武利娟，陳琳，盧朋，高一波

(中國科學(xué)院自動化研究所，北京 100190)

0 引言

軍事想定是軍事人員、仿真技術(shù)人員和計算機(jī)交流信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換的橋梁［1－2］。對軍事想定進(jìn)行形式化描述，使其能被計算機(jī)理解和處理，是實現(xiàn)軍事想定仿真的一個重要條件。在計算機(jī)與仿真技術(shù)快速發(fā)展的今天，國內(nèi)由于缺少軍事想定描述的統(tǒng)一格式和規(guī)范，軍事想定仿真的發(fā)展卻是緩慢的。

目前對軍事想定仿真的研究可以分為3個層面:對語言層面的研究、對想定方法的研究和對想定應(yīng)用系統(tǒng)的研究。而想定描述規(guī)范就是針對想定語言層面的研究，目前對軍事想定的研究針對語言層面的研究較少，比較成功的是美軍的MSDL，它是美軍為了開發(fā)OneSAF(one semi-automated force)的目標(biāo)系統(tǒng)(OneSAF objective system，OOS)而提出的，目的是為了使創(chuàng)建的軍事想定可以在不同的仿真系統(tǒng)中通用，解決不同仿真系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和互操作問題［3］。MSDL的設(shè)計是從為封閉戰(zhàn)斗訓(xùn)練初始化工具制定軍事仿真想定格式開始的;2004年，OOS研發(fā)機(jī)構(gòu)提議將MSDL發(fā)展為仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)組織(simulation interoperability standards organization，SISO)標(biāo)準(zhǔn);2008年，MSDL研究組推出了MSDL的第1個版本［4－5］。MSDL使用模式體系來描述想定，并對想定元素進(jìn)行分類，它的模式體系含有多個層次，各層表示想定的不同級別或類別的元素［6］。它已經(jīng)在 OOS 和 FCS，MATREX，OTB 等使用OOS的構(gòu)件中得到較成熟應(yīng)用［7］。但是它是針對美軍開發(fā)的，并不能完全適用于我國，不能直接使用，而且它僅僅對想定描述元素進(jìn)行分類，得到的是想定描述的整體框架，缺少知識組織性。所以本文擬在利用MSDL框架對軍事想定進(jìn)行描述之前，對軍事想定描述的基本元素進(jìn)行表示和組織。

傳統(tǒng)的知識描述和組織方法有謂詞邏輯、語義網(wǎng)絡(luò)、框架等［8］。這些方法在實際的應(yīng)用中都具有一定的缺點，不能很好的反映人類的思維過程，無法滿足現(xiàn)有知識表示和應(yīng)用的需要。為了嘗試解決該問題，在認(rèn)知心理學(xué)的基礎(chǔ)上提出來了一種知識描述和組織的方法:概念知識樹。它由概念庫和知識樹組成，概念庫中的概念對現(xiàn)實世界中的對象進(jìn)行無歧義的描述，是底層的描述，而知識樹則是對高層語義進(jìn)行描述，描述概念之間的繼承和組成關(guān)系等。概念知識樹符合人腦的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，具有簡明的表示形式和良好的結(jié)構(gòu)，是特定領(lǐng)域知識描述的重要形式化工具［9］。所以文本采用概念知識樹對軍事想定的知識進(jìn)行描述和組織。

綜上，本文提出了一種基于概念知識樹的軍事想定描述方法。該方法以JC3IEDM(joint consultation command＆control information exchange data model)數(shù)據(jù)模型為基本的命名空間，建立軍事想定描述概念庫;并根據(jù)各概念在現(xiàn)實世界的關(guān)系，運用概念知識樹建立軍事想定的知識表達(dá)模型;在此基礎(chǔ)上建立知識表達(dá)模型中各概念與5Ws各要素、知識樹與MSDL框架之間的映射關(guān)系，最后在MSDL改進(jìn)框架指導(dǎo)下形成符合我國軍情的XML格式的軍事想定描述規(guī)范。

