基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)場環(huán)境分析數(shù)據(jù)映射模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)對地理空間數(shù)據(jù)的需求日益增長，這種現(xiàn)狀正在逐漸改變傳統(tǒng)的測繪供求關(guān)系[1]，主動(dòng)服務(wù)的提出正是為了解決人與信息之間需求與服務(wù)的矛盾問題，既而從服務(wù)模式上實(shí)現(xiàn)“信息找人，按需服務(wù)”。

以“一體化指揮信息系統(tǒng)”為核心的聯(lián)合作戰(zhàn)體系對信息主動(dòng)服務(wù)保障需求尤其突出，戰(zhàn)場上信息復(fù)雜多變，很多用戶是普通用戶，不具備專業(yè)背景，一定程度上會(huì)面臨如同Internet上的“信息迷失”和“信息過載”的問題。傳統(tǒng)的戰(zhàn)場環(huán)境信息保障主要是地理數(shù)據(jù)的保障，缺乏將軍事特征同用戶認(rèn)知與任務(wù)需求相結(jié)合的服務(wù)模型，如果信息系統(tǒng)能“預(yù)估”任務(wù)和用戶的需求，按需地為用戶實(shí)時(shí)提供環(huán)境分析信息，將很大程度上減少用戶搜索時(shí)間，為用戶判斷情況，提供輔助決策，對提高戰(zhàn)場的感知能力起到了重要作用，使得戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢感知更加適人化。

目前，已有多位學(xué)者研究任務(wù)與環(huán)境模型之間的服務(wù)關(guān)系，多體現(xiàn)為建立任務(wù)需求模型與環(huán)境模型相匹配的方法。干哲等[2]采用UML建立環(huán)境、工作流和作戰(zhàn)任務(wù)三者之間關(guān)系及其集成數(shù)據(jù)模型；朱曉林等[3]從模型需求和任務(wù)需求兩個(gè)角度生成模型需求模板，從而建立地理模型的數(shù)據(jù)推送服務(wù)；王少一等[4]利用本體建模方法建立上下文感知模型的中間件獲取用戶任務(wù)需求；龍鳳鳴等[5]從地理信息服務(wù)組合角度設(shè)計(jì)了面向任務(wù)的GIS服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

針對作戰(zhàn)任務(wù)的具體需求，在統(tǒng)一時(shí)空框架下，首先，按照作戰(zhàn)任務(wù)的可分解性，從語義上對作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行形式化描述，建立元任務(wù)概念模型，根據(jù)具體任務(wù)內(nèi)容構(gòu)建任務(wù)需求靜態(tài)結(jié)構(gòu)模板；其次，從作戰(zhàn)任務(wù)角度對戰(zhàn)場環(huán)境分析模型進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上獲取戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)需求要素；依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、環(huán)境分析模型與環(huán)境數(shù)據(jù)三者之間的需求關(guān)系，建立基于規(guī)則的戰(zhàn)場環(huán)境分析數(shù)據(jù)映射關(guān)系，并通過算法完成作戰(zhàn)任務(wù)需求描述到環(huán)境數(shù)據(jù)分類的映射過程；最后，基于該模型設(shè)計(jì)戰(zhàn)場環(huán)境分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)功能，以驗(yàn)證作戰(zhàn)任務(wù)與環(huán)境數(shù)據(jù)匹配過程合理性及擴(kuò)展性。

1 作戰(zhàn)任務(wù)形式化描述及任務(wù)需求模板的構(gòu)建

1.1 作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述

作戰(zhàn)任務(wù)是基于條令、戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)與程序，以及一個(gè)組織的標(biāo)準(zhǔn)操作程序的個(gè)別行動(dòng)，其執(zhí)行的目的是為完成軍事行動(dòng)。作戰(zhàn)任務(wù)按照任務(wù)層次區(qū)分可分為戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)，上一層次的任務(wù)往往是由若干個(gè)下一層次的任務(wù)組合而成，那么最基本的任務(wù)單元，我們稱之為元任務(wù)。

