基于面向?qū)ο笏枷氲淖鲬?zhàn)單位形式化描述方法*1

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基于面向?qū)ο笏枷氲淖鲬?zhàn)單位形式化描述方法*1

武利娟，陳琳，劉西，高一波

(中國科學(xué)院 自動化研究所，北京100190)

摘要：為了使各軍事仿真系統(tǒng)一致地理解作戰(zhàn)單位的含義和能力，對作戰(zhàn)單位的形式化描述方法進(jìn)行了深入的研究，提出了一種基于面向?qū)ο笏枷氲淖鲬?zhàn)單位形式化描述方法。首先，分析作戰(zhàn)單位的屬性和構(gòu)成，對其屬性進(jìn)行抽象和封裝，得到作戰(zhàn)單位類的靜態(tài)屬性，進(jìn)而形成作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范；然后，為了使其可以在不同分辨率的系統(tǒng)平臺上應(yīng)用，在描述規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用聚合方法對作戰(zhàn)單位之間的動態(tài)關(guān)系進(jìn)行描述，得到作戰(zhàn)單位類的動態(tài)方法，并給出了適用于該描述規(guī)范的作戰(zhàn)單位聚合方法；最后在一體化仿真系統(tǒng)中應(yīng)用了所提出的作戰(zhàn)單位描述方法，證明了該描述方法的可用性和有效性。

關(guān)鍵詞：作戰(zhàn)單位；描述規(guī)范；聚合方法；面向?qū)ο?/p>

0引言

隨著時代和計算機(jī)水平的發(fā)展，使用計算機(jī)模擬軍事訓(xùn)練以提高部隊?wèi)?zhàn)斗能力、評估作戰(zhàn)效能已成為一種重要的手段。作戰(zhàn)單位是指能夠獨立完成作戰(zhàn)任務(wù)的編制單位[1]，是軍事訓(xùn)練和作戰(zhàn)仿真中具有能動性的主體，是作戰(zhàn)方法的實施者和承受者，也是仿真訓(xùn)練的對象，對作戰(zhàn)效果具有決定性作用，所以在軍事訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中對其描述的有效性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

目前對作戰(zhàn)單位的研究主要集中在聚合解聚、戰(zhàn)斗能力及其在作戰(zhàn)過程中戰(zhàn)斗力變化的研究，如空軍指揮學(xué)院的李明忠、畢長劍等論述了模型聚合與解聚的基本原理，并給出了模型交換的基本原則[2]；吳俊、楊峰等提出的高技術(shù)條件下海濱作戰(zhàn)的陸海戰(zhàn)斗模型[3]和信息化戰(zhàn)爭下廣義蘭切斯特作戰(zhàn)模型[4]；李新其、畢義明、李紅霞提出了基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)為背景的Lanchester導(dǎo)彈戰(zhàn)斗模型[5]等。對其描述規(guī)范的研究很少，主要通過建立軍事模型來實現(xiàn)，如馬亞平、李珂對聯(lián)合作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)中軍事模型體系結(jié)構(gòu)的研究[6]，但是各研究單位都是根據(jù)各自的仿真需求建立的作戰(zhàn)單位模型，針對性很強(qiáng)，沒有形成統(tǒng)一的作戰(zhàn)單位模型，這使得建立的作戰(zhàn)單位模型只能在自身的系統(tǒng)中使用，無法通用和互操作，因此，在一體化仿真系統(tǒng)中模擬同一作戰(zhàn)單位時，需要根據(jù)仿真系統(tǒng)的要求多次建立該單位的模型，在這個過程中由于建模人員的理解不同，可能會出現(xiàn)偏差和不同，導(dǎo)致仿真結(jié)果的偏離，失去意義，這嚴(yán)重影響了軍事仿真建模技術(shù)的發(fā)展，建立作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范的需求非常迫切。

雖然完全針對作戰(zhàn)單位規(guī)范化描述的研究不多，但是包括作戰(zhàn)單位描述的針對作戰(zhàn)態(tài)勢和指控命令的規(guī)范化研究已經(jīng)取得了一定的成就，尤其是美軍于1998年提出的作戰(zhàn)管理語言(battle management language，BML)[7-11],它是一種無歧義作戰(zhàn)描述語言，可用于指揮控制部隊與裝備執(zhí)行軍事行動，提供態(tài)勢感知和共享信息，已得到了廣泛的認(rèn)可。雖然BML主要側(cè)重于對作戰(zhàn)計劃和命令指揮控制、交互和共享的研究[12]，對作戰(zhàn)單位的描述較為簡單，但是其對作戰(zhàn)計劃和命令建立描述規(guī)范的方法和思想為作戰(zhàn)單位的研究提供了思路和參考。

