（《指挥与控制学报》刊文精选）
引用格式 李锋, 蒲泓亦, 徐铮, 郭邵萌. 作战计划多粒度时空建模与仿真推演应用[J]. 指挥与控制学报, 2022, 8(1): 101-106.
LI Feng, PU Hong-Yi, XU Zheng, GUO Shao-Meng. Multi-granularity Spatio-Temporal Modeling of Operational Plan and Simulation Deduction Application[J]. Journal of Command and Control, 2022, 8(1): 101-106.
摘要
面向仿真推演应用，从时空建模角度设计一种实体与事件相结合的作战计划多粒度时空表达模型,为指挥控制系统提供技术支撑。将作战计划抽象表达为一组推演实体和推演事件序列；分别针对推演实体和推演事件进行时空分析并设计多粒度时空表达模型；以美军反航母马赛克战仿真推演为案例进行了实验分析，验证了方法的可行性。
作战计划仿真推演是以作战规则、作战环境、技战术模型为约束条件，按时空顺序对作战计划各阶段的部署和行动进行推理分析和动态演播，辅助指挥员思考作战问题，发现作战计划潜在的冲突与矛盾。作战计划时空建模是实现作战计划可视化表达和推理分析的基础，建立高效、合理的作战计划表达模型，是仿真想定编辑、作战行动表达与评估的基础[1]，可为指挥控制系统作战计划表达提供技术支撑。
针对作战计划建模与表达问题，国内外已开展了大量研究。美国国防部高级研究计划署建立了知识表示语言，并用于作战计划表示[2]。为实现作战计划在各类信息系统之间的交换和共享，美军提出了核心计划表示模型[3]，用参与者、目标、资源、行动和时间、空间来描述作战计划。国内，刘冰雁等研究了基于系统建模语言(system modeling language, SysML)的作战计划可视化建模方法，总结了作战计划可视化建模规则[4]。罗旭辉等提出基于层次任务网络的作战计划建模方法[5]。谢雨芮等采用面向对象思路建立了作战实体多粒度时空对象模型，对作战时空实体的关联关系、组成结构和行为能力等特征的抽象与表达进行了研究[6]。朱旋等运用面向对象的分析方法,设计了基于UML的联合作战方案计划“三视图”模型，对可视化视图在指挥控制中的应用进行了规范化表述[7]。李锋等采用面向过程思路设计了基于推演事件的作战计划表达方法，并用于作战行动时空冲突检测[8]。邵太华等针对无人作战指挥控制的特点，提出基于多跳阅读理解的任务智能解析算法，建立了无人作战系统的任务解析框架[9]。目前，对作战计划的形式化描述和本体建模研究较多，但在作战计划时空表达方面尚无成熟的方法,难以支撑指挥控制系统中作战计划评估研究。
本文面向仿真推演应用，从时空建模角度，结合面向对象和面向过程两种时空建模思路设计一种实体与事件相结合的作战计划多粒度时空表达模型，并在仿真推演系统中应用，验证了方法的有效性。
1
作战计划时空表达模型
1.1 作战计划核心组成要素
作战计划是军队遂行作战任务而对作战准备和实施制定的计划，用于规定部队完成任务的目的、内容、方法、步骤、时间和要求等。由于任务需求和专业背景不同，不同领域的作战计划模型对组成要素和要素的定义不尽相同，胡欣[10]、杨俊强[11]、陈行军[12]、钱猛[13]等分别从本体建模、形式化表达、时间窗建模等角度提出作战计划的核心概念模型。此处参照文献8详细分析面向仿真推演的作战计划核心组成要素。
作战计划主要描述作战活动中的7个问题：1）为什么做(Why do)，描述部队行动的目的；2）谁来做(Who to do)，描述作战行动的主体；3）做什么(Do what)，描述部队行动的内容；4）用什么做(By what)，描述部队作战行动配置的资源；5）什么环境下做(Which environment)，描述部队行动的环境属性；6）何时做(When)，描述部队行动的时间属性；7）在哪做(Where)，描述部队行动的空间属性。作战计划的制定、推演以及分析评估都是围绕着“7W”展开的。因此,作战计划表示模型可形式化描述如下。