元任務(wù)是在特定戰(zhàn)場環(huán)境下的不可分或不必要再分的基本戰(zhàn)斗行為，是作戰(zhàn)過程中抽象出來最基本、最底層的要素，是執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的具體行為[6]。具體戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)從形式上看就是具有一定語法結(jié)構(gòu)的句子，即“主語+謂語+賓語+狀語+.…”。這實(shí)際上明確了執(zhí)行任務(wù)的作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)地點(diǎn)以及作戰(zhàn)目的，作戰(zhàn)部隊(duì)能夠根據(jù)具體作戰(zhàn)任務(wù)準(zhǔn)確迅速地開展相應(yīng)的行動(dòng)。

行動(dòng)是任務(wù)的基本元素，具有不可分割性和特定目標(biāo)性，在滿足一定的條件下，可由一定的作戰(zhàn)系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)的規(guī)則、條例、條令完成具體過程動(dòng)作，可形式化為六元組：T，其中，T_Name表示任務(wù)名稱；T_Id表示戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的全局唯一標(biāo)識；T_Type表示任務(wù)類型，如機(jī)動(dòng)、進(jìn)攻戰(zhàn)斗或者防御戰(zhàn)斗；T_Object表示戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的目標(biāo)；T_Location表示戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的位置，指對作戰(zhàn)區(qū)域的一種相對區(qū)分，如前沿和縱深等；T_Time表示戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的時(shí)間屬性。

以地面戰(zhàn)斗行動(dòng)為例，具體戰(zhàn)術(shù)任務(wù)按照地位與作用可以分為基本行動(dòng)和保障行動(dòng)，上述兩者具體可細(xì)分為如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)術(shù)任務(wù)分解圖Fig.1 Decomposition chart of tactical tasks

從任務(wù)分解圖中可以得出，不管是何種性質(zhì)的行動(dòng)，戰(zhàn)斗基本行動(dòng)都包含3個(gè)共同的因素，即機(jī)動(dòng)、突擊和防護(hù)[7-8]，將其形式化描述為T_Type={mobility, assault, defence}，對應(yīng)的元任務(wù)可以描述為T_Type_ mobility= {move, surround, snake,weave, infiltrate, transfer, retreat}，T_Type_assault={electron, firepower, troop}，T_Type_defence={RS, EJ, PS}，那么研究戰(zhàn)場環(huán)境就需要從這3種任務(wù)類型的元任務(wù)中獲取環(huán)境因素的需求，從而能根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行組合，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的建模。

1.2 靜態(tài)任務(wù)需求模板的構(gòu)建

按照上述元任務(wù)的形式化分解與解析，可知機(jī)動(dòng)、突擊、防護(hù)是戰(zhàn)斗基本行動(dòng)的3個(gè)最基本要素，三者相互聯(lián)系、相互作用、互為條件。一組基本戰(zhàn)斗行動(dòng)可以描述以下5種形式，即：無防護(hù)機(jī)動(dòng)、無防護(hù)突擊、防護(hù)、有防護(hù)機(jī)動(dòng)、有防護(hù)突擊。每種形式組成要素包括：任務(wù)類型，任務(wù)內(nèi)容，任務(wù)樣式，記作Operation={Operation_way , Operation_content ,Operation_ style }。

按照具體任務(wù)內(nèi)容，可基于xml構(gòu)建任務(wù)需求模板。以“有防護(hù)機(jī)動(dòng)行動(dòng)”為例，其組成要素包括：機(jī)動(dòng)方式，機(jī)動(dòng)內(nèi)容，機(jī)動(dòng)樣式和防護(hù)內(nèi)容，對應(yīng)形式化描述如下：

Operation_JD={jd_way, jd_content, jd_style, protect_content};

jd_way={land, air, water};

jd_content={force, weapon, firepower, information};

jd_style={move, surround, snake, weave, infiltrate,transfer, retreat};

