面向作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程對(duì)象模型

朱 杰,游 雄,夏 青

(1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450052;2. 73021部隊(duì),浙江 杭州 315023)

0 引 言

為建立仿真系統(tǒng)與指揮控制系統(tǒng)之間的一體化互聯(lián)、互通、互操作,美軍提出一種明確無(wú)歧義的語(yǔ)言--戰(zhàn)斗管理語(yǔ)言BML(Battle Management Language)確保軍事計(jì)劃和命令在軍事人員、指控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)之間清晰無(wú)異的傳輸[1].目前,國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上借鑒美軍BML研究成果推進(jìn)適合我軍的戰(zhàn)斗管理語(yǔ)言的發(fā)展,以促進(jìn)仿真系統(tǒng)與指控系統(tǒng)之間的互操作性,提升仿真系統(tǒng)自動(dòng)化水平[2-3].

為了提高作戰(zhàn)指揮、軍事決策過程的高效靈活性,需要對(duì)BML在特定領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展,最大程度地對(duì)指控信息中地理環(huán)境數(shù)據(jù)作以標(biāo)記進(jìn)而形成理解戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的信息和知識(shí).GeoBML(Geographic Battle Management Language)在BML基礎(chǔ)上擴(kuò)展為對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境關(guān)鍵信息表達(dá),是指控系統(tǒng)在地理空間信息和知識(shí)上明確無(wú)歧義的描述[4].目前,由于指控系統(tǒng)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)之間存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)層次不一致及內(nèi)容規(guī)范不明確等相關(guān)要素的互操作性還不完善,導(dǎo)致地理空間數(shù)據(jù)還沒有被完全集成在作戰(zhàn)指揮過程中,指控系統(tǒng)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息之間的交互多集中于基礎(chǔ)地理信息,如地貌、交通、水系等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境靜態(tài)實(shí)體要素,而不同任務(wù)條件下,隨著位置空間關(guān)系的變化,不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素對(duì)任務(wù)產(chǎn)生的影響不同,指控系統(tǒng)從任務(wù)需求上需要集成過程相關(guān)地理空間要素,尤其是動(dòng)態(tài)變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素,如戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)目標(biāo)數(shù)據(jù).

針對(duì)上述戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)與指控系統(tǒng)互操作性不完善,為解決戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)能有效解析指控系統(tǒng)關(guān)鍵信息需求問題,本文首先圍繞作戰(zhàn)任務(wù),采用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程概念模型,其次通過基于GeoBML描述語(yǔ)言對(duì)仿真過程形式化,建立計(jì)算機(jī)能有效識(shí)別的數(shù)據(jù)模型,并根據(jù)語(yǔ)義關(guān)系關(guān)聯(lián)任務(wù)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程,完成仿真數(shù)據(jù)映射,實(shí)現(xiàn)指控系統(tǒng)到環(huán)境仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵信息理解無(wú)縫銜接,并有效地?cái)U(kuò)展戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)對(duì)任務(wù)信息時(shí)空關(guān)系表達(dá)能力.

1 面向作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程概念模型

面向作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程是根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù),在任務(wù)信息中挖掘影響任務(wù)的環(huán)境要素,抽取其關(guān)鍵信息需求,在各個(gè)層級(jí)的作戰(zhàn)規(guī)則庫(kù)與軍事行動(dòng)庫(kù)的支持下,建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型的過程[5].任務(wù)過程通常采用過程發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、作用的對(duì)象、發(fā)生的行為和觸發(fā)事件這5個(gè)方面來(lái)描述,因此,對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程,也可以從時(shí)間、空間、對(duì)象、活動(dòng)和屬性5個(gè)方面來(lái)描述[6-9].那么,基于面向?qū)ο蟮膽?zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程是用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程結(jié)構(gòu)化,按照關(guān)系范式對(duì)描述觸發(fā)環(huán)境對(duì)象行為發(fā)生變化的各類關(guān)系語(yǔ)義進(jìn)行封裝,表達(dá)對(duì)象及對(duì)象之間的相互關(guān)系,以及記錄觸發(fā)對(duì)象變化的過程.由此,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程概念模型可形式化描述為六元組:

其具體參數(shù)描述如下:

EP_ID表示仿真過程的唯一標(biāo)識(shí)號(hào),與作戰(zhàn)任務(wù)標(biāo)識(shí)相對(duì)應(yīng);

∑EP_Object(i)表示引起仿真過程作用的環(huán)境對(duì)象集合;

∑EP_Process(i)表示組成仿真過程的活動(dòng)集合;

EP_Spatial表示仿真過程發(fā)生的空間區(qū)域;

EP_Time表示仿真過程發(fā)生的時(shí)態(tài)信息;

EP_Attribute表示仿真過程屬性,包括過程的空間屬性、時(shí)間屬性和語(yǔ)義屬性.

