基于面向對象思想的作戰單位形式化描述方法*1

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基于面向對象思想的作戰單位形式化描述方法*1

武利娟，陳琳，劉西，高一波

(中國科學院 自動化研究所，北京100190)

摘要：為了使各軍事仿真系統一致地理解作戰單位的含義和能力，對作戰單位的形式化描述方法進行了深入的研究，提出了一種基于面向對象思想的作戰單位形式化描述方法。首先，分析作戰單位的屬性和構成，對其屬性進行抽象和封裝，得到作戰單位類的靜態屬性，進而形成作戰單位的描述規范；然后，為了使其可以在不同分辨率的系統平臺上應用，在描述規范的基礎上，采用聚合方法對作戰單位之間的動態關系進行描述，得到作戰單位類的動態方法，并給出了適用于該描述規范的作戰單位聚合方法；最后在一體化仿真系統中應用了所提出的作戰單位描述方法，證明了該描述方法的可用性和有效性。

關鍵詞：作戰單位；描述規范；聚合方法；面向對象

0引言

隨著時代和計算機水平的發展，使用計算機模擬軍事訓練以提高部隊戰斗能力、評估作戰效能已成為一種重要的手段。作戰單位是指能夠獨立完成作戰任務的編制單位[1]，是軍事訓練和作戰仿真中具有能動性的主體，是作戰方法的實施者和承受者，也是仿真訓練的對象，對作戰效果具有決定性作用，所以在軍事訓練仿真系統中對其描述的有效性和準確性至關重要。

目前對作戰單位的研究主要集中在聚合解聚、戰斗能力及其在作戰過程中戰斗力變化的研究，如空軍指揮學院的李明忠、畢長劍等論述了模型聚合與解聚的基本原理，并給出了模型交換的基本原則[2]；吳俊、楊峰等提出的高技術條件下海濱作戰的陸海戰斗模型[3]和信息化戰爭下廣義蘭切斯特作戰模型[4]；李新其、畢義明、李紅霞提出了基于網絡中心戰為背景的Lanchester導彈戰斗模型[5]等。對其描述規范的研究很少，主要通過建立軍事模型來實現，如馬亞平、李珂對聯合作戰模擬系統中軍事模型體系結構的研究[6]，但是各研究單位都是根據各自的仿真需求建立的作戰單位模型，針對性很強，沒有形成統一的作戰單位模型，這使得建立的作戰單位模型只能在自身的系統中使用，無法通用和互操作，因此，在一體化仿真系統中模擬同一作戰單位時，需要根據仿真系統的要求多次建立該單位的模型，在這個過程中由于建模人員的理解不同，可能會出現偏差和不同，導致仿真結果的偏離，失去意義，這嚴重影響了軍事仿真建模技術的發展，建立作戰單位的描述規范的需求非常迫切。

雖然完全針對作戰單位規范化描述的研究不多，但是包括作戰單位描述的針對作戰態勢和指控命令的規范化研究已經取得了一定的成就，尤其是美軍于1998年提出的作戰管理語言(battle management language，BML)[7-11],它是一種無歧義作戰描述語言，可用于指揮控制部隊與裝備執行軍事行動，提供態勢感知和共享信息，已得到了廣泛的認可。雖然BML主要側重于對作戰計劃和命令指揮控制、交互和共享的研究[12]，對作戰單位的描述較為簡單，但是其對作戰計劃和命令建立描述規范的方法和思想為作戰單位的研究提供了思路和參考。

為了避免在一體化仿真系統中共用同一作戰單位時出現上述問題，使描述的作戰單位可以通用，本文提出了一種基于面向對象思想的作戰單位描述方法，為建立作戰單位的描述標準提供參考。該方法借鑒面向對象的核心思想，以對象的角度看待作戰單位，對其進行描述[13-14]，即：首先對作戰單位的各項屬性及其屬性之間的關系進行研究，經分類、抽象和封裝后獲得作戰單位類的靜態屬性，并形成了作戰單位的描述規范；然后采用聚合方法[15]描述作戰單位對象之間的關系，給出了由底層(平臺級)作戰單位屬性值計算高層(即聚合級)作戰單位屬性值的計算方法，實現由底層到高層作戰單位的聚合；最后在一體化仿真系統中，對該描述方法的正確性和有效性進行了驗證。

