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面向仿真推演應(yīng)用，從時空建模角度設(shè)計一種實體與事件相結(jié)合的作戰(zhàn)計劃多粒度時空表達模型,為指揮控制系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。將作戰(zhàn)計劃抽象表達為一組推演實體和推演事件序列；分別針對推演實體和推演事件進行時空分析并設(shè)計多粒度時空表達模型；以美軍反航母馬賽克戰(zhàn)仿真推演為案例進行了實驗分析，驗證了方法的可行性。

作戰(zhàn)計劃仿真推演是以作戰(zhàn)規(guī)則、作戰(zhàn)環(huán)境、技戰(zhàn)術(shù)模型為約束條件，按時空順序?qū)ψ鲬?zhàn)計劃各階段的部署和行動進行推理分析和動態(tài)演播，輔助指揮員思考作戰(zhàn)問題，發(fā)現(xiàn)作戰(zhàn)計劃潛在的沖突與矛盾。作戰(zhàn)計劃時空建模是實現(xiàn)作戰(zhàn)計劃可視化表達和推理分析的基礎(chǔ)，建立高效、合理的作戰(zhàn)計劃表達模型，是仿真想定編輯、作戰(zhàn)行動表達與評估的基礎(chǔ)[1]，可為指揮控制系統(tǒng)作戰(zhàn)計劃表達提供技術(shù)支撐。

針對作戰(zhàn)計劃建模與表達問題，國內(nèi)外已開展了大量研究。美國國防部高級研究計劃署建立了知識表示語言，并用于作戰(zhàn)計劃表示[2]。為實現(xiàn)作戰(zhàn)計劃在各類信息系統(tǒng)之間的交換和共享，美軍提出了核心計劃表示模型[3]，用參與者、目標、資源、行動和時間、空間來描述作戰(zhàn)計劃。國內(nèi)，劉冰雁等研究了基于系統(tǒng)建模語言(system modeling language, SysML)的作戰(zhàn)計劃可視化建模方法，總結(jié)了作戰(zhàn)計劃可視化建模規(guī)則[4]。羅旭輝等提出基于層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)計劃建模方法[5]。謝雨芮等采用面向?qū)ο笏悸方⒘俗鲬?zhàn)實體多粒度時空對象模型，對作戰(zhàn)時空實體的關(guān)聯(lián)關(guān)系、組成結(jié)構(gòu)和行為能力等特征的抽象與表達進行了研究[6]。朱旋等運用面向?qū)ο蟮姆治龇椒?設(shè)計了基于UML的聯(lián)合作戰(zhàn)方案計劃“三視圖”模型，對可視化視圖在指揮控制中的應(yīng)用進行了規(guī)范化表述[7]。李鋒等采用面向過程思路設(shè)計了基于推演事件的作戰(zhàn)計劃表達方法，并用于作戰(zhàn)行動時空沖突檢測[8]。邵太華等針對無人作戰(zhàn)指揮控制的特點，提出基于多跳閱讀理解的任務(wù)智能解析算法，建立了無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的任務(wù)解析框架[9]。目前，對作戰(zhàn)計劃的形式化描述和本體建模研究較多，但在作戰(zhàn)計劃時空表達方面尚無成熟的方法,難以支撐指揮控制系統(tǒng)中作戰(zhàn)計劃評估研究。

本文面向仿真推演應(yīng)用，從時空建模角度，結(jié)合面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程兩種時空建模思路設(shè)計一種實體與事件相結(jié)合的作戰(zhàn)計劃多粒度時空表達模型，并在仿真推演系統(tǒng)中應(yīng)用，驗證了方法的有效性。

1.1 作戰(zhàn)計劃核心組成要素

作戰(zhàn)計劃是軍隊遂行作戰(zhàn)任務(wù)而對作戰(zhàn)準備和實施制定的計劃，用于規(guī)定部隊完成任務(wù)的目的、內(nèi)容、方法、步驟、時間和要求等。由于任務(wù)需求和專業(yè)背景不同，不同領(lǐng)域的作戰(zhàn)計劃模型對組成要素和要素的定義不盡相同，胡欣[10]、楊俊強[11]、陳行軍[12]、錢猛[13]等分別從本體建模、形式化表達、時間窗建模等角度提出作戰(zhàn)計劃的核心概念模型。此處參照文獻8詳細分析面向仿真推演的作戰(zhàn)計劃核心組成要素。

