基于语义发布订阅系统的战场态势实时分发技术

董龙明，高天成，邱瑞波，马连淼

（1.南京大学计算机科学与技术系博士后流动站，南京210000；2.北方信息控制集团有限公司博士后工作站，南京210000；3.陆军驻南京地区军事代表室，南京210000；4.北方信息控制集团有限公司，南京210000）

基于语义发布订阅系统的战场态势实时分发技术

董龙明1，2，3，高天成4，邱瑞波3，马连淼3

（1.南京大学计算机科学与技术系博士后流动站，南京210000；2.北方信息控制集团有限公司博士后工作站，南京210000；3.陆军驻南京地区军事代表室，南京210000；4.北方信息控制集团有限公司，南京210000）

随着战争形态的多样化和范围的越来越广，战场态势呈现信息量大、复杂性、无规则性、多变性。针对现有的发布/订阅系统不能支持复杂结构的态势来进行事件发布和订阅的语义匹配，提出了基于语义发布订阅系统的战场态势实时分发技术。采用本体描述战场态势的概念模型，采用RDF图表示需求方订阅条件，基于该战场态势本体设计高效的发布订阅匹配算法。实验结果表明，该技术能够支持复杂战场态势实时分发和具有较高的订阅匹配效率。

战场态势，本体，发布订阅系统，匹配算法

0 引言

一体化联合作战条件下，如何取得战场态势信息优势，是取得高技术战争胜负的关键。综合电子信息系统C4ISR［1］通过信息将陆上、海上、空中、天基以及电磁谱的各战系统、作战兵力和作战单元有机聚合在一起协同完成任务，实现作战单元的灵活编组和体系作战。空、天、地、海、电磁五维一体的高技术作战环境下，战场环境更加复杂，战场态势瞬间万变，战场态势呈现非线性、信息量大、复杂性、无规则性和多变性。将合适的态势信息实时分发给合适的作战单位，是当前权衡各种C4ISR系统优劣的重要指标。

联合作战下，其作战方式呈现作战力量多元化、作战编组临时化、指挥手段一体化和指挥体制扁平化等特点［2］，参与作战多方的位置和行为都可能会随着战场态势改变而随之改变，这就需要C4ISR系统需要一种更为灵活的通信模型和交互机制，以适应系统的高度动态和松散耦合的特性。发布订阅系统（publish/subscribe system）能够很好地满足上述需求，信息提供者以“事件”的形式将信息发布到发布订阅系统中，信息使用者提交一个订阅条件，表示对系统中某一特定类的事件感兴趣，发布订阅系统能够保证将发布的事件实时、可靠地分发到所有感兴趣的订阅者，能够实现通信双方在时间、空间、控制流3个方面的完全解耦［3］，能很好地满足这种大规模、高度动态分布式系统的需求。

发布订阅系统一般按照事件模型和订阅模型可以分为基于主题和基于内容两大类。在基于主题系统（例如:SCRIBE［4］和JEDI［5］）中，将所有事件按照主题划分成组，每个事件只属于一个主题，订阅者在订阅信息时，指明对哪个主题感兴趣，当一旦发布该主题下的事件时，系统会自动将其发送给订阅者。在基于内容的系统中，订阅者在事件的内容上指定约束条件，表达它们的兴趣，事件根据是否满足订阅约束条件来判断是否需要转发给订阅者，事件模型又可以分为Map模型或XML模型，事件以多个＜属性，值＞对的形式表示，订阅是对某些属性取值约束的组合。典型的系统包括:Gryphon［6］和Siena［7］等。在面对复杂结构的战场态势，无论是基于主题还是基于内容的系统，信息描述能力都显得不足，只能在语法层次上，不能够描述概念间的语义约束关系。

