基于概念知识树的军事想定描述方法*

武利娟，陈琳，卢朋，高一波

(中国科学院自动化研究所，北京 100190)

0 引言

军事想定是军事人员、仿真技术人员和计算机交流信息进行转换的桥梁［1－2］。对军事想定进行形式化描述，使其能被计算机理解和处理，是实现军事想定仿真的一个重要条件。在计算机与仿真技术快速发展的今天，国内由于缺少军事想定描述的统一格式和规范，军事想定仿真的发展却是缓慢的。

目前对军事想定仿真的研究可以分为3个层面:对语言层面的研究、对想定方法的研究和对想定应用系统的研究。而想定描述规范就是针对想定语言层面的研究，目前对军事想定的研究针对语言层面的研究较少，比较成功的是美军的MSDL，它是美军为了开发OneSAF(one semi-automated force)的目标系统(OneSAF objective system，OOS)而提出的，目的是为了使创建的军事想定可以在不同的仿真系统中通用，解决不同仿真系统之间的互联互通和互操作问题［3］。MSDL的设计是从为封闭战斗训练初始化工具制定军事仿真想定格式开始的;2004年，OOS研发机构提议将MSDL发展为仿真互操作标准组织(simulation interoperability standards organization，SISO)标准;2008年，MSDL研究组推出了MSDL的第1个版本［4－5］。MSDL使用模式体系来描述想定，并对想定元素进行分类，它的模式体系含有多个层次，各层表示想定的不同级别或类别的元素［6］。它已经在 OOS 和 FCS，MATREX，OTB 等使用OOS的构件中得到较成熟应用［7］。但是它是针对美军开发的，并不能完全适用于我国，不能直接使用，而且它仅仅对想定描述元素进行分类，得到的是想定描述的整体框架，缺少知识组织性。所以本文拟在利用MSDL框架对军事想定进行描述之前，对军事想定描述的基本元素进行表示和组织。

传统的知识描述和组织方法有谓词逻辑、语义网络、框架等［8］。这些方法在实际的应用中都具有一定的缺点，不能很好的反映人类的思维过程，无法满足现有知识表示和应用的需要。为了尝试解决该问题，在认知心理学的基础上提出来了一种知识描述和组织的方法:概念知识树。它由概念库和知识树组成，概念库中的概念对现实世界中的对象进行无歧义的描述，是底层的描述，而知识树则是对高层语义进行描述，描述概念之间的继承和组成关系等。概念知识树符合人脑的认知结构，具有简明的表示形式和良好的结构，是特定领域知识描述的重要形式化工具［9］。所以文本采用概念知识树对军事想定的知识进行描述和组织。

综上，本文提出了一种基于概念知识树的军事想定描述方法。该方法以JC3IEDM(joint consultation command＆control information exchange data model)数据模型为基本的命名空间，建立军事想定描述概念库;并根据各概念在现实世界的关系，运用概念知识树建立军事想定的知识表达模型;在此基础上建立知识表达模型中各概念与5Ws各要素、知识树与MSDL框架之间的映射关系，最后在MSDL改进框架指导下形成符合我国军情的XML格式的军事想定描述规范。

1 军事想定的知识表达模型

为了建立军事想定的统一描述规范，以军事想定描述需求为依据，对军事想定描述的基本元素进行表示和组织，形成军事想定的知识表达模型，为军事想定的形式化描述提供基本元素。本文使用概念知识树知识表达模型来建立军事想定的知识表达模型，包括概念库和知识树2层。

1.1 基于JC3IEDM的军事想定概念库

本文采用JC3IEDM数据模型作为基础的命名空间，并结合军事仿真系统对军事想定描述的需求，提取想定描述基本元素，进而转化为概念描述，形成概念库。

JC3IEDM数据模型是北约战场数据交互模型，已在多个国家的指挥控制系统中得到广泛应用［10］，它有3个层次模型:概念模型、逻辑模型和物理模型［11－12］。其中概念模型是数据信息的高层视图，定义了19类相互独立的顶层实体概念，对军事想定的行为及执行、作战环境、作战组织和作战编成(包括人员力量和武器装备)、作战任务与作战过程(包括作战计划和可能产生的结果)、作战交互、作战规则等［1］方面进行了描述。

本文在军事想定信息描述需求的指导下，以军事想定的描述需求为依据，分析JC3IEDM的19类独立实体，将军事想定的概念分成了行为执行、作战环境、作战组织和作战编成、作战任务和作战过程、作战交互以及作战规则的概念，建立了6类概念库。概念库中的概念由属性对、关系和行为3要素构成［13－14］，每一概念是抽取 JC3IEDM 概念模型中的实体概念形成的;概念的属性对是抽取模型中的描述性信息组织生成的;概念关系是抽取模型中实体间的关系定义得到的;概念的行为描述是分析实体变化发展规律形成的。

