基于語(yǔ)義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)

董龍明，高天成，邱瑞波，馬連淼

（1.南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系博士后流動(dòng)站，南京210000；2.北方信息控制集團(tuán)有限公司博士后工作站，南京210000；3.陸軍駐南京地區(qū)軍事代表室，南京210000；4.北方信息控制集團(tuán)有限公司，南京210000）

基于語(yǔ)義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)

董龍明1，2，3，高天成4，邱瑞波3，馬連淼3

（1.南京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系博士后流動(dòng)站，南京210000；2.北方信息控制集團(tuán)有限公司博士后工作站，南京210000；3.陸軍駐南京地區(qū)軍事代表室，南京210000；4.北方信息控制集團(tuán)有限公司，南京210000）

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的多樣化和范圍的越來(lái)越廣，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)信息量大、復(fù)雜性、無(wú)規(guī)則性、多變性。針對(duì)現(xiàn)有的發(fā)布/訂閱系統(tǒng)不能支持復(fù)雜結(jié)構(gòu)的態(tài)勢(shì)來(lái)進(jìn)行事件發(fā)布和訂閱的語(yǔ)義匹配，提出了基于語(yǔ)義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)。采用本體描述戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的概念模型，采用RDF圖表示需求方訂閱條件，基于該戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)本體設(shè)計(jì)高效的發(fā)布訂閱匹配算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠支持復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)和具有較高的訂閱匹配效率。

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，本體，發(fā)布訂閱系統(tǒng)，匹配算法

0 引言

一體化聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，如何取得戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息優(yōu)勢(shì)，是取得高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵。綜合電子信息系統(tǒng)C4ISR［1］通過(guò)信息將陸上、海上、空中、天基以及電磁譜的各戰(zhàn)系統(tǒng)、作戰(zhàn)兵力和作戰(zhàn)單元有機(jī)聚合在一起協(xié)同完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)單元的靈活編組和體系作戰(zhàn)?？铡⑻?、地、海、電磁五維一體的高技術(shù)作戰(zhàn)環(huán)境下，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境更加復(fù)雜，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬間萬(wàn)變，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)非線性、信息量大、復(fù)雜性、無(wú)規(guī)則性和多變性。將合適的態(tài)勢(shì)信息實(shí)時(shí)分發(fā)給合適的作戰(zhàn)單位，是當(dāng)前權(quán)衡各種C4ISR系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

聯(lián)合作戰(zhàn)下，其作戰(zhàn)方式呈現(xiàn)作戰(zhàn)力量多元化、作戰(zhàn)編組臨時(shí)化、指揮手段一體化和指揮體制扁平化等特點(diǎn)［2］，參與作戰(zhàn)多方的位置和行為都可能會(huì)隨著戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)改變而隨之改變，這就需要C4ISR系統(tǒng)需要一種更為靈活的通信模型和交互機(jī)制，以適應(yīng)系統(tǒng)的高度動(dòng)態(tài)和松散耦合的特性。發(fā)布訂閱系統(tǒng)（publish/subscribe system）能夠很好地滿足上述需求，信息提供者以“事件”的形式將信息發(fā)布到發(fā)布訂閱系統(tǒng)中，信息使用者提交一個(gè)訂閱條件，表示對(duì)系統(tǒng)中某一特定類(lèi)的事件感興趣，發(fā)布訂閱系統(tǒng)能夠保證將發(fā)布的事件實(shí)時(shí)、可靠地分發(fā)到所有感興趣的訂閱者，能夠?qū)崿F(xiàn)通信雙方在時(shí)間、空間、控制流3個(gè)方面的完全解耦［3］，能很好地滿足這種大規(guī)模、高度動(dòng)態(tài)分布式系統(tǒng)的需求。