本文将语义Web技术引入到发布订阅系统中，提出了一种基于语义发布订阅系统的战场态势实时分发技术，将战场态势所涉及到的各种概念整合在一起，建立统一的概念模型——战场态势本体，使用资源描述框架（Resource Description Framework，RDF）描述每个事件，从语法和语义两个方面提供更为精确的订阅匹配。实验结果表明，该态势实时分发技术能够支持复杂战场态势实时分发和具有较高的订阅匹配效率。

1 战场态势本体

1.1 概念模型

在战场态势本体概念模型中，主要依据军事地理概念、实体、实体属性及关系、作战任务和战场事件等态势知识构建战场本体。战场态势本体如图1所示，构建主要以下方面:

①创建相关类（Class）:根据态势描述需要，创建相关的类，主要包括:态势类Situation、军事地理概念Geography、实体Entity、作战任务Task。类之间可以存在多重继承，一个实体可以同时属于多个类。例如:坦克既是移动实体，又是路上突击实体。

②属性（Property）描述:对类中的概念各个属性进行描述，如:移动实体所具有的位置、速度、形状特征等。

③构建关系:从语义上，基本关系共有4种:类之间关系kindof、实例关系instanceof、整体和部分关系partof、属性关系arrtibuteof。

图1 态势本体核心概念关系图

定义1战场态势（Situation）可以由军事地理概念和各种敌我实体组成。

定义2军事地理概念（Geography）描述了战场环境，根据类型又可以分为地形地貌（Topograhpy）、水文气象（Hydrometeorology）和电磁频谱（Electromagnetic Spectrum）。各类型又有诸多描述该类的属性，比如:地形地貌又包括:道路状况、道路宽度、地质、植被、居民地、水域、通视度、坡度等；水文气象基本属性包括气压、气温、温度、湿度、风速、风向、日照指数等。

定义3实体（Entity）表示战场上敌我双方各种态势，又可以分为静态实体（Static Entity）和移动实体（Dynamic Entity）。静态实体实例化又可以包括:机场、车站、码头、宿营区、障碍物等；移动实体包括:飞机、舰船、装甲车、指挥车、导弹发射架、坦克、自行火炮等。实体主要属性包括:形状（Shape）、位置（Position）和大小（Size），移动实体还包括描述动态特征的属性，如:速度（Speed）。移动实体一般承担某个作战任务，可以用关系haTask与作战任务类进行关联。

定义4作战任务（Task）描述了某类移动实体所承担的使命或在特定时间内需要完成的任务，属性可以包括:目标、任务区域、指挥方、行动方、参与完成此次行动的各作战单元、打击手段、保障资源、有效时间。

1.2 事件模型

基于语义发布订阅系统的联合作战条件下，战场态势信息的发布和更新可以由各种预警雷达、探测装备、战场传感器等感知战场环境，对战场态势改变以事件的方式发送到态势代理服务器中，由态势代理服务器对态势数据库进行修改和更新。

在态势代理服务器中，每个态势事件被表示为一个RDF图，可以由一个三元组＜object，property，value＞来表示，其中:object表示态势本体某类的实例，可以是一个移动目标、气象、电磁谱战场环境等，property表示态势本体某类的某个属性，value表示该属性值。RDF数据可以用一种有向图来表示，图中的顶点表示object和value，边表示property。

如图2所示，可以表示一个被侦测的敌方移动坦克，信息可以表述为在方位（东经120'26＂北纬40'50＂）发现大小4 m×2 m×2 m、速度40 km/h，同时初步判定承担任务task1，作战意图为goal1，时效性为40 min。

图2 事件图实例

1.3 订阅条件

订阅条件是为态势使用单位提交给态势服务器，然后态势服务器根据订阅条件将符合条件的态势实时分发给各作战单元。由于事件模型使用RDF图表示的，因此，订阅条件是在RDF图上对顶点和边上的约束。订阅条件由若干个原子语句的逻辑运算符“与”、“或”操作组成。

