任務(wù)驅(qū)動(dòng)的面向?qū)ο髴?zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程建模

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

在基于信息系統(tǒng)的聯(lián)合作戰(zhàn)體系背景下，各信息系統(tǒng)都是圍繞作戰(zhàn)任務(wù)需求為軍事人員提供輔助決策支持[1]。作戰(zhàn)任務(wù)作為信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織與交互的外在驅(qū)動(dòng)，使空間應(yīng)用邏輯過(guò)程符合戰(zhàn)場(chǎng)認(rèn)知規(guī)律。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真是根據(jù)作戰(zhàn)應(yīng)用需求以數(shù)字模型方式構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，并且為軍事人員提供虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，將指控系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)相結(jié)合有利于提高指揮員精確指揮的能力，是軍事測(cè)繪保障實(shí)現(xiàn)主動(dòng)服務(wù)的重要途徑[2]。

首先需要對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)具有一致的理解，才能確保各作戰(zhàn)單元高效準(zhǔn)確處理所需的數(shù)據(jù)。為了方便作戰(zhàn)意圖能夠在指控系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間快速準(zhǔn)確地傳遞，美軍提出一種作戰(zhàn)管理語(yǔ)言BML(battle management language)對(duì)軍事計(jì)劃和命令等“自由文本信息”進(jìn)行明確無(wú)歧義的表達(dá)，確保信息在軍事人員、指控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)三者之間清晰無(wú)異地傳輸[3]。GeoBML是BML針對(duì)地理空間領(lǐng)域而進(jìn)行的擴(kuò)展，從地理空間信息角度將BML從原來(lái)聚焦于任務(wù)、敵情、我情和時(shí)間等四要素?cái)U(kuò)展為任務(wù)、敵情、我情、地形、氣象和時(shí)間等六要素，最大限度地對(duì)指控信息中包含的地理環(huán)境數(shù)據(jù)做標(biāo)記，進(jìn)而形成理解戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的信息和知識(shí)[4-5]。

數(shù)據(jù)模型和形式化語(yǔ)法是BML研究的主要方向，國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)此進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[6—9]通過(guò)改進(jìn)BNF形式化語(yǔ)法來(lái)定義BML滿足計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理規(guī)則，提高結(jié)構(gòu)化信息的處理效率；SISO2014分別從JC3IEDM定義數(shù)據(jù)模型、形式化結(jié)構(gòu)語(yǔ)法和本體實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)概念互操作3個(gè)方面建立標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言規(guī)范[10]；文獻(xiàn)[11—12]采用BML作為標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)規(guī)范任務(wù)的描述解決無(wú)人系統(tǒng)平臺(tái)與外部系統(tǒng)之間的互操作問(wèn)題；文獻(xiàn)[13]在BML管理實(shí)體數(shù)據(jù)和文本信息交互的有效性基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過(guò)知識(shí)共享促進(jìn)信息操作來(lái)提高戰(zhàn)斗管理敏捷性。GeoBML隨著B(niǎo)ML的發(fā)展，集中研究如何將任務(wù)信息中的地理信息形式化并疊加，使它們能夠與正式的命令和報(bào)告相結(jié)合，確保系統(tǒng)能按照預(yù)期方式連貫地處理關(guān)鍵信息[14-15]。這些研究都是從語(yǔ)義層上實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與指控系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通和互操作，地形和天氣是影響態(tài)勢(shì)感知和指揮控制的基本戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素，指控信息中的命令、請(qǐng)求、報(bào)告都與戰(zhàn)場(chǎng)地理信息緊密關(guān)聯(lián)，如何使指控系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)在地理空間信息和知識(shí)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)歧義的描述是今后戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障的重要研究方向。

目前戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)與指控系統(tǒng)之間互操作性還不完善，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)還沒(méi)有被完全集成在作戰(zhàn)指揮過(guò)程中，因此，需要構(gòu)建一個(gè)符合作戰(zhàn)指揮過(guò)程規(guī)律的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型來(lái)有效解析指控系統(tǒng)關(guān)鍵信息需求，并在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理仿真系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)。

