基于面向对象思想的作战单位形式化描述方法*1



基于面向对象思想的作战单位形式化描述方法*1

武利娟，陈琳，刘西，高一波

(中国科学院 自动化研究所，北京100190)

摘要：为了使各军事仿真系统一致地理解作战单位的含义和能力，对作战单位的形式化描述方法进行了深入的研究，提出了一种基于面向对象思想的作战单位形式化描述方法。首先，分析作战单位的属性和构成，对其属性进行抽象和封装，得到作战单位类的静态属性，进而形成作战单位的描述规范；然后，为了使其可以在不同分辨率的系统平台上应用，在描述规范的基础上，采用聚合方法对作战单位之间的动态关系进行描述，得到作战单位类的动态方法，并给出了适用于该描述规范的作战单位聚合方法；最后在一体化仿真系统中应用了所提出的作战单位描述方法，证明了该描述方法的可用性和有效性。

关键词：作战单位；描述规范；聚合方法；面向对象

0引言

随着时代和计算机水平的发展，使用计算机模拟军事训练以提高部队战斗能力、评估作战效能已成为一种重要的手段。作战单位是指能够独立完成作战任务的编制单位[1]，是军事训练和作战仿真中具有能动性的主体，是作战方法的实施者和承受者，也是仿真训练的对象，对作战效果具有决定性作用，所以在军事训练仿真系统中对其描述的有效性和准确性至关重要。

目前对作战单位的研究主要集中在聚合解聚、战斗能力及其在作战过程中战斗力变化的研究，如空军指挥学院的李明忠、毕长剑等论述了模型聚合与解聚的基本原理，并给出了模型交换的基本原则[2]；吴俊、杨峰等提出的高技术条件下海滨作战的陆海战斗模型[3]和信息化战争下广义兰切斯特作战模型[4]；李新其、毕义明、李红霞提出了基于网络中心战为背景的Lanchester导弹战斗模型[5]等。对其描述规范的研究很少，主要通过建立军事模型来实现，如马亚平、李珂对联合作战模拟系统中军事模型体系结构的研究[6]，但是各研究单位都是根据各自的仿真需求建立的作战单位模型，针对性很强，没有形成统一的作战单位模型，这使得建立的作战单位模型只能在自身的系统中使用，无法通用和互操作，因此，在一体化仿真系统中模拟同一作战单位时，需要根据仿真系统的要求多次建立该单位的模型，在这个过程中由于建模人员的理解不同，可能会出现偏差和不同，导致仿真结果的偏离，失去意义，这严重影响了军事仿真建模技术的发展，建立作战单位的描述规范的需求非常迫切。

虽然完全针对作战单位规范化描述的研究不多，但是包括作战单位描述的针对作战态势和指控命令的规范化研究已经取得了一定的成就，尤其是美军于1998年提出的作战管理语言(battle management language，BML)[7-11],它是一种无歧义作战描述语言，可用于指挥控制部队与装备执行军事行动，提供态势感知和共享信息，已得到了广泛的认可。虽然BML主要侧重于对作战计划和命令指挥控制、交互和共享的研究[12]，对作战单位的描述较为简单，但是其对作战计划和命令建立描述规范的方法和思想为作战单位的研究提供了思路和参考。

为了避免在一体化仿真系统中共用同一作战单位时出现上述问题，使描述的作战单位可以通用，本文提出了一种基于面向对象思想的作战单位描述方法，为建立作战单位的描述标准提供参考。该方法借鉴面向对象的核心思想，以对象的角度看待作战单位，对其进行描述[13-14]，即：首先对作战单位的各项属性及其属性之间的关系进行研究，经分类、抽象和封装后获得作战单位类的静态属性，并形成了作战单位的描述规范；然后采用聚合方法[15]描述作战单位对象之间的关系，给出了由底层(平台级)作战单位属性值计算高层(即聚合级)作战单位属性值的计算方法，实现由底层到高层作战单位的聚合；最后在一体化仿真系统中，对该描述方法的正确性和有效性进行了验证。

