基于时空查询的战场态势辅助分析系统*

包 磊，孙越林，秦小麟

（1.海军工程大学电子工程学院，武汉 430033；2.南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京 210016）

基于时空查询的战场态势辅助分析系统*

包 磊1，孙越林1，秦小麟2

（1.海军工程大学电子工程学院，武汉 430033；2.南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京 210016）

针对战场态势评估问题，提出了一种基于时空查询的态势辅助分析系统实现框架，通过对事件的时空运动关系以及关系的演变情况进行自由查询分析，辅助决策人员实现态势感知。基于实现框架实现了演示验证系统并给出了部分演示结果。作为一种通用态势辅助分析技术，可用于各平台、层次指挥系统以及训练模拟系统，还可为其他作战应用软件提供数据支持，进而推动领域内技术发展。

态势评估，决策支持系统，时空数据库，时空查询

0 引言

态势的辅助分析指在态势理解过程中，可提供给指挥人员使用的一系列辅助手段。在态势要素的提取过程中、在态势理解的假说生成过程中，由于战场数据尤其是时空数据的海量特性，指挥人员需要有大量的决策支持手段，辅助其快速高效地完成态势的觉察与理解。这些手段不仅包括可视化的战场显示，还有建立在态势分析计算之上的查询分析手段。由于态势评估是一种接近于人的思维的计算过程，涉及到众多的因素、参数和观点，与之相关的运算多为语义层次的符号推理，通过直接计算模型获得的自动评估结果存在效果差，可信度不高的问题［1］。由多种辅助分析手段构成的决策支持环境和指挥人员共同构成的半自动化指挥决策模式应当是当前的研究主流。本文给出一种基于时空查询分析的战场态势辅助分析支持环境实现框架，可以提供自由度高的态势辅助分析能力。

1 基于时空查询的态势辅助分析能力

1.1 态势数据时空分析的复杂性

由于数量庞大，态势数据难以被充分利用、分享、分析和具体化。一般地，指挥决策人员的数据阅读和理解能力是非常有限的，有研究表明一般人均日阅读时间通常为30 min～45 min，只能浏览一份24版的报纸［2］，而战场中各类传感器却在每时每刻不断产生巨大数据量，目前的态势数据库系统可以实现态势时空数据的录入、修改、统计、查询等显性功能，却无法发现隐藏在数据背后的隐性知识，对时空数据的深层次处理功能比较薄弱。态势数据仅能进行显示，基本没有相应的分析系统，有用数据被埋没，隐含的价值被遮蔽。如何理解态势数据，如何从数据中提取信息，如何把数据转变为能够最终可用的知识，实现应有的数据价值，已成为态势评估的瓶颈［3］。图1给出的是亚丁湾南部航道附近24 h内的模拟态势数据，图中商船、护航军舰以及渔船的运动轨迹构成复杂的态势，仅通过显示而不借助相关分析能力是很难对这样的态势进行理解分析，找到疑似海盗船只的。

1.2 时空查询的态势信息获取能力

战场态势实体间存在着多种时间、空间关系，通过时空关系查询和定位战场实体是战场态势辅助分析的重要功能之一。时空查询依据时空关系来查询和定位战场实体，通常包括几何拓扑查询（圆形、矩形、多边形等）、属性条件查询、时空位置查询以及查询结果统计分析等［4］。战场态势数据规模大、版本多、随时间不断累积且使用期很短，仅限于目标发现至融合后上显一段时间，很少也很难在其后进行有效利用。然而研究表明这些数据中蕴含大量可用于辅助指挥员指挥决策的信息，有用的信息不仅来自于当前时刻的态势，还蕴含在前几分钟、几小时，甚至几天几年前的历史态势中［5］。例如“在近期的演习中，似有规律表明若某区域内有敌军潜艇活动，则其反潜巡逻机就不在该区域内活动，能否将此规律与过去3年内的已知数据进行比对，给出分析结果？”对于此类分析需求，可采用基本时空拓扑关系查询和复合的时空查询来进行检索和分析。

