戰場情況數據的空特性建模與應用研究?

陳行軍 趙曉哲 史紅權

（海軍大連艦艇學院作戰軟件與仿真研究所 大連 116018）

戰場情況數據的空特性建模與應用研究?

陳行軍 趙曉哲 史紅權

（海軍大連艦艇學院作戰軟件與仿真研究所 大連 116018）

數據是決策的基礎，海軍水面艦艇及其編隊執行任務期間所積累的戰場情況數據，形式各異、數據量龐大而零散，如何有效利用這些的數據了解海戰場情況，更好地服務于作戰指揮決策，是作戰輔助決策研究急需解決的問題之一。面向情況數據融合與可視化的需要，分析了輔助戰場情況判斷所存在問題，基于數據的時空特性，綜述了事件分析及時空建模、知識組織與管理方法和知識可視化等關鍵技術的國內外研究現狀，提出了戰場情況數據時空建模的研究框架。

海戰場；情況判斷；事件建模；時空屬性；知識組織與表示

1 引言

情況判斷是指揮員定下決心的基礎，其源于對戰場敵情、我情、地情和氣象等情況的全面分析［1］。研究表明，數據收集和整理等工作占據了計劃擬制人員40～80%的時間［2］，這一發現與在編隊作戰籌劃過程中情況判斷工作占用了指揮所參謀人員大量時間這一事實基本吻合，因此，如何提高情況判斷的效益非常重要。

隨著信息技術在軍事領域深入而廣泛的應用，基于信息系統的體系作戰能力已經成為戰斗力生成的基本形態［3］，情況判斷作為一類重要的作戰指揮活動，基于信息系統的情況判斷成為裝備科研、研制的努力方向。文獻［4］指出指揮信息系統作為一類用于信息和資源動態管理和分配的人機系統，處理問題過程中，如何將人的因素反映到指揮控制系統中，如何讓系統跟上指揮員的思路，如何滿足不同的指揮人員的決策偏好，使指揮控制系統和指揮人員融為一體，發揮人機系統的綜合效益，是人工智能應用與指揮控制系統要認真解決的問題［5］，同樣也是輔助情況判斷所需要認真解決的問題。

為提高戰場情況判斷過程的輔助決策能力，本文討論了輔助情況判斷所存在問題，綜述了相關技術的研究現狀，提出了提高輔助決策能力的研究框架及關鍵技術，最終目標是通過戰場情況數據的時空建模和融合研究，為指揮員提供有效的情況收集、組織、展示和復用等情況判斷支持工具，更好地對情況判斷數據實施組織和管理，通過戰場事件知識的按需展示，更好地支撐指揮員實施戰場情況判斷。

2 戰場情況判斷輔助決策問題分析

情況判斷的主要任務就是為作戰指揮決策提供數據支持，但長期以來，水面艦艇編隊指揮所在實施情況判斷過程中，存在如下三個特征，影響著基于信息系統的情況判斷效益的提高。

1）情況判斷數據具有多源異質特征

編隊往往會在各類海域長時間執行任務，其指揮所會積累大量的海戰場情況。目前的做法是在電子海圖以通用軍標形式標繪后，輔以附記，形成一份情況記錄。在不斷收集累積戰場情況的過程中，由于沒有統一的戰場事件模型支持，所累積得到的平時情況判斷資料以圖片和文本形式呈現，計算機無法直接識別與處理，使得信息淹沒于其中，無法在需要時為情況判斷提供有效的知識。

2）情況標圖工作量大且難以實施分工合作

在作戰訓練過程中，編隊往往面臨復雜的海戰場情況，情況圖標繪工作量巨大且紛繁復雜，由于沒有軍標圖元背后的戰場事件模型支持，無法實現作戰標圖活動的分工合作，以及根據指揮員決策需要對所關注對象及海域在特定時間段內情況的按需展示以保護指揮員的注意力，極大地增加了情報參謀人員工作量，影響到了指揮員決策效率和質量。

3）無法實現情況圖要素及決心圖、計劃圖要素的語義關聯

情況判斷是定下作戰決心和擬制作戰計劃的基礎，情況圖中的部分要素將會在作戰決心和作戰計劃中予以復用，同樣由于缺少軍標圖元背后的數據支持，往往形成情況判斷和作戰決心“兩張皮”的現象出現，難以實現情況判斷和作戰決心、作戰行動計劃之間相關要素的復用和映射，在情況發生變化時，難以基于信息系統分析其對作戰決心和作戰行動計劃所帶來的影響。