1 軍事想定的知識表達(dá)模型

為了建立軍事想定的統(tǒng)一描述規(guī)范，以軍事想定描述需求為依據(jù)，對軍事想定描述的基本元素進(jìn)行表示和組織，形成軍事想定的知識表達(dá)模型，為軍事想定的形式化描述提供基本元素。本文使用概念知識樹知識表達(dá)模型來建立軍事想定的知識表達(dá)模型，包括概念庫和知識樹2層。

1.1 基于JC3IEDM的軍事想定概念庫

本文采用JC3IEDM數(shù)據(jù)模型作為基礎(chǔ)的命名空間，并結(jié)合軍事仿真系統(tǒng)對軍事想定描述的需求，提取想定描述基本元素，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為概念描述，形成概念庫。

JC3IEDM數(shù)據(jù)模型是北約戰(zhàn)場數(shù)據(jù)交互模型，已在多個國家的指揮控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用［10］，它有3個層次模型:概念模型、邏輯模型和物理模型［11－12］。其中概念模型是數(shù)據(jù)信息的高層視圖，定義了19類相互獨立的頂層實體概念，對軍事想定的行為及執(zhí)行、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)組織和作戰(zhàn)編成(包括人員力量和武器裝備)、作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)過程(包括作戰(zhàn)計劃和可能產(chǎn)生的結(jié)果)、作戰(zhàn)交互、作戰(zhàn)規(guī)則等［1］方面進(jìn)行了描述。

本文在軍事想定信息描述需求的指導(dǎo)下，以軍事想定的描述需求為依據(jù)，分析JC3IEDM的19類獨立實體，將軍事想定的概念分成了行為執(zhí)行、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)組織和作戰(zhàn)編成、作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)過程、作戰(zhàn)交互以及作戰(zhàn)規(guī)則的概念，建立了6類概念庫。概念庫中的概念由屬性對、關(guān)系和行為3要素構(gòu)成［13－14］，每一概念是抽取 JC3IEDM 概念模型中的實體概念形成的;概念的屬性對是抽取模型中的描述性信息組織生成的;概念關(guān)系是抽取模型中實體間的關(guān)系定義得到的;概念的行為描述是分析實體變化發(fā)展規(guī)律形成的。

下面以一個具體事例來說明概念庫中的概念的抽取和細(xì)化描述。

在JC3IEDM的概念模型中有“設(shè)備”實體模型，該模型描述了設(shè)備的分類以及它與其他設(shè)備的關(guān)系，本文抽取“設(shè)備A”作為概念節(jié)點，分析其靜態(tài)描述信息，主要包括:名稱、類型、大小、位置等，抽象成＜名稱:設(shè)備A＞，＜類型:設(shè)備A的類型＞，＜大小:10 m ×10 m ＞，＜位置:(120.5，34.5)＞，＜所屬單位:單位A＞等屬性對，設(shè)備一般還有其與其他設(shè)備的關(guān)系，描述為協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)系、掩護(hù)關(guān)系或作戰(zhàn)對抗關(guān)系等，除此之外，一個設(shè)備還必須描述它為了完成任務(wù)或使命而可能執(zhí)行的行為，描述為攻擊、前進(jìn)、偵察、防護(hù)等，這樣我們抽取“設(shè)備”類實體模型，構(gòu)成“設(shè)備”概念如圖1所示。

從上面的描述可以看出:通過分類建立的概念庫，消除了各概念之間可能存在的歧義，各概念的語義信息都很清晰，為建立軍事想定描述規(guī)范提供了基本元素。

圖1 “設(shè)備”概念節(jié)點Fig.1 Concept note of“equipment”

1.2 知識表達(dá)模型

概念庫中的概念是離散的，缺乏概念之間關(guān)系的描述，而概念知識樹知識表達(dá)體系中的知識樹描述的就是概念之間的相互關(guān)系，所以，本文采用知識樹來描述軍事想定各概念之間的關(guān)系，對概念描述的軍事元素語義信息進(jìn)行補(bǔ)充，形成軍事想定描述的知識表達(dá)模型。