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

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程是利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個(gè)逼真的、可以量算的及實(shí)施交互的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的過(guò)程；任務(wù)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)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)境模型的活動(dòng)過(guò)程。任務(wù)過(guò)程具有層次結(jié)構(gòu)性特征，按照任務(wù)執(zhí)行層次對(duì)應(yīng)的分解粒度，將具體任務(wù)分解為若干個(gè)子任務(wù)過(guò)程與元任務(wù)過(guò)程的組合[16-20]，記為

式中，SubTask表示子任務(wù)過(guò)程；MetaTask表示元任務(wù)過(guò)程；Taski表示當(dāng)分解粒度為?時(shí)由子任務(wù)過(guò)程組合而成的某一具體任務(wù)過(guò)程；SubTaski表示當(dāng)分解粒度為β時(shí)由子任務(wù)過(guò)程SubTask與元任務(wù)過(guò)程MetaTask組合而成的子任務(wù)過(guò)程序列，實(shí)際中，一個(gè)具體的任務(wù)過(guò)程由若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子任務(wù)與元任務(wù)組成過(guò)程序列表達(dá)。

從形式上，任務(wù)過(guò)程基本單元通常采用過(guò)程發(fā)生的時(shí)間、過(guò)程發(fā)生的地點(diǎn)、作用的對(duì)象、發(fā)生的行為和觸發(fā)行為變化的事件這5個(gè)方面來(lái)描述，記為

MetaTaski=fprocess(P_ID,P_Time,P_Location,P_Object,P_Act,P_Event)

那么，面向?qū)ο蟮膽?zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)象發(fā)生變化的具體操作的記錄，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(guò)程。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程概念模型可定義為由任務(wù)過(guò)程對(duì)象O_Task，仿真過(guò)程對(duì)象O_EvSim，兩者語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)關(guān)系O_SemRelation，以及關(guān)系函數(shù)fmap構(gòu)成，記作

fmapO_Task,O_EvSim,O_SemRelation=0

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程對(duì)象O_EvSim，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)描述其基于作戰(zhàn)任務(wù)的變化過(guò)程，可描述為六元組

EvSim〈EvSim_ID,∑EvSim_Object(i),∑EvSim_Process(i),EvSim_Attr,EvSim_Time,EvSim_Spatial〉

式中，EvSim_ID表示仿真過(guò)程的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，與作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程標(biāo)識(shí)相對(duì)應(yīng)；∑EvSim_Object(i)表示仿真過(guò)程發(fā)生作用的數(shù)據(jù)對(duì)象集合，與任務(wù)過(guò)程解析的地理空間關(guān)鍵信息需求相對(duì)應(yīng)；∑EvSim_Process(i)表示組成仿真過(guò)程的活動(dòng)對(duì)象集合，與任務(wù)過(guò)程發(fā)生的行為相對(duì)應(yīng)；EvSim_Spatial表示仿真過(guò)程發(fā)生的空間區(qū)域，與任務(wù)過(guò)程作用的空間信息相對(duì)應(yīng)；EvSim_Time表示仿真過(guò)程發(fā)生的時(shí)態(tài)信息，與任務(wù)過(guò)程作用的時(shí)態(tài)信息相對(duì)應(yīng)；EvSim_Attr表示仿真過(guò)程屬性，包括過(guò)程的空間屬性、時(shí)間屬性和語(yǔ)義屬性。