此外，由于海戰場情況的數據源于各類傳感器多方位多維度的觀察，同時也包括指揮人員以作戰標圖的方式所做的海戰場平時情況判斷，這種記錄會隨著時間的推移而不斷累加，對情況判斷數據的分析，實際上是對以各種描述方式反映出的戰場“事件”的分析。從輔助決策的需求出發，希望能夠以海戰場的事件為起點，實現事件的統一規范描述及融合，從而勾勒出海戰場的時空演化情況，并根據指揮員的決策需要予以展示，從而支撐指揮員更有效地基于信息系統實施作戰情況判斷。考慮到海戰場事件的主客體在時空連續分布性，以及事件觀測方面的時空不連續分布性，海戰場情況數據也將具備時空不連續分布性特征。為解決上述問題，在技術層面主要涉及到事件分析及時空建模理論與方法、知識的組織與管理方法和知識的可視化表示方法三個方面，以下開始分別綜述其國內外研究現狀。

3 時空數據建模研究現狀

1）事件分析及時空建模

事件是一個復雜的問題，什么是“事件”目前還沒有統一定義。從哲學的角度來講，事件是可以感知的、相對獨立的，運動的存在，一個典型的事件是一個行為序列或者一系列狀態的改變，如亞里士多德就認為“世界是運動的，運動的世界由事件組成”。認知科學認為，事件是被旁觀者所觀察到的在現實世界所產生的行為，可以通過事件的時空結構來理解事件［6］，認為事件的發生是被觀察者觀察到的客觀發生的動作。從語言學的角度，認為事件由謂詞、謂詞發生的時間段以及謂詞發生的情況或者條件這三部分組成，事件結構則和語言學中的主謂賓（Subject-Verb-Object，SVO）結構相對應［7］。

上述不同領域對事件的研究和定義，從不同角度闡述了事件的如下特征：事件具有時空屬性，和觀察者的偏好相關聯，是客觀世界反映到觀察者主觀世界之內的一類重要的知識，這一類知識的特征（事件結構）在人類的自然語言中有特定的表達方式，也就是說自然語言已經初步實現了事件表達的形式化。這些有關事件的公共屬性（特征）為特定領域的事件建模提供了理論指導。

在不同領域中，為了方便計算機對時間類知識的處理，根據領域事件特征，以及相應領域的應用需求，學者們提出了不同的模型和算法，如情景演算、事件演算、動態描述邏輯、融合描述邏輯與動作的形式體系及有色Petri網方法等等，從文獻來看，在特定的領域內，都取得了不錯的效果。

本文后續研究將歸納總結這些方法的特征、優缺點及適用情況，通過對戰場情況及事件的特征分析，建立適用于本領域的事件模型。

2）事件知識的組織與表示方法

如何有效組織和表示事件的時空約束，在地理信息系統領域，有關時態地理信息系統的研究中有長期而深入的研究，集中體現在時空數據模型方面。

在時空數據模型提出前，學者們采用分層的空間數據表達思想和以矢量或柵格基本單元的表達方式，用地圖符號系統傳遞制圖人員對地理空間的認知，滿足人們對地理事件的空間結構和關系等方面的信息需求，由于缺乏事件間包含、組成、因果等語義信息和時態信息，難以描述復雜現象及支持事件的過程分析［8］。

隨后，學者們開始研究如何完整地描述實體及現象的屬性、空間和時間等語義關系，構建時間和空間語義概念模型，Langran系統性提出支撐地理信息系統時空數據庫的時空數據模型。在此基礎上，一方面Peuquet［9］提出基于事件的時空數據模型，顧及了時空對象狀態及其因果關系，較好地描述時空變化（事件）過程以及觸發這種變化（事件）的原因和結果，實現了事件序列的顯示組織、表示和組織。另一方面，為了支持時空復雜對象的建模，面向對象的時空數據模型成為時空數據建模的主要發展趨勢［10］，其核心是將地理實體及其關系抽象為具有共同屬性和操作方法的類（對象），基于面向對象編程技術進行規范化描述和程序化實現，此種思路有效解決了面向數據的高效組織和檢索，但對事件的顯式定義和關系描述不足［11］。在這些研究基礎上，王富強博士認為：準確描述地理實體豐富的語義及其內在關聯關系，開展面向應用的時空分析模型和方法，是目前和未來時態GIS的研究趨

