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使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法

徐丙立 饶毅 陈宇婷 游兰 林珲

徐丙立, 饶毅, 陈宇婷, 游兰, 林珲. 使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
引用本文: 徐丙立, 饶毅, 陈宇婷, 游兰, 林珲. 使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
XU Bingli, RAO Yi, CHEN Yuting, YOU Lan, LIN Hui. Role Model-based Geo-Collaboration of Virtual Geographic Environments[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
Citation: XU Bingli, RAO Yi, CHEN Yuting, YOU Lan, LIN Hui. Role Model-based Geo-Collaboration of Virtual Geographic Environments[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499

使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法

doi: 10.13203/j.whugis20160499
基金项目: 

国家自然科学基金 41271402

国家自然科学基金 41771442

国家重点基础研究发展计划 2015CB954100

装备发展部预研项目 315050501

详细信息
    作者简介:

    徐丙立, 博士, 副教授, 主要从事虚拟地理环境、战场环境模拟、地理协同等研究。xublmail@126.com

  • 中图分类号: P208

Role Model-based Geo-Collaboration of Virtual Geographic Environments

Funds: 

The National Natural Foundation of China 41271402

The National Natural Foundation of China 41771442

the National Key Basic Research Program of China 2015CB954100

Pre-research Project of Equipment Development Department 315050501

More Information
    Author Bio:

    XU Bingli, PhD, associate professor, specializes in virtual geographic environments, battle field simulation, geo-collaboration. E-mail: xublmail@126.com

图(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-23
  • 刊出日期:  2018-10-05

使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法

doi: 10.13203/j.whugis20160499
    基金项目:

    国家自然科学基金 41271402

    国家自然科学基金 41771442

    国家重点基础研究发展计划 2015CB954100

    装备发展部预研项目 315050501

    作者简介:

    徐丙立, 博士, 副教授, 主要从事虚拟地理环境、战场环境模拟、地理协同等研究。xublmail@126.com

  • 中图分类号: P208

摘要: 为解决虚拟地理环境缺乏有效组织、规划、管理群体协同的问题,研究并构建角色模型及角色支持下的虚拟地理环境群体协同方法。构建了包含角色扮演、角色权限、角色感知、角色思维、角色行为和角色表达等模块的角色模型,设计了基于角色的虚拟地理环境群体协同框架,提出了多角色群体协同规划方法,建立了角色支撑下的群体协同冲突检测与消除策略。针对人类活动与全球变化相互影响问题,构建多领域人员参与下虚拟地理环境群体协同模拟与评估原型系统。经系统测试发现,通过角色模型能够较好地实现协同参与者与虚拟地理环境之间的耦合,同时能够为虚拟地理环境的群体协同提供系统性方法支撑。

English Abstract

徐丙立, 饶毅, 陈宇婷, 游兰, 林珲. 使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
引用本文: 徐丙立, 饶毅, 陈宇婷, 游兰, 林珲. 使用角色构建虚拟地理环境群体协同方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
XU Bingli, RAO Yi, CHEN Yuting, YOU Lan, LIN Hui. Role Model-based Geo-Collaboration of Virtual Geographic Environments[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
Citation: XU Bingli, RAO Yi, CHEN Yuting, YOU Lan, LIN Hui. Role Model-based Geo-Collaboration of Virtual Geographic Environments[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(10): 1580-1587. doi: 10.13203/j.whugis20160499
  • 虚拟地理环境(virtual geographic environments, VGEs)是地理环境的虚拟映射,它借助于计算机技术,以虚拟化的手段实现对自然环境、人文环境以及虚构环境的计算、模拟、表达、分析等,实现对地理现象和过程的虚拟实验,为地理问题科学研究和优化决策提供服务,其关键特征包括具有数据和模型双核心、多维化动态虚拟表达、多模式人机交互,以及多学科、多部门、跨区域的群体协同等[1-5]

    支持群体协同是虚拟地理环境为适应复杂地理学问题研究对多学科知识、多部门资源、多地域人员的综合需求而提出的。虚拟地理环境下的群体协同,是本地或异地人员在同一时间或不同时间内,通过具有地理参考的虚拟环境,对地理空间现象和过程进行协作探索、模拟、认知与决策等的过程。针对虚拟地理环境的协同,国内外学者开展了一些有意义的探索。林珲等提出地理协同应该作用虚拟地理环境的重要特征[5]。戚铭尧等指出协同的模型可以是会话模型、会议模式、角色模型、过程模型和活动模型,同时探讨了基于多智能体的虚拟地理环境协同实现[6]; 李建微等将虚拟地理环境用于协同森林灭火研究[7]; 孙亚琴等开展了针对协同工作流的研究[8]; 李文航研究了流媒体技术和移动设备终端对于虚拟地理环境协同的支持,并将其应用在小流域坝系规划、公共卫生、虚拟实验和地理教育上[9-10]。徐丙立等以珠三角空气污染协同模拟为例,研究了虚拟地理环境中的数据协同、模型协同、可视化协同、分析协同以及决策协同等[11-12]。在国外,MacEachem等对地理协同的基本内容进行了阐述[13],并研究了多人协同可视化下的应急管理支持系统[14]; Wendy等提出了一个研究地理协同的框架[15]; Sidlar等评估了基于在线地图的协同[16],指出协同工具的可用性是影响协同效率的关键因素之一。然而,目前虚拟地理环境协同研究至少存在以下两个问题。第一,现有研究更多地是针对具体应用案例的技术性开发,虚拟地理环境群体协同该如何组织、如何设计、如何规划、如何管理等,尚缺乏一种较为完善的方法;第二,协同参与者依然处于虚拟地理环境的外部,缺乏参与者的科学表达模型,以及将参与者与虚拟地理环境有效耦合的方法。