其中，Objective表示作战目的，是指挥员指定计划的作战意图；Organization表示作战组织，是作战过程中可独立存在的参战角色，有一定自主行为能力，是作战计划的执行主体；Action表示作战行动，是作战组织在战过程中为完成作战任务而执行的一系列活动，是作战组织在一段时间内持续进行的操作；Resource表示作战资源，是作战组织在执行作战行动达成作战目标过程中使用的武器装备、环境对象和保障物资等，是作战行动执行的条件；Environment表示计划环境，是与作战计划相关联，影响作战计划执行的多种条件和状态的集合；Time表示时间，用于描述作战计划目标、组织、行动、资源、环境要素的时间属性；Space表示空间，用于描述作战计划目标、组织、行动、资源、环境要素的空间属性。
1.2 面向仿真推演的作战计划时空表达
传统的作战计划通常表现为文档、表格形式，能在指挥作战中有效传递作战计划信息，却难以直接应用于仿真推演系统。在仿真推演中，作战计划是以仿真想定方式存在，需要以手工或自动解译方式录入系统。
在地理信息领域，在对作战方案、军事行动时空建模大致有两种思路：一是面向过程的时空建模，包括基于事件表达[8]和基于任务表达[14]的时空建模方法；二是面向对象的时空建模，包括基于Agent的建模方法[15-16]和时空对象建模方法[17]。单纯的面向过程和面向对象的方法都难以满足仿真推演多视角数据组织管理和可视分析需要。基于事件的表达将仿真实体分解到各个事件中对仿真想定的编成作业极不方便。而面向对象的表达方法又将作战行动分解到各仿真实体中导致仿真想定的行动编辑不太方便。
此处面向仿真推演应用，从时空建模角度，结合面向对象和面向过程两种时空建模思路，将作战计划分解为推演实体和推演事件，分别对应仿真想定中的作战编成和想定事件。推演实体和推演事件并不能替代作战计划的其它要素，只是面向仿真推演应用对作战计划各组成要素的二次建模。定义推演实体和推演事件后，可得到作战计划的另一种表达方式，即将作战计划表示为一组推演实体和推演事件序列。推演实体与推演事件相结合的作战计划时空表达模型可形式化表达如下。
SENi表示推演实体，是作战计划的执行主体，作战过程中可独立存在的参战角色，有一定自主行为能力，在部队编制序列中有明确界定的个体或团体。推演实体具有空间属性、时间属性、特征属性、社会属性，伴随战斗阶段表现出不同状态。且根据战争规模和战争类型，作战实体具有多粒度的特征，可以是部队编制序列里的一级单位，也可以是武器平台，甚至平台中的一个组件。
SEVj表示推演事件，是指作战组织根据作战目的，依据战场配置所执行目标明确的作战行动的集合，如火力突击、电磁干扰、实施侦察等。推演事件也具有多粒度特征，为便于作战筹划和任务执行，通常将作战计划划分为多个阶段。推演阶段是推演事件的容器，包含一组推演事件序列。而推演事件本身又可分解为不同层级的事件，可以聚合和解聚。
作战计划和其组成各要素的属性具有多粒度特征。作战计划本身可分为总体计划和分支计划，也可分解为多个阶段。推演实体需要根据仿真粒度进行聚合解聚，可根据军队编制体系按级别分解为军、师（旅）、团、营、连、排、班等基本类型，到武器平台层面也可分解为更细的功能部件。推演事件也需要根据仿真需求分解成不同层级的推演事件，且多个事件可以按照逻辑、时间、空间聚合成高层级事件。
1.3 作战计划的时空属性建模
时间是影响军队作战能力形成与发挥的重要因素，也是作战计划的重要要素。推演实体有自身的生命周期，存在出现、变化、消亡等过程。推演事件也需要描述开始、结束以及持续时间。作战计划的时间属性可用时间点（time point，TP）和时间段（time interval，TI）表示，其含义如图1所示。TP是按照时间度量单位将连续时间离散化得到的点时刻，用于描述如“雷达开机”、“结束战斗”等瞬间行为。TI表示起始时刻到终止时刻之间的时间段，可描述如“占领阵地”、“行军”等非瞬时行为。两种时间描述方法是相对的，随着仿真粒度的变化，时间点和时间区间是可以相互转换的。如“火炮射击”，在描述战役行动时用一个时间点描述，但在描述战术动作时，需要用时间区间表示，包括装填弹药、输入射击诸元、发射等过程。