1作战单位类静态属性的描述

在军事仿真系统尤其是联合军事仿真系统中，涉及到的军事单位包括海陆空和第二炮兵等各类兵种，种类繁多、数量庞大，为了便于实现及其在作战和训练仿真过程中通用，本文对各类作战单位进行简化、抽象、封装并层次化，获得作战单位类的静态属性，形成作战单位描述规范。

建立作战单位的描述规范的过程就是对各类作战单位的基本属性、技术指标以及作战能力等属性信息进行抽象、分类和组织获得作战单位类静态属性的过程。对作战单位基本属性、效能指标、位置信息等属性进行分析，并对其进行抽象、组织和分类，可将其分为5类，即：

(1) 基本属性：作战单位的标识、本身特性和固有属性等。包括的具体属性有：标识ID、名称、兵种、等级、密级、所属方、是否加强、上级单位、所属兵力阵营、是否为指挥单位、指挥单位、通信网、拥有的武器、拥有的弹药、拥有的设备、反应时间和人员构成等。

(2) 空间属性：作战单位的位置、形状、队形等。包括的具体属性为：物理位置、阵型、在上级阵型中的相对位置等。

(3) 效能属性：作战单位所能发挥的作战相关的能力及其可对其他单位或环境造成的影响。本文通过作战单位的战斗力来体现作战单位的作战效能，所以其具体属性包括：信息力，即信息获取、控制和使用的能力，信息力越强，作战单位在作战过程中越能抢占先机；攻击能力，即消灭敌人的能力，攻击能力越强，越能把握战机；防御能力，即在作战过程中阻止敌军伤害、消灭自己的能力，防御能力越强，越能减少战术或战役漏洞，进而减少被偷袭或消灭的可能性；爆发力，即作战任务下达后，瞬间产生的作战能力，爆发力越强，越能快速命中目标；杀伤力，即命中目标后对敌军造成的影响，杀伤力越大越能击中敌军要害；保障能力，即作战过程中后援或后勤的保障能力，保障能力越强，作战单位在作战过程中越没有后顾之忧。这些作战能力需要通过作战单位的具体武器、设备等来衡量和计算，如，信息力的值要根据作战单位所拥有的通信网以及通信网的通信性能和通信人员及通信人员的反应速度等来得到。

(4) 行为属性：作战单位的机动、射击等可以实施的与作战相关的动作；包括的具体属性为：机动、射击、待命、支援、撤离等作战行为和动作。在描述规范中，只对机动行为中作战单位通用行为属性如速度、方向等进行详细描述，对于具体行为动作，则为每个行为分配一个行为ID，在实际应用中，通过引用行为ID实现行为属性的描述。

(5) 任务属性：作战单位已承担、现在承担或将要承担的任务及其相应的完成情况。包括的具体任务属性为：任务完成状态、预期完成时间、实际完成时间、预期结果、实际结果等，对于任务预期结果和实际结果，需对其损失程度、消灭敌军数量、消耗弹药等属性参数进行描述。

经抽象和封装，这5类属性形成作战单位的5个基类，它们分别是基本属性类、空军属性类、效能属性类、行为属性类和任务属性类。分析各属性类之间的层级关系，对每层属性及属性值进行封装，上下层级属性进行继承，完成对这5个基类之间关系的描述，就得到了作战单位类的静态属性，作战单位类包含属性之间关系的定义和组织，以及它们出现的顺序和频率等。除此之外，对作战单位类中的每个属性的封装还包括属性的约束定义，属性的约束主要包括数据类型、字符串组合方式、字符串长度、数值大小等。

为了使描述的作战单位可以在不同的仿真系统中通用，能够被快速有效的解析，本文采用XML Schema设计环境对作战单位的静态属性进行实现。首先,对作战单位类中各静态属性之间的关系进行描述，得到作战单位描述规范的基本框架，如图1所示是以“作战单位”为根节点的作战单位描述框架。