作戰(zhàn)計劃主要描述作戰(zhàn)活動中的7個問題：1）為什么做(Why do)，描述部隊行動的目的；2）誰來做(Who to do)，描述作戰(zhàn)行動的主體；3）做什么(Do what)，描述部隊行動的內(nèi)容；4）用什么做(By what)，描述部隊作戰(zhàn)行動配置的資源；5）什么環(huán)境下做(Which environment)，描述部隊行動的環(huán)境屬性；6）何時做(When)，描述部隊行動的時間屬性；7）在哪做(Where)，描述部隊行動的空間屬性。作戰(zhàn)計劃的制定、推演以及分析評估都是圍繞著“7W”展開的。因此,作戰(zhàn)計劃表示模型可形式化描述如下。

其中，Objective表示作戰(zhàn)目的，是指揮員指定計劃的作戰(zhàn)意圖；Organization表示作戰(zhàn)組織，是作戰(zhàn)過程中可獨立存在的參戰(zhàn)角色，有一定自主行為能力，是作戰(zhàn)計劃的執(zhí)行主體；Action表示作戰(zhàn)行動，是作戰(zhàn)組織在戰(zhàn)過程中為完成作戰(zhàn)任務(wù)而執(zhí)行的一系列活動，是作戰(zhàn)組織在一段時間內(nèi)持續(xù)進行的操作；Resource表示作戰(zhàn)資源，是作戰(zhàn)組織在執(zhí)行作戰(zhàn)行動達成作戰(zhàn)目標過程中使用的武器裝備、環(huán)境對象和保障物資等，是作戰(zhàn)行動執(zhí)行的條件；Environment表示計劃環(huán)境，是與作戰(zhàn)計劃相關(guān)聯(lián)，影響作戰(zhàn)計劃執(zhí)行的多種條件和狀態(tài)的集合；Time表示時間，用于描述作戰(zhàn)計劃目標、組織、行動、資源、環(huán)境要素的時間屬性；Space表示空間，用于描述作戰(zhàn)計劃目標、組織、行動、資源、環(huán)境要素的空間屬性。

1.2 面向仿真推演的作戰(zhàn)計劃時空表達

傳統(tǒng)的作戰(zhàn)計劃通常表現(xiàn)為文檔、表格形式，能在指揮作戰(zhàn)中有效傳遞作戰(zhàn)計劃信息，卻難以直接應(yīng)用于仿真推演系統(tǒng)。在仿真推演中，作戰(zhàn)計劃是以仿真想定方式存在，需要以手工或自動解譯方式錄入系統(tǒng)。

在地理信息領(lǐng)域，在對作戰(zhàn)方案、軍事行動時空建模大致有兩種思路：一是面向過程的時空建模，包括基于事件表達[8]和基于任務(wù)表達[14]的時空建模方法；二是面向?qū)ο蟮臅r空建模，包括基于Agent的建模方法[15-16]和時空對象建模方法[17]。單純的面向過程和面向?qū)ο蟮姆椒ǘ茧y以滿足仿真推演多視角數(shù)據(jù)組織管理和可視分析需要。基于事件的表達將仿真實體分解到各個事件中對仿真想定的編成作業(yè)極不方便。而面向?qū)ο蟮谋磉_方法又將作戰(zhàn)行動分解到各仿真實體中導(dǎo)致仿真想定的行動編輯不太方便。

此處面向仿真推演應(yīng)用，從時空建模角度，結(jié)合面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程兩種時空建模思路，將作戰(zhàn)計劃分解為推演實體和推演事件，分別對應(yīng)仿真想定中的作戰(zhàn)編成和想定事件。推演實體和推演事件并不能替代作戰(zhàn)計劃的其它要素，只是面向仿真推演應(yīng)用對作戰(zhàn)計劃各組成要素的二次建模。定義推演實體和推演事件后，可得到作戰(zhàn)計劃的另一種表達方式，即將作戰(zhàn)計劃表示為一組推演實體和推演事件序列。推演實體與推演事件相結(jié)合的作戰(zhàn)計劃時空表達模型可形式化表達如下。

