件的外部接口来请求插件服务和传递数据；插件接到系统请求后，根据系统提供的数据进行运算；系统从运行开始到结束一直在侦听GIS消息，一旦GIS功能插件完成运算就发送结果至主程序框架。非GIS功能插件通过SendMessage方式将运算结果返回至主程序框架。各插件相互独立，内部高度聚合，各层根据系统业务逻辑需求对插件功能进行组合调用，外部耦合性低。当系统扩展新功能时，无需更改已有的系统框架设计，只需开发相应功能的插件和添加相应的调用逻辑即可，极大地增加了系统的灵活性和扩展性。
3 系统框架应用
本文提出的多模式一体化指挥监控系统框架已被应用于某部的测绘导航分队指挥监控系统中，实际运行效果良好。系统主要包括综合数据处理、地图服务、军标标绘、态势信息更新、实景联动、导航定位、机动路线规划、数据通信以及自定义文电命令等功能。根据该部业务需求，将系统划分为基础、数据管理、监控方案制定、态势标绘、指挥监控和回放分析等6个模式。基础模式负责地图缩放、漫游和量算等地图服务功能；在数据管理模式中，用户可根据北斗或GPS采集的任务点进行录入，对各分队、通信设备等基础数据进行管理；监控方案制定模式给每个分队分配了通信设备，制定了机动路线，且设置了偏航预警阈值；态势标绘模式主要是根据分队报告信息在指挥监控系统中绘制态势信息；指挥监控模式负责监控各分队的行进轨迹，对已偏离设定轨道的分队或突发情况进行报警，由指挥中心通过数据通信告知分队调整计划；回放分析模式是对整个监控过程进行回放，对分队行为、指挥决策等做出总结，为后续任务指定与决策提供理论依据。部分模式效果如图7所示。
图7 测绘导航分队系统关键模式效果图
4 结 语
指挥监控系统在社会生产和国防工业建设中发挥着重要作用。针对传统指挥监控系统存在的问题，本文提出了多模式一体化指挥监控系统框架；对通用指挥监控系统进行了模式划分，详细描述了模式与用户操作界面的逻辑关系；设计了基于GIS基础平台的分层插件式多模式一体化指挥监控系统框架；并结合某部需求，将该框架应用于测绘导航分队指挥监控系统中，有效论证了该系统框架的可行性。
随着技术的发展和需求的扩展，指挥监控系统将变得越来越复杂，必然会趋向智能化，主要表现在用户只需设计业务流程，系统即可根据业务流程自动完成相应业务，后续将在这方面展开进一步研究。
参考文献
[1] 王盛, 江万寿. 武汉市交通数字监控系统设计与仿真实现[J].测绘科学, 2013,38(2):160-162
[2] 曹先密, 杨金玲, 黄声享, 等. 基于WebGIS的城市交通应急救援指挥系统设计与实现[J].测绘工程, 2011,20(2):46-48
[3] 吴建华, 罗鑫, 苏瑾. 基于GIS的公安视频监控指挥管理系统[J].测绘通报, 2011(11):67-70
[4] 肖洪志. 指挥系统中战场态势监控子系统的设计及实现[D].成都: 电子科技大学, 2010:3-5
[5] Levis E H, Wagenhals L W, Cisr A I. C4ISR Architectures:I. Developing a Process for C4ISR Architecture Design[J].Systems Engineering,2015,3(4):225-247
[6] 吴俊锋, 毛杰, 丁健. 指挥信息系统一站式综合监控系统设计与实现[J].指挥信息系统与技术, 2013,4(5):57-62
[7] 刘根贤, 张玉祥. Windows下硬件实时操作OCX控件的开发[J].电子技术应用, 1998(4):9-11
[8] Ding Z. Technique Features and Programming of Digital Map OCX Control MapObjectsLT[J]. Jiangsu Surveying and Mapping,1998,21(1):21-23
[9] 姬东. 消防调度指挥地理信息系统的建立与应用[J].武警学院学报, 2016,32(8):45-47
[10] 赵雪峰. 基于北斗卫星导航系统的车辆管理与指挥系统的设计与实现[D].长沙: 湖南大学, 2014:19-20
[11] 李力强. 基于北斗/GPS/ECDIS的战时舰船管理系统研究[D].济南: 山东大学, 2005:28-29
[12] 吴亮, 杨凌云, 尹艳斌. 基于插件技术的GIS应用框架的研究与实现[J].地球科学, 2006(5):609-614
[13] 崔修涛, 吴健平, 张伟锋. 插件式GIS的开发[J].华东师范大学学报(自然科学版),2005(4):51-58
中图分类号： P208
文献标志码： B
文章编号： 1672-4623(2019)03-0016-04
doi: 10.3969/j.issn.1672-4623.2019.03.005
收稿日期： 2018-03-16。
项目来源： 国家自然科学基金面上项目资助项目(11673076)。
第一作者简介： 陈雄，硕士研究生，主要研究方向为导航定位与位置服务。