發(fā)布訂閱系統(tǒng)一般按照事件模型和訂閱模型可以分為基于主題和基于內(nèi)容兩大類(lèi)。在基于主題系統(tǒng)（例如:SCRIBE［4］和JEDI［5］）中，將所有事件按照主題劃分成組，每個(gè)事件只屬于一個(gè)主題，訂閱者在訂閱信息時(shí)，指明對(duì)哪個(gè)主題感興趣，當(dāng)一旦發(fā)布該主題下的事件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將其發(fā)送給訂閱者。在基于內(nèi)容的系統(tǒng)中，訂閱者在事件的內(nèi)容上指定約束條件，表達(dá)它們的興趣，事件根據(jù)是否滿足訂閱約束條件來(lái)判斷是否需要轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱者，事件模型又可以分為Map模型或XML模型，事件以多個(gè)＜屬性，值＞對(duì)的形式表示，訂閱是對(duì)某些屬性取值約束的組合。典型的系統(tǒng)包括:Gryphon［6］和Siena［7］等。在面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，無(wú)論是基于主題還是基于內(nèi)容的系統(tǒng)，信息描述能力都顯得不足，只能在語(yǔ)法層次上，不能夠描述概念間的語(yǔ)義約束關(guān)系。

本文將語(yǔ)義Web技術(shù)引入到發(fā)布訂閱系統(tǒng)中，提出了一種基于語(yǔ)義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)，將戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)所涉及到的各種概念整合在一起，建立統(tǒng)一的概念模型——戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)本體，使用資源描述框架（Resource Description Framework，RDF）描述每個(gè)事件，從語(yǔ)法和語(yǔ)義兩個(gè)方面提供更為精確的訂閱匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)能夠支持復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)和具有較高的訂閱匹配效率。

1 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)本體

1.1 概念模型

在戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)本體概念模型中，主要依據(jù)軍事地理概念、實(shí)體、實(shí)體屬性及關(guān)系、作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)事件等態(tài)勢(shì)知識(shí)構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)本體。戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)本體如圖1所示，構(gòu)建主要以下方面:

①創(chuàng)建相關(guān)類(lèi)（Class）:根據(jù)態(tài)勢(shì)描述需要，創(chuàng)建相關(guān)的類(lèi)，主要包括:態(tài)勢(shì)類(lèi)Situation、軍事地理概念Geography、實(shí)體Entity、作戰(zhàn)任務(wù)Task。類(lèi)之間可以存在多重繼承，一個(gè)實(shí)體可以同時(shí)屬于多個(gè)類(lèi)。例如:坦克既是移動(dòng)實(shí)體，又是路上突擊實(shí)體。

②屬性（Property）描述:對(duì)類(lèi)中的概念各個(gè)屬性進(jìn)行描述，如:移動(dòng)實(shí)體所具有的位置、速度、形狀特征等。

③構(gòu)建關(guān)系:從語(yǔ)義上，基本關(guān)系共有4種:類(lèi)之間關(guān)系kindof、實(shí)例關(guān)系instanceof、整體和部分關(guān)系partof、屬性關(guān)系arrtibuteof。

圖1 態(tài)勢(shì)本體核心概念關(guān)系圖

定義1戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)（Situation）可以由軍事地理概念和各種敵我實(shí)體組成。

定義2軍事地理概念（Geography）描述了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，根據(jù)類(lèi)型又可以分為地形地貌（Topograhpy）、水文氣象（Hydrometeorology）和電磁頻譜（Electromagnetic Spectrum）。各類(lèi)型又有諸多描述該類(lèi)的屬性，比如:地形地貌又包括:道路狀況、道路寬度、地質(zhì)、植被、居民地、水域、通視度、坡度等；水文氣象基本屬性包括氣壓、氣溫、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照指數(shù)等。

定義3實(shí)體（Entity）表示戰(zhàn)場(chǎng)上敵我雙方各種態(tài)勢(shì)，又可以分為靜態(tài)實(shí)體（Static Entity）和移動(dòng)實(shí)體（Dynamic Entity）。靜態(tài)實(shí)體實(shí)例化又可以包括:機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、碼頭、宿營(yíng)區(qū)、障礙物等；移動(dòng)實(shí)體包括:飛機(jī)、艦船、裝甲車(chē)、指揮車(chē)、導(dǎo)彈發(fā)射架、坦克、自行火炮等。實(shí)體主要屬性包括:形狀（Shape）、位置（Position）和大?。⊿ize），移動(dòng)實(shí)體還包括描述動(dòng)態(tài)特征的屬性，如:速度（Speed）。移動(dòng)實(shí)體一般承擔(dān)某個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)，可以用關(guān)系haTask與作戰(zhàn)任務(wù)類(lèi)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