1作戰單位類靜態屬性的描述

在軍事仿真系統尤其是聯合軍事仿真系統中，涉及到的軍事單位包括海陸空和第二炮兵等各類兵種，種類繁多、數量龐大，為了便于實現及其在作戰和訓練仿真過程中通用，本文對各類作戰單位進行簡化、抽象、封裝并層次化，獲得作戰單位類的靜態屬性，形成作戰單位描述規范。

建立作戰單位的描述規范的過程就是對各類作戰單位的基本屬性、技術指標以及作戰能力等屬性信息進行抽象、分類和組織獲得作戰單位類靜態屬性的過程。對作戰單位基本屬性、效能指標、位置信息等屬性進行分析，并對其進行抽象、組織和分類，可將其分為5類，即：

(1) 基本屬性：作戰單位的標識、本身特性和固有屬性等。包括的具體屬性有：標識ID、名稱、兵種、等級、密級、所屬方、是否加強、上級單位、所屬兵力陣營、是否為指揮單位、指揮單位、通信網、擁有的武器、擁有的彈藥、擁有的設備、反應時間和人員構成等。

(2) 空間屬性：作戰單位的位置、形狀、隊形等。包括的具體屬性為：物理位置、陣型、在上級陣型中的相對位置等。

(3) 效能屬性：作戰單位所能發揮的作戰相關的能力及其可對其他單位或環境造成的影響。本文通過作戰單位的戰斗力來體現作戰單位的作戰效能，所以其具體屬性包括：信息力，即信息獲取、控制和使用的能力，信息力越強，作戰單位在作戰過程中越能搶占先機；攻擊能力，即消滅敵人的能力，攻擊能力越強，越能把握戰機；防御能力，即在作戰過程中阻止敵軍傷害、消滅自己的能力，防御能力越強，越能減少戰術或戰役漏洞，進而減少被偷襲或消滅的可能性；爆發力，即作戰任務下達后，瞬間產生的作戰能力，爆發力越強，越能快速命中目標；殺傷力，即命中目標后對敵軍造成的影響，殺傷力越大越能擊中敵軍要害；保障能力，即作戰過程中后援或后勤的保障能力，保障能力越強，作戰單位在作戰過程中越沒有后顧之憂。這些作戰能力需要通過作戰單位的具體武器、設備等來衡量和計算，如，信息力的值要根據作戰單位所擁有的通信網以及通信網的通信性能和通信人員及通信人員的反應速度等來得到。

(4) 行為屬性：作戰單位的機動、射擊等可以實施的與作戰相關的動作；包括的具體屬性為：機動、射擊、待命、支援、撤離等作戰行為和動作。在描述規范中，只對機動行為中作戰單位通用行為屬性如速度、方向等進行詳細描述，對于具體行為動作，則為每個行為分配一個行為ID，在實際應用中，通過引用行為ID實現行為屬性的描述。

(5) 任務屬性：作戰單位已承擔、現在承擔或將要承擔的任務及其相應的完成情況。包括的具體任務屬性為：任務完成狀態、預期完成時間、實際完成時間、預期結果、實際結果等，對于任務預期結果和實際結果，需對其損失程度、消滅敵軍數量、消耗彈藥等屬性參數進行描述。

經抽象和封裝，這5類屬性形成作戰單位的5個基類，它們分別是基本屬性類、空軍屬性類、效能屬性類、行為屬性類和任務屬性類。分析各屬性類之間的層級關系，對每層屬性及屬性值進行封裝，上下層級屬性進行繼承，完成對這5個基類之間關系的描述，就得到了作戰單位類的靜態屬性，作戰單位類包含屬性之間關系的定義和組織，以及它們出現的順序和頻率等。除此之外，對作戰單位類中的每個屬性的封裝還包括屬性的約束定義，屬性的約束主要包括數據類型、字符串組合方式、字符串長度、數值大小等。

為了使描述的作戰單位可以在不同的仿真系統中通用，能夠被快速有效的解析，本文采用XML Schema設計環境對作戰單位的靜態屬性進行實現。首先,對作戰單位類中各靜態屬性之間的關系進行描述，得到作戰單位描述規范的基本框架，如圖1所示是以“作戰單位”為根節點的作戰單位描述框架。