為了避免在一體化仿真系統(tǒng)中共用同一作戰(zhàn)單位時出現(xiàn)上述問題，使描述的作戰(zhàn)單位可以通用，本文提出了一種基于面向?qū)ο笏枷氲淖鲬?zhàn)單位描述方法，為建立作戰(zhàn)單位的描述標(biāo)準(zhǔn)提供參考。該方法借鑒面向?qū)ο蟮暮诵乃枷耄詫ο蟮慕嵌瓤创鲬?zhàn)單位，對其進(jìn)行描述[13-14]，即：首先對作戰(zhàn)單位的各項屬性及其屬性之間的關(guān)系進(jìn)行研究，經(jīng)分類、抽象和封裝后獲得作戰(zhàn)單位類的靜態(tài)屬性，并形成了作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范；然后采用聚合方法[15]描述作戰(zhàn)單位對象之間的關(guān)系，給出了由底層(平臺級)作戰(zhàn)單位屬性值計算高層(即聚合級)作戰(zhàn)單位屬性值的計算方法，實現(xiàn)由底層到高層作戰(zhàn)單位的聚合；最后在一體化仿真系統(tǒng)中，對該描述方法的正確性和有效性進(jìn)行了驗證。

1作戰(zhàn)單位類靜態(tài)屬性的描述

在軍事仿真系統(tǒng)尤其是聯(lián)合軍事仿真系統(tǒng)中，涉及到的軍事單位包括海陸空和第二炮兵等各類兵種，種類繁多、數(shù)量龐大，為了便于實現(xiàn)及其在作戰(zhàn)和訓(xùn)練仿真過程中通用，本文對各類作戰(zhàn)單位進(jìn)行簡化、抽象、封裝并層次化，獲得作戰(zhàn)單位類的靜態(tài)屬性，形成作戰(zhàn)單位描述規(guī)范。

建立作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范的過程就是對各類作戰(zhàn)單位的基本屬性、技術(shù)指標(biāo)以及作戰(zhàn)能力等屬性信息進(jìn)行抽象、分類和組織獲得作戰(zhàn)單位類靜態(tài)屬性的過程。對作戰(zhàn)單位基本屬性、效能指標(biāo)、位置信息等屬性進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行抽象、組織和分類，可將其分為5類，即：

(1) 基本屬性：作戰(zhàn)單位的標(biāo)識、本身特性和固有屬性等。包括的具體屬性有：標(biāo)識ID、名稱、兵種、等級、密級、所屬方、是否加強(qiáng)、上級單位、所屬兵力陣營、是否為指揮單位、指揮單位、通信網(wǎng)、擁有的武器、擁有的彈藥、擁有的設(shè)備、反應(yīng)時間和人員構(gòu)成等。

(2) 空間屬性：作戰(zhàn)單位的位置、形狀、隊形等。包括的具體屬性為：物理位置、陣型、在上級陣型中的相對位置等。

(3) 效能屬性：作戰(zhàn)單位所能發(fā)揮的作戰(zhàn)相關(guān)的能力及其可對其他單位或環(huán)境造成的影響。本文通過作戰(zhàn)單位的戰(zhàn)斗力來體現(xiàn)作戰(zhàn)單位的作戰(zhàn)效能，所以其具體屬性包括：信息力，即信息獲取、控制和使用的能力，信息力越強(qiáng)，作戰(zhàn)單位在作戰(zhàn)過程中越能搶占先機(jī)；攻擊能力，即消滅敵人的能力，攻擊能力越強(qiáng)，越能把握戰(zhàn)機(jī)；防御能力，即在作戰(zhàn)過程中阻止敵軍傷害、消滅自己的能力，防御能力越強(qiáng)，越能減少戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)役漏洞，進(jìn)而減少被偷襲或消滅的可能性；爆發(fā)力，即作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)后，瞬間產(chǎn)生的作戰(zhàn)能力，爆發(fā)力越強(qiáng)，越能快速命中目標(biāo)；殺傷力，即命中目標(biāo)后對敵軍造成的影響，殺傷力越大越能擊中敵軍要害；保障能力，即作戰(zhàn)過程中后援或后勤的保障能力，保障能力越強(qiáng)，作戰(zhàn)單位在作戰(zhàn)過程中越?jīng)]有后顧之憂。這些作戰(zhàn)能力需要通過作戰(zhàn)單位的具體武器、設(shè)備等來衡量和計算，如，信息力的值要根據(jù)作戰(zhàn)單位所擁有的通信網(wǎng)以及通信網(wǎng)的通信性能和通信人員及通信人員的反應(yīng)速度等來得到。

