战场情况数据的空特性建模与应用研究∗

陈行军 赵晓哲 史红权

（海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所 大连 116018）

战场情况数据的空特性建模与应用研究∗

陈行军 赵晓哲 史红权

（海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所 大连 116018）

数据是决策的基础，海军水面舰艇及其编队执行任务期间所积累的战场情况数据，形式各异、数据量庞大而零散，如何有效利用这些的数据了解海战场情况，更好地服务于作战指挥决策，是作战辅助决策研究急需解决的问题之一。面向情况数据融合与可视化的需要，分析了辅助战场情况判断所存在问题，基于数据的时空特性，综述了事件分析及时空建模、知识组织与管理方法和知识可视化等关键技术的国内外研究现状，提出了战场情况数据时空建模的研究框架。

海战场；情况判断；事件建模；时空属性；知识组织与表示

1 引言

情况判断是指挥员定下决心的基础，其源于对战场敌情、我情、地情和气象等情况的全面分析［1］。研究表明，数据收集和整理等工作占据了计划拟制人员40～80%的时间［2］，这一发现与在编队作战筹划过程中情况判断工作占用了指挥所参谋人员大量时间这一事实基本吻合，因此，如何提高情况判断的效益非常重要。

随着信息技术在军事领域深入而广泛的应用，基于信息系统的体系作战能力已经成为战斗力生成的基本形态［3］，情况判断作为一类重要的作战指挥活动，基于信息系统的情况判断成为装备科研、研制的努力方向。文献［4］指出指挥信息系统作为一类用于信息和资源动态管理和分配的人机系统，处理问题过程中，如何将人的因素反映到指挥控制系统中，如何让系统跟上指挥员的思路，如何满足不同的指挥人员的决策偏好，使指挥控制系统和指挥人员融为一体，发挥人机系统的综合效益，是人工智能应用与指挥控制系统要认真解决的问题［5］，同样也是辅助情况判断所需要认真解决的问题。

为提高战场情况判断过程的辅助决策能力，本文讨论了辅助情况判断所存在问题，综述了相关技术的研究现状，提出了提高辅助决策能力的研究框架及关键技术，最终目标是通过战场情况数据的时空建模和融合研究，为指挥员提供有效的情况收集、组织、展示和复用等情况判断支持工具，更好地对情况判断数据实施组织和管理，通过战场事件知识的按需展示，更好地支撑指挥员实施战场情况判断。

2 战场情况判断辅助决策问题分析

情况判断的主要任务就是为作战指挥决策提供数据支持，但长期以来，水面舰艇编队指挥所在实施情况判断过程中，存在如下三个特征，影响着基于信息系统的情况判断效益的提高。

1）情况判断数据具有多源异质特征

编队往往会在各类海域长时间执行任务，其指挥所会积累大量的海战场情况。目前的做法是在电子海图以通用军标形式标绘后，辅以附记，形成一份情况记录。在不断收集累积战场情况的过程中，由于没有统一的战场事件模型支持，所累积得到的平时情况判断资料以图片和文本形式呈现，计算机无法直接识别与处理，使得信息淹没于其中，无法在需要时为情况判断提供有效的知识。

2）情况标图工作量大且难以实施分工合作

在作战训练过程中，编队往往面临复杂的海战场情况，情况图标绘工作量巨大且纷繁复杂，由于没有军标图元背后的战场事件模型支持，无法实现作战标图活动的分工合作，以及根据指挥员决策需要对所关注对象及海域在特定时间段内情况的按需展示以保护指挥员的注意力，极大地增加了情报参谋人员工作量，影响到了指挥员决策效率和质量。

3）无法实现情况图要素及决心图、计划图要素的语义关联

情况判断是定下作战决心和拟制作战计划的基础，情况图中的部分要素将会在作战决心和作战计划中予以复用，同样由于缺少军标图元背后的数据支持，往往形成情况判断和作战决心“两张皮”的现象出现，难以实现情况判断和作战决心、作战行动计划之间相关要素的复用和映射，在情况发生变化时，难以基于信息系统分析其对作战决心和作战行动计划所带来的影响。