定義4作戰(zhàn)任務(wù)（Task）描述了某類(lèi)移動(dòng)實(shí)體所承擔(dān)的使命或在特定時(shí)間內(nèi)需要完成的任務(wù)，屬性可以包括:目標(biāo)、任務(wù)區(qū)域、指揮方、行動(dòng)方、參與完成此次行動(dòng)的各作戰(zhàn)單元、打擊手段、保障資源、有效時(shí)間。

1.2 事件模型

基于語(yǔ)義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息的發(fā)布和更新可以由各種預(yù)警雷達(dá)、探測(cè)裝備、戰(zhàn)場(chǎng)傳感器等感知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)改變以事件的方式發(fā)送到態(tài)勢(shì)代理服務(wù)器中，由態(tài)勢(shì)代理服務(wù)器對(duì)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改和更新。

在態(tài)勢(shì)代理服務(wù)器中，每個(gè)態(tài)勢(shì)事件被表示為一個(gè)RDF圖，可以由一個(gè)三元組＜o(jì)bject，property，value＞來(lái)表示，其中:object表示態(tài)勢(shì)本體某類(lèi)的實(shí)例，可以是一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)、氣象、電磁譜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等，property表示態(tài)勢(shì)本體某類(lèi)的某個(gè)屬性，value表示該屬性值。RDF數(shù)據(jù)可以用一種有向圖來(lái)表示，圖中的頂點(diǎn)表示object和value，邊表示property。

如圖2所示，可以表示一個(gè)被偵測(cè)的敵方移動(dòng)坦克，信息可以表述為在方位（東經(jīng)120'26＂北緯40'50＂）發(fā)現(xiàn)大小4 m×2 m×2 m、速度40 km/h，同時(shí)初步判定承擔(dān)任務(wù)task1，作戰(zhàn)意圖為goal1，時(shí)效性為40 min。

圖2 事件圖實(shí)例

1.3 訂閱條件

訂閱條件是為態(tài)勢(shì)使用單位提交給態(tài)勢(shì)服務(wù)器，然后態(tài)勢(shì)服務(wù)器根據(jù)訂閱條件將符合條件的態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)給各作戰(zhàn)單元。由于事件模型使用RDF圖表示的，因此，訂閱條件是在RDF圖上對(duì)頂點(diǎn)和邊上的約束。訂閱條件由若干個(gè)原子語(yǔ)句的邏輯運(yùn)算符“與”、“或”操作組成。

根據(jù)態(tài)勢(shì)事件模型的表示方式，訂閱條件有3類(lèi):類(lèi)約束、屬性約束和值約束?？梢杂盟脑M來(lái)表達(dá)＜o(jì)bject，property，value，filter_func＞，約束函數(shù)filter_func是一個(gè)布爾表達(dá)式，用于約束這些屬性的取值，允許的操作包括:＞、＜、=、?等關(guān)系運(yùn)算和正則表達(dá)式運(yùn)算等。例如:訂閱某類(lèi)運(yùn)動(dòng)速度大于40 km/s的移動(dòng)實(shí)體的事件信息，可以表示為:cls?DynamicEntity∧cls.speed＞40 km/s。

根據(jù)以下邏輯與或運(yùn)算關(guān)系，任意一個(gè)復(fù)合訂閱條件可以轉(zhuǎn)換為由或關(guān)系組成的內(nèi)部為與連接的正則條件表達(dá)式。