基于任務(wù)過(guò)程的面向?qū)ο髴?zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程概念模型實(shí)質(zhì)上是將空間(實(shí)體)對(duì)象、過(guò)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(guò)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)。從語(yǔ)義描述結(jié)構(gòu)上看，仿真過(guò)程與任務(wù)過(guò)程都是具有一定語(yǔ)法結(jié)構(gòu)的句子，即“主語(yǔ)+謂語(yǔ)+賓語(yǔ)+狀語(yǔ)+……”，這實(shí)際上明確了行為要素的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為動(dòng)詞和名稱組成Process(Verb,Noun)，其中Verb表示構(gòu)成過(guò)程的一系列行為相關(guān)聯(lián)的動(dòng)詞，如描述任務(wù)類型的動(dòng)詞機(jī)動(dòng)、突擊、破襲、防守等；Noun表示被執(zhí)行對(duì)象相關(guān)的名詞，如描述空間位置、作戰(zhàn)區(qū)域環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)名詞等。這樣從語(yǔ)義結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步明確了作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程與仿真過(guò)程要素的相關(guān)構(gòu)成，即執(zhí)行任務(wù)過(guò)程的作戰(zhàn)單元(Unit)、作戰(zhàn)時(shí)間(Time)、作戰(zhàn)地點(diǎn)(Location)、作戰(zhàn)目的(Purpose)以及與作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)的屬性(Property)，計(jì)算機(jī)可根據(jù)具體作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)上述要素進(jìn)行合理組合生成規(guī)范化的行動(dòng)描述，因此，按照語(yǔ)義描述可將元任務(wù)語(yǔ)義結(jié)構(gòu)形式化描述為五元組結(jié)構(gòu)

MetaTask_Sem={Task_Location,Task_Time,Task_Unit,Task_Purpose,Task_Property}

相應(yīng)的，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)用五元組形式化描述為

EnvSim_Sem={Evs_Location,Evs_Time,Evs_Unit,Evs_Purpose,Evs_Property}

2 基于GeoBML的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程邏輯模型

2.1 GeoBML的數(shù)據(jù)模型及形式化語(yǔ)法

GeoBML語(yǔ)法引用的是C2LG(command and control lexical grammar)形式化語(yǔ)法[21]。C2LG是一個(gè)結(jié)構(gòu)化語(yǔ)法，其遵循Chomsky(1957)提出的一般性形式化語(yǔ)法，即四元組結(jié)構(gòu)來(lái)表示過(guò)程信息，記為G=〈S,N,E,P〉其中，S表示開(kāi)始符號(hào)；N表示有限的非終結(jié)符號(hào)(語(yǔ)法的詞匯)；E表示非終結(jié)符號(hào)的有限集用于描述語(yǔ)法允許生成的成分類型和句子等價(jià)的表達(dá)；P表示有限的生成規(guī)則以確定連接詞與句子成分的等效表達(dá)式。相比Chomsky的語(yǔ)法定義，C2LG是一個(gè)與上下文無(wú)關(guān)的語(yǔ)法類別，因而P的生成規(guī)則采用BNF來(lái)描述，其擴(kuò)展后規(guī)則如下

OB::=〈Verb〉〈Tasker〉〈Taskee〉[〈Affected〉|〈Action〉]〈Where〉〈Start-When〉[〈End-When〉]

〈Why〉〈Label〉{〈Mod〉}

式中，OB屬于非終結(jié)符號(hào)有限集N；Verb非終結(jié)符，表示指定要分配的任務(wù)；Tasker非終結(jié)符，表示分配任務(wù)的發(fā)出方；Taskee非終結(jié)符表示接受任務(wù)方；Affected非終結(jié)符表示受任務(wù)過(guò)程影響的實(shí)體；Action非終結(jié)符表示另一個(gè)將被執(zhí)行的任務(wù)過(guò)程；Where非終結(jié)符表示執(zhí)行任務(wù)區(qū)域的空間構(gòu)成；Start-When非終結(jié)符表示時(shí)間構(gòu)成中的開(kāi)始時(shí)間；End-When非終結(jié)符表示時(shí)間構(gòu)成中的結(jié)束時(shí)間；Why非終結(jié)符表示執(zhí)行該任務(wù)過(guò)程的目的；Label非終結(jié)符表示一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符以標(biāo)明該命令可在另一個(gè)表達(dá)式中引用；Mod非終結(jié)符表示該語(yǔ)法中的修飾成分用于描述特定任務(wù)所需要額外附加的信息。