此外，由于海战场情况的数据源于各类传感器多方位多维度的观察，同时也包括指挥人员以作战标图的方式所做的海战场平时情况判断，这种记录会随着时间的推移而不断累加，对情况判断数据的分析，实际上是对以各种描述方式反映出的战场“事件”的分析。从辅助决策的需求出发，希望能够以海战场的事件为起点，实现事件的统一规范描述及融合，从而勾勒出海战场的时空演化情况，并根据指挥员的决策需要予以展示，从而支撑指挥员更有效地基于信息系统实施作战情况判断。考虑到海战场事件的主客体在时空连续分布性，以及事件观测方面的时空不连续分布性，海战场情况数据也将具备时空不连续分布性特征。为解决上述问题，在技术层面主要涉及到事件分析及时空建模理论与方法、知识的组织与管理方法和知识的可视化表示方法三个方面，以下开始分别综述其国内外研究现状。

3 时空数据建模研究现状

1）事件分析及时空建模

事件是一个复杂的问题，什么是“事件”目前还没有统一定义。从哲学的角度来讲，事件是可以感知的、相对独立的，运动的存在，一个典型的事件是一个行为序列或者一系列状态的改变，如亚里士多德就认为“世界是运动的，运动的世界由事件组成”。认知科学认为，事件是被旁观者所观察到的在现实世界所产生的行为，可以通过事件的时空结构来理解事件［6］，认为事件的发生是被观察者观察到的客观发生的动作。从语言学的角度，认为事件由谓词、谓词发生的时间段以及谓词发生的情况或者条件这三部分组成，事件结构则和语言学中的主谓宾（Subject-Verb-Object，SVO）结构相对应［7］。

上述不同领域对事件的研究和定义，从不同角度阐述了事件的如下特征：事件具有时空属性，和观察者的偏好相关联，是客观世界反映到观察者主观世界之内的一类重要的知识，这一类知识的特征（事件结构）在人类的自然语言中有特定的表达方式，也就是说自然语言已经初步实现了事件表达的形式化。这些有关事件的公共属性（特征）为特定领域的事件建模提供了理论指导。

在不同领域中，为了方便计算机对时间类知识的处理，根据领域事件特征，以及相应领域的应用需求，学者们提出了不同的模型和算法，如情景演算、事件演算、动态描述逻辑、融合描述逻辑与动作的形式体系及有色Petri网方法等等，从文献来看，在特定的领域内，都取得了不错的效果。

本文后续研究将归纳总结这些方法的特征、优缺点及适用情况，通过对战场情况及事件的特征分析，建立适用于本领域的事件模型。

2）事件知识的组织与表示方法

如何有效组织和表示事件的时空约束，在地理信息系统领域，有关时态地理信息系统的研究中有长期而深入的研究，集中体现在时空数据模型方面。

在时空数据模型提出前，学者们采用分层的空间数据表达思想和以矢量或栅格基本单元的表达方式，用地图符号系统传递制图人员对地理空间的认知，满足人们对地理事件的空间结构和关系等方面的信息需求，由于缺乏事件间包含、组成、因果等语义信息和时态信息，难以描述复杂现象及支持事件的过程分析［8］。