1.3 时空查询的态势辅助分析能力

基本时空拓扑关系查询是针对战场环境中某一时刻点空间拓扑关系的查询操作，所有复杂的时空查询需求都是以基本时空分析作为态势分析的底层支撑。此类基本时空查询主要是通过对指挥员所感兴趣的战场目标进行查询，在空间、时间某一属性确定的前提下，根据战场目标的运动状态，分析得到其他属性的情况。例如“查询我方作战目标A在何时能够到达作战区域B”，“查询我方作战目标A在5 min后会进入哪个作战区域X”。

复合的时空查询需求是以基本的时空拓扑关系查询为原则，将复合的时空分析查询解释为有序的基本时空拓扑关系序列，根据指挥员对战场目标对象或目标区域随着时间的推移，而发生运动状态改变的查询需求，分析得到各作战目标相互间的态势信息。通过这样的技术手段可以允许指挥员从不同视角和不同时间段对战场态势进行查询调阅，并对结果进行相互比较，从而获取新的态势认知和战场规律。例如“查询敌方作战目标B在5 min后是否会对我方作战目标A构成威胁”，“查询未来3 min后所有将威胁到我方目标A的敌方目标”，“查询1 000时刻所有相互距离不超过1 000 m的目标”。例如“查询我方作战目标A从起飞到返航时间段内所有曾经威胁到它的敌方目标”，“查询未来10 min内有可能威胁到我方目标A的所有目标”，“查询曾经相互距离不超过1 000 m的所有目标”。

从需求上看，现阶段的战场态势辅助分析环境需要对战场数据的统一管理、多维复杂信息的快速检索与浏览以及复杂环境下的快速计算着重进行研究，而不是单单强调对态势的可视化表达研究的重要性。基于时空数据库技术的数据引擎能够对战场上多维数据进行统一管理，并为指挥员提供多维时空查询、网络分析以及时空匹配分析等辅助分析能力，而不局限于地理信息系统提供的图上量算等初级功能，适用于战场态势辅助分析系统底层支持。

为此，提出了一种基于时空数据引擎的态势辅助分析系统实现方案，将指挥员的态势评估需求、态势分析中危机的识别统一解释为时空查询或者时空查询的组合，这种方法立足于战场态势数据的统一管理，有助于提高态势辅助分析环境的自由度以及一致性。

2 基于时空查询的态势辅助分析框架设计

2.1 总体框架

通过对战场态势辅助分析需求的分析，基于时空查询的态势辅助分析环境应建立在时空数据统一管理的基础上，提供自由度大的交互性好的以半自动辅助分析为主，自动监控与事件检测为辅的态势分析能力。其实现框架包括时空数据管理引擎，时空查询交互接口与态势辅助监控3部分组成，如图2所示。

图2 中，战场态势情报信息接口生成态势目标数据，结合时空不确定性处理方法和时空运动关系的推理机制，生成态势目标的时空数据结构化模型。时空数据管理基于时空数据引擎，组织时空数据的存储结构、索引机制及查询处理机制，为用户的时空查询和态势评估提供数据支持。依据态势事件的解释规则，可将战场态势事件解释为一系列时空关系的组合，进而转化为对应的时空数据查询语句，通过把这些查询提交时空数据引擎，可根据查询结果作出相应的分析。时空数据查询交互接口的任务有二：一是时空数据表示，对时空查询结果进行图形化演示；二是提供交互式查询手段，以图形化的输入手段来代替数据输入，如拉框查询，拖拉时间轴等。

2.2 时空数据库引擎实现

目前还没有可用的商用时空数据库系统，针对战场态势数据的特点，为了处理时空查询，需要研究独有的时空数据类型，用于表示各类战场态势时空数据对象。现有的数据库管理系统只给用户提供数量固定的类型集合，没有从数据库的底层对战场各类时空数据类型给予支持。可行的方式是在可扩充数据引擎的基础上，扩展基本数据类型和空间数据类型，定义各种类型并设计相关操作集合。

如图3所示，实现时空数据库引擎的步骤分两步实施，一是在空间数据引擎的基础上扩充数据类型，引入时空数据类型；二是针对扩充引入扩充类型，基于空间分析算子，实现相应时空分析操作。系统数据类型包括基本数据类型、空间数据类型以及时空数据类型等。其中基本数据类型和基本空间数据类型由Oracle提供，系统在这些基本类型基础上，扩充并实现了时空数据类型，并且考虑到态势分析中的不确定性，提供了能容忍和表示不确定性的相应数据类型。如表1所示。

