基于柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真

鄭 虎，蔣序平，何 川

（中國人民解放軍國防信息學(xué)院 湖北 武漢 430010）

作戰(zhàn)態(tài)勢，即作戰(zhàn)區(qū)域空間內(nèi)的戰(zhàn)場環(huán)境和兵力分布的當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)展變化的趨勢?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭呈現(xiàn)出爆發(fā)突然、地域擴大、信息劇增等特點，地圖標(biāo)繪、沙盤作業(yè)和兵棋推演等傳統(tǒng)的作戰(zhàn)態(tài)勢模擬方式逐漸暴露出建立時間長、制作成本高、精度低、更改困難等問題，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)實需求[1]。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展與成熟，人們開始更多的采用計算機建模與仿真技術(shù)對作戰(zhàn)態(tài)勢進行模擬。

國外對戰(zhàn)場態(tài)勢建模與仿真的研發(fā)工作開始于上世紀(jì)80年代，美軍最早開發(fā)的SIMENT系統(tǒng)是一個低價格的、網(wǎng)絡(luò)化的分布式虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢系統(tǒng)，它為之后態(tài)勢研究奠定了基礎(chǔ)。近來，各國都在作戰(zhàn)態(tài)勢仿真方面取得了一些成果，典型的如美國海軍研究院開發(fā)的NPSNET系統(tǒng)、瑞典計算機科學(xué)研究所的DIVE系統(tǒng)、新加坡國立大學(xué)的BrichNet/NetEffect、加拿大Albet大學(xué)的MR工具庫、美國弗古尼亞大學(xué)的DIVER系統(tǒng)等[2]。在國內(nèi)比較有代表性的研究是分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境（DVENET）。它是北京航空航天大學(xué)與國防科技大學(xué)、浙江大學(xué)等單位共同開發(fā)的一個用于虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究和應(yīng)用的分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺[3]，通過該平臺開發(fā)的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境可以支持對抗性的戰(zhàn)術(shù)仿真演練。

從目前的國內(nèi)外有關(guān)研究來看，在態(tài)勢建模方面，現(xiàn)有的作戰(zhàn)態(tài)勢模型均自成體系，模型結(jié)構(gòu)各異，系統(tǒng)互操作困難；在態(tài)勢分發(fā)方面，現(xiàn)有研究大多側(cè)重于態(tài)勢的實時逼真顯示，并嘗試用態(tài)勢圖的形式表現(xiàn)整體態(tài)勢，對不同用戶針對態(tài)勢數(shù)據(jù)的個性化需求重視不夠。為此，本文提出了一種新的基于態(tài)勢柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真技術(shù)。該技術(shù)使用柵格化的態(tài)勢數(shù)據(jù)建模方法，提出一種通用的態(tài)勢描述結(jié)構(gòu)，確保不同作戰(zhàn)態(tài)勢類型的模型結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性和一致性，方便模型重用和系統(tǒng)互操作；在統(tǒng)一柵格結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)上，進一步采用“用戶-柵格-事件”相對應(yīng)的訂閱方式實現(xiàn)態(tài)勢模擬和數(shù)據(jù)分發(fā)，這種態(tài)勢柵格訂閱機制能夠按態(tài)勢數(shù)據(jù)用戶的個性化訂閱要求，根據(jù)指定的態(tài)勢狀態(tài)和事件變化條件，為用戶定制分發(fā)對應(yīng)的態(tài)勢數(shù)據(jù)，提升了態(tài)勢模擬和數(shù)據(jù)分發(fā)的效率。本文所提出的基于柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真技術(shù)具有統(tǒng)一柵格結(jié)構(gòu)的態(tài)勢模型，能按用戶訂閱需求進行態(tài)勢數(shù)據(jù)模擬和分發(fā)，為作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真研究提供了新的研究思路和簡潔高效、便于操作的解決方案。

