基于栅格订阅机制的作战态势建模与仿真

郑 虎，蒋序平，何 川

（中国人民解放军国防信息学院 湖北 武汉 430010）

作战态势，即作战区域空间内的战场环境和兵力分布的当前状态和发展变化的趋势。现代战争呈现出爆发突然、地域扩大、信息剧增等特点，地图标绘、沙盘作业和兵棋推演等传统的作战态势模拟方式逐渐暴露出建立时间长、制作成本高、精度低、更改困难等问题，已经很难满足现实需求[1]。随着计算机网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展与成熟，人们开始更多的采用计算机建模与仿真技术对作战态势进行模拟。

国外对战场态势建模与仿真的研发工作开始于上世纪80年代，美军最早开发的SIMENT系统是一个低价格的、网络化的分布式虚拟战场态势系统，它为之后态势研究奠定了基础。近来，各国都在作战态势仿真方面取得了一些成果，典型的如美国海军研究院开发的NPSNET系统、瑞典计算机科学研究所的DIVE系统、新加坡国立大学的BrichNet/NetEffect、加拿大Albet大学的MR工具库、美国弗古尼亚大学的DIVER系统等[2]。在国内比较有代表性的研究是分布式虚拟战场环境（DVENET）。它是北京航空航天大学与国防科技大学、浙江大学等单位共同开发的一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟环境基础信息平台[3]，通过该平台开发的虚拟战场环境可以支持对抗性的战术仿真演练。

从目前的国内外有关研究来看，在态势建模方面，现有的作战态势模型均自成体系，模型结构各异，系统互操作困难；在态势分发方面，现有研究大多侧重于态势的实时逼真显示，并尝试用态势图的形式表现整体态势，对不同用户针对态势数据的个性化需求重视不够。为此，本文提出了一种新的基于态势栅格订阅机制的作战态势建模与仿真技术。该技术使用栅格化的态势数据建模方法，提出一种通用的态势描述结构，确保不同作战态势类型的模型结构上的统一性和一致性，方便模型重用和系统互操作；在统一栅格结构建模的基础上，进一步采用“用户-栅格-事件”相对应的订阅方式实现态势模拟和数据分发，这种态势栅格订阅机制能够按态势数据用户的个性化订阅要求，根据指定的态势状态和事件变化条件，为用户定制分发对应的态势数据，提升了态势模拟和数据分发的效率。本文所提出的基于栅格订阅机制的作战态势建模与仿真技术具有统一栅格结构的态势模型，能按用户订阅需求进行态势数据模拟和分发，为作战态势建模与仿真研究提供了新的研究思路和简洁高效、便于操作的解决方案。

1 作战态势统一栅格结构建模

作战态势建模与仿真通常是作战仿真研究的一部分。态势模型在仿真引擎的调度下，模拟作战态势的生成、变化直至稳定的过程，并为作战仿真提供运行所需的态势数据。态势模型的构建是作战态势仿真的基础，本节使用栅格化的态势数据建模方法，提出一种通用的态势描述结构，即作战态势统一栅格结构，确保不同作战态势类型的模型结构上的统一性和一致性，方便模型重用和系统互操作。

1.1 概念模型

从作战态势的概念看，可以把作战态势看作是战场空间内所有态势向量的集合。态势向量从不同的角度反映态势的内容。态势向量是组成战场态势的基本单元，是独立的、可定量或定性描述的、可按规则组合的[4]。态势向量具有若干属性，属性表征了态势向量的性质和特征，如部队这一态势向量具有部队番号、作战编成、人员、武器装备等属性。态势向量的属性值即人们所关注的态势信息。作战态势与态势向量之间的关系如图1所示。

图1 作战态势、态势向量关系图Fig.1 Combat situation，situation of vector diagram

态势向量可以按照所表现的内容进行分类，一般来说可将态势向量分为4类：自然环境类态势、社会环境类态势、电磁环境类态势、战场敌我类态势。各类态势的含义及主要包含内容如表1所示。在进行作战仿真时，用户可根据需要选择生成其中一类或几类态势。