〈Where〉是GeoBML表示地理空間信息的關(guān)鍵元素，對(duì)于任務(wù)過(guò)程分配的組成部分要求列出適用于要分配的任務(wù)的所有空間約束。只有這樣，系統(tǒng)才能從地理空間視圖正確地解釋任務(wù)分配。GeoBML對(duì)空間位置非終結(jié)符〈Where〉作出擴(kuò)展，由限定符和引用組成，并基于以下規(guī)則

Spatial::=〈Qualifier-Where〉〈Tasker〉[〈Taskee〉]〈Start-When〉[〈End-When〉]〈Label〉

式中，Qualifier-Where非終結(jié)符用來(lái)修飾和限定〈Where〉，如表示空間區(qū)域的特性，安全或者危險(xiǎn)區(qū)域。由此，從語(yǔ)法結(jié)構(gòu)上GeoBML呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，其基本語(yǔ)法樹(shù)如圖1所示。

圖1 GeoBML基本語(yǔ)法樹(shù)Fig.1 GeoBML basic syntax tree

2.2 基于GeoBML的邏輯關(guān)系語(yǔ)義表示

基于GeoBML的邏輯關(guān)系語(yǔ)義表示是GeoBML自動(dòng)處理任務(wù)信息和關(guān)聯(lián)地理信息在時(shí)空關(guān)系語(yǔ)義上的邏輯描述和表達(dá)，能夠通過(guò)表達(dá)式將包含所有相關(guān)地理信息轉(zhuǎn)換成XML表示形式，使仿真系統(tǒng)能夠在接收任務(wù)信息后讓相應(yīng)的仿真單元按預(yù)定的順序執(zhí)行指定的活動(dòng)。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程主要是任務(wù)驅(qū)動(dòng)下建立相關(guān)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型的過(guò)程，側(cè)重于關(guān)注影響戰(zhàn)場(chǎng)認(rèn)知的環(huán)境要素及其相互關(guān)系。因而，基于GeoBML表示戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程時(shí)空邏輯關(guān)系語(yǔ)義包括空間對(duì)象的語(yǔ)義疊加及其疊加引用。一般性的空間對(duì)象語(yǔ)義疊加組成包括：Overlay Type〈Label,Map,U_Position,AOI〉，其中，Label表示唯一標(biāo)識(shí)符，Map表示引用地圖區(qū)域范圍，U_Position表示環(huán)境對(duì)象實(shí)體名稱和位置，AOI表示關(guān)心區(qū)域的空間特征屬性。基于XML描述的一般性空間對(duì)象語(yǔ)義疊加如圖2所示。

圖2 基于XML的一般性空間對(duì)象語(yǔ)義疊加Fig.2 Semantic overlay of general spatial objects based on XML

對(duì)應(yīng)于一個(gè)指定性作戰(zhàn)任務(wù)，基于GeoBML表示戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程空間對(duì)象的疊加引用語(yǔ)義組成包括：〈E_Label,G_Label,Taskee,Affected_Unit,AOI，Control_Feature〉，其中E_Label表示疊加引用的空間對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)符；G_Label表示上一級(jí)疊加的空間對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)符；Taskee表示執(zhí)行任務(wù)單位屬性，包括名稱、位置等；Affected_Unit表示受任務(wù)影響的環(huán)境實(shí)體屬性，包括名稱、位置等；AOI表示任務(wù)區(qū)域內(nèi)的空間特征屬性；Control_Feature表示疊加引用的空間對(duì)象特征屬性。對(duì)于不同的任務(wù)過(guò)程，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程在任務(wù)分配表達(dá)式中〈Where〉引用必須適合相應(yīng)的任務(wù)類型，因而空間對(duì)象的疊加引用語(yǔ)義對(duì)應(yīng)每一個(gè)任務(wù)類型都有一個(gè)特定的XML模型對(duì)其進(jìn)行描述，如圖3所示。

圖3 特定任務(wù)類型基于XML的空間對(duì)象語(yǔ)義描述Fig.3 Spatial object semantics description for specific task types based on XML