根据态势事件模型的表示方式，订阅条件有3类:类约束、属性约束和值约束。可以用四元组来表达＜object，property，value，filter_func＞，约束函数filter_func是一个布尔表达式，用于约束这些属性的取值，允许的操作包括:＞、＜、=、⊆等关系运算和正则表达式运算等。例如:订阅某类运动速度大于40 km/s的移动实体的事件信息，可以表示为:cls⊆DynamicEntity∧cls.speed＞40 km/s。

根据以下逻辑与或运算关系，任意一个复合订阅条件可以转换为由或关系组成的内部为与连接的正则条件表达式。

2 发布订阅匹配算法

在态势信息分发平台中，常常态势更新触发事件发布，需要将该事件实时分发给需要的作战单元。因此，为了能够快速找到事件能够匹配的订阅条件，大量的订阅条件被保存并建立索引。原子订阅条件约束分为两类:一类是类和属性的层次包含关系，例如:cls⊆DynamicEntity；一类是属性值的范围进行约束，例如:cls.speed＞40 km/s。

对类和属性的层次包含关系建立属性时，可以根据态势本体类和属性层次结构，分为两级索引:第1级索引为类层次结构构成树形结构属性，末端结点指向第2级属性索引结构结点，进行第2级索引检索，属性末端结点存放的是所有符合该约束条件的订阅标识的集合。图3为类和属性两级索引事例图。

图3 订阅条件两级索引事例图

属性值的类型包括:数值型、布尔型和字符型，因此，对属性值的原子约束包括:数值范围约束、布尔逻辑约束和字符串比较3种类型。数值范围约束条件通常有3种:x∈［-∞，a］、x∈［a，+∞］和x∈［a，b］，可以使用数值比较器进行求解；布尔逻辑约束可以通过判断逻辑运算器进行求解；字符串比较通常有:模式匹配、通配符包含判断等，可以使用字符串比较函数进行求解。发布订阅匹配算法描述如下。

输入:战场态势事件描述p

输出:所有和事件p匹配的订阅者标识符集I-dentS

（1）将所有订阅条件S转换为订阅条件索引事例图:

①将所有订阅条件S逐个按照转换规则转换为标准的原子订阅条件集Set，订阅条件si对应的原子订阅条件集Seti；

②将原子订阅条件集Set每个原子订阅按类和属性层次结构建立原子订阅条件两级索引事例图；

（2）将战场态势事件描述P转换为标准的RDF图P’；

（3）标准的RDF事件P’和订阅条件索引事例图按以下步骤进行匹配:

①将原子订阅条件集Set每个原子订阅条件的单个原子项（例如:原子订阅条件x∧y∧z的单个原子项分为:x、y、z）逐个与标准的RDF事件分别进行类和属性两层匹配，若某个原子项匹配不成功，则终止后续的单个原子项匹配；若每个原子项匹配成功，则进行②；

②对每个原子项进行属性值匹配，若某个属性值匹配不成功，则终止后续属性匹配；如每个属性值匹配成功，则将其存储的订阅者标识符Identifier加入到IdentS；

（4）输出匹配的订阅者标识符集IdentS。

上述算法可以归结为标准RDF图上对原子订阅条件原子项的断言公式成立与否进行检验，可以采用基于布尔表达式的检验方法:①若是类和属性的层次包含关系，根据类层次结构进行判断；②若是属性值的范围进行约束，分别依据数值型、布尔型和字符型进行判断。

3 实验与结果分析

对基于语义发布订阅系统的战场态势实时分发技术进行模拟实验，以验证系统的正确性以及对其性能进行评价。原型系统采用Java语言开发，实验使用的机器为:一台CPU为Intel Core i5 2.67 G，内存为2 G的笔记本电脑，所使用的操作系统为win 7，运行环境是:JDK 1.6。

在模拟实验中，假设发布实体为5类飞机（预警机、运输机、歼击机、轰炸机、直升机），订阅实体是4种防空武器平台（按照防空分类和范围划分）。属性为飞机的3个自由度属性、3种雷达探测特征属性、位置属性、时间属性，共8种属性，除了时间属性是int类型外，其余为doule类型。