2 發(fā)布訂閱匹配算法

在態(tài)勢(shì)信息分發(fā)平臺(tái)中，常常態(tài)勢(shì)更新觸發(fā)事件發(fā)布，需要將該事件實(shí)時(shí)分發(fā)給需要的作戰(zhàn)單元。因此，為了能夠快速找到事件能夠匹配的訂閱條件，大量的訂閱條件被保存并建立索引。原子訂閱條件約束分為兩類(lèi):一類(lèi)是類(lèi)和屬性的層次包含關(guān)系，例如:cls?DynamicEntity；一類(lèi)是屬性值的范圍進(jìn)行約束，例如:cls.speed＞40 km/s。

對(duì)類(lèi)和屬性的層次包含關(guān)系建立屬性時(shí)，可以根據(jù)態(tài)勢(shì)本體類(lèi)和屬性層次結(jié)構(gòu)，分為兩級(jí)索引:第1級(jí)索引為類(lèi)層次結(jié)構(gòu)構(gòu)成樹(shù)形結(jié)構(gòu)屬性，末端結(jié)點(diǎn)指向第2級(jí)屬性索引結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)，進(jìn)行第2級(jí)索引檢索，屬性末端結(jié)點(diǎn)存放的是所有符合該約束條件的訂閱標(biāo)識(shí)的集合。圖3為類(lèi)和屬性兩級(jí)索引事例圖。

圖3 訂閱條件兩級(jí)索引事例圖

屬性值的類(lèi)型包括:數(shù)值型、布爾型和字符型，因此，對(duì)屬性值的原子約束包括:數(shù)值范圍約束、布爾邏輯約束和字符串比較3種類(lèi)型。數(shù)值范圍約束條件通常有3種:x∈［-∞，a］、x∈［a，+∞］和x∈［a，b］，可以使用數(shù)值比較器進(jìn)行求解；布爾邏輯約束可以通過(guò)判斷邏輯運(yùn)算器進(jìn)行求解；字符串比較通常有:模式匹配、通配符包含判斷等，可以使用字符串比較函數(shù)進(jìn)行求解。發(fā)布訂閱匹配算法描述如下。

輸入:戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)事件描述p

輸出:所有和事件p匹配的訂閱者標(biāo)識(shí)符集I-dentS

（1）將所有訂閱條件S轉(zhuǎn)換為訂閱條件索引事例圖:

①將所有訂閱條件S逐個(gè)按照轉(zhuǎn)換規(guī)則轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的原子訂閱條件集Set，訂閱條件si對(duì)應(yīng)的原子訂閱條件集Seti；

②將原子訂閱條件集Set每個(gè)原子訂閱按類(lèi)和屬性層次結(jié)構(gòu)建立原子訂閱條件兩級(jí)索引事例圖；

（2）將戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)事件描述P轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RDF圖P’；

（3）標(biāo)準(zhǔn)的RDF事件P’和訂閱條件索引事例圖按以下步驟進(jìn)行匹配:

①將原子訂閱條件集Set每個(gè)原子訂閱條件的單個(gè)原子項(xiàng)（例如:原子訂閱條件x∧y∧z的單個(gè)原子項(xiàng)分為:x、y、z）逐個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)的RDF事件分別進(jìn)行類(lèi)和屬性兩層匹配，若某個(gè)原子項(xiàng)匹配不成功，則終止后續(xù)的單個(gè)原子項(xiàng)匹配；若每個(gè)原子項(xiàng)匹配成功，則進(jìn)行②；

②對(duì)每個(gè)原子項(xiàng)進(jìn)行屬性值匹配，若某個(gè)屬性值匹配不成功，則終止后續(xù)屬性匹配；如每個(gè)屬性值匹配成功，則將其存儲(chǔ)的訂閱者標(biāo)識(shí)符Identifier加入到IdentS；