在作戰單位描述規范的基本框架中，各屬性層級之間的關系表示的各屬性基類之間的繼承關系；葉子節點表示的是基類包含的屬性，每個節點下一級的節點是該節點對應基類的靜態屬性；節點下方的數字定義是屬性可出現的頻數；非葉子節點后方的組合方式定義了其包含屬性的組合方式和排列順序。然后，在描述框架的基礎上，對每個元素進行詳細的約束定義，也就是對作戰單位類靜態屬性的約束定義進行描述， 即對與基類靜態屬性相對應的葉子節點進行定義，主要包括節點的數據類型、字符串組合方式、字符串長度、數值大小等，如圖2所示為規范約束定義的一部分，最后得到完善的作戰單位描述規范。

圖1　作戰單位描述規范框架Fig.1　Description standard frame of a military unit

圖2　規范中的部分約束定義Fig.2　Constraint definition in description standard

2基于聚合方法的動態屬性描述

在一體化軍事仿真系統中，參與作戰的對象包括不同級別或層次的作戰單位(如坦克營與坦克連之間交戰)，因此，在仿真系統中需建立作戰單位對象之間的層級及交互關系，即在作戰單位類中需增加對作戰單位動態屬性進行描述的動態方法。本文采用聚合方法來描述作戰單位之間的動態屬性關系，即在作戰單位描述規范的基礎上，建立由底層作戰單位(平臺級)到高層(聚合級)作戰單位的聚合方法。

本文采用數學公式和轉移矩陣來描述由平臺級作戰單位到聚合級作戰單位的聚合過程。

pi，j(t)表示單位i在t時刻第j個屬性的值；si(t)表示t時刻第i個平臺級作戰單位實體的狀態；S(t)表示t時刻聚合級作戰單位實體的狀態。

則平臺級作戰單位的狀態si(t)可以表示為屬性pi，j(t)的集合：

(1)

而聚合級作戰單位的狀態S(t)可以表示為平臺級作戰單位狀態si(t)的集合：

(2)

式中：ai為第i個平臺級作戰單位的權重。

將式(1)代入式(2)可以用t時刻平臺級作戰單位實體的屬性矩陣表示聚合級作戰單位實體的狀態，公式如下：

(3)

經變換可得到聚合級狀態S(t)用屬性矩陣和系數矩陣的積表示的公式，公式如下：

(4)

式中：A為系數矩陣；P為屬性矩陣，屬性矩陣P中的每一行表示一類平臺級作戰單位實體的屬性，每一列表示不同類平臺級作戰單位實體的同一屬性，聚合級作戰單位的所有下級(平臺級)單位的狀態就構成了聚合級作戰單位的狀態。

在矩陣表示的基礎上計算聚合級作戰單位的屬性，計算時根據屬性值Pi(t)的性質將其分類處理：

(1) 若屬性值Pi(t)為標識性描述(如，名稱、ID等)，根據標識符的組織方式編制，然后直接賦值。

(2) 若該屬性Pi(t)是可量化(如效能屬性)，則取其加權平均值，即

(3) 若該屬性值Pi(t)是枚舉值(如，單位類型)，則合并p0i(t),p1i(t),…,pni(t) 中屬性值相同項，即若pji(t)=pki(t) 則bl=aj+ak，然后找出bl中最大值對應的pli(t)，即

Pi(t)=pmax(b0,b1,…，bm)i(t).

(4) 若屬性值Pi(t)是數值型的(如，單位人數)，則直接取基礎單位相應屬性值的和，即

Pi(t)=p0i(t)+p1i(t)+…+pni(t).

(5) 若屬性值Pi(t)是單位擁有武器和設備類的屬性，則按類型合并。

(6) 若屬性值Pi(t)是類似于行為和任務的屬性，則取基礎單位相應屬性值的并集。

(7) 若屬性值Pi(t)是最值類(如反應時間)的屬性，則取其相應最值。

(8) 若Pi(t)是其他類型的屬性，則按實際情況進行計算。

最后即可得到聚合級作戰單位的屬性值，公式表示為

(5)

式(3)～(5)中S(t)都刻畫了某一時刻聚合級作戰單位實體的狀態，隨著作戰活動的變化和時間的推移，S(t)會形成連續、生動的作戰單位實體的狀態。這就完成了從平臺級作戰單位實體到聚合級作戰單位實體的聚合過程，依次通過從下級(平臺級)到上級(聚合級)作戰單位實體的聚合，就可以完成不同級別作戰單位實體狀態和交互關系的描述，即描述了作戰單位對象之間的動態關系，完成了作戰單位類的動態屬性的描述。