1 作戰(zhàn)態(tài)勢統(tǒng)一柵格結(jié)構(gòu)建模

作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真通常是作戰(zhàn)仿真研究的一部分。態(tài)勢模型在仿真引擎的調(diào)度下，模擬作戰(zhàn)態(tài)勢的生成、變化直至穩(wěn)定的過程，并為作戰(zhàn)仿真提供運行所需的態(tài)勢數(shù)據(jù)。態(tài)勢模型的構(gòu)建是作戰(zhàn)態(tài)勢仿真的基礎(chǔ)，本節(jié)使用柵格化的態(tài)勢數(shù)據(jù)建模方法，提出一種通用的態(tài)勢描述結(jié)構(gòu)，即作戰(zhàn)態(tài)勢統(tǒng)一柵格結(jié)構(gòu)，確保不同作戰(zhàn)態(tài)勢類型的模型結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性和一致性，方便模型重用和系統(tǒng)互操作。

1.1 概念模型

從作戰(zhàn)態(tài)勢的概念看，可以把作戰(zhàn)態(tài)勢看作是戰(zhàn)場空間內(nèi)所有態(tài)勢向量的集合。態(tài)勢向量從不同的角度反映態(tài)勢的內(nèi)容。態(tài)勢向量是組成戰(zhàn)場態(tài)勢的基本單元，是獨立的、可定量或定性描述的、可按規(guī)則組合的[4]。態(tài)勢向量具有若干屬性，屬性表征了態(tài)勢向量的性質(zhì)和特征，如部隊這一態(tài)勢向量具有部隊番號、作戰(zhàn)編成、人員、武器裝備等屬性。態(tài)勢向量的屬性值即人們所關(guān)注的態(tài)勢信息。作戰(zhàn)態(tài)勢與態(tài)勢向量之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)態(tài)勢、態(tài)勢向量關(guān)系圖Fig.1 Combat situation，situation of vector diagram

態(tài)勢向量可以按照所表現(xiàn)的內(nèi)容進行分類，一般來說可將態(tài)勢向量分為4類：自然環(huán)境類態(tài)勢、社會環(huán)境類態(tài)勢、電磁環(huán)境類態(tài)勢、戰(zhàn)場敵我類態(tài)勢。各類態(tài)勢的含義及主要包含內(nèi)容如表1所示。在進行作戰(zhàn)仿真時，用戶可根據(jù)需要選擇生成其中一類或幾類態(tài)勢。

表1 態(tài)勢分類及內(nèi)容說明Tab.1 Situation classification and description

進行態(tài)勢建模時可根據(jù)態(tài)勢分類，分別為每一類態(tài)勢建立模型，各態(tài)勢模型獨立的表現(xiàn)一類態(tài)勢信息。通過各態(tài)勢模型的疊加，就能得到完整的作戰(zhàn)態(tài)勢。態(tài)勢模型是態(tài)勢向量模型的容器，是該類型所有態(tài)勢向量模型的集合。

1.2 數(shù)據(jù)模型

態(tài)勢模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般有兩種實現(xiàn)方法。一種是矢量法，矢量法是通過坐標(biāo)值來精確的表現(xiàn)點、線、面等實體的方法，可以描述各種復(fù)雜的實體，特別是可以線性描述的實體，并具有冗余度低、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)度高、質(zhì)量好的特點。但是矢量法算法實現(xiàn)較為復(fù)雜、建立模型困難并且難于模糊化處理[5]。另一種是柵格法，柵格法用規(guī)則的網(wǎng)格陣列來量化態(tài)勢信息，戰(zhàn)場中的每一個位置的態(tài)勢信息都可以用網(wǎng)格的一個格子來描述。柵格法存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，定位存取性能好，方便搜索、查詢和維護[6]。從數(shù)據(jù)維護的成本、操作的時效性、算法的易實現(xiàn)性等方面考慮，本文的研究采用柵格法的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

使用柵格可以將作戰(zhàn)區(qū)域按大小相等的柵格進行劃分，是空間數(shù)據(jù)的一種有效的表達。使用柵格可以快速定位，并能輕松的實現(xiàn)柵格坐標(biāo)與地理經(jīng)緯度坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，還可以簡便的實現(xiàn)距離計算、面積計算和柵格內(nèi)數(shù)據(jù)的動態(tài)分析等。根據(jù)2.1節(jié)態(tài)勢分類建模設(shè)計，可將用柵格法表示的態(tài)勢模型示意如圖2。