基于任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程概念模型將空間(實(shí)體)對(duì)象、過程和語(yǔ)義規(guī)則封裝在一起成為對(duì)象結(jié)構(gòu)模型,從而完整地描述了三者之間的相互關(guān)系,能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程對(duì)象在空間、時(shí)間、事件、屬性上的統(tǒng)一描述與表達(dá).

2 基于GeoBML的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程邏輯語(yǔ)義模型

基于GeoBML的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程邏輯模型是采用GeoBML作為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程的形式化描述語(yǔ)言,然后將其映射為XML表示的數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)此的有效識(shí)別.

根據(jù)參考文獻(xiàn)[10-12]對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)過程的BML描述,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程的GeoBML描述如下:

其中,由于GeoBML在時(shí)空語(yǔ)義的表達(dá)上進(jìn)行了擴(kuò)展,非終結(jié)符Verb決定了非終結(jié)符Affected受影響的環(huán)境實(shí)體是否出現(xiàn)及其要素的組成;非終結(jié)符Where擴(kuò)展基于位置的空間對(duì)象數(shù)據(jù)組織方式,如分為在某地At-Where和經(jīng)過某地Route-Where兩種方式描述實(shí)體位置,其描述方式為::=|,具體擴(kuò)展如下[13-14]:

式中,"at""along""from""to"為終結(jié)符,表示仿真過程實(shí)體空間關(guān)系語(yǔ)義;非終結(jié)符Location表示仿真過程中要表達(dá)的與任務(wù)信息相對(duì)應(yīng)的實(shí)體位置信息;非終結(jié)符Path表示點(diǎn)狀實(shí)體與線狀實(shí)體對(duì)象構(gòu)成的路徑信息.

利用XML Schema技術(shù)對(duì)上述GeoBML形式化的描述轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)化描述[15],如圖1所示.

圖1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程形式化描述框架Fig.1 Formal description framework of battlef i eld environment simulation process

3 面向作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程物理模型

3.1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括仿真過程類型、過程屬性、過程操作、環(huán)境要素關(guān)聯(lián)及其時(shí)空關(guān)聯(lián)特征等,其結(jié)構(gòu)體可具體定義如下:

Struct Process_SRO{

//過程類型

long ID; //對(duì)象ID,唯一標(biāo)識(shí)符,主鍵

Struct Type; //過程對(duì)象類型

Struct Attribute; //過程對(duì)象屬性信息

Struct Rule; //過程對(duì)象操作規(guī)則

//環(huán)境要素關(guān)聯(lián)

Struct Env_Object; //環(huán)境要素對(duì)象結(jié)構(gòu)

Struct Env_Object_Attribute; //環(huán)境要素對(duì)象屬性

//時(shí)空特征關(guān)聯(lián)

Sdo_Geometry Region; //過程域幾何信息

Struct Position; //過程域位置信息

Data Process_Begin; //過程起始有效時(shí)間

Data Process_End; //過程終止有效時(shí)間

//調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)表操作

void GetDate (char index); //讀取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)索引并返回?cái)?shù)據(jù)

void UpdateDate (BLOB Data,charindex); //修改數(shù)據(jù)并返回索引

}

3.2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程數(shù)據(jù)映射

作戰(zhàn)任務(wù)過程始終都是處于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,整個(gè)過程都是發(fā)生在某種環(huán)境中,從語(yǔ)義上分析,執(zhí)行任務(wù)的過程一定是發(fā)生在某個(gè)時(shí)間段、某個(gè)區(qū)域、某種天氣地形狀況等的一些環(huán)境中,而這些環(huán)境會(huì)影響著執(zhí)行任務(wù)的作戰(zhàn)行為,最終也影響到指揮決策的結(jié)果.因此,任務(wù)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程數(shù)據(jù)映射是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響作戰(zhàn)任務(wù)整個(gè)過程的抽象表達(dá),是作戰(zhàn)任務(wù)在時(shí)空表達(dá)上的動(dòng)態(tài)映射.