Oracle提供了点、线以及区域等空间数据类型，在这些基本空间数据类型的基础上利用提供的可扩充接口，组织历史数据和现势数据，建立时空数据类型。图4给出了利用历史和现势数据实现基本时空数据类型的示意。

系统以空间二叉平衡树（SAVL）组织基本元素，使用静态双向链表记录空间构成成份以方便拓扑分析。空间类型Point、Line、Region的基本元素序列以空间平衡树（Spatial AVL-tree，SAVL）组织。

2.3 态势事件查询分析

危机事件是那些可能造成重大后果的战场关键事件，一般为复合事件，这类事件如不及时处理，一般都会造成重大损失，是需要引起指挥员特别关注的重要事件。针对这些可由对象时空关系表示的危机事件，可通过时空查询进行检测，将结果提交指挥员进行进一步处理。

如图4所示，时空数据库查询引擎提供了对基本时空查询的支持，通过定义基本时空事件的连接谓词，可以构造复杂危机事件并将其解释为可由数据库查询引擎支持的时空数据查询指令序列，通过将查询指令提交数据引擎执行，实现对复杂时空事件的检测［6］。

在与后台数据引擎查询过程中，采用SQL语句作为交互方式，由于传统SQL语句不支持空间、时空查询，依据标准SQL文法，系统设计了对应时空查询的文法结构，规定了其时空查询SQL语句格式。

3 基于时空查询的态势辅助分析系统演示

根据设计的态势辅助分析框架，对基于时空查询的态势辅助分析能力进行了演示验证。

3.1 场景设计

演示验证原型系统以亚丁湾联合护航编队的辅助分析为应用案例，用于在复杂环境中分析海盗船行为。基于各种传感器数据融合后形成的态势信息，以时空数据查询的方式对可疑海盗船行为进行查询分析，从大量渔船中分离筛选出可疑海盗船；对存在危险的合法商船进行预警；对整个国际护航编队的护航行动或计划进行时空分析后获得护航盲区位置，辅助编队指挥人员决策。

研究建立了测试用库，其中设置了模拟数据，时空对象实体包括军舰、商船、渔船、海盗船、国际推荐航道，各舰船使用运动点对象存储，国际推荐航道、军舰保护区域、海盗船威胁区域使用运动区域对象存储。国际推荐航道为半径2 n mile的沿岸狭长区域；军舰保护区域、海盗船威胁区域分别为军舰、海盗船为中心，以一定半径形成的圆形区域。

各类舰船数据使用编写的索马里海域舰船数据模拟生成程序产生xml数据文件，使用数据管理功能批量导入编队态势辅助分析演示验证原型系统。所有时空数据跨度24 h，时间切片粒度为10 min，每个时空对象实体具有144个时空快照。根据各类舰船行为模拟产生了南岸各国护航军舰20艘、通行商船100艘和1 000艘身份不明的渔船。各类船只的最大速度按实际情况设置。

显示区域红色点表示军舰，黄色点表示商船，白色点表示身份未知的这种渔船，蓝色点表示分析得到的可疑海盗船（初始条件下没有发现海盗，通过对海量渔船数据进行时空连接查询得到可疑可疑海盗船），绿色透明狭长区域为国际推荐航道（国际推荐航道主要有南北两条，系统中只对南岸的一条主要航道进行显示和分析）。

3.2 态势时空查询与辅助分析示例演示

系统的核心功能在于时空查询分析，下面对其中一些时空查询应用进行演示。

3.2.1 时空选择查询

例：返回当前位于某舰保护区域R内的所有目标？

查询：

说明：查询通过空间分析操作inside返回当前时刻保护区域R内部的所有目标。

3.2.2 时空投影查询

例：返回可疑渔船001的运动轨迹？

查询：

说明：trajectory操作返回不确定性运动点在xy平面上的投影。

与时空选择查询组合，时空投影查询对选择结果可以进一步进行筛选，构成更复杂的查询。

3.2.3 时空连接查询

例：返回当前相互威胁的目标？

查询：

说明：“相互威胁”指两目标相互位于对方的危险区域内。在目标的空间位置信息上，发生连接，连接操作由空间谓词Contain实现。

3.2.4 复合事件查询

在基本时空查询的基础上根据护航行动的特殊需求，将基本时空查询服务进行复合组合，得到面向具体应用的定制功能。下面给出的各类危机事件只是我们在验证系统中初步建立的一些简单事件判定规则，在实际系统中，完全可以根据专家知识，重新建立更加精细的事件判定准则，将这些准则转化为相应的时空查询进行执行。