随后，学者们开始研究如何完整地描述实体及现象的属性、空间和时间等语义关系，构建时间和空间语义概念模型，Langran系统性提出支撑地理信息系统时空数据库的时空数据模型。在此基础上，一方面Peuquet［9］提出基于事件的时空数据模型，顾及了时空对象状态及其因果关系，较好地描述时空变化（事件）过程以及触发这种变化（事件）的原因和结果，实现了事件序列的显示组织、表示和组织。另一方面，为了支持时空复杂对象的建模，面向对象的时空数据模型成为时空数据建模的主要发展趋势［10］，其核心是将地理实体及其关系抽象为具有共同属性和操作方法的类（对象），基于面向对象编程技术进行规范化描述和程序化实现，此种思路有效解决了面向数据的高效组织和检索，但对事件的显式定义和关系描述不足［11］。在这些研究基础上，王富强博士认为：准确描述地理实体丰富的语义及其内在关联关系，开展面向应用的时空分析模型和方法，是目前和未来时态GIS的研究趋

势［12］。

所标绘的情况图属于时态GIS的扩展应用，本文后续研究将在上述研究基础上，根据情况判断的需要，研究相应的事件知识组织和表示方法。

3）事件知识的可视化方法

时空数据建模与融合的应用目标之一是事件知识的可视化，这方面，美国“大学地理信息科学研究会”认为空间化就是利用空间隐喻和空间可视化方法将高维信息向低维空间表达的系统转化，以促进海量数据的知识发现。其主要研究人们如何利用独特的空间隐喻和空间思维能力，基于信息的本体含义和人们与信息交互［13］的认知，生成有意义的可视的、可分析的、空间化的几何对象的计算技术。空间化主要包括两个环节［14］：一是基于信息的内容及其相互功能关系，通过数学转换方法重新整理数据条目，转换到特定的逻辑坐标系系统；二是将转换后的数据用图形表现出来，用于信息和知识发现。

知识可视化是在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上发展起来的新兴研究领域，应用视觉表征手段，促进群体知识的传播和创新；除了传达事实信息之外，知识可视化的目标在于传输见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等，并以这种方式帮助他人正确地重构、记忆和应用这些知识。可视化技术经过二十多年的发展，出现了一系列信息可视化方法（树、网络、空间信息探索、地图、表格、图表等）和知识可视化方法（启发式草图、视觉隐喻、知识动画、知识地图、概念地图、思维导图、认知地图、思维地图、语义网络和科学图表等）［15～16］。

面向基于信息系统情况判断需要，本文后续研究将在上述研究基础上，研究提出与战场事件知识组织模型相适应的人机交互方式和知识可视化方法。

4 基于时空特性的海战场情况数据模型研究框架

基于上述思路，战场情况数据时空建模的研究框架如图1所示，具体研究问题包括如下几个方面：

图1 总体研究框架

1）知识表示和管理视角下的战场情况演化及事件产生机理研究

统一的战场事件及事件之间关系的模型是实现基于知识的作战标图的基础，其形态将直接影响到战场情况判断的效能，以及语义层面分布式作战系统统一态势的形成。如何明确建模的需求，包括战场情况分类描述需求，战场情况演化的时空过程特征，战场情况如何通过指挥人员的观察形成战场事件的机理，基于事件及事件关系描述的战场情况分析层的应用需求等。

面向战场事件时空建模及时间网络建模需要，需要仔细梳理战场情况数据及其特征，包括海战场事件的种类、不同类别事件的要素、事件之间在空间、时间及因果等维度方面的特征等。因此，这部分研究将为后续建模提供需求和指导。

在战场情况数据分析及事件特征研究部分，主要解决两个方面的问题：一方面通过对战场情况数据的梳理分析，面向编队情况判断的需要，解决战场情况数据的分类问题；在此基础上，通过对战场事件的梳理分析，面向基于知识的作战标图的需要，解决战场事件的特征描述问题。

2）战场事件时空建模研究

面向基于知识作战标图的需要，需要构建支持基于知识的情况检索和时空推理的战场事件模型，同时由于战术知识无法穷举，因此所构建的战场事件模型还需要具备良好的可扩展性。这部分的研究内容又可分为模型结构、属性选择及时空语义的表达方式研究三部分。

