基于任务驱动的战场环境分析数据映射模型设计与实现
2017-10-16朱杰，游雄，夏青
朱 杰，游 雄，夏 青
(1.信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州 450052；2.73021部队，浙江 杭州 315023)
0 引 言
随着信息技术的进步，各行各业对地理空间数据的需求日益增长，这种现状正在逐渐改变传统的测绘供求关系[1]，主动服务的提出正是为了解决人与信息之间需求与服务的矛盾问题，既而从服务模式上实现“信息找人，按需服务”。
以“一体化指挥信息系统”为核心的联合作战体系对信息主动服务保障需求尤其突出，战场上信息复杂多变，很多用户是普通用户，不具备专业背景，一定程度上会面临如同Internet上的“信息迷失”和“信息过载”的问题。传统的战场环境信息保障主要是地理数据的保障，缺乏将军事特征同用户认知与任务需求相结合的服务模型，如果信息系统能“预估”任务和用户的需求，按需地为用户实时提供环境分析信息，将很大程度上减少用户搜索时间，为用户判断情况，提供辅助决策，对提高战场的感知能力起到了重要作用，使得战场环境态势感知更加适人化。
目前，已有多位学者研究任务与环境模型之间的服务关系，多体现为建立任务需求模型与环境模型相匹配的方法。干哲等[2]采用UML建立环境、工作流和作战任务三者之间关系及其集成数据模型；朱晓林等[3]从模型需求和任务需求两个角度生成模型需求模板，从而建立地理模型的数据推送服务；王少一等[4]利用本体建模方法建立上下文感知模型的中间件获取用户任务需求；龙凤鸣等[5]从地理信息服务组合角度设计了面向任务的GIS服务应用系统。
针对作战任务的具体需求，在统一时空框架下，首先，按照作战任务的可分解性，从语义上对作战任务进行形式化描述，建立元任务概念模型，根据具体任务内容构建任务需求静态结构模板；其次，从作战任务角度对战场环境分析模型进行分类，在此基础上获取战场环境数据需求要素；依据作战任务、环境分析模型与环境数据三者之间的需求关系，建立基于规则的战场环境分析数据映射关系，并通过算法完成作战任务需求描述到环境数据分类的映射过程；最后，基于该模型设计战场环境分析系统数据服务功能，以验证作战任务与环境数据匹配过程合理性及扩展性。
1 作战任务形式化描述及任务需求模板的构建
1.1 作战任务的形式化描述
作战任务是基于条令、战术、技术与程序，以及一个组织的标准操作程序的个别行动，其执行的目的是为完成军事行动。作战任务按照任务层次区分可分为战略、战役和战术，上一层次的任务往往是由若干个下一层次的任务组合而成，那么最基本的任务单元，我们称之为元任务。
元任务是在特定战场环境下的不可分或不必要再分的基本战斗行为，是作战过程中抽象出来最基本、最底层的要素，是执行战术任务的具体行为[6]。具体战术行动从形式上看就是具有一定语法结构的句子，即“主语+谓语+宾语+状语+.…”。这实际上明确了执行任务的作战单元、作战时间、作战地点以及作战目的，作战部队能够根据具体作战任务准确迅速地开展相应的行动。
行动是任务的基本元素，具有不可分割性和特定目标性，在满足一定的条件下，可由一定的作战系统根据相关的规则、条例、条令完成具体过程动作，可形式化为六元组：T
以地面战斗行动为例，具体战术任务按照地位与作用可以分为基本行动和保障行动，上述两者具体可细分为如图1所示。
图1 战术任务分解图Fig.1 Decomposition chart of tactical tasks
从任务分解图中可以得出，不管是何种性质的行动，战斗基本行动都包含3个共同的因素，即机动、突击和防护[7-8]，将其形式化描述为T_Type={mobility, assault, defence}，对应的元任务可以描述为T_Type_ mobility= {move, surround, snake,weave, infiltrate, transfer, retreat}，T_Type_assault={electron, firepower, troop}，T_Type_defence={RS, EJ, PS}，那么研究战场环境就需要从这3种任务类型的元任务中获取环境因素的需求，从而能根据具体任务进行组合，完成环境数据的建模。
1.2 静态任务需求模板的构建
按照上述元任务的形式化分解与解析，可知机动、突击、防护是战斗基本行动的3个最基本要素，三者相互联系、相互作用、互为条件。一组基本战斗行动可以描述以下5种形式，即：无防护机动、无防护突击、防护、有防护机动、有防护突击。每种形式组成要素包括：任务类型，任务内容，任务样式，记作Operation={Operation_way , Operation_content ,Operation_ style }。