3在一體化仿真系統中的應用

為了驗證本文提出的作戰單位形式化描述方法的可用性和有效性，在一體化仿真系統中對其進行了應用。

為了便于作戰單位的形式化描述，在一體化仿真系統中，搭建了具有圖形界面的形式化描述工具如圖3所示。

圖3　形式化編輯工具Fig.3　Formal description tools

它是在作戰單位描述規范的基礎上實現的，通過該工具描述的作戰單位能夠自動生成符合作戰單位描述規范的xml文件，并且可對已有的作戰單位描述進行規范化驗證，如若不符合作戰單位描述規范的定義，則給出相應的提示，如作戰單位的名稱在規范中的定義類型是string，若描述時，填寫的是數字，則給出類型定義錯誤的提示。

在系統中首先對平臺級作戰單位進行了描述，如圖4所示為指揮坦克的形式化描述。

圖4　平臺級作戰單位的形式化描述Fig.4　Formal description of basic combat unit

在一體化仿真系統中，給出了根據平臺級作戰單位的屬性值計算聚合級作戰單位的屬性值的方法和算法。在系統中根據作戰單位的組成，實現了由4個平臺級作戰單位即3個坦克排和1個指揮坦克的屬性值計算得到聚合級作戰單位坦克連的屬性值的過程。

如s0(t),s1(t),s2(t),s3(t)分別表示指揮坦克、坦克1排、坦克2排和坦克3排的屬性值集合，經計算獲得的坦克連的屬性值集合為S(t)。

在一體化仿真系統中，由平臺級作戰單位屬性值計算得到聚合級作戰單位的屬性值后，可自動生成其形式化描述的xml文件，其格式與平臺級作戰單位的形式化描述相同。

在本系統中，形式化描述的作戰單位實現了聚合，且在不同作戰單元之間進行了傳遞和共用，并得到了正確的解析，實現了作戰單位在一體化仿真系統各作戰單元之間的共享和語義解析。

5結束語

本文提出的基于面向對象思想的作戰單位形式化描述方法，首先分析了作戰單位的通用屬性和參數，對其進行抽象、分類和封裝，得到作戰單位描述的基類，再對基類進行組織和封裝形成作戰單位類的靜態屬性，進而形成了作戰單位的描述規范。然后對作戰單位對象之間的關系進行分析和研究，采用聚合方法描述作戰單位之間的動態關系，形成作戰單位類型的動態方法，獲得由平臺級作戰單位到聚合級作戰單位聚合的方法。最后搭建了形式化描述工具，用于完成平臺級作戰單位的描述，而聚合級作戰單位的描述可通過計算平臺級作戰單位的描述自動生成。在一體化仿真系統中的應用很好地驗證了該描述方法的有效性和可用性。

當然該方法也具有一定的不足，如沒有討論作戰單位的解聚方法，雖然滿足了現在軍事仿真系統對作戰單位描述的需求，但是隨著軍事的發展，還需對其描述規范進行完善和修改，對其解聚方法進行深入的研究。

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Object-oriented Formalized Description Method for Combat Units

WU Li-juan，CHEN Lin，LIU Xi，GAO Yi-bo

(Chinese Academy of Science，Institute of Automation，Beijing 100190， China)

Abstract:In order to enable all kinds of military simulation systems to unanimously understand the meaning and competence of the combat unit, an in-depth research of a formalized description method is developed and a formalized description method of combat units is proposed based on object-oriented. In the first step, the description standard of the combat unit will be formed with the static attribute of this unit class, which is abstracted and encapsulated based on the analysis of the unit’s attribute and component. Secondly, to enable the standard to be used in various systems of different resolution ratios, the dynamic relationship between combat units is compared with an aggregated approach to get a dynamic method, and an aggregated method fit for this description standard of the combat unit is put forward. Finally, the usability and effectiveness of this description method is verified after the method is applied in the integrated simulation system aforementioned.

Key words:combat unit; description method; aggregation; object-oriented.

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-06-0223-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.039

通信地址：100190北京市海淀區中關村東路95號自動化研究所模式樓510E-mail：lijuanwu@ia.ac.cn

作者簡介：武利娟(1987-)，女，河南濮陽人。碩士生，主要研究方向為兵力仿真和智能信息處理。

*收稿日期：2014-08-06；修回日期：2014-11-19