(4) 行為屬性：作戰(zhàn)單位的機(jī)動、射擊等可以實施的與作戰(zhàn)相關(guān)的動作；包括的具體屬性為：機(jī)動、射擊、待命、支援、撤離等作戰(zhàn)行為和動作。在描述規(guī)范中，只對機(jī)動行為中作戰(zhàn)單位通用行為屬性如速度、方向等進(jìn)行詳細(xì)描述，對于具體行為動作，則為每個行為分配一個行為ID，在實際應(yīng)用中，通過引用行為ID實現(xiàn)行為屬性的描述。

(5) 任務(wù)屬性：作戰(zhàn)單位已承擔(dān)、現(xiàn)在承擔(dān)或?qū)⒁袚?dān)的任務(wù)及其相應(yīng)的完成情況。包括的具體任務(wù)屬性為：任務(wù)完成狀態(tài)、預(yù)期完成時間、實際完成時間、預(yù)期結(jié)果、實際結(jié)果等，對于任務(wù)預(yù)期結(jié)果和實際結(jié)果，需對其損失程度、消滅敵軍數(shù)量、消耗彈藥等屬性參數(shù)進(jìn)行描述。

經(jīng)抽象和封裝，這5類屬性形成作戰(zhàn)單位的5個基類，它們分別是基本屬性類、空軍屬性類、效能屬性類、行為屬性類和任務(wù)屬性類。分析各屬性類之間的層級關(guān)系，對每層屬性及屬性值進(jìn)行封裝，上下層級屬性進(jìn)行繼承，完成對這5個基類之間關(guān)系的描述，就得到了作戰(zhàn)單位類的靜態(tài)屬性，作戰(zhàn)單位類包含屬性之間關(guān)系的定義和組織，以及它們出現(xiàn)的順序和頻率等。除此之外，對作戰(zhàn)單位類中的每個屬性的封裝還包括屬性的約束定義，屬性的約束主要包括數(shù)據(jù)類型、字符串組合方式、字符串長度、數(shù)值大小等。

為了使描述的作戰(zhàn)單位可以在不同的仿真系統(tǒng)中通用，能夠被快速有效的解析，本文采用XML Schema設(shè)計環(huán)境對作戰(zhàn)單位的靜態(tài)屬性進(jìn)行實現(xiàn)。首先,對作戰(zhàn)單位類中各靜態(tài)屬性之間的關(guān)系進(jìn)行描述，得到作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的基本框架，如圖1所示是以“作戰(zhàn)單位”為根節(jié)點的作戰(zhàn)單位描述框架。

在作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的基本框架中，各屬性層級之間的關(guān)系表示的各屬性基類之間的繼承關(guān)系；葉子節(jié)點表示的是基類包含的屬性，每個節(jié)點下一級的節(jié)點是該節(jié)點對應(yīng)基類的靜態(tài)屬性；節(jié)點下方的數(shù)字定義是屬性可出現(xiàn)的頻數(shù)；非葉子節(jié)點后方的組合方式定義了其包含屬性的組合方式和排列順序。然后，在描述框架的基礎(chǔ)上，對每個元素進(jìn)行詳細(xì)的約束定義，也就是對作戰(zhàn)單位類靜態(tài)屬性的約束定義進(jìn)行描述， 即對與基類靜態(tài)屬性相對應(yīng)的葉子節(jié)點進(jìn)行定義，主要包括節(jié)點的數(shù)據(jù)類型、字符串組合方式、字符串長度、數(shù)值大小等，如圖2所示為規(guī)范約束定義的一部分，最后得到完善的作戰(zhàn)單位描述規(guī)范。

