基于語義模板的指揮信息系統與作戰仿真系統互操作方法

湯再江， 薛 青， 徐豪華， 徐享忠

(裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系， 北京 100072)

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基于語義模板的指揮信息系統與作戰仿真系統互操作方法

湯再江， 薛 青， 徐豪華， 徐享忠

(裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系， 北京 100072)

針對指揮信息系統與作戰仿真系統互操作接口不靈活、可擴展性不強和語義理解困難等問題，提出了基于語義模板的指揮信息系統與作戰仿真系統互操作方法。對格式化命令、報告結構及語義進行了分析，采用元數據定制了語義模板，基于語義模板研究了格式化報文互操作轉換機制，實現了指揮命令和態勢的互操作。通過應用實例對該方法進行了驗證，結果表明：該方法有效可行，模板可以靈活定制和增加，具有較好的可擴展性和語義描述能力。

語義模板； 互操作； 指揮信息系統； 作戰仿真系統； 元數據

實戰化訓練環境是開展實戰化訓練的重要依托和載體，指揮信息系統與作戰仿真系統的虛實結合、有機融合，已成為實戰化訓練環境建設的一個重要發展方向。指揮信息系統與作戰仿真系統的互操作是指二者能夠進行雙向通信，正確接收、解析和理解來自發送方的信息，并按照發送方所期望的方式做出反應[1]。

目前，互操作方法主要有人工轉換、專用接口、標準接口和網關中間件等方法[1]?，F有的互操作方法大多由接口驅動，這是解決互操作問題最直接的方法，但接口很難羅列全面，可擴展性和靈活性差，一旦有變化，需要重新定義接口，且不便于理解信息語義描述。獲取交互信息中隱含的語義，是互操作方法要達到的最終目標。為此，針對目前互操作方法存在的接口不靈活、語義理解困難等問題，筆者提出了基于語義模板的指揮信息系統與作戰仿真系統互操作方法，采用元數據定義語義模板，基于語義模板對作戰命令、態勢圖等信息進行格式化和規范化的描述，實現指揮信息系統與作戰仿真系統互操作。最后，通過應用實例對該方法的有效性進行驗證。

1 元數據與語義模板

在指揮信息系統中，用戶在進行報文交互時，大多采用基于模板的短報文和文書形式進行指揮信息的擬制與發送，其格式相對固定，用詞較為規范。在作戰仿真系統中，采用計算機結構化的數據來描述信息。

1.1 元數據

元數據(Metadata)是“關于數據的數據”，是不同系統間交互的底層元素。目前，元數據已經從初期的元數據規范層的互操作向語義互操作方向發展[2]。

元數據映射是在統一的元數據標準、元數據映射轉換協議下，實現不同格式元數據元素之間對應關系，相同功能或含義的元數據元素直接映射轉換，通過元數據映射可實現信息之間的互操作。元數據映射涉及元數據語法、語義和結構等方面，其中：語法是表現形式；結構是描述框架；語義是元數據映射的本質，是最終達到的目的。

1.2 格式化報文與語義模板

格式化報文是報文內容采用預先定義格式進行表示，便于計算機自動處理，如格式化的命令、報告和請求等報文，其特點是信息格式規范?；谀０宓亩虉笪氖侵笓]信息系統中使用較多的一種報文形式，該類報文言簡意賅，雖然長度短，但意思表達清楚、準確、全面，非常靈活實用。

語義模板是為了描述格式化報文而創建的形式化語義描述模型。語義模板由元數據元素、內容和語法規則組合起來，通過可變參數和標準模板庫形成表達語義的一個規范格式模板?？筛鶕枨筮x擇模板，提高工作效率，其每項參數根據錄入的編制、裝備、彈藥、目標、時間和地點等數據，在編輯時以下拉框的形式直接進行選擇，也可直接輸入，參數修改靈活，數據錄入高效、準確。