表1 态势分类及内容说明Tab.1 Situation classification and description

进行态势建模时可根据态势分类，分别为每一类态势建立模型，各态势模型独立的表现一类态势信息。通过各态势模型的叠加，就能得到完整的作战态势。态势模型是态势向量模型的容器，是该类型所有态势向量模型的集合。

1.2 数据模型

态势模型的数据结构一般有两种实现方法。一种是矢量法，矢量法是通过坐标值来精确的表现点、线、面等实体的方法，可以描述各种复杂的实体，特别是可以线性描述的实体，并具有冗余度低、结构紧凑、经度高、质量好的特点。但是矢量法算法实现较为复杂、建立模型困难并且难于模糊化处理[5]。另一种是栅格法，栅格法用规则的网格阵列来量化态势信息，战场中的每一个位置的态势信息都可以用网格的一个格子来描述。栅格法存储的数据结构简单，定位存取性能好，方便搜索、查询和维护[6]。从数据维护的成本、操作的时效性、算法的易实现性等方面考虑，本文的研究采用栅格法的模型数据结构。

使用栅格可以将作战区域按大小相等的栅格进行划分，是空间数据的一种有效的表达。使用栅格可以快速定位，并能轻松的实现栅格坐标与地理经纬度坐标之间的转换，还可以简便的实现距离计算、面积计算和栅格内数据的动态分析等。根据2.1节态势分类建模设计，可将用栅格法表示的态势模型示意如图2。

图中按态势分类建立了4个态势模型，然后分别对每个模型进行栅格化处理。研究者可以通过对栅格大小的定义，设置各态势模型的分辨率。

经过栅格化处理形成的栅格，都具有位置和数据两个属性。栅格坐标即栅格位置属性，是在态势模型栅格化时自动生成的，可以对栅格进行标识。栅格的数据属性是栅格所存储的态势向量数据，即在该栅格区域范围内的态势向量的取值。相邻栅格可以通过一定的合并算法进行组合，经组合后的栅格可描述更大区域的态势信息。

图2 栅格模型示意图Fig.2 Schematic diagram of raster model

1.3 统一栅格结构的形式化定义

若将作战区域内的自然态势表示为SN，假设自然态势共具有 m个态势向量，分别为 V1、V2…Vm，则

将坐标为（Xi，Yj）的栅格内的态势向量 Vn表示为，则可用图3的模型结构表示。

图3 态势向量结构模型图Fig.3 State vector structure model diagram

作战区域内态势向量Vn可表示为

上式中a，b代表作战区域的最右上角的栅格分别在X轴，Y轴的坐标值。式中Σ并不是简单的求和计算，而是通过对具有相同态势向量值的栅格进行合并计算最终得到区域态势信息。同理，为满足用户对于某特定区域的态势向量的订阅需求，只需将该区域所覆盖栅格的态势向量如上式进行态势合并计算。

2 基于栅格订阅机制的作战态势仿真

本节在统一栅格结构的态势模型的基础上，设计基于栅格订阅机制的作战态势仿真流程。态势仿真时必须支持两个流程：一是态势生成及变化流程，即按想定要求生成态势数据和事件序列，控制事件发生，并计算事件对态势的影响；二是态势订阅流程，即接收并存储用户订阅，按订阅要求返回态势信息。

2.1 态势生成及变化仿真流程设计

如图4所示，态势的生成及变化的仿真流程具体说明如下：

1）利用态势模型，按照想定内容配置初始态势状态及态势状态的变化情况（用事件表示），并将配置的结果生成为态势规范描述文件；

图4 态势生成及变化流程图Fig.4 Generating situation and change the flow chart

2）态势模拟仿真的过程即解析和执行态势规范描述文件，态势模型按照想定文件描述，对模型内的栅格依次赋值，生成态势的初始状态。态势模拟仿真需控制事件发生的时序，当有事件发生时，通过计算得到受事件影响的栅格内的态势向量值变化，生成新的态势，然后等待下一个事件的发生，直至事件序列执行结束；