任務(wù)過程有其自身的起始位置和目的地位置,自身的下達(dá)時(shí)間和完成時(shí)間,因而,從時(shí)空特性上仿真過程與任務(wù)過程相一致,從屬性特征上以任務(wù)需求關(guān)聯(lián)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素對(duì)象,在語(yǔ)義關(guān)系上形成過程關(guān)聯(lián)相關(guān)度.戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程數(shù)據(jù)映射操作運(yùn)算的主要因素包括:作戰(zhàn)任務(wù)過程集(TP)、時(shí)間屬性集(Time)、位置屬性集(Location)、環(huán)境仿真對(duì)象特征集(ES)等對(duì)象集合,和時(shí)間屬性值域V_t、位置屬性值域V_l、環(huán)境屬性值域V等相關(guān)屬性集對(duì)應(yīng)的值域以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程屬性關(guān)系映射函數(shù)f、關(guān)系運(yùn)算操作符R.其可形式化描述為:

SPM

式中,TP定義為任務(wù)過程集合;

Time為時(shí)間屬性集合;

Location為位置屬性集合;

ES為所有關(guān)聯(lián)環(huán)境仿真對(duì)象特征集合,將其限定為任務(wù)過程中所關(guān)聯(lián)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真對(duì)象集合:

ES={es,es,es,…,es{,(1≤i≤n),es表

123ni示第i個(gè)環(huán)境仿真對(duì)象,n為環(huán)境仿真對(duì)象的數(shù)量;

V_t為時(shí)間屬性的值域;

V_l為位置屬性的值域;

V為所有環(huán)境仿真對(duì)象屬性的值域:V=∪(V_esi|esi∈ES,i=1,2,…,n),其中,V_esi表示環(huán)境仿真對(duì)象特征個(gè)體esi的值域,ESXV為仿真對(duì)象特種集屬性與值域的笛卡爾乘積,包括了仿真對(duì)象屬性及其取值的所有組合,在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,通常由戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程∪及對(duì)應(yīng)取值構(gòu)成的二元組合X來(lái)表示仿真過程域,其滿足ESXV;

映射函數(shù)f表示在當(dāng)前仿真過程x滿足xi∈X(i=1,2,…,n)條件下,將每個(gè)環(huán)境屬性esi∈ES(i=1,2,…,n),映射到對(duì)應(yīng)的情境屬性值V_esi中,記作:f(xi,esi,V_esi)=0;

關(guān)系運(yùn)算操作符R表示任務(wù)過程與仿真過程之間語(yǔ)義關(guān)系的操作運(yùn)算,包括時(shí)間、空間、屬性特征等語(yǔ)義相關(guān)性運(yùn)算,記作:

R=fcon(time,loc,task,…),fcon為上下文的語(yǔ)義計(jì)算函數(shù).以位置相關(guān)性為例,根據(jù)地理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義理論,建立任務(wù)與仿真對(duì)象之間的位置信息表達(dá)和推理關(guān)系,設(shè)兩個(gè)語(yǔ)義單位S1、S2分別為基于GeoBML的任務(wù)過程、仿真過程解析實(shí)體位置語(yǔ)義信息,則有兩者基于上下文語(yǔ)義樹的語(yǔ)義相似度為:,其中,Dis(S1,S2)表示兩者在語(yǔ)義樹中的距離,λ表示加權(quán)因子用于調(diào)節(jié)權(quán)重.

由此,仿真過程域可以表示為:

其中,當(dāng)前仿真過程X由n維環(huán)境對(duì)象組成,每維環(huán)境對(duì)象xi包括"屬性-值"的二元組,即(esi,f(xi,esi,V_esi));

實(shí)現(xiàn)上述戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程數(shù)據(jù)映射算法流程描述如下:

1)形式化定義作戰(zhàn)任務(wù)過程;

2)對(duì)任務(wù)過程按照分解粒度及時(shí)間序列進(jìn)行逐級(jí)分解,得到具有相互關(guān)系的事件序列;

3)根據(jù)GeoBML對(duì)任務(wù)信息進(jìn)行描述,提取任務(wù)關(guān)鍵信息需求,判斷是否需要建立當(dāng)前分解粒度的仿真過程模型,若需要?jiǎng)t轉(zhuǎn)4),若不需要?jiǎng)t轉(zhuǎn)2);

4)由分解結(jié)果確定與之匹配的仿真過程模型;

5)分析仿真過程模型之間的時(shí)空邏輯關(guān)系;

6)建立作戰(zhàn)任務(wù)過程與仿真過程之間的映射關(guān)系;

7)生成對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)過程的具體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程數(shù)據(jù).