按照具体任务内容，可基于xml构建任务需求模板。以“有防护机动行动”为例，其组成要素包括：机动方式，机动内容，机动样式和防护内容，对应形式化描述如下：
Operation_JD={jd_way, jd_content, jd_style, protect_content};
jd_way={land, air, water};
jd_content={force, weapon, firepower, information};
jd_style={move, surround, snake, weave, infiltrate,transfer, retreat};
protect_content={RS, EJ, PS}
采用基于XML Schema描述任务需求模板各要素组成结构及其关系如下：
2 基于任务需求匹配的战场环境分析数据映射模型的构建
2.1 战场环境分析模型数据需求分析
战场环境分析是研究战场环境中各要素的基本特点、分布特征、发展规律以及各要素之间的相互关系和作用，探讨和研究对作战指挥、作战行动和武器装备运用的综合影响[9]。战场环境分析模型从功能上划分，主要包括用于作战指挥辅助决策的战场环境分析、用于作战行动趋利避害的战场环境分析、用于陆上武器平台作战效能评估的战场环境分析和用于军事运筹与作战模拟模型构建的战场环境分析等。
从作战任务角度上，战场环境分析模型主要是利用基础地理信息和专题信息，提供战场环境的基本作战性能分析、联合战役战场环境分析等功能，其中基本作战性能分析是联合战役性能分析的基础，本文从基本作战性能上构建模型数据需求描述。基本作战性能包括环境对部队机动、观察、射击、隐蔽、伪装、防护、指挥与通信等方面的影响，据此对战场环境分析模型可分为几类，如图2所示。
图2 基本作战性能分析模型分类Fig.2 The classification of basic operational performance analysis model
战场环境数据从组成要素上可分为战场地理环境数据、战场气象环境数据、战场电磁环境数据、战场核生化环境数据和战场网络空间数据[10]，具体分类如图3所示。
图3 战场环境数据分类Fig.3 Battlefield environment data classification
从基本作战性能分析关联的环境分析模型可见关系战术任务最紧密的战场环境因素是地形、天候气象、社会人文因素等，结合战场环境数据分类，进一步对环境数据进行筛选，其结果见表1。
表1 战场环境数据需求分析Tab.1 Battlefield environmental data demand analysis
2.2 基于规则的战场环境分析数据映射模型
定义1：任务空间TS：作战单元为完成所赋予的作战使命而实施的一系列行动，是战场中作战资源的某一种或几种功能协同执行的行为集合，反映战斗实体和环境间行为的协同和合作关系[11]，记作TS={TS1, TS2,TS3, ..., TSn}，其中，TSn可以按层次分解为若干个子任务。
定义2：子任务空间TSn：子任务是任务空间继续分解的节点，子任务空间可以继续分解为若干个下一级子任务和元任务的组合，记作TSn={TSn1,TSn2, ...,TSnn}。
定义3：元任务TSnn：元任务是不可再分的任务单元，是执行作战行动的最基本行为集合，记作TSnn={ts0, ts1,..., tsn}。
定义4：环境特征空间：环境特征空间是由地区概况、地面特征和动态因素等三要素组合，各要素分别由该要素属性特征或者模型描述组成，记作
Environment_Feature={Classification,Property, Value}。
定义5：映射规则：从基本战斗行动模型中获取战场环境分析模型数据需求，如机动任务从机动方式、机动样式和防护性能获取模型对应的基本作战性能分析模型，既而分别在通行性、观通性、遮蔽性和防威胁等获取环境数据的需求，记作R={WR,IR}，WR是作战任务模型对应基本作战性能分析模型规则，IR是基本作战性能分析模型对应环境数据需求模型规则。
依据任务需求、模型需求与数据需求三者之间的需求关系，可建立基于规则的战场环境分析数据映射关系。如由机动任务描述到环境数据的映射过程表示如图4所示。
图4 机动行动与环境数据映射关系图Fig.4 Mapping relationship between maneuver action and environmental data
基于作战任务与战场环境信息之间的映射关系，在需求形式化描述的基础上本文将其用XML描述两者映射关系加以存储并用于交互使用与重构，作为面向任务的战场环境数据调用的描述规范。
//任务ID
//任务名称