知識樹的建立過程和人們認(rèn)識世界的過程相似，采用的是從簡單到復(fù)雜、從整體到局部的原則。在知識樹建立的時候還應(yīng)采用統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，而且采用的分類標(biāo)準(zhǔn)必須遵循領(lǐng)域公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。本文在建立軍事想定的概念知識樹時也遵守這一原則和標(biāo)準(zhǔn)，描述軍事想定各概念之間的相互關(guān)系，形成軍事想定的概念知識樹，增加知識表達(dá)模型的語義。下面將以一個具體的事例來說明概念知識樹的建立過程。

在軍事想定中，對作戰(zhàn)單位描述時，需要描述它的單位名稱、單位級別、兵種屬性、屬方、是否為指揮機(jī)構(gòu)等屬性和上下級單位、武器裝備等關(guān)系以及可能完成的行為。根據(jù)人們對作戰(zhàn)單位的認(rèn)識過程，在建立作戰(zhàn)單位的知識樹時，首先，將作戰(zhàn)單位作為一個整體概念進(jìn)行描述，然后，對其局部和細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。即:首先描述本單位的屬性單位ID、單位名稱、單位級別、兵種屬性、屬方、是否指揮機(jī)構(gòu);然后在作戰(zhàn)計劃中描述其行為;最后通過上級單位、下級單位、武器裝備描述本單位與其他單位或者實體的關(guān)系。與本單位概念具有層級關(guān)系的上級單位和下級單位可根據(jù)本過程進(jìn)行進(jìn)一步描述，武器裝備和作戰(zhàn)計劃可以作為一個整體概念進(jìn)一步描述，建立各自的概念樹，這樣通過概念樹的層層建立就形成了如圖2所示的作戰(zhàn)單位的知識框架。

圖2 作戰(zhàn)單位知識樹的框架Fig.2 Knowledge-Tree frame of a military unit

利用概念知識樹知識表達(dá)模型對軍事想定的基本元素進(jìn)行描述和組織，建立起來的軍事想定知識表達(dá)模型對軍事想定基本元素的語義及它們之間關(guān)系進(jìn)行了描述，為軍事想定的高層描述提供了很好的基礎(chǔ)。

2 想定描述規(guī)范

軍事想定描述作為軍事領(lǐng)域的一個特定描述領(lǐng)域，對其描述包括事件語義層級的描述和想定層級的描述。本文使用5Ws對事件層級的語義元素進(jìn)行描述，使用MSDL框架規(guī)范想定層級的描述，以建立軍事想定的統(tǒng)一描述規(guī)范。

2.1 概念與5Ws之間的映射關(guān)系

在軍事仿真系統(tǒng)中，需要簡明詳細(xì)的對軍事想定各元素或事件語義進(jìn)行描述，使仿真系統(tǒng)、仿真人員以及仿真系統(tǒng)的使用人員可以正確的理解并執(zhí)行它。而5Ws是一個可以無歧義且完整詳細(xì)的描述一個事件的語義描述原則，即描述事件的5個W要素:Who(任務(wù))、When(何時)、Where(何地)、What(發(fā)生何事)、Why(為什么發(fā)生)。因此建立知識表達(dá)模型中各知識節(jié)點概念與5Ws各要素之間的映射關(guān)系，采用5Ws對軍事想定的事件元素進(jìn)行描述。

分析想定描述各概念和5Ws要素之間的關(guān)系，本文定義5Ws各要素與軍事想定各概念之間的映射對應(yīng)關(guān)系為:

(1)What是對想定中作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)計劃、作戰(zhàn)任務(wù)或作戰(zhàn)命令的行為進(jìn)行描述，對應(yīng)的概念主要有行為執(zhí)行中的作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)交互等概念庫中的概念，如攻擊、前進(jìn)、掩護(hù)、轟炸、命令、請求等動作和信息;

(2)Who是對想定中仿真基本對象實體進(jìn)行描述，對應(yīng)的概念主要有作戰(zhàn)組織和作戰(zhàn)編成概念庫中的概念、作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)過程概念庫中的任務(wù)執(zhí)行者、目標(biāo)、使用武器以及作戰(zhàn)交互概念庫中的命令或請求的發(fā)送者和接收者等概念;