SENi表示推演實體，是作戰(zhàn)計劃的執(zhí)行主體，作戰(zhàn)過程中可獨立存在的參戰(zhàn)角色，有一定自主行為能力，在部隊編制序列中有明確界定的個體或團體。推演實體具有空間屬性、時間屬性、特征屬性、社會屬性，伴隨戰(zhàn)斗階段表現(xiàn)出不同狀態(tài)。且根據(jù)戰(zhàn)爭規(guī)模和戰(zhàn)爭類型，作戰(zhàn)實體具有多粒度的特征，可以是部隊編制序列里的一級單位，也可以是武器平臺，甚至平臺中的一個組件。

SEVj表示推演事件，是指作戰(zhàn)組織根據(jù)作戰(zhàn)目的，依據(jù)戰(zhàn)場配置所執(zhí)行目標明確的作戰(zhàn)行動的集合，如火力突擊、電磁干擾、實施偵察等。推演事件也具有多粒度特征，為便于作戰(zhàn)籌劃和任務(wù)執(zhí)行，通常將作戰(zhàn)計劃劃分為多個階段。推演階段是推演事件的容器，包含一組推演事件序列。而推演事件本身又可分解為不同層級的事件，可以聚合和解聚。

作戰(zhàn)計劃和其組成各要素的屬性具有多粒度特征。作戰(zhàn)計劃本身可分為總體計劃和分支計劃，也可分解為多個階段。推演實體需要根據(jù)仿真粒度進行聚合解聚，可根據(jù)軍隊編制體系按級別分解為軍、師（旅）、團、營、連、排、班等基本類型，到武器平臺層面也可分解為更細的功能部件。推演事件也需要根據(jù)仿真需求分解成不同層級的推演事件，且多個事件可以按照邏輯、時間、空間聚合成高層級事件。

1.3 作戰(zhàn)計劃的時空屬性建模

時間是影響軍隊作戰(zhàn)能力形成與發(fā)揮的重要因素，也是作戰(zhàn)計劃的重要要素。推演實體有自身的生命周期，存在出現(xiàn)、變化、消亡等過程。推演事件也需要描述開始、結(jié)束以及持續(xù)時間。作戰(zhàn)計劃的時間屬性可用時間點（time point，TP）和時間段（time interval，TI）表示，其含義如圖1所示。TP是按照時間度量單位將連續(xù)時間離散化得到的點時刻，用于描述如“雷達開機”、“結(jié)束戰(zhàn)斗”等瞬間行為。TI表示起始時刻到終止時刻之間的時間段，可描述如“占領(lǐng)陣地”、“行軍”等非瞬時行為。兩種時間描述方法是相對的，隨著仿真粒度的變化，時間點和時間區(qū)間是可以相互轉(zhuǎn)換的。如“火炮射擊”，在描述戰(zhàn)役行動時用一個時間點描述，但在描述戰(zhàn)術(shù)動作時，需要用時間區(qū)間表示，包括裝填彈藥、輸入射擊諸元、發(fā)射等過程。

空間也是作戰(zhàn)計劃內(nèi)容的重要因素，作戰(zhàn)計劃需要描述作戰(zhàn)地域的要點、戰(zhàn)斗分界線、作戰(zhàn)行動的接觸線、開進路線、前沿地域以及作戰(zhàn)資源的部署地域、探測范圍、火力打擊范圍等。作戰(zhàn)計劃的空間要素主要分為客觀空間描述和空間關(guān)系描述?？陀^空間描述主要用地理坐標、相對坐標、網(wǎng)格編碼、空間范圍等方式描述?？臻g關(guān)系主要有相離、覆蓋、相接、重疊、相等，用于描述空間要素之間的關(guān)系。

2.1 推演實體的表示模型構(gòu)建

在仿真推演中，推演實體是推演過程中獨立存在的參戰(zhàn)角色，有一定自主行為能力，有明確界定的個體或團體，是作戰(zhàn)行動的執(zhí)行主體。作戰(zhàn)實體可用屬性、能力和狀態(tài)來描述。屬性包括名稱、代字、級別、從屬、位置等；能力描述作戰(zhàn)組織可以干什么，如執(zhí)行機動、偵察、火力突擊、通信等行動的能力；狀態(tài)是作戰(zhàn)組織具有的內(nèi)部和外部形態(tài)與特征，如損毀情況、彈藥數(shù)量、人員數(shù)量等。推演實體可形式化描述如下：