protect_content={RS, EJ, PS}

采用基于XML Schema描述任務(wù)需求模板各要素組成結(jié)構(gòu)及其關(guān)系如下：

2 基于任務(wù)需求匹配的戰(zhàn)場環(huán)境分析數(shù)據(jù)映射模型的構(gòu)建

2.1 戰(zhàn)場環(huán)境分析模型數(shù)據(jù)需求分析

戰(zhàn)場環(huán)境分析是研究戰(zhàn)場環(huán)境中各要素的基本特點(diǎn)、分布特征、發(fā)展規(guī)律以及各要素之間的相互關(guān)系和作用，探討和研究對作戰(zhàn)指揮、作戰(zhàn)行動(dòng)和武器裝備運(yùn)用的綜合影響[9]。戰(zhàn)場環(huán)境分析模型從功能上劃分，主要包括用于作戰(zhàn)指揮輔助決策的戰(zhàn)場環(huán)境分析、用于作戰(zhàn)行動(dòng)趨利避害的戰(zhàn)場環(huán)境分析、用于陸上武器平臺作戰(zhàn)效能評估的戰(zhàn)場環(huán)境分析和用于軍事運(yùn)籌與作戰(zhàn)模擬模型構(gòu)建的戰(zhàn)場環(huán)境分析等。

從作戰(zhàn)任務(wù)角度上，戰(zhàn)場環(huán)境分析模型主要是利用基礎(chǔ)地理信息和專題信息，提供戰(zhàn)場環(huán)境的基本作戰(zhàn)性能分析、聯(lián)合戰(zhàn)役戰(zhàn)場環(huán)境分析等功能，其中基本作戰(zhàn)性能分析是聯(lián)合戰(zhàn)役性能分析的基礎(chǔ)，本文從基本作戰(zhàn)性能上構(gòu)建模型數(shù)據(jù)需求描述。基本作戰(zhàn)性能包括環(huán)境對部隊(duì)機(jī)動(dòng)、觀察、射擊、隱蔽、偽裝、防護(hù)、指揮與通信等方面的影響，據(jù)此對戰(zhàn)場環(huán)境分析模型可分為幾類，如圖2所示。

圖2 基本作戰(zhàn)性能分析模型分類Fig.2 The classification of basic operational performance analysis model

戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)從組成要素上可分為戰(zhàn)場地理環(huán)境數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場電磁環(huán)境數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場核生化環(huán)境數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)[10]，具體分類如圖3所示。

圖3 戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)分類Fig.3 Battlefield environment data classification

從基本作戰(zhàn)性能分析關(guān)聯(lián)的環(huán)境分析模型可見關(guān)系戰(zhàn)術(shù)任務(wù)最緊密的戰(zhàn)場環(huán)境因素是地形、天候氣象、社會(huì)人文因素等，結(jié)合戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)分類，進(jìn)一步對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，其結(jié)果見表1。

表1 戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)需求分析Tab.1 Battlefield environmental data demand analysis

2.2 基于規(guī)則的戰(zhàn)場環(huán)境分析數(shù)據(jù)映射模型

定義1：任務(wù)空間TS：作戰(zhàn)單元為完成所賦予的作戰(zhàn)使命而實(shí)施的一系列行動(dòng)，是戰(zhàn)場中作戰(zhàn)資源的某一種或幾種功能協(xié)同執(zhí)行的行為集合，反映戰(zhàn)斗實(shí)體和環(huán)境間行為的協(xié)同和合作關(guān)系[11]，記作TS={TS1, TS2,TS3, ..., TSn}，其中，TSn可以按層次分解為若干個(gè)子任務(wù)。

定義2：子任務(wù)空間TSn：子任務(wù)是任務(wù)空間繼續(xù)分解的節(jié)點(diǎn)，子任務(wù)空間可以繼續(xù)分解為若干個(gè)下一級子任務(wù)和元任務(wù)的組合，記作TSn={TSn1,TSn2, ...,TSnn}。

定義3：元任務(wù)TSnn：元任務(wù)是不可再分的任務(wù)單元，是執(zhí)行作戰(zhàn)行動(dòng)的最基本行為集合，記作TSnn={ts0, ts1,..., tsn}。

定義4：環(huán)境特征空間：環(huán)境特征空間是由地區(qū)概況、地面特征和動(dòng)態(tài)因素等三要素組合，各要素分別由該要素屬性特征或者模型描述組成，記作