(3)Where是對想定中的作戰(zhàn)位置、地形進(jìn)行描述，可以分為位置信息、區(qū)域和路徑，對應(yīng)的概念主要有作戰(zhàn)環(huán)境概念庫中的概念、作戰(zhàn)任務(wù)與作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)交互概念庫中有關(guān)作戰(zhàn)地點的概念，如地點、作戰(zhàn)范圍、行進(jìn)路徑、平原、山地、沼澤等;

(4)When是對想定中的作戰(zhàn)時間進(jìn)行描述，可以分為時間點和時間段，而時間段的起始點也是時間點類型，對應(yīng)的概念主要有作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)過程以及作戰(zhàn)交互等概念庫中有關(guān)時間的概念，如進(jìn)攻時間、作戰(zhàn)持續(xù)時間、最短時間等時間概念;

(5)Why是對想定中的作戰(zhàn)原因進(jìn)行描述，要結(jié)合情報、態(tài)勢信息和自身狀態(tài)使用，對應(yīng)的概念主要有作戰(zhàn)規(guī)則概念庫中的概念和作戰(zhàn)交互、作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)過程等概念庫中有關(guān)作戰(zhàn)原因的概念，如武器威力、自身狀態(tài)等。

例如，在一條作戰(zhàn)命令“在某戰(zhàn)場上，由于敵軍傷亡慘重，我軍要在今天中午加強(qiáng)進(jìn)攻”中，“某戰(zhàn)場”映射為 Where，“敵軍傷亡慘重”映射為 Why，“敵軍”和“我軍”都映射為Who，“今天中午”映射為When，“加強(qiáng)進(jìn)攻”映射為What，這樣就完成了一條作戰(zhàn)命令的概念到5Ws的映射。

從上面的例子可以看出:用5Ws對軍事想定的概念進(jìn)行描述，完成了事件語義層級的想定信息描述，為軍事想定的想定層級描述奠定了基礎(chǔ)。

2.2 基于MSDL框架的表達(dá)

本文在描述了基本元素語義和事件語義的基礎(chǔ)上，使用MSDL框架對概念之間的關(guān)系進(jìn)行描述。

以MSDL框架對軍事想定進(jìn)行描述形成的是以5Ws要素為節(jié)點基礎(chǔ)、以MSDL框架為整體框架指導(dǎo)的軍事想定描述規(guī)范。本文采用XML Schema設(shè)計環(huán)境來實現(xiàn)軍事想定描述規(guī)范，最后形成軍事想定規(guī)范的Schema。下面以作戰(zhàn)單位描述規(guī)范的形成為例講述想定描述規(guī)范的形成。

在MSDL框架指導(dǎo)下的作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范中，包括作戰(zhàn)單位的實體、關(guān)系和行為以及作戰(zhàn)想定信息，其中在想定描述規(guī)范框架中，作戰(zhàn)單位的屬性作為作戰(zhàn)單位的節(jié)點屬性存在，在xml文檔中對應(yīng)于attribute;作戰(zhàn)單位、武器裝備以及上級和下級單位是軍事想定中的對象實體，對應(yīng)于5Ws中的Who;作戰(zhàn)計劃是軍事想定中的行為，對應(yīng)于5Ws中的What;作戰(zhàn)計劃中的作戰(zhàn)目的是想定中的作戰(zhàn)原因，對應(yīng)于5Ws中的Why;作戰(zhàn)計劃中的作戰(zhàn)時間、作戰(zhàn)地點分別是軍事想定中的作戰(zhàn)時間和地點，分別對應(yīng)于5Ws中的When，Where;它們在 xml文檔中對應(yīng)于element的complexType。最后形成如圖3所示的作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范。

通過上述過程得到的xsd格式的想定描述規(guī)范具有豐富的語義信息，該規(guī)范對軍事想定描述基本元素的屬性、關(guān)系和范圍加以限制和管理，據(jù)此可以便捷規(guī)范的建立xml格式的想定描述文件，并對建立的xml格式的想定描述文件進(jìn)行格式驗證。完成驗證的xml格式的想定描述文件可以在不同軍事仿真系統(tǒng)中通用。