勢［12］。

所標繪的情況圖屬于時態GIS的擴展應用，本文后續研究將在上述研究基礎上，根據情況判斷的需要，研究相應的事件知識組織和表示方法。

3）事件知識的可視化方法

時空數據建模與融合的應用目標之一是事件知識的可視化，這方面，美國“大學地理信息科學研究會”認為空間化就是利用空間隱喻和空間可視化方法將高維信息向低維空間表達的系統轉化，以促進海量數據的知識發現。其主要研究人們如何利用獨特的空間隱喻和空間思維能力，基于信息的本體含義和人們與信息交互［13］的認知，生成有意義的可視的、可分析的、空間化的幾何對象的計算技術。空間化主要包括兩個環節［14］：一是基于信息的內容及其相互功能關系，通過數學轉換方法重新整理數據條目，轉換到特定的邏輯坐標系系統；二是將轉換后的數據用圖形表現出來，用于信息和知識發現。

知識可視化是在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上發展起來的新興研究領域，應用視覺表征手段，促進群體知識的傳播和創新；除了傳達事實信息之外，知識可視化的目標在于傳輸見解、經驗、態度、價值觀、期望、觀點、意見和預測等，并以這種方式幫助他人正確地重構、記憶和應用這些知識。可視化技術經過二十多年的發展，出現了一系列信息可視化方法（樹、網絡、空間信息探索、地圖、表格、圖表等）和知識可視化方法（啟發式草圖、視覺隱喻、知識動畫、知識地圖、概念地圖、思維導圖、認知地圖、思維地圖、語義網絡和科學圖表等）［15～16］。

面向基于信息系統情況判斷需要，本文后續研究將在上述研究基礎上，研究提出與戰場事件知識組織模型相適應的人機交互方式和知識可視化方法。

4 基于時空特性的海戰場情況數據模型研究框架

基于上述思路，戰場情況數據時空建模的研究框架如圖1所示，具體研究問題包括如下幾個方面：

圖1 總體研究框架

1）知識表示和管理視角下的戰場情況演化及事件產生機理研究

統一的戰場事件及事件之間關系的模型是實現基于知識的作戰標圖的基礎，其形態將直接影響到戰場情況判斷的效能，以及語義層面分布式作戰系統統一態勢的形成。如何明確建模的需求，包括戰場情況分類描述需求，戰場情況演化的時空過程特征，戰場情況如何通過指揮人員的觀察形成戰場事件的機理，基于事件及事件關系描述的戰場情況分析層的應用需求等。

面向戰場事件時空建模及時間網絡建模需要，需要仔細梳理戰場情況數據及其特征，包括海戰場事件的種類、不同類別事件的要素、事件之間在空間、時間及因果等維度方面的特征等。因此，這部分研究將為后續建模提供需求和指導。

在戰場情況數據分析及事件特征研究部分，主要解決兩個方面的問題：一方面通過對戰場情況數據的梳理分析，面向編隊情況判斷的需要，解決戰場情況數據的分類問題；在此基礎上，通過對戰場事件的梳理分析，面向基于知識的作戰標圖的需要，解決戰場事件的特征描述問題。

2）戰場事件時空建模研究

面向基于知識作戰標圖的需要，需要構建支持基于知識的情況檢索和時空推理的戰場事件模型，同時由于戰術知識無法窮舉，因此所構建的戰場事件模型還需要具備良好的可擴展性。這部分的研究內容又可分為模型結構、屬性選擇及時空語義的表達方式研究三部分。

首先是模型的結構。從理論上分析，各類戰場事件都應該具備事件的基本特征，也就是說應該存在一個通用的事件的基礎模型，其他戰場事件模型都由該模型派生而來。因此本部分研究內容首先需要深入學習各專業領域中有關事件建模的研究成果，總結其具有通用性的部分，形成事件的基礎模型，如在時態地理信息系統中，有學者就將時間、空間和屬性設定為事件的三個基本特征。