疊加引用的空間對(duì)象特征，按照幾何特征區(qū)分為點(diǎn)類型、線類型和面類型特征，每一種類型特征屬性包括簡(jiǎn)單屬性和復(fù)雜屬性。簡(jiǎn)單屬性表示其本身的屬性標(biāo)識(shí)，復(fù)雜屬性包括所有子對(duì)象類型、坐標(biāo)組成、所有者和用戶的屬性等，基于XML可描述如圖4所示。

圖4 疊加引用的空間對(duì)象特征基于XML的語(yǔ)義描述Fig.4 Semantic description of overlay referencing spatial object features based on XML

顯然，基于任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程邏輯關(guān)系語(yǔ)義描述能夠表達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)、 仿真事件和環(huán)境對(duì)象各種狀態(tài)之間的復(fù)雜時(shí)間和空間關(guān)系。通過(guò)上述基于XML屬性描述，能夠?qū)⒒贕eoBML的邏輯關(guān)系描述轉(zhuǎn)換成能夠增強(qiáng)仿真過(guò)程與任務(wù)過(guò)程協(xié)同的時(shí)空關(guān)系表達(dá)能力。

2.3 基于GeoBML的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程形式化描述

首先采用GeoBML語(yǔ)言作為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程概念模型的形式化描述語(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)的有效識(shí)別。在2.1節(jié)GeoBML數(shù)據(jù)模型和形式化語(yǔ)法的基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[7]中提出的基于改進(jìn)BNF的BML描述作戰(zhàn)命令和報(bào)告等指揮系統(tǒng)處理的作戰(zhàn)任務(wù)，基于GeoBML對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程可形式化描述如下

〈OB_EnvSim〉::=〈Verb_Sim〉〈Tasker_Sim〉〈Taskee_Sim〉[〈Affected_Sim〉|〈Action_Sim〉]

〈Where_Sim〉〈Start-When〉[〈End-When〉]〈Why〉〈Label〉{〈Mod〉}

式中，GeoBML對(duì)仿真過(guò)程在時(shí)空語(yǔ)義的表達(dá)主要是通過(guò)非終結(jié)符Verb在任務(wù)過(guò)程語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)下，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(guò)某地Route-Where兩種方式描述實(shí)體位置，其描述方式為

〈Where〉::=〈At-Where〉|〈Route-Where〉

具體擴(kuò)展如下

〈At-Where〉::=*at*〈Location〉

〈Route-Where〉::=(〈Source〉〈Destination〉

〈Path〉)|(〈Source〉〈Path〉)|(〈Destination〉

〈Path〉)|...|(*along*〈Path〉)

〈Source〉::=*from*〈Location〉

〈Destination〉::=*to*〈Location〉

式中，at、along、from、to為終結(jié)符，表示仿真過(guò)程實(shí)體空間關(guān)系語(yǔ)義；非終結(jié)符Location表示仿真過(guò)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[22]，如圖5所示。

3 作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程物理模型

3.1 基于過(guò)程域的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以基于GeoBML的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程概念模型為基礎(chǔ)，針對(duì)仿真過(guò)程對(duì)象特征及邏輯關(guān)系，按照面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)仿真過(guò)程對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。一方面建立時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)象結(jié)構(gòu)，用于描述仿真過(guò)程的時(shí)空關(guān)系，另一方面建立環(huán)境要素對(duì)象類，用于描述仿真過(guò)程關(guān)聯(lián)的地理環(huán)境要素及其相互關(guān)系。

定義1：過(guò)程域(process region)是基于作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程中對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息及其時(shí)空關(guān)系的抽象表征。設(shè)E表征戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息，S表征空間特性，T表征時(shí)間特性，則過(guò)程域PR={E,S,T}。

定義2：仿真過(guò)程域?qū)ο?simulation process region object)是基于面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)仿真過(guò)程域抽象并對(duì)其要素進(jìn)行功能特征封裝，包括域?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)、屬性和操作，形成可交互的仿真過(guò)程對(duì)象類。設(shè)PR為過(guò)程域表征，A為對(duì)應(yīng)過(guò)程域?qū)傩?，M為對(duì)象操作規(guī)則，則仿真過(guò)程域?qū)ο骃PRO={PR,A,M}。