首先是模型的结构。从理论上分析，各类战场事件都应该具备事件的基本特征，也就是说应该存在一个通用的事件的基础模型，其他战场事件模型都由该模型派生而来。因此本部分研究内容首先需要深入学习各专业领域中有关事件建模的研究成果，总结其具有通用性的部分，形成事件的基础模型，如在时态地理信息系统中，有学者就将时间、空间和属性设定为事件的三个基本特征。

其次是事件属性选择。属性选择决定了模型最终参数的确定，这部分研究内容比较琐碎，需要基于战场情况数据分析及事件特征研究的结果，整理出描述各类战场事件的属性，以及相应取值范围和默认取值。面向基于知识的情况检索，对属性的描述将引入本体论方法，在梳理出战场事件属性集的同时，构建属性的本体模型以支撑战场事件的描述。

再次是时空语义的表达。时空研究是时态地理信息系统的关键研究内容，不同学者所构建的时空数据模型对时空对象及其关系描述方面各不相同，充分说明时空语义的表达方式与应用需求紧密相关。本部分研究内容将在时空数据模型基本理论基础上，考虑战场情况本身的不确定性的特征，以及指挥员在情况判断时关注战场事件时间和空间相关方面的习惯和方式，面向指挥人员对战场情况按需定制的需求，确定战场事件的时空语义表达方式。

3）战场事件知识的组织与管理研究

面向基于信息系统情况判断过程中按需定制战场情况图的需要，需要在战场事件模型基础上，研究如何组织大量的战场事件知识，以及如何灵活支持多种方式实施战场情况检索的需求。因此本部分的研究内容包括战场事件知识的组织模型，以及与之相匹配的对战场事件知识实施管理应用方法。

首先是战场事件知识的组织。事件知识的组织方式直接决定着对知识运用的效率和复杂度，随着信息系统的不断运用，可预期未来将会累积大量的战场事件知识，使得面向基于信息系统情况判断所需要的情况检索和基于知识的时空推理更加困难。

其次是对战场事件知识的管理应用方法。在将战场事件知识组织起来之后，辅以与之相匹配的知识管理应用方法，才能有效支持基于知识的战术标图系统的设计实现。本部分研究将根据图1中“视图”及“控制器”部分的战术数据收集、管理和显示控制的需要，研究战场事件知识的管理应用方法，并设计实现一组基础的算法，从而给出战场事件知识组织与管理的完整解决方案。

4）原型系统设计中人机协作关键技术研究

需要在混合主动式理论的指导下，探索通过让计算机“理解”指挥人员的意图，在指挥人员需要时提供必要的辅助决策工具，即在情况判断过程中，通过人与信息系统的之间有效的、符合规律的交叉操作，共同完成情况标图和综合判情的过程。

5 结语

本文从时空数据融合与表达的角度出发，将作战标图过程视为指挥员表达、传递和交流战场情况及作战企图等相关知识的过程，分析战场情况演化及事件产生机理，构建面向战场情况判断的战场事件知识时空数据模型，以及支持实现战场情况按需展示的事件知识组织模型，研究提出基于知识可视化理论的战场情况收集/展示方法，实现战场事件知识在语义层和表示层的关联映射，为实现海战场非实时情况的收集、整编、融合和按需展示提供关键技术支持。本文的研究成果还能为增强基于信息系统作战过程中的人-机协作提供方法、途径，最终实现基于知识的作战标图和情况检索服务，以及作战要图的按需合成、分解和复用，从而促进基于信息系统的情况判断效能的提高。

［1］军事科学院.中国人民解放军军语［Z］.北京：军事科学出版社，1997.Military Academy of Sciences.China people's Liberation Army military language［Z］.Beijing：Military Science Press，1997.

［2］Durrant Whyte H F，Rao B Y S，Hu H.Toward a fully decentralized architecture for multi-sensor data fusion［J］.Robotics and Automation，1990.Proceedings，1990 IEEE International Conference on，1990，2：1331-1336.