圖中按態(tài)勢分類建立了4個態(tài)勢模型，然后分別對每個模型進行柵格化處理。研究者可以通過對柵格大小的定義，設(shè)置各態(tài)勢模型的分辨率。

經(jīng)過柵格化處理形成的柵格，都具有位置和數(shù)據(jù)兩個屬性。柵格坐標(biāo)即柵格位置屬性，是在態(tài)勢模型柵格化時自動生成的，可以對柵格進行標(biāo)識。柵格的數(shù)據(jù)屬性是柵格所存儲的態(tài)勢向量數(shù)據(jù)，即在該柵格區(qū)域范圍內(nèi)的態(tài)勢向量的取值。相鄰柵格可以通過一定的合并算法進行組合，經(jīng)組合后的柵格可描述更大區(qū)域的態(tài)勢信息。

圖2 柵格模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of raster model

1.3 統(tǒng)一柵格結(jié)構(gòu)的形式化定義

若將作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的自然態(tài)勢表示為SN，假設(shè)自然態(tài)勢共具有 m個態(tài)勢向量，分別為 V1、V2…Vm，則

將坐標(biāo)為（Xi，Yj）的柵格內(nèi)的態(tài)勢向量 Vn表示為，則可用圖3的模型結(jié)構(gòu)表示。

圖3 態(tài)勢向量結(jié)構(gòu)模型圖Fig.3 State vector structure model diagram

作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)態(tài)勢向量Vn可表示為

上式中a，b代表作戰(zhàn)區(qū)域的最右上角的柵格分別在X軸，Y軸的坐標(biāo)值。式中Σ并不是簡單的求和計算，而是通過對具有相同態(tài)勢向量值的柵格進行合并計算最終得到區(qū)域態(tài)勢信息。同理，為滿足用戶對于某特定區(qū)域的態(tài)勢向量的訂閱需求，只需將該區(qū)域所覆蓋柵格的態(tài)勢向量如上式進行態(tài)勢合并計算。

2 基于柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢仿真

本節(jié)在統(tǒng)一柵格結(jié)構(gòu)的態(tài)勢模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢仿真流程。態(tài)勢仿真時必須支持兩個流程：一是態(tài)勢生成及變化流程，即按想定要求生成態(tài)勢數(shù)據(jù)和事件序列，控制事件發(fā)生，并計算事件對態(tài)勢的影響；二是態(tài)勢訂閱流程，即接收并存儲用戶訂閱，按訂閱要求返回態(tài)勢信息。

2.1 態(tài)勢生成及變化仿真流程設(shè)計

如圖4所示，態(tài)勢的生成及變化的仿真流程具體說明如下：

1）利用態(tài)勢模型，按照想定內(nèi)容配置初始態(tài)勢狀態(tài)及態(tài)勢狀態(tài)的變化情況（用事件表示），并將配置的結(jié)果生成為態(tài)勢規(guī)范描述文件；

圖4 態(tài)勢生成及變化流程圖Fig.4 Generating situation and change the flow chart

2）態(tài)勢模擬仿真的過程即解析和執(zhí)行態(tài)勢規(guī)范描述文件，態(tài)勢模型按照想定文件描述，對模型內(nèi)的柵格依次賦值，生成態(tài)勢的初始狀態(tài)。態(tài)勢模擬仿真需控制事件發(fā)生的時序，當(dāng)有事件發(fā)生時，通過計算得到受事件影響的柵格內(nèi)的態(tài)勢向量值變化，生成新的態(tài)勢，然后等待下一個事件的發(fā)生，直至事件序列執(zhí)行結(jié)束；

3）態(tài)勢的生成及態(tài)勢變化過程均以可視化的方式態(tài)勢呈現(xiàn)，按時間序列呈現(xiàn)態(tài)勢及事件。

2.2 態(tài)勢訂閱仿真流程設(shè)計

如圖5所示，態(tài)勢訂閱仿真流程具體說明如下：

1）態(tài)勢數(shù)據(jù)用戶（即作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中需要使用態(tài)勢數(shù)據(jù)的模塊）根據(jù)對態(tài)勢數(shù)據(jù)的個性化需求，生成訂閱消息后發(fā)送至態(tài)勢模擬模塊；