Environment_Feature={Classification,Property, Value}。

定義5：映射規(guī)則：從基本戰(zhàn)斗行動(dòng)模型中獲取戰(zhàn)場環(huán)境分析模型數(shù)據(jù)需求，如機(jī)動(dòng)任務(wù)從機(jī)動(dòng)方式、機(jī)動(dòng)樣式和防護(hù)性能獲取模型對應(yīng)的基本作戰(zhàn)性能分析模型，既而分別在通行性、觀通性、遮蔽性和防威脅等獲取環(huán)境數(shù)據(jù)的需求，記作R={WR,IR}，WR是作戰(zhàn)任務(wù)模型對應(yīng)基本作戰(zhàn)性能分析模型規(guī)則，IR是基本作戰(zhàn)性能分析模型對應(yīng)環(huán)境數(shù)據(jù)需求模型規(guī)則。

依據(jù)任務(wù)需求、模型需求與數(shù)據(jù)需求三者之間的需求關(guān)系，可建立基于規(guī)則的戰(zhàn)場環(huán)境分析數(shù)據(jù)映射關(guān)系。如由機(jī)動(dòng)任務(wù)描述到環(huán)境數(shù)據(jù)的映射過程表示如圖4所示。

圖4 機(jī)動(dòng)行動(dòng)與環(huán)境數(shù)據(jù)映射關(guān)系圖Fig.4 Mapping relationship between maneuver action and environmental data

基于作戰(zhàn)任務(wù)與戰(zhàn)場環(huán)境信息之間的映射關(guān)系，在需求形式化描述的基礎(chǔ)上本文將其用XML描述兩者映射關(guān)系加以存儲(chǔ)并用于交互使用與重構(gòu)，作為面向任務(wù)的戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)用的描述規(guī)范。

//任務(wù)ID

//任務(wù)名稱

< Location>

...... //空間位置幾何描述

< /Location>

< Time>

...... //時(shí)間描述

< / Time >

...... //任務(wù)類型

//環(huán)境要素特征

...... //地區(qū)概括

...... //要素類

...... //屬性特征

...... //屬性值

...... //地面特征

...... //動(dòng)態(tài)因素

2.3 任務(wù)需求到環(huán)境數(shù)據(jù)的映射算法構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)需求與環(huán)境數(shù)據(jù)之間的自動(dòng)匹配，通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫分別建立作戰(zhàn)任務(wù)模型庫、戰(zhàn)場環(huán)境分析模型庫和戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫，三者之間的對應(yīng)關(guān)系由相應(yīng)的任務(wù)需求模板作為對應(yīng)規(guī)則確定，采用UML表示三者關(guān)系，如圖5所示。

圖5 基于UML的模型庫之間映射關(guān)系Fig.5 Model libraries mapping relationship based on UML

映射算法完成作戰(zhàn)任務(wù)需求描述到數(shù)據(jù)分類的映射過程，如圖6所示，可根據(jù)ID或者關(guān)鍵字尋找任務(wù)模型庫與數(shù)據(jù)資源庫中相匹配的模型與數(shù)據(jù)資源。

圖6 映射算法流程圖Fig.6 Mapping algorithm flow chart

該算法類C描述如下：

if(TaskSet[ID].type!=null) //判斷已有任務(wù)類型

{

if(TaskSet[ID].id)!=0 //通過ID尋找匹配

{

if(SelectTask(TaskSet[ID].id) == true);//實(shí)現(xiàn)模型庫中關(guān)鍵字查詢

GetModle(ID);

}

else //通過關(guān)鍵字尋找匹配

{

if(SelectTaskBykey(key) == true) //實(shí)現(xiàn)模型庫中關(guān)鍵字查詢

GetModle(key);

}

}

else

{

InsertTaskSet(Null);}

該算法是在前述討論的任務(wù)需求與數(shù)據(jù)映射關(guān)系的形式化描述基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)也可以生成新的數(shù)據(jù)類型。該算法的select Task()是在任務(wù)資源庫里實(shí)現(xiàn)查詢操作，每一個(gè)資源除了ID可以標(biāo)識外，專家知識庫建立的關(guān)鍵字集合也可對此標(biāo)識，確保用戶在未知ID時(shí)可通過關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的映射。

3 應(yīng)用實(shí)例

以地面戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)為例，利用戰(zhàn)場環(huán)境分析模型進(jìn)行路徑規(guī)劃和火力威脅分析，并對上述數(shù)據(jù)映射模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 數(shù)據(jù)與模型說明