在作战单位描述规范的基本框架中，各属性层级之间的关系表示的各属性基类之间的继承关系；叶子节点表示的是基类包含的属性，每个节点下一级的节点是该节点对应基类的静态属性；节点下方的数字定义是属性可出现的频数；非叶子节点后方的组合方式定义了其包含属性的组合方式和排列顺序。然后，在描述框架的基础上，对每个元素进行详细的约束定义，也就是对作战单位类静态属性的约束定义进行描述， 即对与基类静态属性相对应的叶子节点进行定义，主要包括节点的数据类型、字符串组合方式、字符串长度、数值大小等，如图2所示为规范约束定义的一部分，最后得到完善的作战单位描述规范。

图1　作战单位描述规范框架Fig.1　Description standard frame of a military unit

图2　规范中的部分约束定义Fig.2　Constraint definition in description standard

2基于聚合方法的动态属性描述

在一体化军事仿真系统中，参与作战的对象包括不同级别或层次的作战单位(如坦克营与坦克连之间交战)，因此，在仿真系统中需建立作战单位对象之间的层级及交互关系，即在作战单位类中需增加对作战单位动态属性进行描述的动态方法。本文采用聚合方法来描述作战单位之间的动态属性关系，即在作战单位描述规范的基础上，建立由底层作战单位(平台级)到高层(聚合级)作战单位的聚合方法。

本文采用数学公式和转移矩阵来描述由平台级作战单位到聚合级作战单位的聚合过程。

pi，j(t)表示单位i在t时刻第j个属性的值；si(t)表示t时刻第i个平台级作战单位实体的状态；S(t)表示t时刻聚合级作战单位实体的状态。

则平台级作战单位的状态si(t)可以表示为属性pi，j(t)的集合：

(1)

而聚合级作战单位的状态S(t)可以表示为平台级作战单位状态si(t)的集合：

(2)

式中：ai为第i个平台级作战单位的权重。

将式(1)代入式(2)可以用t时刻平台级作战单位实体的属性矩阵表示聚合级作战单位实体的状态，公式如下：

(3)

经变换可得到聚合级状态S(t)用属性矩阵和系数矩阵的积表示的公式，公式如下：

(4)

式中：A为系数矩阵；P为属性矩阵，属性矩阵P中的每一行表示一类平台级作战单位实体的属性，每一列表示不同类平台级作战单位实体的同一属性，聚合级作战单位的所有下级(平台级)单位的状态就构成了聚合级作战单位的状态。

在矩阵表示的基础上计算聚合级作战单位的属性，计算时根据属性值Pi(t)的性质将其分类处理：

(1) 若属性值Pi(t)为标识性描述(如，名称、ID等)，根据标识符的组织方式编制，然后直接赋值。

(2) 若该属性Pi(t)是可量化(如效能属性)，则取其加权平均值，即

(3) 若该属性值Pi(t)是枚举值(如，单位类型)，则合并p0i(t),p1i(t),…,pni(t) 中属性值相同项，即若pji(t)=pki(t) 则bl=aj+ak，然后找出bl中最大值对应的pli(t)，即

Pi(t)=pmax(b0,b1,…，bm)i(t).

(4) 若属性值Pi(t)是数值型的(如，单位人数)，则直接取基础单位相应属性值的和，即

Pi(t)=p0i(t)+p1i(t)+…+pni(t).

(5) 若属性值Pi(t)是单位拥有武器和设备类的属性，则按类型合并。

(6) 若属性值Pi(t)是类似于行为和任务的属性，则取基础单位相应属性值的并集。

(7) 若属性值Pi(t)是最值类(如反应时间)的属性，则取其相应最值。

(8) 若Pi(t)是其他类型的属性，则按实际情况进行计算。

最后即可得到聚合级作战单位的属性值，公式表示为

(5)

式(3)～(5)中S(t)都刻画了某一时刻聚合级作战单位实体的状态，随着作战活动的变化和时间的推移，S(t)会形成连续、生动的作战单位实体的状态。这就完成了从平台级作战单位实体到聚合级作战单位实体的聚合过程，依次通过从下级(平台级)到上级(聚合级)作战单位实体的聚合，就可以完成不同级别作战单位实体状态和交互关系的描述，即描述了作战单位对象之间的动态关系，完成了作战单位类的动态属性的描述。