用UML活動(dòng)圖(UML Activity)說(shuō)明戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程動(dòng)態(tài)映射模型構(gòu)建,如圖2所示.

圖2 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程動(dòng)態(tài)映射模型UML構(gòu)建圖Fig.2 UML construction diagram of dynamic mapping model for battlef i eld environment simulation process

4 應(yīng)用實(shí)例

以地面戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)任務(wù)為例,下面給出一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)過程,以測(cè)試面向任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程模型的表達(dá)能力和對(duì)關(guān)鍵信息的映射功能.以下是某一階段執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)過程中上級(jí)通過指控系統(tǒng)下達(dá)給機(jī)械化戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)的任務(wù)指令:

你分隊(duì)于"2016-07-09 15:00:00"開始沿著"黑石頭村(116.112,37.948)"經(jīng)"佟家墳(116.134,39.965)"、至"潭峪(116.143,39.978)"一線于"2016-07-09 16:00:00"前執(zhí)行隱蔽機(jī)動(dòng)任務(wù)以阻止敵逃竄.

將其用GeoBML表示后的形式如下:

*隱蔽機(jī)動(dòng)* *合成戰(zhàn)術(shù)兵團(tuán)司令部* *戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)* *開始* *沿著"黑石頭村(116.112,37.948)"經(jīng)"佟家墳(116.134,39.965)"至"潭峪(116.143,39.978)"一線* *2016-07-09 15:00:00**2016-07-09 16:00:00* *前* *阻止* 命令_引用_標(biāo)識(shí)1 /命令_引用_標(biāo)識(shí)2/.

用GeoBML語(yǔ)法樹結(jié)構(gòu)表示如圖3所示.

圖3 基于GeoBML任務(wù)命令語(yǔ)法樹Fig.3 Task command syntax tree based on GeoBML

根據(jù)上述GeoBML表示的命令通過戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程模型數(shù)據(jù)映射,對(duì)其中關(guān)聯(lián)的環(huán)境要素建立位置特征矩陣M,包括要素位置坐標(biāo)Loc、位置權(quán)重δ和要素特征屬性值V構(gòu)成,記為:M=(LociδiVi),i=1,2,…,n,采用Voronoi圖的計(jì)算模式,將機(jī)動(dòng)路線中設(shè)置的3個(gè)途徑點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn),按照K-近鄰算法對(duì)所在的鄰域搜索相關(guān)要素,使之生成實(shí)例空間上的決策面,進(jìn)而完成機(jī)動(dòng)路徑相關(guān)的威脅區(qū)域自動(dòng)生成,其可視化表達(dá)如圖4所示.

圖4 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程表達(dá)界面Fig.4 Battlef i eld environment simulation process expression interface

5 結(jié)束語(yǔ)

目前,多數(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)與指控系統(tǒng)下達(dá)的任務(wù)信息之間的互操作都是基于人工的互操作,即通過軍事仿真人員對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)信息的分析進(jìn)而處理成仿真系統(tǒng)能夠"理解"的過程,而本文提出的面向作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程模型以作戰(zhàn)任務(wù)為核心,從功能特征上通過GeoBML定義語(yǔ)義將仿真過程與任務(wù)過程進(jìn)行映射,增加過程語(yǔ)義信息解析,因此,該模型主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):①采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)仿真過程進(jìn)行結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義描述;②通過基于GeoBML語(yǔ)法樹對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)過程中的戰(zhàn)場(chǎng)地理空間信息進(jìn)行無(wú)歧義描述,建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程表示模型;③定義了仿真過程對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通過構(gòu)建動(dòng)態(tài)映射模型建立仿真過程與作戰(zhàn)任務(wù)之間的映射關(guān)系.但是,本文對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過程的描述與結(jié)構(gòu)化建模仍存在局限性;對(duì)GeoBML語(yǔ)義擴(kuò)展及適用性需要進(jìn)一步探討;對(duì)模型的驗(yàn)證缺乏數(shù)學(xué)模型的表達(dá),以及模型的應(yīng)用需要進(jìn)一步結(jié)合目前人工智能計(jì)算方法(如機(jī)器學(xué)習(xí)),以適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真智能化的需求.