基于語義模板的指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作方法

湯再江， 薛 青， 徐豪華， 徐享忠

(裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系， 北京 100072)

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基于語義模板的指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作方法

湯再江， 薛 青， 徐豪華， 徐享忠

(裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系， 北京 100072)

針對指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作接口不靈活、可擴展性不強和語義理解困難等問題，提出了基于語義模板的指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作方法。對格式化命令、報告結(jié)構(gòu)及語義進行了分析，采用元數(shù)據(jù)定制了語義模板，基于語義模板研究了格式化報文互操作轉(zhuǎn)換機制，實現(xiàn)了指揮命令和態(tài)勢的互操作。通過應(yīng)用實例對該方法進行了驗證，結(jié)果表明：該方法有效可行，模板可以靈活定制和增加，具有較好的可擴展性和語義描述能力。

語義模板； 互操作； 指揮信息系統(tǒng)； 作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)； 元數(shù)據(jù)

實戰(zhàn)化訓練環(huán)境是開展實戰(zhàn)化訓練的重要依托和載體，指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的虛實結(jié)合、有機融合，已成為實戰(zhàn)化訓練環(huán)境建設(shè)的一個重要發(fā)展方向。指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的互操作是指二者能夠進行雙向通信，正確接收、解析和理解來自發(fā)送方的信息，并按照發(fā)送方所期望的方式做出反應(yīng)[1]。

目前，互操作方法主要有人工轉(zhuǎn)換、專用接口、標準接口和網(wǎng)關(guān)中間件等方法[1]?，F(xiàn)有的互操作方法大多由接口驅(qū)動，這是解決互操作問題最直接的方法，但接口很難羅列全面，可擴展性和靈活性差，一旦有變化，需要重新定義接口，且不便于理解信息語義描述。獲取交互信息中隱含的語義，是互操作方法要達到的最終目標。為此，針對目前互操作方法存在的接口不靈活、語義理解困難等問題，筆者提出了基于語義模板的指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作方法，采用元數(shù)據(jù)定義語義模板，基于語義模板對作戰(zhàn)命令、態(tài)勢圖等信息進行格式化和規(guī)范化的描述，實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作。最后，通過應(yīng)用實例對該方法的有效性進行驗證。

1 元數(shù)據(jù)與語義模板

在指揮信息系統(tǒng)中，用戶在進行報文交互時，大多采用基于模板的短報文和文書形式進行指揮信息的擬制與發(fā)送，其格式相對固定，用詞較為規(guī)范。在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，采用計算機結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)來描述信息。

1.1 元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)(Metadata)是“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，是不同系統(tǒng)間交互的底層元素。目前，元數(shù)據(jù)已經(jīng)從初期的元數(shù)據(jù)規(guī)范層的互操作向語義互操作方向發(fā)展[2]。

元數(shù)據(jù)映射是在統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標準、元數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換協(xié)議下，實現(xiàn)不同格式元數(shù)據(jù)元素之間對應(yīng)關(guān)系，相同功能或含義的元數(shù)據(jù)元素直接映射轉(zhuǎn)換，通過元數(shù)據(jù)映射可實現(xiàn)信息之間的互操作。元數(shù)據(jù)映射涉及元數(shù)據(jù)語法、語義和結(jié)構(gòu)等方面，其中：語法是表現(xiàn)形式；結(jié)構(gòu)是描述框架；語義是元數(shù)據(jù)映射的本質(zhì)，是最終達到的目的。

1.2 格式化報文與語義模板

格式化報文是報文內(nèi)容采用預(yù)先定義格式進行表示，便于計算機自動處理，如格式化的命令、報告和請求等報文，其特點是信息格式規(guī)范?；谀０宓亩虉笪氖侵笓]信息系統(tǒng)中使用較多的一種報文形式，該類報文言簡意賅，雖然長度短，但意思表達清楚、準確、全面，非常靈活實用。