2）態(tài)勢模擬模塊解析訂閱消息并生成訂閱記錄；

3）當(dāng)態(tài)勢狀態(tài)發(fā)生變化時（事件發(fā)生時），態(tài)勢模擬模塊將改變后的態(tài)勢數(shù)據(jù)與訂閱記錄進行匹配，若滿足訂閱條件，則生成態(tài)勢信息消息并實時發(fā)送至用戶模塊。

圖5 態(tài)勢訂閱流程圖Fig.5 Situation of subscription flow chart

3 支持柵格訂閱機制的態(tài)勢模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在前面兩節(jié)研究的基礎(chǔ)上，本文還設(shè)計與實現(xiàn)了一個支持支持柵格訂閱機制的態(tài)勢模擬系統(tǒng)。

3.1 組件設(shè)計

通過態(tài)勢的概念建模可知，態(tài)勢模擬系統(tǒng)中應(yīng)有4個模型實體，分別為自然環(huán)境態(tài)勢模型、社會環(huán)境態(tài)勢模型、電磁環(huán)境態(tài)勢模型和戰(zhàn)場敵我態(tài)勢模型。根據(jù)對3.2節(jié)的仿真流程圖分析，態(tài)勢模擬系統(tǒng)的主要功能有態(tài)勢生成、事件管理、訂閱管理、事件處置等。通過泳道可以看出，與態(tài)勢模擬系統(tǒng)有信息交互的有用戶端、想定生成系統(tǒng)和態(tài)勢顯示系統(tǒng)，分別為其設(shè)計接口：訂閱接口、想定接口、顯示接口。態(tài)勢模擬系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 態(tài)勢模擬系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Simulation system component structure situation

3.2 組件交互設(shè)計

仿真過程中態(tài)勢模擬系統(tǒng)各組件之間的交互時序設(shè)計如圖7所示。仿真以想定接口傳入態(tài)勢想定文件開始，以態(tài)勢模型實體返回用戶訂閱的態(tài)勢信息結(jié)束。各組件之間依靠消息進行信息交互。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)以上分析與設(shè)計，最后對基于柵格訂閱機制的態(tài)勢模擬系統(tǒng)實現(xiàn)如圖8。其中SitationModel是態(tài)勢模型的父模型，通過對其繼承可以得到各子態(tài)勢模型實體。SitationModel中屬性gridList以柵格的形式對態(tài)勢向量數(shù)據(jù)進行存儲，柵格的大小由gridLength這一屬性決定。SitationModel還可以完成事件計算、訂閱記錄創(chuàng)建、態(tài)勢合并和態(tài)勢改變操作。EventManger負責(zé)事件的生成與控制，并向SitationModel發(fā)送事件消息。

圖7 態(tài)勢模擬系統(tǒng)組件交互時序圖Fig.7 Situation simulation system component interaction sequence diagram

圖8 態(tài)勢模擬系統(tǒng)實現(xiàn)Fig.8 The system realization situation simulation

4 結(jié) 論

文中提出了一種基于柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真技術(shù)，首先構(gòu)建了作戰(zhàn)態(tài)勢的概念模型和數(shù)據(jù)模型，之后分析了支持柵格訂閱機制的態(tài)勢仿真流程，最后設(shè)計并實現(xiàn)了一個可用于支持作戰(zhàn)仿真的態(tài)勢模擬系統(tǒng)。本文所提出的基于柵格訂閱機制的作戰(zhàn)態(tài)勢建模與仿真技術(shù)可構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的態(tài)勢模型，提供滿足用戶訂閱需求的態(tài)勢信息，為態(tài)勢建模與仿真研究提供新的研究思路和簡潔高效、便于操作的解決方案。下一步研究工作是：基于本文所提出技術(shù)的想定生成技術(shù)及其實現(xiàn)方法的研究。

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