3在一体化仿真系统中的应用

为了验证本文提出的作战单位形式化描述方法的可用性和有效性，在一体化仿真系统中对其进行了应用。

为了便于作战单位的形式化描述，在一体化仿真系统中，搭建了具有图形界面的形式化描述工具如图3所示。

图3　形式化编辑工具Fig.3　Formal description tools

它是在作战单位描述规范的基础上实现的，通过该工具描述的作战单位能够自动生成符合作战单位描述规范的xml文件，并且可对已有的作战单位描述进行规范化验证，如若不符合作战单位描述规范的定义，则给出相应的提示，如作战单位的名称在规范中的定义类型是string，若描述时，填写的是数字，则给出类型定义错误的提示。

在系统中首先对平台级作战单位进行了描述，如图4所示为指挥坦克的形式化描述。

图4　平台级作战单位的形式化描述Fig.4　Formal description of basic combat unit

在一体化仿真系统中，给出了根据平台级作战单位的属性值计算聚合级作战单位的属性值的方法和算法。在系统中根据作战单位的组成，实现了由4个平台级作战单位即3个坦克排和1个指挥坦克的属性值计算得到聚合级作战单位坦克连的属性值的过程。

如s0(t),s1(t),s2(t),s3(t)分别表示指挥坦克、坦克1排、坦克2排和坦克3排的属性值集合，经计算获得的坦克连的属性值集合为S(t)。

在一体化仿真系统中，由平台级作战单位属性值计算得到聚合级作战单位的属性值后，可自动生成其形式化描述的xml文件，其格式与平台级作战单位的形式化描述相同。

在本系统中，形式化描述的作战单位实现了聚合，且在不同作战单元之间进行了传递和共用，并得到了正确的解析，实现了作战单位在一体化仿真系统各作战单元之间的共享和语义解析。

5结束语

本文提出的基于面向对象思想的作战单位形式化描述方法，首先分析了作战单位的通用属性和参数，对其进行抽象、分类和封装，得到作战单位描述的基类，再对基类进行组织和封装形成作战单位类的静态属性，进而形成了作战单位的描述规范。然后对作战单位对象之间的关系进行分析和研究，采用聚合方法描述作战单位之间的动态关系，形成作战单位类型的动态方法，获得由平台级作战单位到聚合级作战单位聚合的方法。最后搭建了形式化描述工具，用于完成平台级作战单位的描述，而聚合级作战单位的描述可通过计算平台级作战单位的描述自动生成。在一体化仿真系统中的应用很好地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，如没有讨论作战单位的解聚方法，虽然满足了现在军事仿真系统对作战单位描述的需求，但是随着军事的发展，还需对其描述规范进行完善和修改，对其解聚方法进行深入的研究。

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Object-oriented Formalized Description Method for Combat Units

WU Li-juan，CHEN Lin，LIU Xi，GAO Yi-bo

(Chinese Academy of Science，Institute of Automation，Beijing 100190， China)

Abstract:In order to enable all kinds of military simulation systems to unanimously understand the meaning and competence of the combat unit, an in-depth research of a formalized description method is developed and a formalized description method of combat units is proposed based on object-oriented. In the first step, the description standard of the combat unit will be formed with the static attribute of this unit class, which is abstracted and encapsulated based on the analysis of the unit’s attribute and component. Secondly, to enable the standard to be used in various systems of different resolution ratios, the dynamic relationship between combat units is compared with an aggregated approach to get a dynamic method, and an aggregated method fit for this description standard of the combat unit is put forward. Finally, the usability and effectiveness of this description method is verified after the method is applied in the integrated simulation system aforementioned.

Key words:combat unit; description method; aggregation; object-oriented.

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-06-0223-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.039

通信地址：100190北京市海淀区中关村东路95号自动化研究所模式楼510E-mail：lijuanwu@ia.ac.cn

作者简介：武利娟(1987-)，女，河南濮阳人。硕士生，主要研究方向为兵力仿真和智能信息处理。

*收稿日期：2014-08-06；修回日期：2014-11-19