語義模板與自由語言表述指揮信息不同，語義模板將指揮信息內容具體化和準確化。例如：語言可比較籠統地描述預想敵情，如“當我進攻發展順利時”“當我進攻受挫時”“當敵人實施反沖擊時”等，不指明具體單位和具體位置也可以，但計算機難以理解這些自然語言；采用語義模板可表示為“當我(XX單位)進攻(XX位置)發展順利時”“當我(XX單位)進攻(XX位置)受挫時”“當敵人(多少)個(班/排/連/營)從(XX位置)向(XX位置)實施反沖擊時”，描述的信息具體、準確，便于計算機理解。

1.3 語義模板的元數據映射

元數據映射有多種方式，包括一對一映射、一對多映射和多對多映射。基于語義模板的互操作采用一對一映射來實現元數據語義互操作?；谡Z義模板的格式化指揮報文轉換方法是將指揮信息系統和作戰仿真系統中使用信息的元數據模型通過建立映射關系構成信息交換機制，實現系統之間信息的互操作。元數據映射的過程主要是根據接口協議和映射規則，將指揮信息系統和作戰仿真系統中元數據進行一對一匹配，形成一個映射轉換對應表。

1.4 模板的可擴充性

基于接口的轉換方法是一種依賴于接口的被動式轉換，可移植性較差，一旦標準或接口改變，或有新的元素出現，這種專一化的處理模式將面臨著失效的風險。通過定制模板的方式，可將代碼協議層大量接口工作通過模板實現，大大減少了開發的工作量。但由于指揮信息系統中模板較多，基于模板的互操作轉換是一個工作量較大的工程，因此，基于模板的報文形式也很難保證全面性。

語義模板采用元數據的方式，可以實現模板的可擴充性，相應地，仿真數據轉換也具有可擴充性。在這種形式下，從指揮信息系統中流出的信息是相應報文的參數編碼，在交互中，根據雙方的編碼、解碼協議，達到數據的共享互操作。對于隨時間和條件發生變化的報文信息，可設置條件或選擇參數，一個模板可靈活實現多種信息交互。

語義模板可根據不同的報文類型需求擴展新的語義模板。另外，還可設置元語義模板，靈活實現額外語義信息交互需求，實現對語義模板的擴展。

2 基于語義模板的格式化報文互操作

2.1 基于語義模板的格式化指揮命令

作戰命令是指揮信息系統連接指揮所與武器平臺的紐帶，是指揮信息系統與作戰仿真實體之間的橋梁，是實現指揮信息系統與作戰仿真系統互操作的主要內容之一。指揮信息系統主要采用模板擬制與發送報文，事先通過模板編制工具制作相應的模板，在使用時調用所需模板進行相應報文的編制。如：基于模板的格式化指揮命令如圖1所示，這是一條機動攻擊命令報文。

圖1 基于模板的機動攻擊命令報文

2.2 基于語義模板的格式化報告

一條完整的報文模板由固定數據項和可變數據項組成，形成符合自然語言習慣、可讓人讀懂的報文。基于語義模板的格式化報告包括戰果戰損報告、偵察報告、任務完成情況報告、車輛狀況報告和毀傷報告等，報告要素包括報告類型、發送者、接收者、報告時間和報告內容等[3]。如基于模板的格式化報告如圖2所示，這是一條作戰部隊發現敵情的報告報文。

圖2 基于模板的敵情報告報文

3 基于語義模板的報文轉換機制

圖3為基于語義模板的報文互操作原理。作戰仿真系統接收到指揮信息系統中的格式化報文后，根據格式化報文的特點，采用二進制報文的數據提取算法，按照格式化報文協議中規定的每個數據對應的代碼長度及其數值所對應的意義，建立二進制數據所對應的軍事信息數據字典，以指針方式讀取二進制數據，然后將數據轉換成數值或字符后，與數據字典進行匹配，通過逐位操作，獲取二進制數據包所對應的軍事信息數據解析值，再按照仿真數據格式轉換成作戰仿真系統所用的數據包。

圖3 基于語義模板的報文互操作原理

設計指揮命令轉換模板體系，直接用模板輸入命令。對于每條指揮命令，模板中都有一條對應的仿真命令，以實現指揮命令的自動轉換。從仿真數據包轉換為格式化報文，與這個過程相反：首先，將仿真數據通過映射轉換為指揮信息數據值；其次，按照格式化報文協議中的規定，將每個數據值轉換為二進制數據值；最后，按照順序組裝成二進制格式化報文數據包。