圖3 作戰(zhàn)單位的描述規(guī)范Fig.3 Description standard of a military unit

2.3 實驗驗證

為了驗證本文提出的適用我國軍事想定形式化描述方法的可用性和有效性，在多兵種聯(lián)合仿真實驗平臺上進(jìn)行了實驗。

在多兵種聯(lián)合仿真實驗中，以KD－RTI系統(tǒng)為視景仿真部分的基礎(chǔ)平臺，構(gòu)建了具有圖形界面的想定描述和信息交流的基礎(chǔ)平臺，如圖4所示。

圖4 想定描述和信息交流的基礎(chǔ)平臺Fig.4 Basic platform of scenario description and information exchange

在實驗中想定的創(chuàng)建是通過在窗口中填寫參數(shù)并在后臺自動轉(zhuǎn)化為xml格式的想定文件來實現(xiàn)的。本實驗對用于互聯(lián)互通的指控命令、請求和報告三大類規(guī)范進(jìn)行了定義和傳送。對于命令，從它的命令I(lǐng)D、命令目的、命令發(fā)生時間、命令發(fā)出者、命令接收者、作戰(zhàn)任務(wù)等方面對其描述和表達(dá)方式進(jìn)行了說明和規(guī)范，對于其中的作戰(zhàn)任務(wù)，按照5Ws的描述原則，對作戰(zhàn)任務(wù)的執(zhí)行者、發(fā)生地點、開始時間、結(jié)束時間、任務(wù)的行為、行為的承受者、發(fā)生原因進(jìn)行了描述，形成了軍事想定中命令的描述規(guī)范，在實驗平臺中這些規(guī)范是想定文件內(nèi)容和格式的驗證文件。在這些描述規(guī)范的基礎(chǔ)上，命令和請求的發(fā)送者可以在可視化窗口界面填寫如作戰(zhàn)單位、作戰(zhàn)時間、作戰(zhàn)地點等參數(shù)，在后臺以命令或者請求的描述規(guī)范為參考自動轉(zhuǎn)化為如圖5所示的xml格式的想定文檔，以便于它們的傳輸，而命令或者請求接收者的接收平臺也有同樣的想定描述規(guī)范，可將接收的xml格式的想定文件中的想定參數(shù)自動地提取出來，并在平臺的可視化窗口里顯示，以供接收者查看，這樣就實現(xiàn)了軍事想定在不同仿真平臺之間的上傳和下達(dá)。

在本實驗中，命令和請求在紅藍(lán)雙方之間進(jìn)行了傳遞，并得到了正確的解析，實現(xiàn)了軍事想定在多兵種仿真模塊之間的共享和語義解析，同時在不同仿真模塊之間實現(xiàn)了互聯(lián)互通。

圖5 命令想定的簡要描述Fig.5 Brief description of an order scenario

3 結(jié)束語

本文提出的基于概念知識樹的想定描述方法，從元素層、事件層和想定層對軍事想定進(jìn)行了描述，形成了適用于軍情的軍事想定的統(tǒng)一描述規(guī)范。在提取軍事想定描述元素形成概念時，以軍事想定描述需求為依據(jù)，解決了MSDL不符合我國軍事系統(tǒng)的問題;在具體描述時，以概念知識樹知識表達(dá)模型為知識表達(dá)和組織的模型，并使用5Ws和MSDL框架對知識表達(dá)模型中的概念和知識進(jìn)行描述，增加了想定描述規(guī)范的語義信息，解決了MSDL缺少組織性和語義信息的問題。這樣的得到的軍事想定描述規(guī)范可以在軍事仿真系統(tǒng)中通用，且具有較豐富的語義信息。通過多兵種聯(lián)合仿真實驗也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，如利用5Ws對概念進(jìn)行描述，雖然滿足了現(xiàn)在軍事仿真對想定描述的需求，但是它面向的是比較宏觀的任務(wù)和方法，所描述的想定不夠細(xì)致。為了更細(xì)致的描述和刻畫想定，以滿足將來軍事仿真對想定描述更高的需求，在該方法描述的基礎(chǔ)上，還需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

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