圖1　作戰(zhàn)單位描述規(guī)范框架Fig.1　Description standard frame of a military unit

圖2　規(guī)范中的部分約束定義Fig.2　Constraint definition in description standard

2基于聚合方法的動態(tài)屬性描述

在一體化軍事仿真系統(tǒng)中，參與作戰(zhàn)的對象包括不同級別或?qū)哟蔚淖鲬?zhàn)單位(如坦克營與坦克連之間交戰(zhàn))，因此，在仿真系統(tǒng)中需建立作戰(zhàn)單位對象之間的層級及交互關(guān)系，即在作戰(zhàn)單位類中需增加對作戰(zhàn)單位動態(tài)屬性進(jìn)行描述的動態(tài)方法。本文采用聚合方法來描述作戰(zhàn)單位之間的動態(tài)屬性關(guān)系，即在作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的基礎(chǔ)上，建立由底層作戰(zhàn)單位(平臺級)到高層(聚合級)作戰(zhàn)單位的聚合方法。

本文采用數(shù)學(xué)公式和轉(zhuǎn)移矩陣來描述由平臺級作戰(zhàn)單位到聚合級作戰(zhàn)單位的聚合過程。

pi，j(t)表示單位i在t時刻第j個屬性的值；si(t)表示t時刻第i個平臺級作戰(zhàn)單位實體的狀態(tài)；S(t)表示t時刻聚合級作戰(zhàn)單位實體的狀態(tài)。

則平臺級作戰(zhàn)單位的狀態(tài)si(t)可以表示為屬性pi，j(t)的集合：

(1)

而聚合級作戰(zhàn)單位的狀態(tài)S(t)可以表示為平臺級作戰(zhàn)單位狀態(tài)si(t)的集合：

(2)

式中：ai為第i個平臺級作戰(zhàn)單位的權(quán)重。

將式(1)代入式(2)可以用t時刻平臺級作戰(zhàn)單位實體的屬性矩陣表示聚合級作戰(zhàn)單位實體的狀態(tài)，公式如下：

(3)

經(jīng)變換可得到聚合級狀態(tài)S(t)用屬性矩陣和系數(shù)矩陣的積表示的公式，公式如下：

(4)

式中：A為系數(shù)矩陣；P為屬性矩陣，屬性矩陣P中的每一行表示一類平臺級作戰(zhàn)單位實體的屬性，每一列表示不同類平臺級作戰(zhàn)單位實體的同一屬性，聚合級作戰(zhàn)單位的所有下級(平臺級)單位的狀態(tài)就構(gòu)成了聚合級作戰(zhàn)單位的狀態(tài)。

在矩陣表示的基礎(chǔ)上計算聚合級作戰(zhàn)單位的屬性，計算時根據(jù)屬性值Pi(t)的性質(zhì)將其分類處理：

(1) 若屬性值Pi(t)為標(biāo)識性描述(如，名稱、ID等)，根據(jù)標(biāo)識符的組織方式編制，然后直接賦值。

(2) 若該屬性Pi(t)是可量化(如效能屬性)，則取其加權(quán)平均值，即

(3) 若該屬性值Pi(t)是枚舉值(如，單位類型)，則合并p0i(t),p1i(t),…,pni(t) 中屬性值相同項，即若pji(t)=pki(t) 則bl=aj+ak，然后找出bl中最大值對應(yīng)的pli(t)，即

Pi(t)=pmax(b0,b1,…，bm)i(t).

(4) 若屬性值Pi(t)是數(shù)值型的(如，單位人數(shù))，則直接取基礎(chǔ)單位相應(yīng)屬性值的和，即

Pi(t)=p0i(t)+p1i(t)+…+pni(t).

(5) 若屬性值Pi(t)是單位擁有武器和設(shè)備類的屬性，則按類型合并。

(6) 若屬性值Pi(t)是類似于行為和任務(wù)的屬性，則取基礎(chǔ)單位相應(yīng)屬性值的并集。

(7) 若屬性值Pi(t)是最值類(如反應(yīng)時間)的屬性，則取其相應(yīng)最值。

(8) 若Pi(t)是其他類型的屬性，則按實際情況進(jìn)行計算。

最后即可得到聚合級作戰(zhàn)單位的屬性值，公式表示為

(5)

式(3)～(5)中S(t)都刻畫了某一時刻聚合級作戰(zhàn)單位實體的狀態(tài)，隨著作戰(zhàn)活動的變化和時間的推移，S(t)會形成連續(xù)、生動的作戰(zhàn)單位實體的狀態(tài)。這就完成了從平臺級作戰(zhàn)單位實體到聚合級作戰(zhàn)單位實體的聚合過程，依次通過從下級(平臺級)到上級(聚合級)作戰(zhàn)單位實體的聚合，就可以完成不同級別作戰(zhàn)單位實體狀態(tài)和交互關(guān)系的描述，即描述了作戰(zhàn)單位對象之間的動態(tài)關(guān)系，完成了作戰(zhàn)單位類的動態(tài)屬性的描述。