基于過(guò)程域的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括仿真過(guò)程類型、過(guò)程屬性、過(guò)程操作、戰(zhàn)場(chǎng)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_SPRO{

∥過(guò)程特征

Long SimID;∥仿真對(duì)象ID，唯一標(biāo)識(shí)符，主鍵

Struct SimType;∥仿真過(guò)程對(duì)象類型

Struct SimAttribute;∥仿真過(guò)程對(duì)象屬性信息

Struct SimRule;∥仿真過(guò)程對(duì)象操作規(guī)則

∥環(huán)境要素關(guān)聯(lián)

Struct EnvSim_Object;∥戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素對(duì)象結(jié)構(gòu)

Struct EnvSim_Object_Attribute;∥戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素對(duì)象屬性

∥時(shí)空特征關(guān)聯(lián)

Sdo_Geometry SimRegion;∥仿真過(guò)程域幾何信息

Struct SimPosition;∥仿真過(guò)程域位置信息

Data Sim_Begin;∥仿真過(guò)程起始有效時(shí)間

Data Sim_End;∥仿真過(guò)程終止有效時(shí)間

∥調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)表操作

void GetDateFromDateBaseIndex(char index);∥讀取對(duì)應(yīng)模型數(shù)據(jù)庫(kù)索引并返回?cái)?shù)據(jù)

void UpdateDateToDateBaseIndex(BLOB Data,char index);∥修改數(shù)據(jù)并返回索引

}

圖5 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程形式化描述框架Fig.5 Formal description framework of battlefield environment simulation process

根據(jù)Oracle Spatial空間數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)機(jī)制來(lái)構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型數(shù)據(jù)庫(kù)，每一個(gè)仿真過(guò)程域?qū)ο蟀凑兆侄斡成湟?guī)則建立數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的過(guò)程對(duì)象表，如表1所示。

3.2 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)映射模型

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)映射是在作戰(zhàn)任務(wù)關(guān)鍵信息需求驅(qū)動(dòng)下，構(gòu)建影響作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型過(guò)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(guò)程有其自身的起始位置和目的地位置，自身的下達(dá)時(shí)間和被完成時(shí)間，仿真過(guò)程與任務(wù)過(guò)程在時(shí)空特性上相一致，以任務(wù)需求關(guān)聯(lián)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要素對(duì)象模型，由此，影響戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)映射的主要因素包括：作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程(Task_Process)、時(shí)間(Time)、位置(Location)、環(huán)境仿真對(duì)象(Env_Feature)及各類因素的屬性與語(yǔ)義關(guān)系函數(shù)。前述基于GeoBML的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程邏輯模型已對(duì)與作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程關(guān)聯(lián)的仿真過(guò)程進(jìn)行了語(yǔ)義描述，在此基礎(chǔ)上戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)映射模型可形式化描述為

SPM〈Task_Process,Time,Location,

Env_Feature,V_t,V_l,V,X,f,R〉

式中，Task_Process定義為任務(wù)過(guò)程集合；Time為時(shí)間屬性集合；Location為位置屬性集合；Env_Feature為所有關(guān)聯(lián)環(huán)境仿真對(duì)象屬性集合，將其限定為任務(wù)過(guò)程中動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境環(huán)境仿真對(duì)象集合：Env_Feature={es_1,es_2,es_3,…es_n},e_i(1≤i≤n)，es_i表示第i個(gè)環(huán)境仿真對(duì)象屬性，n為環(huán)境仿真對(duì)象屬性的數(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_es_ies_i∈Env_Feature

式中，V_es_i表示環(huán)境仿真對(duì)象屬性es_i的值域；Env_Feature×V為仿真對(duì)象屬性與值域的笛卡兒乘積，包括了仿真對(duì)象屬性及其取值的所有組合；R表示仿真過(guò)程與任務(wù)過(guò)程之間的相關(guān)程度；X表示在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程及對(duì)應(yīng)取值構(gòu)成的二元組合，即