...... //任务目的
< Location>
...... //空间位置几何描述
< /Location>
< Time>
...... //时间描述
< / Time >
...... //任务类型
...... //地区概括
...... //要素类
...... //属性特征
...... //属性值
2.3 任务需求到环境数据的映射算法构建
为了实现任务需求与环境数据之间的自动匹配，通过关系型数据库分别建立作战任务模型库、战场环境分析模型库和战场环境数据资源库，三者之间的对应关系由相应的任务需求模板作为对应规则确定，采用UML表示三者关系，如图5所示。
图5 基于UML的模型库之间映射关系Fig.5 Model libraries mapping relationship based on UML
映射算法完成作战任务需求描述到数据分类的映射过程，如图6所示，可根据ID或者关键字寻找任务模型库与数据资源库中相匹配的模型与数据资源。
图6 映射算法流程图Fig.6 Mapping algorithm flow chart
该算法类C描述如下：
if(TaskSet[ID].type!=null) //判断已有任务类型
{
if(TaskSet[ID].id)!=0 //通过ID寻找匹配
{
if(SelectTask(TaskSet[ID].id) == true);//实现模型库中关键字查询
GetModle(ID);
}
else //通过关键字寻找匹配
{
if(SelectTaskBykey(key) == true) //实现模型库中关键字查询
GetModle(key);
}
}
else
{
InsertTaskSet(Null);}
该算法是在前述讨论的任务需求与数据映射关系的形式化描述基础上实现的，同时也可以生成新的数据类型。该算法的select Task()是在任务资源库里实现查询操作，每一个资源除了ID可以标识外，专家知识库建立的关键字集合也可对此标识，确保用户在未知ID时可通过关键字实现数据的映射。
3 应用实例
以地面战术机动为例，利用战场环境分析模型进行路径规划和火力威胁分析，并对上述数据映射模型进行验证。
3.1 数据与模型说明
实验中使用的战场地理环境数据包括：系列比例尺矢量数据；任务区域影像栅格数据；专题兵要数据。所使用的主要分析模型包括：①沿道路机动分析模型和越野机动分析模型，主要是通过环境诸要素的修改得到最优路径选择；②通视概率及远距离通视分析模型，主要是判断观察点与通视区域内高程点的关系；③间瞄火炮射击效能分析模型主要是判断敌火力打击范围得到对己方机动的威胁点；④隐蔽性能分析模型主要是分析机动过程中植被覆盖的疏密程度对部队执行隐蔽机动的影响指数。
3.2 任务需求模板与工作流构建
图7 后台服务基于xml的任务需求描述模板Fig.7 Task requirement description template based on XML in Backup services
利用任务模型需求描述，构建任务需求模板（如图7所示），通过与环境数据的映射关系，选取与分析模型相匹配的数据分类，构建符合任务需求的工作流。结合机动任务的具体机动内容、机动方式和机动样式，按照采用工作流模式能够改进任务动态需求与实体模型按照时间顺序执行之间的流程，实现更好的可控制，提高时效性。具体数据流操作如下：①通行性分析数据流，对机动任务需求的主要因素为地形因素、时间因素和气候因素，需要调用机动路径的地形数据和气象数据，获取地形中的道路数据，气象气候的影响数据；②通视分析数据流，计算两点间通视，需要获取观察点与通视区域内的DEM数据；③射击分析数据流，计算敌火力打击范围，需要获取地形数据中遮蔽物；④隐蔽性分析数据流，计算植被有效隐蔽值和地物有效遮蔽值，需要获取植被、居民地等有效参数。
3.3 数据映射与模型匹配分析结果
利用上述任务需求模板匹配，调用模型库与数据库中基础地理数据、专题数据与属性数据，经环境分析模型工作流数据操作，得到机动任务执行的路径规划及其可能的火力威胁范围。
4 结束语
任务驱动下的战场环境分析模型与战场环境数据的有效匹配是实现战场环境分析按需服务的关键。本文分析了作战任务的形式化描述特点，从战场环境分析角度基于任务需求构建了模型任务需求模板，为模型需求构建了统一描述接口；构建了基于规则的战场环境分析数据映射模型，将任务需求通过环境分析模型与环境数据建立相关关系，实现与分析模型数据的自动匹配。将此建立的映射关系模型应用于典型的战场环境分析模型中，相比较传统的战场环境信息分析模型，该模型更能够体现按需提供战场信息的理念，更加紧密结合作战应用，更好的支持面向服务的设计思想，为进一步探讨复杂战场环境下支持作战任务应用提供了新的方法途径。