图4 匹配时间

图4显示了本系统在不同订阅数量下的匹配时间，其中订阅数量从100增加到1 000。从图中可以看出，本系统的匹配时间与订阅数量基本上呈线性关系，当订阅数量为1 000时，匹配时间仅为0.2 s。可以满足联合作战条件下大规模作战单位态势分发实时要求。

图5 空间占用情况

图5显示了本系统在不同订阅数量下的空间占用情况，图纵坐标表示的是创建的原子索引事件图总数。从图可以看出，每个订阅条件平均创建4个原子索引事件图，不随着订阅数量的变化而变化，所以，本算法的空间复杂度与订阅数量呈线性关系。

4 结论

本文将语义Web技术与发布订阅系统结合起来应用战场态势实时分发领域，该技术能够利用态势的语义知识，提供更为精确的匹配，支持复杂态势信息订阅的分发服务。当前，发布订阅匹配算法的时间和空间复杂度均为线性，如何提出更加高效的索引技术优化算法是下一步工作重点和研究的方向。

［1］姜志平，刘俊先，黄力，等.C4ISR体系结构研究现状与问题［J］.系统工程与电子技术，2007，29（10）:1677-1682.

［2］程永生.军事高技术与信息化武器装备［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［3］EUGSTER P T，FELBER P A，GUERRAOUI R，et al.The many faces of publish/subscribe［J］.ACM Computing Surveys，2003，35（2）:114-131.

［4］ROWSTRON A I T，KERMARREC A M，CASTRO M，et al. SCRIBE:The design of a large-scale event notification infrastructure［C］//In:Proc.of the 3rd International Networked Group Communication，2001:30-43.

［5］CUGOLA G，NITTO E D，FUGGETTA A.Exploiting an event-based infrastructure to develop complex distributed systems［C］//In:Proc.of the 20th International Conference on Software Engineering.April 1998.Kyoto，Japan.

［6］STROM R.Gryphon:an information flow based approach to message brokering［R］.Technical report.IBM TJ Watson Research Center，30 Saw Mill River Road，Hawthorne，NY 10532，USA.1998.

［7］CARZANIGA A，ROSENBLUM D，WOLF A.Achieving scalability and expressiveness in an internet-scale event notification service［C］//In:Proc.of the 19th ACM Symposium on Principles of Distributed Computing（PODC 2000），2000.

Battlefield Situation Real-time Distribution Technology Based on Semantic Publish/Subscribe System

DONG Long-ming1，2，3，GAO Tian-cheng4，QIU Rui-bo3，MA Lian-miao3
（1.Post-doctoral Research Station，Department of Computer Science and Technology，Nanjing University，Nanjing 210000，China；2.Post-doctoral Workstation，Northern Information Control Group Ltd.，Nanjing 210000，China；3.Nanjing Military Representative Office of PLA Army，Nanjing 210000，China；4.Northern Information Control Group Ltd.，Nanjing 210000，China）

With the wide range and diverse form of the war，the battlefield situation presents a large amount of information，complexity，no rules，and variability.The existing publish/subscribe systems cannot support the situation with complex structures to match the publish and subscribe events semantically.To solve them，this paper presents a real-time distribution technology of battlefield situation based on semantic publish/subscribe system.The concept model of battlefield situation is represented as ontologies，and the subscribe conditions are represented as RDF graphs.Then，the efficient matching algorithm is designed based on this battlefield situation ontology.Experimental results show that it can support the real-time distribution of complex battlefield situation and has high matching efficiency.

battlefield situation，ontology，publish/subscribe system，matching algorithm

TP39

A

1002-0640（2017）04-0110-04

2016-03-07

2016-04-02

董龙明（1982-），男，江苏建湖人，博士，工程师。研究方向：指挥信息系统，软件可靠性等。