X?Env_Feature×V

映射函數(shù)f表示在當(dāng)前仿真過(guò)程xi∈X下，將每個(gè)環(huán)境屬性es_i∈Env_Feature，映射到對(duì)應(yīng)的情境屬性值V_es_i∈V中。

由此仿真過(guò)程域可以表示為

X={es_1,f(x,es_1),es_2,fx,es_2,…,

es_n,fx,es_n

式中，當(dāng)前仿真過(guò)程x由n維環(huán)境對(duì)象屬性組成，每維環(huán)境對(duì)象屬性包括“屬性—值”的二元組，即(es_i,f(x,es_i))。

實(shí)現(xiàn)上述戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)映射模型構(gòu)建的算法形式化描述如下：

(1) 形式化定義作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程。

(2) 對(duì)任務(wù)過(guò)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(guò)程模型，若需要?jiǎng)t轉(zhuǎn)步驟(4)，若不需要?jiǎng)t轉(zhuǎn)步驟(2)。

(4) 由分解結(jié)果確定與之匹配的仿真過(guò)程模型。

(5) 分析仿真過(guò)程模型之間的時(shí)空邏輯關(guān)系。

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

(7) 生成對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程的具體戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)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(guò)程動(dòng)態(tài)映射模型構(gòu)建，如圖6所示。

表1 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程對(duì)象表

圖6 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)映射模型UML構(gòu)建Fig.6 UML construction diagram of dynamic mapping model for battlefield environment simulation process

4 應(yīng)用實(shí)例

面向作戰(zhàn)任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)是以作戰(zhàn)任務(wù)為核心，構(gòu)建與任務(wù)過(guò)程相一致的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型的仿真過(guò)程，為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息在軍事人員、指控系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間傳遞提供明確無(wú)歧義的表達(dá)，確保提供高可信度的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型和逼真的、可量算的交互式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，輔助軍事人員正確認(rèn)知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

從作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程特征出發(fā)，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型是采用GeoBML實(shí)現(xiàn)指控系統(tǒng)下達(dá)的任務(wù)信息與仿真過(guò)程之間信息互操作。在面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)下[23-24]，將作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程包括的命令、報(bào)告或請(qǐng)求結(jié)構(gòu)化后形成的表達(dá)式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)庫(kù)模型，采用MDA架構(gòu)[25]將仿真過(guò)程模型通過(guò)GeoBML定義的功能組件解析指控系統(tǒng)傳輸?shù)娜蝿?wù)信息，而后調(diào)用其他功能組件分發(fā)給相應(yīng)的仿真模型，如圖7所示。

圖7 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程軟件模型示意Fig.7 Example of software model for battlefield environment simulation process

該試驗(yàn)環(huán)境是基于XX型戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息系統(tǒng)仿真平臺(tái)為軟件基礎(chǔ)平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)建立組件模塊，將基于GeoBML的仿真過(guò)程模型嵌入原先的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)組件中，數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)過(guò)程信息實(shí)時(shí)解析與轉(zhuǎn)換，服務(wù)層實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)聯(lián)環(huán)境仿真數(shù)據(jù)的組織與處理，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境仿真數(shù)據(jù)的查詢與可視化，從而確保仿真系統(tǒng)與指控系統(tǒng)之間一體化無(wú)歧義互操作。以地面戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)任務(wù)為例，在某一實(shí)時(shí)作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程中由合成戰(zhàn)術(shù)兵團(tuán)司令部通過(guò)指控系統(tǒng)下達(dá)給機(jī)械化戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)任務(wù)指令，通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)獲取任務(wù)關(guān)鍵信息需求構(gòu)建與機(jī)動(dòng)任務(wù)關(guān)聯(lián)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，以驗(yàn)證任務(wù)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型的可行性。具體下達(dá)格式化任務(wù)指令如下：

你分隊(duì)于“2016-07-09 15:00:00”開(kāi)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。

將其表示成GeoBML命令后的形式如下：

*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(kāi)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/。