其次是事件屬性選擇。屬性選擇決定了模型最終參數的確定，這部分研究內容比較瑣碎，需要基于戰場情況數據分析及事件特征研究的結果，整理出描述各類戰場事件的屬性，以及相應取值范圍和默認取值。面向基于知識的情況檢索，對屬性的描述將引入本體論方法，在梳理出戰場事件屬性集的同時，構建屬性的本體模型以支撐戰場事件的描述。

再次是時空語義的表達。時空研究是時態地理信息系統的關鍵研究內容，不同學者所構建的時空數據模型對時空對象及其關系描述方面各不相同，充分說明時空語義的表達方式與應用需求緊密相關。本部分研究內容將在時空數據模型基本理論基礎上，考慮戰場情況本身的不確定性的特征，以及指揮員在情況判斷時關注戰場事件時間和空間相關方面的習慣和方式，面向指揮人員對戰場情況按需定制的需求，確定戰場事件的時空語義表達方式。

3）戰場事件知識的組織與管理研究

面向基于信息系統情況判斷過程中按需定制戰場情況圖的需要，需要在戰場事件模型基礎上，研究如何組織大量的戰場事件知識，以及如何靈活支持多種方式實施戰場情況檢索的需求。因此本部分的研究內容包括戰場事件知識的組織模型，以及與之相匹配的對戰場事件知識實施管理應用方法。

首先是戰場事件知識的組織。事件知識的組織方式直接決定著對知識運用的效率和復雜度，隨著信息系統的不斷運用，可預期未來將會累積大量的戰場事件知識，使得面向基于信息系統情況判斷所需要的情況檢索和基于知識的時空推理更加困難。

其次是對戰場事件知識的管理應用方法。在將戰場事件知識組織起來之后，輔以與之相匹配的知識管理應用方法，才能有效支持基于知識的戰術標圖系統的設計實現。本部分研究將根據圖1中“視圖”及“控制器”部分的戰術數據收集、管理和顯示控制的需要，研究戰場事件知識的管理應用方法，并設計實現一組基礎的算法，從而給出戰場事件知識組織與管理的完整解決方案。

4）原型系統設計中人機協作關鍵技術研究

需要在混合主動式理論的指導下，探索通過讓計算機“理解”指揮人員的意圖，在指揮人員需要時提供必要的輔助決策工具，即在情況判斷過程中，通過人與信息系統的之間有效的、符合規律的交叉操作，共同完成情況標圖和綜合判情的過程。

5 結語

本文從時空數據融合與表達的角度出發，將作戰標圖過程視為指揮員表達、傳遞和交流戰場情況及作戰企圖等相關知識的過程，分析戰場情況演化及事件產生機理，構建面向戰場情況判斷的戰場事件知識時空數據模型，以及支持實現戰場情況按需展示的事件知識組織模型，研究提出基于知識可視化理論的戰場情況收集/展示方法，實現戰場事件知識在語義層和表示層的關聯映射，為實現海戰場非實時情況的收集、整編、融合和按需展示提供關鍵技術支持。本文的研究成果還能為增強基于信息系統作戰過程中的人-機協作提供方法、途徑，最終實現基于知識的作戰標圖和情況檢索服務，以及作戰要圖的按需合成、分解和復用，從而促進基于信息系統的情況判斷效能的提高。

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Spatio-temporal Data Model of Battlefield Data

CHEN Xingjun ZHAO XiaozheSHI Hongquan
（Operational Software and Simulation Institute，Dalian Navy academy，Dalian 116018）

Data is the foundation of the decision-making，the battlefield data accumulated during the naval formation mission have different forms，large amount and scattered form.How to serve the combat command and decision better by using this information of the sea battlefield situation effectively，is one of the auxiliary problem in for the operations decision-making research.Oriented the need of data fusion and visualization，the problems existing in the auxiliary battlefield situation judgment is analyzed，and the key technology of event analysis，spatio-temporal modeling of knowledge organization and management methods and knowledge visualization is reviewed，and a research framework of spatio-temporal modeling of battlefield situation data is proposed based on the space-time characteristics of data.

sea warfield，battlefield data，event model，temporal and spatial attributes，knowledge representation

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.007

Class Number TP391

2017年4月16日，

2017年5月20日

國家自然科學基金青年基金項目（編號：71701208）；中國博士后科學基金項目（編號：2015M582867）資助。

陳行軍，男，博士后，研究方向：作戰指揮決策運籌分析。史紅權，男，教授，博士，碩士生導師，研究方向：海軍兵種戰術。