［3］任连生.基于信息系统的体系作战能力概论［M］.北京：军事科学出版社，2010.REN Liansheng.Introduction of system operational capability based on Information System［M］.Beijing：Military Science Press，2010.

［4］赵晓哲.指挥控制系统中的自然智能和人工智能——人工智能技术在指挥控制系统中面临的挑战［J］.舰船电子工程，1997，16（2）：31-39.ZHAO Xiaozhe.Natural intelligence and artificial intelligence in command and control system-the challenge of artificial intelligence technology in command and control system［J］.Ship Electronic Engineering，1997，16（2）：31-39.

［5］陈行军，缪旭东，齐欢，等.海战场态势评估系统研究［J］.海军大连舰艇学院学报，2008，31（2）：42-45.CHEN Xingjun，MIAO Xudong，QI Huan，et al.Research on situation assessment system of naval battle field［J］.Journal of Dalian Naval Academy of the PLA，2008，31（2）：42-45.

［6］Jeffrey M Zacks，Barbara Tversky.Event structure in perception and conception［J］.Psychological bulletin，2001，127（1）：3-20.

［7］Aboh E O.Tense，Aspect，and Mood：The Preverbal Markers［J］.The Morphosyntax of Complement-Head Sequences，2004：153-192.

［8］陆锋，李小娟，周成虎.基于特征的时空数据模型：研究进展与问题探讨［J］.中国图象图形学报，2001，6（9）：830-839.LU Feng，LI Xiaojuan，ZHOU Chenghu.Spatio temporal data model based on feature：research progress and problems discussion［J］.Chinese Journal of image and graphics，2001，6（9）：830-839.

［9］Peuquet D J，Duan N.An event-based spatiotemporal data model for temporal analysis of geographical data［J］.International Journal of Geographical Information Systems，1995，9（1）：7-24.

［10］Miller H J.A Measurement Theory for Time Geography［J］.Geographical Analysis，2005，37（1）：17-45.

［11］王家耀，魏海平，成毅，等.时空GIS的研究与进展［J］.海洋测绘，2004，23（5）：1-4.WANG Jiayao，WEI Haiping，CHENG Yi，et al.The study and development of spatiotemporal GIS［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2004，23（5）：1-4.

［12］王富强.空间知识地图构建理论和方法研究［D］.郑州：解放军信息工程大学，2013.WANG Fuqiang.Research on the Theory and Methods in Constructing GeoSpatial Knowledge Map［D］.Zhengzhou：PLA information Engineering University，2013.

［13］覃京燕，朱向未，李丹碧林.信息可视化中交互设计方法探议［J］.装饰，2007，49（3）：22-23.QIN Jingyan，ZHU Xiangwei，LI Danbilin.Preliminary Study of the Interactive Design Method in Visualized Information.Art&Design，2007，49（3）：22-23.

［14］汤天波，高峰.可视化技术在情报研究中的应用案例分析［J］.情报理论与实践，2009，32（8）：63-67.YANG Tianbo，GAO Feng.Case study of visualization technology in information research［J］.Information Studies：Theory&Application，2009，32（8）：63-67.

［15］张霞.知识可视化研究综述［J］.软件导刊·教育技术，2013，12（2）：8-11.ZHANG Xia.Review of knowledge visualization［J］.Software guide，educational technology，2013，12（2）：8-11.

［16］刘超.近十年国外知识可视化研究发展述评［J］.上海教育科研，2012，32（9）：32-36.LIU Chao.Review of foreign knowledge visualization research development in the past ten years［J］.Shanghai Research on Education，2012，32（9）：32-36.

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

国家自然科学基金青年基金项目（编号：71701208）；中国博士后科学基金项目（编号：2015M582867）资助。

陈行军，男，博士后，研究方向：作战指挥决策运筹分析。史红权，男，教授，博士，硕士生导师，研究方向：海军兵种战术。