4 基于語義模板的態勢互操作

態勢互操作需要完成時間推進機制上的互操作。指揮信息系統中有作戰時間和天文時間，一般作戰仿真都是超實時運行，而指揮信息系統與作戰仿真系統互操作需要仿真實時運行，因此，作戰仿真系統需要有時間調度機制，一般采用時間戳的方式記錄隨時間推進產生的一系列戰場事件的發生。

4.1 態勢圖報

指揮信息系統態勢圖傳輸一般不直接傳輸圖片，而是采用態勢圖報的方式來傳輸，傳輸處理的是敵我態勢報信息，即敵我雙方位置和狀態，實際傳輸的是格式化的數據，而不是圖片。

態勢圖報描述態勢圖層信息具有固定的格式，屬于格式化報文。報文內容包括綜合態勢的各種要素，以態勢圖編號標記態勢圖，以態勢圖層內碼標記態勢圖層，以戰場目標編碼統一碼標記戰場目標元素，以軍標符號標記其他態勢要素。態勢圖層數據主要包括圖層編碼、圖層名稱，以及地圖左上角的經度、緯寬等。

4.2 仿真態勢信息描述

在作戰仿真系統中一般通過建立二維、三維戰場態勢模型將作戰過程可視化。態勢信息是計算機可處理的數據，使用人員能利用計算機對態勢信息進行分析、聚合及可視化。在作戰仿真系統中，二維態勢信息可采用面向對象程序設計中類的形式進行描述。對于作戰仿真系統中各個仿真實體產生的戰場態勢信息，計算機按照格式進行轉化，生成便于計算機處理的二維戰場態勢信息結構。

4.3 態勢數據互操作

態勢數據互操作是指揮信息系統與作戰仿真系統互操作的重要內容之一，二者因用途、目的、數據獲取、推進機制和更新時間等不同而具有較大的差異。從態勢形式化描述和建模，紅、藍雙方仿真態勢生成，按不同級別需要自動生成聚合態勢等方面進行研究，可解決態勢數據互操作關鍵問題。

指揮信息系統中大量信息采用態勢圖進行傳遞，要求仿真與真實的作戰一致，通過雙方的偵察情報系統產生紅、藍雙方各自的態勢，并能與指揮信息系統進行態勢層次的互操作，基于仿真數據生成指揮信息系統的態勢圖報。

在作戰節奏空前加快的條件下，態勢顯示的實時性必須滿足臨機快速指揮的要求。實裝指揮信息系統主要是由綜合態勢參謀或設置系統按一定時間間隔來更新態勢圖，如師團指揮信息系統綜合態勢圖更新時間一般不大于5～10 min。

仿真中沒有真實的人來操作，為實現態勢的實時自動更新，省略手動生成態勢的環節，將存儲態勢數據單元結構和態勢數據本身分離存儲，從而使態勢數據更新與態勢可視化視圖的刷新自然分離，只要態勢信息更新，則態勢視圖自動更新，無需經過特別處理。

5 基于語義模板的指揮命令互操作應用實例

人在環指揮員通過指揮信息系統短報文方式下達機動命令，語義模板命令格式以指揮所下達給機步1營1連命令為例，如圖4所示，1連10時15分沿著坐標點A、坐標點B、坐標點C機動至D村的命令。

圖4 機動命令報文

根據選中的報文模板，分別填寫相關參數。在該命令中，“機動”是軍語中的標準術語；“營指揮所”“機步1營1連” 是相對固定的軍隊編制；“坐標點A”“坐標點B”“坐標點C”是作戰地域中具體的地理位置；“沿著”是用來修飾位置的限定詞。這些都可以直接用XML按時間、空間語義標注方法進行時間和空間的標注。