下面以一个具体事例来说明概念库中的概念的抽取和细化描述。

在JC3IEDM的概念模型中有“设备”实体模型，该模型描述了设备的分类以及它与其他设备的关系，本文抽取“设备A”作为概念节点，分析其静态描述信息，主要包括:名称、类型、大小、位置等，抽象成＜名称:设备A＞，＜类型:设备A的类型＞，＜大小:10 m ×10 m ＞，＜位置:(120.5，34.5)＞，＜所属单位:单位A＞等属性对，设备一般还有其与其他设备的关系，描述为协同作战关系、掩护关系或作战对抗关系等，除此之外，一个设备还必须描述它为了完成任务或使命而可能执行的行为，描述为攻击、前进、侦察、防护等，这样我们抽取“设备”类实体模型，构成“设备”概念如图1所示。

从上面的描述可以看出:通过分类建立的概念库，消除了各概念之间可能存在的歧义，各概念的语义信息都很清晰，为建立军事想定描述规范提供了基本元素。

图1 “设备”概念节点Fig.1 Concept note of“equipment”

1.2 知识表达模型

概念库中的概念是离散的，缺乏概念之间关系的描述，而概念知识树知识表达体系中的知识树描述的就是概念之间的相互关系，所以，本文采用知识树来描述军事想定各概念之间的关系，对概念描述的军事元素语义信息进行补充，形成军事想定描述的知识表达模型。

知识树的建立过程和人们认识世界的过程相似，采用的是从简单到复杂、从整体到局部的原则。在知识树建立的时候还应采用统一的分类标准，而且采用的分类标准必须遵循领域公认的标准。本文在建立军事想定的概念知识树时也遵守这一原则和标准，描述军事想定各概念之间的相互关系，形成军事想定的概念知识树，增加知识表达模型的语义。下面将以一个具体的事例来说明概念知识树的建立过程。

在军事想定中，对作战单位描述时，需要描述它的单位名称、单位级别、兵种属性、属方、是否为指挥机构等属性和上下级单位、武器装备等关系以及可能完成的行为。根据人们对作战单位的认识过程，在建立作战单位的知识树时，首先，将作战单位作为一个整体概念进行描述，然后，对其局部和细节进行描述。即:首先描述本单位的属性单位ID、单位名称、单位级别、兵种属性、属方、是否指挥机构;然后在作战计划中描述其行为;最后通过上级单位、下级单位、武器装备描述本单位与其他单位或者实体的关系。与本单位概念具有层级关系的上级单位和下级单位可根据本过程进行进一步描述，武器装备和作战计划可以作为一个整体概念进一步描述，建立各自的概念树，这样通过概念树的层层建立就形成了如图2所示的作战单位的知识框架。

图2 作战单位知识树的框架Fig.2 Knowledge-Tree frame of a military unit

利用概念知识树知识表达模型对军事想定的基本元素进行描述和组织，建立起来的军事想定知识表达模型对军事想定基本元素的语义及它们之间关系进行了描述，为军事想定的高层描述提供了很好的基础。

2 想定描述规范

军事想定描述作为军事领域的一个特定描述领域，对其描述包括事件语义层级的描述和想定层级的描述。本文使用5Ws对事件层级的语义元素进行描述，使用MSDL框架规范想定层级的描述，以建立军事想定的统一描述规范。

2.1 概念与5Ws之间的映射关系

在军事仿真系统中，需要简明详细的对军事想定各元素或事件语义进行描述，使仿真系统、仿真人员以及仿真系统的使用人员可以正确的理解并执行它。而5Ws是一个可以无歧义且完整详细的描述一个事件的语义描述原则，即描述事件的5个W要素:Who(任务)、When(何时)、Where(何地)、What(发生何事)、Why(为什么发生)。因此建立知识表达模型中各知识节点概念与5Ws各要素之间的映射关系，采用5Ws对军事想定的事件元素进行描述。

分析想定描述各概念和5Ws要素之间的关系，本文定义5Ws各要素与军事想定各概念之间的映射对应关系为:

(1)What是对想定中作战单元的作战计划、作战任务或作战命令的行为进行描述，对应的概念主要有行为执行中的作战任务与作战过程和作战交互等概念库中的概念，如攻击、前进、掩护、轰炸、命令、请求等动作和信息;

(2)Who是对想定中仿真基本对象实体进行描述，对应的概念主要有作战组织和作战编成概念库中的概念、作战任务与作战过程概念库中的任务执行者、目标、使用武器以及作战交互概念库中的命令或请求的发送者和接收者等概念;

(3)Where是对想定中的作战位置、地形进行描述，可以分为位置信息、区域和路径，对应的概念主要有作战环境概念库中的概念、作战任务与作战过程和作战交互概念库中有关作战地点的概念，如地点、作战范围、行进路径、平原、山地、沼泽等;

(4)When是对想定中的作战时间进行描述，可以分为时间点和时间段，而时间段的起始点也是时间点类型，对应的概念主要有作战任务和作战过程以及作战交互等概念库中有关时间的概念，如进攻时间、作战持续时间、最短时间等时间概念;

(5)Why是对想定中的作战原因进行描述，要结合情报、态势信息和自身状态使用，对应的概念主要有作战规则概念库中的概念和作战交互、作战任务和作战过程等概念库中有关作战原因的概念，如武器威力、自身状态等。