語義模板是為了描述格式化報文而創(chuàng)建的形式化語義描述模型。語義模板由元數(shù)據(jù)元素、內(nèi)容和語法規(guī)則組合起來，通過可變參數(shù)和標準模板庫形成表達語義的一個規(guī)范格式模板?？筛鶕?jù)需求選擇模板，提高工作效率，其每項參數(shù)根據(jù)錄入的編制、裝備、彈藥、目標、時間和地點等數(shù)據(jù)，在編輯時以下拉框的形式直接進行選擇，也可直接輸入，參數(shù)修改靈活，數(shù)據(jù)錄入高效、準確。

語義模板與自由語言表述指揮信息不同，語義模板將指揮信息內(nèi)容具體化和準確化。例如：語言可比較籠統(tǒng)地描述預(yù)想敵情，如“當我進攻發(fā)展順利時”“當我進攻受挫時”“當敵人實施反沖擊時”等，不指明具體單位和具體位置也可以，但計算機難以理解這些自然語言；采用語義模板可表示為“當我(XX單位)進攻(XX位置)發(fā)展順利時”“當我(XX單位)進攻(XX位置)受挫時”“當敵人(多少)個(班/排/連/營)從(XX位置)向(XX位置)實施反沖擊時”，描述的信息具體、準確，便于計算機理解。

1.3 語義模板的元數(shù)據(jù)映射

元數(shù)據(jù)映射有多種方式，包括一對一映射、一對多映射和多對多映射?；谡Z義模板的互操作采用一對一映射來實現(xiàn)元數(shù)據(jù)語義互操作?；谡Z義模板的格式化指揮報文轉(zhuǎn)換方法是將指揮信息系統(tǒng)和作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中使用信息的元數(shù)據(jù)模型通過建立映射關(guān)系構(gòu)成信息交換機制，實現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的互操作。元數(shù)據(jù)映射的過程主要是根據(jù)接口協(xié)議和映射規(guī)則，將指揮信息系統(tǒng)和作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中元數(shù)據(jù)進行一對一匹配，形成一個映射轉(zhuǎn)換對應(yīng)表。

1.4 模板的可擴充性

基于接口的轉(zhuǎn)換方法是一種依賴于接口的被動式轉(zhuǎn)換，可移植性較差，一旦標準或接口改變，或有新的元素出現(xiàn)，這種專一化的處理模式將面臨著失效的風險。通過定制模板的方式，可將代碼協(xié)議層大量接口工作通過模板實現(xiàn)，大大減少了開發(fā)的工作量。但由于指揮信息系統(tǒng)中模板較多，基于模板的互操作轉(zhuǎn)換是一個工作量較大的工程，因此，基于模板的報文形式也很難保證全面性。

語義模板采用元數(shù)據(jù)的方式，可以實現(xiàn)模板的可擴充性，相應(yīng)地，仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也具有可擴充性。在這種形式下，從指揮信息系統(tǒng)中流出的信息是相應(yīng)報文的參數(shù)編碼，在交互中，根據(jù)雙方的編碼、解碼協(xié)議，達到數(shù)據(jù)的共享互操作。對于隨時間和條件發(fā)生變化的報文信息，可設(shè)置條件或選擇參數(shù)，一個模板可靈活實現(xiàn)多種信息交互。

語義模板可根據(jù)不同的報文類型需求擴展新的語義模板。另外，還可設(shè)置元語義模板，靈活實現(xiàn)額外語義信息交互需求，實現(xiàn)對語義模板的擴展。

2 基于語義模板的格式化報文互操作

2.1 基于語義模板的格式化指揮命令

作戰(zhàn)命令是指揮信息系統(tǒng)連接指揮所與武器平臺的紐帶，是指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真實體之間的橋梁，是實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作的主要內(nèi)容之一。指揮信息系統(tǒng)主要采用模板擬制與發(fā)送報文，事先通過模板編制工具制作相應(yīng)的模板，在使用時調(diào)用所需模板進行相應(yīng)報文的編制。如：基于模板的格式化指揮命令如圖1所示，這是一條機動攻擊命令報文。