3）态势的生成及态势变化过程均以可视化的方式态势呈现，按时间序列呈现态势及事件。

2.2 态势订阅仿真流程设计

如图5所示，态势订阅仿真流程具体说明如下：

1）态势数据用户（即作战仿真系统中需要使用态势数据的模块）根据对态势数据的个性化需求，生成订阅消息后发送至态势模拟模块；

2）态势模拟模块解析订阅消息并生成订阅记录；

3）当态势状态发生变化时（事件发生时），态势模拟模块将改变后的态势数据与订阅记录进行匹配，若满足订阅条件，则生成态势信息消息并实时发送至用户模块。

图5 态势订阅流程图Fig.5 Situation of subscription flow chart

3 支持栅格订阅机制的态势模拟系统的设计与实现

在前面两节研究的基础上，本文还设计与实现了一个支持支持栅格订阅机制的态势模拟系统。

3.1 组件设计

通过态势的概念建模可知，态势模拟系统中应有4个模型实体，分别为自然环境态势模型、社会环境态势模型、电磁环境态势模型和战场敌我态势模型。根据对3.2节的仿真流程图分析，态势模拟系统的主要功能有态势生成、事件管理、订阅管理、事件处置等。通过泳道可以看出，与态势模拟系统有信息交互的有用户端、想定生成系统和态势显示系统，分别为其设计接口：订阅接口、想定接口、显示接口。态势模拟系统的组件结构如图6所示。

图6 态势模拟系统组件结构图Fig.6 Simulation system component structure situation

3.2 组件交互设计

仿真过程中态势模拟系统各组件之间的交互时序设计如图7所示。仿真以想定接口传入态势想定文件开始，以态势模型实体返回用户订阅的态势信息结束。各组件之间依靠消息进行信息交互。

3.3 系统实现

根据以上分析与设计，最后对基于栅格订阅机制的态势模拟系统实现如图8。其中SitationModel是态势模型的父模型，通过对其继承可以得到各子态势模型实体。SitationModel中属性gridList以栅格的形式对态势向量数据进行存储，栅格的大小由gridLength这一属性决定。SitationModel还可以完成事件计算、订阅记录创建、态势合并和态势改变操作。EventManger负责事件的生成与控制，并向SitationModel发送事件消息。

图7 态势模拟系统组件交互时序图Fig.7 Situation simulation system component interaction sequence diagram

图8 态势模拟系统实现Fig.8 The system realization situation simulation

4 结 论

文中提出了一种基于栅格订阅机制的作战态势建模与仿真技术，首先构建了作战态势的概念模型和数据模型，之后分析了支持栅格订阅机制的态势仿真流程，最后设计并实现了一个可用于支持作战仿真的态势模拟系统。本文所提出的基于栅格订阅机制的作战态势建模与仿真技术可构建标准化的态势模型，提供满足用户订阅需求的态势信息，为态势建模与仿真研究提供新的研究思路和简洁高效、便于操作的解决方案。下一步研究工作是：基于本文所提出技术的想定生成技术及其实现方法的研究。

[1]吴鹏，祝江汉，邱涤珊，等.作战态势推演系统研究[J].装备指挥技术学院学报，2005（2）:39-42.WU Peng，ZHU Jiang-han，QIU Di-shan，et al.Study on operational situation simulation system[J].Journal of the Academy of Equipment Command&Technology，2005（2）:39-42.

[2]杨毅.虚拟战场环境仿真系统的设计与实现 [D].重庆：重庆大学，2009.

[3]李明.基于CROBA的态势推演系统的设计与实现[D].长沙：国防科学技术大学，2007.

[4]董志明，郭齐胜，等.战场环境建模与仿真[M].北京：国防工业出版社，2013.

[5]郭齐胜，董志明.战场环境仿真[M].北京：国防工业出版社，2005.

[6]王家耀，华一新.军事地理信息系统[M].北京：解放军出版社，1997.