例：查询海域Rect内的可疑的海盗?

查询：

说明：海盗船只一般速度较快，且作案前会跟随目标一段时间，因此，这里对海盗船只的时空定义为“目标最高速度大于20 kn且与商船距离小于5 000 m的最大持续时间大于20 min，或累计持续时间超过1 h”。查询中的Duration为时空谓词，返回时空实体或者关系的时间投影，MAX，SUM为聚集函数求出时间数组中的最大值与总和。关于“可疑海盗船”不同的时空定义，所得的结果也不相同，可以根据专家意见对海盗船的定义进行灵活修改，体现出时空数据库应用于辅助决策系统时的灵活性。图7中显示的是对海盗群的检测结果。

例：查询海域Rect内的危险商船？

查询：

说明：“危险商船”指处在可疑海盗船作案范围内且距离最临近军舰较远，短时间军舰无法前往援助的商船。图8中显示的是对处于危险中的商船的检测结果，这里的时空判定查询准则为：“航道内，处于所有护航舰艇在1 h内都无法覆盖到的区域内的所有商船”。

4 结束语

在作战指挥活动中，理解与识别态势是指挥人员面临的最大的挑战。基于时空查询分析的态势辅助分析技术可以为指挥人员提供一种自由度高的手段，帮助指挥人员理解态势，从而快速形成决策。与固化功能的辅助分析或战术计算系统不同，基于时空查询分析系统的辅助分析能力是可自由扩充的，只要指挥员能明确给出所需要查询事件的时空关系，系统都可给出对应的分析计算结果，因此系统提供的是一个自由度高的辅助分析手段，而不是固化的绑定在特定应用任务背景下的分析能力。系统完全可以不加修改直接工作在其他作战任务背景下。

［1］Lambert D A.Situations for Situation Awareness［C］//7-th International Conference on Information Fusion，2010（1）：507-513.

［2］Caroline E Z，Lee R B，Gary K.A Literature Review of Analytical and Naturalistic Decision Making［R］.Technical Report，Naval Command，Control and Ocean Surveillance Center Research，Development，Test，and Evaluation Division，2010.

［3］Carling R L.Naval Situation Assessment Using a Real-time Knowledge-Based System［J］.Naval Engineering Journal，ASNE，2010，111（3）:173-187.

［4］吴霁.态势评估关键技术的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2006.

［5］Niki P，Ivan R，Kia M.Spatio-Temporal Modeling in Video and Multimedia Geographic Information Systems［J］.GeoInformatica，2010，5（4）:375-409.

［6］姚春燕.战术态势评估中时空推理理论与技术研究［D］.长沙：国防科技大学，2008.

A Situation Evaluation Support System Based on Spatiotemporal Data Queries

BAO Lei1，SUN Yue-lin1，QIN Xiao-lin2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.Information Science and Technology Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A situation evaluation support technology based on spatiotemporal data queries is introduced，which can help maintaining situation awareness by providing free queries on spatiotemporal relationships between battlefield events.The architecture of situation awareness system based on spatiotemporal data engine is presented as well as some demonstration of a prototype system are shown. The research provided an efficient approach for situation evaluation，can support the command and control system or training simulation systems.

situation evaluation，dicision support，spatiotemporal database，spatiotemporal query

TJ630

A

1002-0640（2015）09-0006-05

2014-08-02

2014-09-11

国家“八六三”创新基金（2010AAJ168）；湖北省自然科学基金资助项目（2011CDB053）；获国防科技二等奖

包 磊（1977- ），男，天津人，教授，博士。研究方向：现代数据库技术、军事数据工程。