空间也是作战计划内容的重要因素，作战计划需要描述作战地域的要点、战斗分界线、作战行动的接触线、开进路线、前沿地域以及作战资源的部署地域、探测范围、火力打击范围等。作战计划的空间要素主要分为客观空间描述和空间关系描述。客观空间描述主要用地理坐标、相对坐标、网格编码、空间范围等方式描述。空间关系主要有相离、覆盖、相接、重叠、相等，用于描述空间要素之间的关系。
2
推演实体建模
2.1 推演实体的表示模型构建
在仿真推演中，推演实体是推演过程中独立存在的参战角色，有一定自主行为能力，有明确界定的个体或团体，是作战行动的执行主体。作战实体可用属性、能力和状态来描述。属性包括名称、代字、级别、从属、位置等；能力描述作战组织可以干什么，如执行机动、侦察、火力突击、通信等行动的能力；状态是作战组织具有的内部和外部形态与特征，如损毁情况、弹药数量、人员数量等。推演实体可形式化描述如下：
其中，Property表示事件执行者的属性，包括基本属性、空间属性、效能属性等；Ability表示作战组织具备执行作战行动的能力，可用于推理分析；Status表示推演实体的状态，可用于态势显示；Time表示时间，Space表示空间，用于描述推演实体各要素的时空属性，如持续机动时间、探测范围、火力打击范围等；Parent表示推演实体的父节点，SubSENs表示推演实体包含的子实体序列，用于表示层级关系。
2.2 作战实体关系建模
推演实体包括独立实体和聚合级实体，推演实体之间具有可分离、可组合特性。独立实体是不可再分的基本单元，根据仿真推演粒度可以是部队编制层级内的单位，也可以是武器平台的组成部件。聚合实体是独立实体聚合得到的更大尺度推演实体。此外，根据作战规则推演实体之间存在着分类、组合、关联3种关系。推演实体之间关系可用UML图形表示为图2。
图2 推演实体关系示意图
Fig. 2 The relationship view of deduction entity
分类关系表示推演实体之间的组织层级关系，高层类概括低层类的公共特性，如武装力量包括军队、警察、民兵等，军队又包括海军、空军、陆军等，可用泛化关系图表示。
组合关系描述推演实体内部的聚合关系，如一个合成旅由机步营、防空营、参谋部、政治部等部门组成，可用聚合关系图表示。
关联关系描述两个推演实体之间在作战活动中可能的交互关系，常见的关联关系包括邻接关系、指挥关系、通信关系、组织关系、供应关系、协作关系、占有关系、对抗关系等，可用关联关系图表示。
3
推演事件时空建模
3.1 推演事件表达模型构建
基于事件的时空数据模型是通过连续改变事物和现象属性来改变对象的特征状态，在地理信息领域常用来描述事物和现象的时空过程。此处按照地理信息领域事件建模思路建立面向作战计划表达的推演事件模型。
在仿真推演中，作战实体存在产生、消亡、属性变化、能力变化以及空间位置变化等，这些变化可以使用推演事件来表达。随着仿真推演进程的推进，产生序列推演事件，改变推演实体状态。推演事件是以作战实体为行动对象，以行动内容为核心，以作战目标为作用对象，并以行动过程的时间和空间作为描述参数的表达模型。推演事件的形式化表示如下：
其中，SEN表示事件关联的推演实体，可以是事件的执行者，也可能是事件的执行对象；Action表示作战行动，是作战实体在为达成目标而执行的一系列活动；Objective表示作战目的，是事件执行后达成的目标；表示作战资源，是事件执行需要依赖的各种条件；Time表示事件的时间描述参数；Space表示事件的空间描述参数。
3.2 推演事件关系建模
作战计划中的各种变化可以抽象为序列推演事件组合，这些推演事件之间不是独立的，相互之间具有层次关系、继承关系和逻辑关系。推演事件之间关系用UML图形可表示为图3。