圖1 基于模板的機動攻擊命令報文

2.2 基于語義模板的格式化報告

一條完整的報文模板由固定數(shù)據(jù)項和可變數(shù)據(jù)項組成，形成符合自然語言習慣、可讓人讀懂的報文?；谡Z義模板的格式化報告包括戰(zhàn)果戰(zhàn)損報告、偵察報告、任務(wù)完成情況報告、車輛狀況報告和毀傷報告等，報告要素包括報告類型、發(fā)送者、接收者、報告時間和報告內(nèi)容等[3]。如基于模板的格式化報告如圖2所示，這是一條作戰(zhàn)部隊發(fā)現(xiàn)敵情的報告報文。

圖2 基于模板的敵情報告報文

3 基于語義模板的報文轉(zhuǎn)換機制

圖3為基于語義模板的報文互操作原理。作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)接收到指揮信息系統(tǒng)中的格式化報文后，根據(jù)格式化報文的特點，采用二進制報文的數(shù)據(jù)提取算法，按照格式化報文協(xié)議中規(guī)定的每個數(shù)據(jù)對應(yīng)的代碼長度及其數(shù)值所對應(yīng)的意義，建立二進制數(shù)據(jù)所對應(yīng)的軍事信息數(shù)據(jù)字典，以指針方式讀取二進制數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值或字符后，與數(shù)據(jù)字典進行匹配，通過逐位操作，獲取二進制數(shù)據(jù)包所對應(yīng)的軍事信息數(shù)據(jù)解析值，再按照仿真數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)包。

圖3 基于語義模板的報文互操作原理

設(shè)計指揮命令轉(zhuǎn)換模板體系，直接用模板輸入命令。對于每條指揮命令，模板中都有一條對應(yīng)的仿真命令，以實現(xiàn)指揮命令的自動轉(zhuǎn)換。從仿真數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為格式化報文，與這個過程相反：首先，將仿真數(shù)據(jù)通過映射轉(zhuǎn)換為指揮信息數(shù)據(jù)值；其次，按照格式化報文協(xié)議中的規(guī)定，將每個數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)值；最后，按照順序組裝成二進制格式化報文數(shù)據(jù)包。

4 基于語義模板的態(tài)勢互操作

態(tài)勢互操作需要完成時間推進機制上的互操作。指揮信息系統(tǒng)中有作戰(zhàn)時間和天文時間，一般作戰(zhàn)仿真都是超實時運行，而指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作需要仿真實時運行，因此，作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)需要有時間調(diào)度機制，一般采用時間戳的方式記錄隨時間推進產(chǎn)生的一系列戰(zhàn)場事件的發(fā)生。

4.1 態(tài)勢圖報

指揮信息系統(tǒng)態(tài)勢圖傳輸一般不直接傳輸圖片，而是采用態(tài)勢圖報的方式來傳輸，傳輸處理的是敵我態(tài)勢報信息，即敵我雙方位置和狀態(tài)，實際傳輸?shù)氖歉袷交臄?shù)據(jù)，而不是圖片。

態(tài)勢圖報描述態(tài)勢圖層信息具有固定的格式，屬于格式化報文。報文內(nèi)容包括綜合態(tài)勢的各種要素，以態(tài)勢圖編號標記態(tài)勢圖，以態(tài)勢圖層內(nèi)碼標記態(tài)勢圖層，以戰(zhàn)場目標編碼統(tǒng)一碼標記戰(zhàn)場目標元素，以軍標符號標記其他態(tài)勢要素。態(tài)勢圖層數(shù)據(jù)主要包括圖層編碼、圖層名稱，以及地圖左上角的經(jīng)度、緯寬等。