其中，Property表示事件執(zhí)行者的屬性，包括基本屬性、空間屬性、效能屬性等；Ability表示作戰(zhàn)組織具備執(zhí)行作戰(zhàn)行動的能力，可用于推理分析；Status表示推演實體的狀態(tài)，可用于態(tài)勢顯示；Time表示時間，Space表示空間，用于描述推演實體各要素的時空屬性，如持續(xù)機動時間、探測范圍、火力打擊范圍等；Parent表示推演實體的父節(jié)點，SubSENs表示推演實體包含的子實體序列，用于表示層級關(guān)系。

2.2 作戰(zhàn)實體關(guān)系建模

推演實體包括獨立實體和聚合級實體，推演實體之間具有可分離、可組合特性。獨立實體是不可再分的基本單元，根據(jù)仿真推演粒度可以是部隊編制層級內(nèi)的單位，也可以是武器平臺的組成部件。聚合實體是獨立實體聚合得到的更大尺度推演實體。此外，根據(jù)作戰(zhàn)規(guī)則推演實體之間存在著分類、組合、關(guān)聯(lián)3種關(guān)系。推演實體之間關(guān)系可用UML圖形表示為圖2。

圖2  推演實體關(guān)系示意圖

Fig. 2  The relationship view of deduction entity

分類關(guān)系表示推演實體之間的組織層級關(guān)系，高層類概括低層類的公共特性，如武裝力量包括軍隊、警察、民兵等，軍隊又包括海軍、空軍、陸軍等，可用泛化關(guān)系圖表示。

組合關(guān)系描述推演實體內(nèi)部的聚合關(guān)系，如一個合成旅由機步營、防空營、參謀部、政治部等部門組成，可用聚合關(guān)系圖表示。

關(guān)聯(lián)關(guān)系描述兩個推演實體之間在作戰(zhàn)活動中可能的交互關(guān)系，常見的關(guān)聯(lián)關(guān)系包括鄰接關(guān)系、指揮關(guān)系、通信關(guān)系、組織關(guān)系、供應(yīng)關(guān)系、協(xié)作關(guān)系、占有關(guān)系、對抗關(guān)系等，可用關(guān)聯(lián)關(guān)系圖表示。

3.1 推演事件表達模型構(gòu)建

基于事件的時空數(shù)據(jù)模型是通過連續(xù)改變事物和現(xiàn)象屬性來改變對象的特征狀態(tài)，在地理信息領(lǐng)域常用來描述事物和現(xiàn)象的時空過程。此處按照地理信息領(lǐng)域事件建模思路建立面向作戰(zhàn)計劃表達的推演事件模型。

在仿真推演中，作戰(zhàn)實體存在產(chǎn)生、消亡、屬性變化、能力變化以及空間位置變化等，這些變化可以使用推演事件來表達。隨著仿真推演進程的推進，產(chǎn)生序列推演事件，改變推演實體狀態(tài)。推演事件是以作戰(zhàn)實體為行動對象，以行動內(nèi)容為核心，以作戰(zhàn)目標為作用對象，并以行動過程的時間和空間作為描述參數(shù)的表達模型。推演事件的形式化表示如下：

其中，SEN表示事件關(guān)聯(lián)的推演實體，可以是事件的執(zhí)行者，也可能是事件的執(zhí)行對象；Action表示作戰(zhàn)行動，是作戰(zhàn)實體在為達成目標而執(zhí)行的一系列活動；Objective表示作戰(zhàn)目的，是事件執(zhí)行后達成的目標；表示作戰(zhàn)資源，是事件執(zhí)行需要依賴的各種條件；Time表示事件的時間描述參數(shù)；Space表示事件的空間描述參數(shù)。

3.2 推演事件關(guān)系建模

作戰(zhàn)計劃中的各種變化可以抽象為序列推演事件組合，這些推演事件之間不是獨立的，相互之間具有層次關(guān)系、繼承關(guān)系和邏輯關(guān)系。推演事件之間關(guān)系用UML圖形可表示為圖3。

層次關(guān)系主要是指推演事件之間和推演實體一樣也具備聚合和解聚關(guān)系，一個推演事件可以分解為多個子事件，同時多個推演事件又可以聚合為上級推演事件。推演事件的聚合與解聚規(guī)則可以是邏輯關(guān)系，也可能是時間、空間關(guān)系。通過“串聯(lián)”和“并聯(lián)”行動關(guān)聯(lián)對象的事件能夠?qū)⒈磉_的內(nèi)容由單個對象狀態(tài)變化上升到整體行動或不同行動階段的戰(zhàn)斗態(tài)勢，體現(xiàn)作戰(zhàn)計劃多粒度的特性。