层次关系主要是指推演事件之间和推演实体一样也具备聚合和解聚关系，一个推演事件可以分解为多个子事件，同时多个推演事件又可以聚合为上级推演事件。推演事件的聚合与解聚规则可以是逻辑关系，也可能是时间、空间关系。通过“串联”和“并联”行动关联对象的事件能够将表达的内容由单个对象状态变化上升到整体行动或不同行动阶段的战斗态势，体现作战计划多粒度的特性。
图3 推演事件关系示意图
Fig. 3 The relationship view of deduction event
继承关系是指推演事件之间具有一些共有的属性和方法，如时间、空间属性以及可视化表达、冲突检测方法等。在构造好推演事件的基类后，其他推演事件可继承父类的接口和方法，并在基类基础上增加专有的接口和方法。
逻辑关系是指推演事件之间具有内在的依存或触发关系，如通过障碍区和破除障碍具有依存关系，火力打击与毁伤事件具有触发关系。在仿真推演时，可根据推演事件的逻辑关系直接执行与之关联的推演事件，而不必由时间驱动。
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应用案例与分析
为验证上述方法的有效性，以反航母马赛克战为案例进行实验。案例中蓝方使用马赛克作战集群打击红方航母编队，根据蓝方作战计划将仿真想定分解为推演实体和推演事件。
在推演实体方面，可建立集群、编队、平台、作战部件多个层级对象，用于描述红蓝双发参战兵力。蓝方作战实体包括：低轨侦察卫星、舰载预警机、运输机（携作战无人机集群）、无人僚机。作战无人机有电子战、火力打击、武库机、诱饵机等多种型号，采用“云-网-端”架构，可组建马赛克集群。红方包括：航母、搭载战斗机、电子战机、预警机、各型舰载机以及驱逐舰、护航舰等。
在推演事件方面，首先将作战计划分解为5个阶段。分别是：全域感知，低轨侦察发现航母；红方截击，拦截蓝方马赛克群；空中交战，无人机马赛克集群空中交战；动态重组，马赛克群破击编队。各阶段的推演事件包括：低轨卫星侦查、预警机侦查、无人僚机抵近侦察、无人机集群支援作战、无人机马赛克集群空中交战、航母编队撤离战场等。这些推演事件根据仿真粒度可以进一步分解为详细的子事件，并最终按照时间关系聚合为各推演阶段。
在将作战计划表达为一组推演实体和推演事件序列后，可按照时间与逻辑相结合的方法实现作战计划的动态演播。推演开始是以时间为序驱动推演事件演播，在推演事件执行过程中，如因逻辑关系需要驱动其它推演事件，则根据逻辑关系驱动后续推演事件执行。同时可以推演事件为基础分析单一推演事件和推演事件之间是否存在冲突，辅助作战计划评估。
基于上述思路，构建了作战计划仿真推演实验验证平台。基于地理空间数据构建陆、海、空、天一体的三维虚拟战场环境。建立军标符号库和三维模型库，用于推演实体的几何表达。在三维场景中对每一个推演事件的过程进行可视化表达。最后按照作战计划设计的推演事件时间顺序进行仿真推演，推演过程如图4所示。
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结论
建立高效、合理的作战计划时空表达模型是仿真想定编辑、作战行动推演评估的基础。面向仿真推演应用，从时空建模角度，结合面向对象和面向过程两种时空建模思路设计推演实体和推演事件相结合的作战计划多粒度时空建模方法。以公开的美军反航母马赛克战为典型案例进行实验验证。此方法符合军事人员、技术人员思维习惯，可为仿真推演系统提供有效作战计划时空表示模型。
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作者简介
李锋（1982-）, 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为作战环境建模与仿真研究. 本文通信作者.
蒲泓亦（1998-）,男,硕士研究生,主要研究方向为作战环境建模与仿真研究.
徐铮（1991-）, 男, 讲师, 主要研究方向为作战环境建模与仿真.
郭邵萌（1989-）, 女, 工程师, 主要研究方向为测绘科学与技术和水文水资源.
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