4.2 仿真態(tài)勢信息描述

在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中一般通過建立二維、三維戰(zhàn)場態(tài)勢模型將作戰(zhàn)過程可視化。態(tài)勢信息是計算機可處理的數(shù)據(jù)，使用人員能利用計算機對態(tài)勢信息進行分析、聚合及可視化。在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，二維態(tài)勢信息可采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中類的形式進行描述。對于作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中各個仿真實體產(chǎn)生的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，計算機按照格式進行轉(zhuǎn)化，生成便于計算機處理的二維戰(zhàn)場態(tài)勢信息結(jié)構(gòu)。

4.3 態(tài)勢數(shù)據(jù)互操作

態(tài)勢數(shù)據(jù)互操作是指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作的重要內(nèi)容之一，二者因用途、目的、數(shù)據(jù)獲取、推進機制和更新時間等不同而具有較大的差異。從態(tài)勢形式化描述和建模，紅、藍雙方仿真態(tài)勢生成，按不同級別需要自動生成聚合態(tài)勢等方面進行研究，可解決態(tài)勢數(shù)據(jù)互操作關(guān)鍵問題。

指揮信息系統(tǒng)中大量信息采用態(tài)勢圖進行傳遞，要求仿真與真實的作戰(zhàn)一致，通過雙方的偵察情報系統(tǒng)產(chǎn)生紅、藍雙方各自的態(tài)勢，并能與指揮信息系統(tǒng)進行態(tài)勢層次的互操作，基于仿真數(shù)據(jù)生成指揮信息系統(tǒng)的態(tài)勢圖報。

在作戰(zhàn)節(jié)奏空前加快的條件下，態(tài)勢顯示的實時性必須滿足臨機快速指揮的要求。實裝指揮信息系統(tǒng)主要是由綜合態(tài)勢參謀或設(shè)置系統(tǒng)按一定時間間隔來更新態(tài)勢圖，如師團指揮信息系統(tǒng)綜合態(tài)勢圖更新時間一般不大于5～10 min。

仿真中沒有真實的人來操作，為實現(xiàn)態(tài)勢的實時自動更新，省略手動生成態(tài)勢的環(huán)節(jié)，將存儲態(tài)勢數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)和態(tài)勢數(shù)據(jù)本身分離存儲，從而使態(tài)勢數(shù)據(jù)更新與態(tài)勢可視化視圖的刷新自然分離，只要態(tài)勢信息更新，則態(tài)勢視圖自動更新，無需經(jīng)過特別處理。

5 基于語義模板的指揮命令互操作應(yīng)用實例

人在環(huán)指揮員通過指揮信息系統(tǒng)短報文方式下達機動命令，語義模板命令格式以指揮所下達給機步1營1連命令為例，如圖4所示，1連10時15分沿著坐標點A、坐標點B、坐標點C機動至D村的命令。

圖4 機動命令報文

根據(jù)選中的報文模板，分別填寫相關(guān)參數(shù)。在該命令中，“機動”是軍語中的標準術(shù)語；“營指揮所”“機步1營1連” 是相對固定的軍隊編制；“坐標點A”“坐標點B”“坐標點C”是作戰(zhàn)地域中具體的地理位置；“沿著”是用來修飾位置的限定詞。這些都可以直接用XML按時間、空間語義標注方法進行時間和空間的標注。

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)接收上級命令，然后通過命令解析模型對命令進行解讀、處理。采用了可擴展的作戰(zhàn)管理本體語言(eXtensible Battle Management Ontology Language，XBMOL)對命令本體進行標注，將其語義信息存儲在一個XBMOL文檔中，仿真系統(tǒng)通過解析該XBMOL文檔表示的語義來獲得對命令的理解。

XBMOL以XML為基礎(chǔ)，根據(jù)本體描述和互操作的需要自行定義標簽，在語法上只要標記成對出現(xiàn)即可?？蓴U展性是XML的主要特征，也是XBMOL的主要特征。采用XBMOL作為指揮信息系統(tǒng)和作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作的標準轉(zhuǎn)換語言，具有較好的可擴展性。