圖3 推演事件關(guān)系示意圖

Fig. 3  The relationship view of deduction event

繼承關(guān)系是指推演事件之間具有一些共有的屬性和方法，如時間、空間屬性以及可視化表達、沖突檢測方法等。在構(gòu)造好推演事件的基類后，其他推演事件可繼承父類的接口和方法，并在基類基礎(chǔ)上增加專有的接口和方法。

邏輯關(guān)系是指推演事件之間具有內(nèi)在的依存或觸發(fā)關(guān)系，如通過障礙區(qū)和破除障礙具有依存關(guān)系，火力打擊與毀傷事件具有觸發(fā)關(guān)系。在仿真推演時，可根據(jù)推演事件的邏輯關(guān)系直接執(zhí)行與之關(guān)聯(lián)的推演事件，而不必由時間驅(qū)動。

為驗證上述方法的有效性，以反航母馬賽克戰(zhàn)為案例進行實驗。案例中藍方使用馬賽克作戰(zhàn)集群打擊紅方航母編隊，根據(jù)藍方作戰(zhàn)計劃將仿真想定分解為推演實體和推演事件。

在推演實體方面，可建立集群、編隊、平臺、作戰(zhàn)部件多個層級對象，用于描述紅藍雙發(fā)參戰(zhàn)兵力。藍方作戰(zhàn)實體包括：低軌偵察衛(wèi)星、艦載預(yù)警機、運輸機（攜作戰(zhàn)無人機集群）、無人僚機。作戰(zhàn)無人機有電子戰(zhàn)、火力打擊、武庫機、誘餌機等多種型號，采用“云-網(wǎng)-端”架構(gòu)，可組建馬賽克集群。紅方包括：航母、搭載戰(zhàn)斗機、電子戰(zhàn)機、預(yù)警機、各型艦載機以及驅(qū)逐艦、護航艦等。

在推演事件方面，首先將作戰(zhàn)計劃分解為5個階段。分別是：全域感知，低軌偵察發(fā)現(xiàn)航母；紅方截擊，攔截藍方馬賽克群；空中交戰(zhàn)，無人機馬賽克集群空中交戰(zhàn)；動態(tài)重組，馬賽克群破擊編隊。各階段的推演事件包括：低軌衛(wèi)星偵查、預(yù)警機偵查、無人僚機抵近偵察、無人機集群支援作戰(zhàn)、無人機馬賽克集群空中交戰(zhàn)、航母編隊撤離戰(zhàn)場等。這些推演事件根據(jù)仿真粒度可以進一步分解為詳細的子事件，并最終按照時間關(guān)系聚合為各推演階段。

在將作戰(zhàn)計劃表達為一組推演實體和推演事件序列后，可按照時間與邏輯相結(jié)合的方法實現(xiàn)作戰(zhàn)計劃的動態(tài)演播。推演開始是以時間為序驅(qū)動推演事件演播，在推演事件執(zhí)行過程中，如因邏輯關(guān)系需要驅(qū)動其它推演事件，則根據(jù)邏輯關(guān)系驅(qū)動后續(xù)推演事件執(zhí)行。同時可以推演事件為基礎(chǔ)分析單一推演事件和推演事件之間是否存在沖突，輔助作戰(zhàn)計劃評估。

基于上述思路，構(gòu)建了作戰(zhàn)計劃仿真推演實驗驗證平臺。基于地理空間數(shù)據(jù)構(gòu)建陸、海、空、天一體的三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。建立軍標符號庫和三維模型庫，用于推演實體的幾何表達。在三維場景中對每一個推演事件的過程進行可視化表達。最后按照作戰(zhàn)計劃設(shè)計的推演事件時間順序進行仿真推演，推演過程如圖4所示。

建立高效、合理的作戰(zhàn)計劃時空表達模型是仿真想定編輯、作戰(zhàn)行動推演評估的基礎(chǔ)。面向仿真推演應(yīng)用，從時空建模角度，結(jié)合面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程兩種時空建模思路設(shè)計推演實體和推演事件相結(jié)合的作戰(zhàn)計劃多粒度時空建模方法。以公開的美軍反航母馬賽克戰(zhàn)為典型案例進行實驗驗證。此方法符合軍事人員、技術(shù)人員思維習(xí)慣，可為仿真推演系統(tǒng)提供有效作戰(zhàn)計劃時空表示模型。

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