（4）輸出匹配的訂閱者標(biāo)識(shí)符集IdentS。

上述算法可以歸結(jié)為標(biāo)準(zhǔn)RDF圖上對(duì)原子訂閱條件原子項(xiàng)的斷言公式成立與否進(jìn)行檢驗(yàn)，可以采用基于布爾表達(dá)式的檢驗(yàn)方法:①若是類(lèi)和屬性的層次包含關(guān)系，根據(jù)類(lèi)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷；②若是屬性值的范圍進(jìn)行約束，分別依據(jù)數(shù)值型、布爾型和字符型進(jìn)行判斷。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)基于語(yǔ)義發(fā)布訂閱系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性以及對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。原型系統(tǒng)采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)器為:一臺(tái)CPU為Intel Core i5 2.67 G，內(nèi)存為2 G的筆記本電腦，所使用的操作系統(tǒng)為win 7，運(yùn)行環(huán)境是:JDK 1.6。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)發(fā)布實(shí)體為5類(lèi)飛機(jī)（預(yù)警機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)），訂閱實(shí)體是4種防空武器平臺(tái)（按照防空分類(lèi)和范圍劃分）。屬性為飛機(jī)的3個(gè)自由度屬性、3種雷達(dá)探測(cè)特征屬性、位置屬性、時(shí)間屬性，共8種屬性，除了時(shí)間屬性是int類(lèi)型外，其余為doule類(lèi)型。

圖4 匹配時(shí)間

圖4顯示了本系統(tǒng)在不同訂閱數(shù)量下的匹配時(shí)間，其中訂閱數(shù)量從100增加到1 000。從圖中可以看出，本系統(tǒng)的匹配時(shí)間與訂閱數(shù)量基本上呈線性關(guān)系，當(dāng)訂閱數(shù)量為1 000時(shí)，匹配時(shí)間僅為0.2 s?？梢詽M足聯(lián)合作戰(zhàn)條件下大規(guī)模作戰(zhàn)單位態(tài)勢(shì)分發(fā)實(shí)時(shí)要求。

圖5 空間占用情況

圖5顯示了本系統(tǒng)在不同訂閱數(shù)量下的空間占用情況，圖縱坐標(biāo)表示的是創(chuàng)建的原子索引事件圖總數(shù)。從圖可以看出，每個(gè)訂閱條件平均創(chuàng)建4個(gè)原子索引事件圖，不隨著訂閱數(shù)量的變化而變化，所以，本算法的空間復(fù)雜度與訂閱數(shù)量呈線性關(guān)系。

4 結(jié)論

本文將語(yǔ)義Web技術(shù)與發(fā)布訂閱系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)分發(fā)領(lǐng)域，該技術(shù)能夠利用態(tài)勢(shì)的語(yǔ)義知識(shí)，提供更為精確的匹配，支持復(fù)雜態(tài)勢(shì)信息訂閱的分發(fā)服務(wù)。當(dāng)前，發(fā)布訂閱匹配算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度均為線性，如何提出更加高效的索引技術(shù)優(yōu)化算法是下一步工作重點(diǎn)和研究的方向。

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Battlefield Situation Real-time Distribution Technology Based on Semantic Publish/Subscribe System

DONG Long-ming1，2，3，GAO Tian-cheng4，QIU Rui-bo3，MA Lian-miao3
（1.Post-doctoral Research Station，Department of Computer Science and Technology，Nanjing University，Nanjing 210000，China；2.Post-doctoral Workstation，Northern Information Control Group Ltd.，Nanjing 210000，China；3.Nanjing Military Representative Office of PLA Army，Nanjing 210000，China；4.Northern Information Control Group Ltd.，Nanjing 210000，China）

With the wide range and diverse form of the war，the battlefield situation presents a large amount of information，complexity，no rules，and variability.The existing publish/subscribe systems cannot support the situation with complex structures to match the publish and subscribe events semantically.To solve them，this paper presents a real-time distribution technology of battlefield situation based on semantic publish/subscribe system.The concept model of battlefield situation is represented as ontologies，and the subscribe conditions are represented as RDF graphs.Then，the efficient matching algorithm is designed based on this battlefield situation ontology.Experimental results show that it can support the real-time distribution of complex battlefield situation and has high matching efficiency.

battlefield situation，ontology，publish/subscribe system，matching algorithm

TP39

A

1002-0640（2017）04-0110-04

2016-03-07

2016-04-02

董龍明（1982-），男，江蘇建湖人，博士，工程師。研究方向：指揮信息系統(tǒng)，軟件可靠性等。