6 態(tài)勢圖互操作應(yīng)用實例

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)態(tài)勢生成實現(xiàn)了仿真信息的實時獲取、組織和存儲，伴隨作戰(zhàn)仿真進行全過程、實時、自動態(tài)勢更新，包括作戰(zhàn)單元位置、運動軌跡、行動過程、交戰(zhàn)關(guān)系、工作狀態(tài)和裝備戰(zhàn)損分布等。通過格式化模板，作戰(zhàn)仿真態(tài)勢信息可以通過XBMOL映射為指揮信息系統(tǒng)所能識別的*.sml格式，并進行文件的傳輸，指揮信息系統(tǒng)收到文件后，可以作為圖層加入到指揮信息系統(tǒng)態(tài)勢顯示之中。態(tài)勢圖互操作如圖5所示，仿真態(tài)勢信息實時轉(zhuǎn)換進入指揮信息系統(tǒng)，成為指揮信息系統(tǒng)綜合態(tài)勢。

文件存儲格式為：10點15分態(tài)勢.sml。

圖5 態(tài)勢圖互操作

10點15分態(tài)勢

…

指揮信息系統(tǒng)采用態(tài)勢圖顯示作戰(zhàn)過程，通過指揮信息系統(tǒng)顯示界面，仿真實體與真實的作戰(zhàn)態(tài)勢顯示一致，通過雙方的偵察情報系統(tǒng)產(chǎn)生紅、藍雙方各自的仿真態(tài)勢，基于仿真數(shù)據(jù)生成態(tài)勢圖報，實現(xiàn)態(tài)勢圖的互操作。

7 結(jié)論

筆者提出了基于語義模板的指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作方法，采用元數(shù)據(jù)定義語義模板，對格式化命令、報告和態(tài)勢等進行格式化和規(guī)范化描述，能夠明確表達數(shù)據(jù)語義，便于計算機的理解和轉(zhuǎn)換。通過元數(shù)據(jù)映射，實現(xiàn)了報文的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用實例結(jié)果表明：該方法具有可行性和實用性，模板可進行靈活定制和增加，具有較好的可擴展性和語義描述能力。

[1] 湯再江,徐享忠,薛青,等.指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)互操作研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學報,2015,27(8):1659-1664.

[2] 朱超.關(guān)于元數(shù)據(jù)互操作的探討[J].情報理論與實踐,2005,28(6):644-648.

[3] TANG Z J,XUE Q,ZHU M J. Company commander modeling in military equipment battle simulation [C]∥Proceedings of 14th Chinese Conference on System Simulation Technology & Application (CCSSTA2012). Delaware,USA:Scientific Research Publishing,2012:613-617.

[4] 徐享忠,湯再江,譚亞新.作戰(zhàn)仿真與指控系統(tǒng)語義互操作技術(shù)參考框架研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2015,27(8):1735-1739.

[5] 孫劍.基于本體的指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法研究[D].北京:裝甲兵工程學院,2012.

[6] 吳從暉,陳寧軍,高志年. 面向指揮信息系統(tǒng)與訓練仿真系統(tǒng)互聯(lián)中間件研究[J].指揮控制與仿真,2013,35(6):120-121.

(責任編輯: 尚彩娟)

Interoperability Method of Command Information System and Warfare Simulation System Based on Semantic Template

TANG Zai-jiang， XUE Qing， XU Hao-hua， XU Xiang-zhong

(Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problems that the interoperability interface is lack of flexibility and scalability, and the semantic implicitness is hard to understand, an interoperability method of command information system and warfare simulation system based on semantic template is provided. The formatting commands, reporting structures and semantics are analyzed. Semantic template is customized with metadata, and interoperation mechanism of formatted message based on semantic template is studied. The interoperability of order and situation has been applied with the method. The method is verified with application examples, the results show that the method is effective and feasible; the templates can be customized and added flexibly, it has better scalability and semantic description capabilities.

semantic template; interoperability; command information system; warfare simulation system; metadata

1672-1497(2017)03-0080-05

2017-03-28

軍隊科研計劃項目

湯再江(1976-)，男，講師，博士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.03.015