3在一體化仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了驗證本文提出的作戰(zhàn)單位形式化描述方法的可用性和有效性，在一體化仿真系統(tǒng)中對其進(jìn)行了應(yīng)用。

為了便于作戰(zhàn)單位的形式化描述，在一體化仿真系統(tǒng)中，搭建了具有圖形界面的形式化描述工具如圖3所示。

圖3　形式化編輯工具Fig.3　Formal description tools

它是在作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，通過該工具描述的作戰(zhàn)單位能夠自動生成符合作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的xml文件，并且可對已有的作戰(zhàn)單位描述進(jìn)行規(guī)范化驗證，如若不符合作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的定義，則給出相應(yīng)的提示，如作戰(zhàn)單位的名稱在規(guī)范中的定義類型是string，若描述時，填寫的是數(shù)字，則給出類型定義錯誤的提示。

在系統(tǒng)中首先對平臺級作戰(zhàn)單位進(jìn)行了描述，如圖4所示為指揮坦克的形式化描述。

圖4　平臺級作戰(zhàn)單位的形式化描述Fig.4　Formal description of basic combat unit

在一體化仿真系統(tǒng)中，給出了根據(jù)平臺級作戰(zhàn)單位的屬性值計算聚合級作戰(zhàn)單位的屬性值的方法和算法。在系統(tǒng)中根據(jù)作戰(zhàn)單位的組成，實現(xiàn)了由4個平臺級作戰(zhàn)單位即3個坦克排和1個指揮坦克的屬性值計算得到聚合級作戰(zhàn)單位坦克連的屬性值的過程。

如s0(t),s1(t),s2(t),s3(t)分別表示指揮坦克、坦克1排、坦克2排和坦克3排的屬性值集合，經(jīng)計算獲得的坦克連的屬性值集合為S(t)。

在一體化仿真系統(tǒng)中，由平臺級作戰(zhàn)單位屬性值計算得到聚合級作戰(zhàn)單位的屬性值后，可自動生成其形式化描述的xml文件，其格式與平臺級作戰(zhàn)單位的形式化描述相同。

在本系統(tǒng)中，形式化描述的作戰(zhàn)單位實現(xiàn)了聚合，且在不同作戰(zhàn)單元之間進(jìn)行了傳遞和共用，并得到了正確的解析，實現(xiàn)了作戰(zhàn)單位在一體化仿真系統(tǒng)各作戰(zhàn)單元之間的共享和語義解析。

5結(jié)束語

本文提出的基于面向?qū)ο笏枷氲淖鲬?zhàn)單位形式化描述方法，首先分析了作戰(zhàn)單位的通用屬性和參數(shù)，對其進(jìn)行抽象、分類和封裝，得到作戰(zhàn)單位描述的基類，再對基類進(jìn)行組織和封裝形成作戰(zhàn)單位類的靜態(tài)屬性，進(jìn)而形成了作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范。然后對作戰(zhàn)單位對象之間的關(guān)系進(jìn)行分析和研究，采用聚合方法描述作戰(zhàn)單位之間的動態(tài)關(guān)系，形成作戰(zhàn)單位類型的動態(tài)方法，獲得由平臺級作戰(zhàn)單位到聚合級作戰(zhàn)單位聚合的方法。最后搭建了形式化描述工具，用于完成平臺級作戰(zhàn)單位的描述，而聚合級作戰(zhàn)單位的描述可通過計算平臺級作戰(zhàn)單位的描述自動生成。在一體化仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用很好地驗證了該描述方法的有效性和可用性。

當(dāng)然該方法也具有一定的不足，如沒有討論作戰(zhàn)單位的解聚方法，雖然滿足了現(xiàn)在軍事仿真系統(tǒng)對作戰(zhàn)單位描述的需求，但是隨著軍事的發(fā)展，還需對其描述規(guī)范進(jìn)行完善和修改，對其解聚方法進(jìn)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.

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-06-0223-07

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

通信地址：100190北京市海淀區(qū)中關(guān)村東路95號自動化研究所模式樓510E-mail：lijuanwu@ia.ac.cn

作者簡介：武利娟(1987-)，女，河南濮陽人。碩士生，主要研究方向為兵力仿真和智能信息處理。

*收稿日期：2014-08-06；修回日期：2014-11-19