GeoBML語(yǔ)法樹(shù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

其中，在GeoBML表示的命令中，非終結(jié)符Verb包括“機(jī)動(dòng)”、非終結(jié)符“阻止”；非終結(jié)符Tasker為合成戰(zhàn)術(shù)兵團(tuán)司令部；Taskee為機(jī)械化戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)；非終結(jié)符Where中的關(guān)鍵字段為“沿著”、“經(jīng)”、“至”、“一線”；非終結(jié)符Start-When中關(guān)鍵字段為“開(kāi)始”；非終結(jié)符End-When中關(guān)鍵字段為“前”；引用標(biāo)識(shí)“命令_引用_標(biāo)識(shí)1”表示“阻止”對(duì)象發(fā)生“逃竄”行為需要引用“命令_引用_標(biāo)識(shí)1”中的內(nèi)容；引用標(biāo)識(shí)“命令_引用_標(biāo)識(shí)2”表示如需引用該命令結(jié)構(gòu)的其他規(guī)則可采用標(biāo)識(shí)“命令_引用_標(biāo)識(shí)2”作為引用。

圖8 基于GeoBML任務(wù)命令語(yǔ)法樹(shù)Fig.8 Task command syntax tree based on GeoBML

根據(jù)上述GeoBML表示的命令對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型進(jìn)行映射，通過(guò)仿真過(guò)程中關(guān)聯(lián)的環(huán)境要素及其時(shí)空特性形成機(jī)動(dòng)路徑相關(guān)的威脅區(qū)域環(huán)境表達(dá)，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 按照任務(wù)執(zhí)行層次選擇數(shù)據(jù)源尺度。從命令解析獲取作戰(zhàn)單元為“機(jī)械化戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)”，相應(yīng)的仿真單元調(diào)用戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境數(shù)據(jù)源，加載基礎(chǔ)地理環(huán)境數(shù)據(jù)，包括1∶1萬(wàn)矢量地圖數(shù)據(jù)、分辨率為1 m影像數(shù)據(jù)以及數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

(2) 構(gòu)建機(jī)動(dòng)路徑選擇空間范圍與環(huán)境要素。從命令解析獲取途徑位置點(diǎn)，通過(guò)基于位置關(guān)系選擇戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境要素，將任務(wù)類型與戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境要素類型區(qū)分相結(jié)合，使得要素類型作用于相應(yīng)類型的作戰(zhàn)任務(wù)，與“隱蔽機(jī)動(dòng)”相關(guān)聯(lián)的地形分析得出威脅區(qū)域。

(3) 任務(wù)驅(qū)動(dòng)下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程可視化表達(dá)。從命令解析獲取任務(wù)過(guò)程的時(shí)態(tài)屬性，通過(guò)時(shí)空關(guān)系將過(guò)程發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、作用的對(duì)象以及行為變化按照時(shí)間序列進(jìn)行描述和表達(dá)，使得在實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程中空間對(duì)象能夠在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下隨過(guò)程時(shí)間發(fā)生變化。

圖9 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程表達(dá)界面Fig.9 Battlefield environment simulation process expression interface

由此可見(jiàn)，將任務(wù)過(guò)程與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程相結(jié)合建立任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型，相比傳統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真模型能夠更有效解析作戰(zhàn)任務(wù)信息，按照任務(wù)需求獲取戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真數(shù)據(jù)并給予動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)表達(dá)，更具有自主性與適人性。

5 結(jié) 論

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(guò)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(guò)程，而本文提出作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程模型以作戰(zhàn)任務(wù)為核心，構(gòu)建基于GeoBML的仿真過(guò)程邏輯關(guān)系語(yǔ)義表示，從功能特征上將仿真過(guò)程與任務(wù)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)映射，增加過(guò)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)作戰(zhàn)任務(wù)與仿真過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義描述；②基于GeoBML建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真過(guò)程邏輯模型并將其轉(zhuǎn)換成XML形式化描述；③定義了仿真過(guò)程對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)構(gòu)建動(dòng)態(tài)映射模型建立仿真過(guò)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(guò)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。