作戰仿真系統接收上級命令，然后通過命令解析模型對命令進行解讀、處理。采用了可擴展的作戰管理本體語言(eXtensible Battle Management Ontology Language，XBMOL)對命令本體進行標注，將其語義信息存儲在一個XBMOL文檔中，仿真系統通過解析該XBMOL文檔表示的語義來獲得對命令的理解。

XBMOL以XML為基礎，根據本體描述和互操作的需要自行定義標簽，在語法上只要標記成對出現即可。可擴展性是XML的主要特征，也是XBMOL的主要特征。采用XBMOL作為指揮信息系統和作戰仿真系統互操作的標準轉換語言，具有較好的可擴展性。

6 態勢圖互操作應用實例

作戰仿真系統態勢生成實現了仿真信息的實時獲取、組織和存儲，伴隨作戰仿真進行全過程、實時、自動態勢更新，包括作戰單元位置、運動軌跡、行動過程、交戰關系、工作狀態和裝備戰損分布等。通過格式化模板，作戰仿真態勢信息可以通過XBMOL映射為指揮信息系統所能識別的*.sml格式，并進行文件的傳輸，指揮信息系統收到文件后，可以作為圖層加入到指揮信息系統態勢顯示之中。態勢圖互操作如圖5所示，仿真態勢信息實時轉換進入指揮信息系統，成為指揮信息系統綜合態勢。

文件存儲格式為：10點15分態勢.sml。

圖5 態勢圖互操作

10點15分態勢

…

指揮信息系統采用態勢圖顯示作戰過程，通過指揮信息系統顯示界面，仿真實體與真實的作戰態勢顯示一致，通過雙方的偵察情報系統產生紅、藍雙方各自的仿真態勢，基于仿真數據生成態勢圖報，實現態勢圖的互操作。

7 結論

筆者提出了基于語義模板的指揮信息系統與作戰仿真系統互操作方法，采用元數據定義語義模板，對格式化命令、報告和態勢等進行格式化和規范化描述，能夠明確表達數據語義，便于計算機的理解和轉換。通過元數據映射，實現了報文的轉換。應用實例結果表明：該方法具有可行性和實用性，模板可進行靈活定制和增加，具有較好的可擴展性和語義描述能力。

[1] 湯再江,徐享忠,薛青,等.指揮信息系統與作戰仿真系統互操作研究綜述[J].系統仿真學報,2015,27(8):1659-1664.

[2] 朱超.關于元數據互操作的探討[J].情報理論與實踐,2005,28(6):644-648.

[3] TANG Z J,XUE Q,ZHU M J. Company commander modeling in military equipment battle simulation [C]∥Proceedings of 14th Chinese Conference on System Simulation Technology & Application (CCSSTA2012). Delaware,USA:Scientific Research Publishing,2012:613-617.

[4] 徐享忠,湯再江,譚亞新.作戰仿真與指控系統語義互操作技術參考框架研究[J].系統仿真學報,2015,27(8):1735-1739.

[5] 孫劍.基于本體的指揮信息系統與作戰仿真系統間數據轉換方法研究[D].北京:裝甲兵工程學院,2012.

[6] 吳從暉,陳寧軍,高志年. 面向指揮信息系統與訓練仿真系統互聯中間件研究[J].指揮控制與仿真,2013,35(6):120-121.

(責任編輯: 尚彩娟)

Interoperability Method of Command Information System and Warfare Simulation System Based on Semantic Template

TANG Zai-jiang， XUE Qing， XU Hao-hua， XU Xiang-zhong

(Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problems that the interoperability interface is lack of flexibility and scalability, and the semantic implicitness is hard to understand, an interoperability method of command information system and warfare simulation system based on semantic template is provided. The formatting commands, reporting structures and semantics are analyzed. Semantic template is customized with metadata, and interoperation mechanism of formatted message based on semantic template is studied. The interoperability of order and situation has been applied with the method. The method is verified with application examples, the results show that the method is effective and feasible; the templates can be customized and added flexibly, it has better scalability and semantic description capabilities.

semantic template; interoperability; command information system; warfare simulation system; metadata

1672-1497(2017)03-0080-05

2017-03-28

軍隊科研計劃項目

湯再江(1976-)，男，講師，博士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.03.015