例如，在一条作战命令“在某战场上，由于敌军伤亡惨重，我军要在今天中午加强进攻”中，“某战场”映射为 Where，“敌军伤亡惨重”映射为 Why，“敌军”和“我军”都映射为Who，“今天中午”映射为When，“加强进攻”映射为What，这样就完成了一条作战命令的概念到5Ws的映射。

从上面的例子可以看出:用5Ws对军事想定的概念进行描述，完成了事件语义层级的想定信息描述，为军事想定的想定层级描述奠定了基础。

2.2 基于MSDL框架的表达

本文在描述了基本元素语义和事件语义的基础上，使用MSDL框架对概念之间的关系进行描述。

以MSDL框架对军事想定进行描述形成的是以5Ws要素为节点基础、以MSDL框架为整体框架指导的军事想定描述规范。本文采用XML Schema设计环境来实现军事想定描述规范，最后形成军事想定规范的Schema。下面以作战单位描述规范的形成为例讲述想定描述规范的形成。

在MSDL框架指导下的作战单位的描述规范中，包括作战单位的实体、关系和行为以及作战想定信息，其中在想定描述规范框架中，作战单位的属性作为作战单位的节点属性存在，在xml文档中对应于attribute;作战单位、武器装备以及上级和下级单位是军事想定中的对象实体，对应于5Ws中的Who;作战计划是军事想定中的行为，对应于5Ws中的What;作战计划中的作战目的是想定中的作战原因，对应于5Ws中的Why;作战计划中的作战时间、作战地点分别是军事想定中的作战时间和地点，分别对应于5Ws中的When，Where;它们在 xml文档中对应于element的complexType。最后形成如图3所示的作战单位的描述规范。

通过上述过程得到的xsd格式的想定描述规范具有丰富的语义信息，该规范对军事想定描述基本元素的属性、关系和范围加以限制和管理，据此可以便捷规范的建立xml格式的想定描述文件，并对建立的xml格式的想定描述文件进行格式验证。完成验证的xml格式的想定描述文件可以在不同军事仿真系统中通用。

图3 作战单位的描述规范Fig.3 Description standard of a military unit

2.3 实验验证

为了验证本文提出的适用我国军事想定形式化描述方法的可用性和有效性，在多兵种联合仿真实验平台上进行了实验。

在多兵种联合仿真实验中，以KD－RTI系统为视景仿真部分的基础平台，构建了具有图形界面的想定描述和信息交流的基础平台，如图4所示。

图4 想定描述和信息交流的基础平台Fig.4 Basic platform of scenario description and information exchange

在实验中想定的创建是通过在窗口中填写参数并在后台自动转化为xml格式的想定文件来实现的。本实验对用于互联互通的指控命令、请求和报告三大类规范进行了定义和传送。对于命令，从它的命令ID、命令目的、命令发生时间、命令发出者、命令接收者、作战任务等方面对其描述和表达方式进行了说明和规范，对于其中的作战任务，按照5Ws的描述原则，对作战任务的执行者、发生地点、开始时间、结束时间、任务的行为、行为的承受者、发生原因进行了描述，形成了军事想定中命令的描述规范，在实验平台中这些规范是想定文件内容和格式的验证文件。在这些描述规范的基础上，命令和请求的发送者可以在可视化窗口界面填写如作战单位、作战时间、作战地点等参数，在后台以命令或者请求的描述规范为参考自动转化为如图5所示的xml格式的想定文档，以便于它们的传输，而命令或者请求接收者的接收平台也有同样的想定描述规范，可将接收的xml格式的想定文件中的想定参数自动地提取出来，并在平台的可视化窗口里显示，以供接收者查看，这样就实现了军事想定在不同仿真平台之间的上传和下达。

在本实验中，命令和请求在红蓝双方之间进行了传递，并得到了正确的解析，实现了军事想定在多兵种仿真模块之间的共享和语义解析，同时在不同仿真模块之间实现了互联互通。

图5 命令想定的简要描述Fig.5 Brief description of an order scenario

3 结束语

本文提出的基于概念知识树的想定描述方法，从元素层、事件层和想定层对军事想定进行了描述，形成了适用于军情的军事想定的统一描述规范。在提取军事想定描述元素形成概念时，以军事想定描述需求为依据，解决了MSDL不符合我国军事系统的问题;在具体描述时，以概念知识树知识表达模型为知识表达和组织的模型，并使用5Ws和MSDL框架对知识表达模型中的概念和知识进行描述，增加了想定描述规范的语义信息，解决了MSDL缺少组织性和语义信息的问题。这样的得到的军事想定描述规范可以在军事仿真系统中通用，且具有较丰富的语义信息。通过多兵种联合仿真实验也验证了该描述方法的有效性和可用性。

当然该方法也具有一定的不足，如利用5Ws对概念进行描述，虽然满足了现在军事仿真对想定描述的需求，但是它面向的是比较宏观的任务和方法，所描述的想定不够细致。为了更细致的描述和刻画想定，以满足将来军事仿真对想定描述更高的需求，在该方法描述的基础上，还需要对其进行进一步的深入研究。

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