實(shí)驗(yàn)中使用的戰(zhàn)場地理環(huán)境數(shù)據(jù)包括：系列比例尺矢量數(shù)據(jù)；任務(wù)區(qū)域影像柵格數(shù)據(jù)；專題兵要數(shù)據(jù)。所使用的主要分析模型包括：①沿道路機(jī)動(dòng)分析模型和越野機(jī)動(dòng)分析模型，主要是通過環(huán)境諸要素的修改得到最優(yōu)路徑選擇；②通視概率及遠(yuǎn)距離通視分析模型，主要是判斷觀察點(diǎn)與通視區(qū)域內(nèi)高程點(diǎn)的關(guān)系；③間瞄火炮射擊效能分析模型主要是判斷敵火力打擊范圍得到對己方機(jī)動(dòng)的威脅點(diǎn)；④隱蔽性能分析模型主要是分析機(jī)動(dòng)過程中植被覆蓋的疏密程度對部隊(duì)執(zhí)行隱蔽機(jī)動(dòng)的影響指數(shù)。

3.2 任務(wù)需求模板與工作流構(gòu)建

圖7 后臺服務(wù)基于xml的任務(wù)需求描述模板Fig.7 Task requirement description template based on XML in Backup services

利用任務(wù)模型需求描述，構(gòu)建任務(wù)需求模板（如圖7所示），通過與環(huán)境數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，選取與分析模型相匹配的數(shù)據(jù)分類，構(gòu)建符合任務(wù)需求的工作流。結(jié)合機(jī)動(dòng)任務(wù)的具體機(jī)動(dòng)內(nèi)容、機(jī)動(dòng)方式和機(jī)動(dòng)樣式，按照采用工作流模式能夠改進(jìn)任務(wù)動(dòng)態(tài)需求與實(shí)體模型按照時(shí)間順序執(zhí)行之間的流程，實(shí)現(xiàn)更好的可控制，提高時(shí)效性。具體數(shù)據(jù)流操作如下：①通行性分析數(shù)據(jù)流，對機(jī)動(dòng)任務(wù)需求的主要因素為地形因素、時(shí)間因素和氣候因素，需要調(diào)用機(jī)動(dòng)路徑的地形數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，獲取地形中的道路數(shù)據(jù)，氣象氣候的影響數(shù)據(jù)；②通視分析數(shù)據(jù)流，計(jì)算兩點(diǎn)間通視，需要獲取觀察點(diǎn)與通視區(qū)域內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)；③射擊分析數(shù)據(jù)流，計(jì)算敵火力打擊范圍，需要獲取地形數(shù)據(jù)中遮蔽物；④隱蔽性分析數(shù)據(jù)流，計(jì)算植被有效隱蔽值和地物有效遮蔽值，需要獲取植被、居民地等有效參數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)映射與模型匹配分析結(jié)果

利用上述任務(wù)需求模板匹配，調(diào)用模型庫與數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，經(jīng)環(huán)境分析模型工作流數(shù)據(jù)操作，得到機(jī)動(dòng)任務(wù)執(zhí)行的路徑規(guī)劃及其可能的火力威脅范圍。

4 結(jié)束語

任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的戰(zhàn)場環(huán)境分析模型與戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的有效匹配是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境分析按需服務(wù)的關(guān)鍵。本文分析了作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述特點(diǎn)，從戰(zhàn)場環(huán)境分析角度基于任務(wù)需求構(gòu)建了模型任務(wù)需求模板，為模型需求構(gòu)建了統(tǒng)一描述接口；構(gòu)建了基于規(guī)則的戰(zhàn)場環(huán)境分析數(shù)據(jù)映射模型，將任務(wù)需求通過環(huán)境分析模型與環(huán)境數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)與分析模型數(shù)據(jù)的自動(dòng)匹配。將此建立的映射關(guān)系模型應(yīng)用于典型的戰(zhàn)場環(huán)境分析模型中，相比較傳統(tǒng)的戰(zhàn)場環(huán)境信息分析模型，該模型更能夠體現(xiàn)按需提供戰(zhàn)場信息的理念，更加緊密結(jié)合作戰(zhàn)應(yīng)用，更好的支持面向服務(wù)的設(shè)計(jì)思想，為進(jìn)一步探討復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下支持作戰(zhàn)任務(wù)應(yīng)用提供了新的方法途徑。