    本研究提出采用角色的方法,构建适合虚拟地理环境协同的角色模型,并以此为基础,研究虚拟地理环境群体协同方法。首先分析角色与虚拟地理环境协同的关系,然后构建适应于虚拟地理环境协同的角色模型,基于该角色模型讨论基于角色的虚拟地理环境群体协同机制,最后以人地相互作用下的全球气候变化为例,构建角色支持下的虚拟地理环境协同模拟与评估原型系统,并对以上基本理论方法进行验证。

    • 角色源于社会学,是指由特定社会地位、身份所决定的一整套的规范系列和行为模式。采用角色研究虚拟地理环境群体协同,既符合角色的社会学特征,也符合虚拟地理环境的需要,具有很好的科学性。

    • 虚拟地理环境强调以“人”为核心,其目的是要将“人”的因素集成进来,同时强调“人”要发挥核心作用。这里的“人”包括两类:第一类是现实人通过人机交互界面,操作虚拟地理环境开展研究,称之为现实人; 第二类是虚拟人,或称之为化身[3],即由计算机生成的智能化虚拟人,其能够自主决策并与其他虚拟人以及现实人进行交流。以上两类“人”首先必须是与其现实社会的背景、行为、思维等社会属性相一致的,或者说与其社会学属性相一致。

      虚拟地理环境群体协同的初衷在于将分布异地的多领域专家、政府以及公众联系在一个共享的具有地理参考的虚拟空间中,进行协同式地理问题的研讨。参与者都是现实世界的人,其对虚拟地理环境施加的操作与现实世界所赋予的角色权利和义务相一致,并且受到角色的行业、专业、知识、权限等的限制与约束。因此,协同参与者的角色约束属于社会学所定义角色的范畴,基于社会学角色研究和规划虚拟地理环境协同参与者是科学的。

    • 普适情况下,研究协同机制需要回答以下几个关键问题,即谁参与协同(参与者)、用什么协同(协同媒介)、协同什么(协同内容)、如何协同(协同方法)。基于以上的问题,虚拟地理环境下的协同参与者是具有一定角色范围下的现实人或虚拟化身,协同的媒介是虚拟地理环境,协同的内容是地理学问题,协同的方法是协同的控制策略。虚拟地理环境的协同参与者是具有社会学属性的某一种或几种角色,并且受到角色的权限约束。虚拟地理环境作为协同的媒介,需要建立面向不同角色的适应性交互界面,协同的内容是地理学问题,协同的方法则包括协同保障策略、协同中的冲突检测与消除、协同可视化、协同模拟等一系列技术性问题。以上所有问题的展开,需要紧密围绕协同参与者和虚拟地理环境进行,并实现二者的有机耦合。而角色能够很好地契合两者的特征,也能将二者耦合在一起。因此,基于角色来研究虚拟地理环境的协同,能够较为系统地理清协同的机制、策略、理论,同时为技术的实现提供有效的支持。

    • 角色理论起源于20世纪30年代,最早是由社会心理学家Mead创立,经过Parsons、Merton等社会学家发展,使其成为社会学的重要理论之一[17-19]。目前,角色的概念虽然在定义上有所不同,但是在技术应用领域,其核心范畴基本一致,即角色是为完成一定的职责而执行的一系列行为的集合。针对不同的应用,研究人员构建了不同的角色模型,比如供应链角色模型、机构角色模型、对象角色模型、智能体角色模型等。

      相比较于虚拟地理环境的群体协同需求,现有角色模型至少存在以下问题:首先,这些角色模型的组成主要包括角色权限和角色行为与操作,因此只能用在用户权限管理上,而角色对环境的感知、角色的思维以及角色的表达则无法满足;其次,现有的角色模型无法胜任协同的设计、规划、管理等需求,比如协同流程如何构建,过程如何实施,协同如何保障等;最后,根据地理学第一定律,空间中的某个角色对于资源和环境的感知与操控能力与空间距离有关,但目前的角色模型并不能满足这一要求。

    • 本研究构建的角色模型考虑到角色的社会学特征,同时又面向虚拟地理环境群体协同特殊性需求,将角色的组成由原来的权限和操作两个模块扩展到扮演、权限、感知、思维、行为、表达等6个模块,如图 1所示。

      图  1  角色概念模型及构建方法

      Figure 1.  Role Concept Model and Method of Construction

      1) 角色扮演

      角色扮演模块用于建立协同参与者与角色之间的关系,负责将角色模型实例化后并将其赋予参与者。角色扮演的实例化过程则是将角色的权限、感知、思维、行为和表达等相关属性信息和操作进行具体化的过程。角色扮演的方式可以由参与者自行选择,也可以根据参与者的信息,由系统智能识别出适合于参与者的角色,并推荐给参与者或者强制授予参与者。角色与用户之间具有多对多的对应关系,即一个角色可以对应多个用户,一个用户也可以使用多个角色。

      2) 角色权限

      角色权限模块对角色所能行使的权限进行组织和管理。它确立了角色在感知、思维、行为乃至表达等各个功能上的约束,是体现角色权限和职能并确保协同顺利开展的基础。角色权限确定的依据主要有两个方面。其一是角色的社会学属性,或者说角色所代表人群能够行使的社会职能。比如科研人员主要能够对专业问题开展研究,政府人员能够对决策性问题进行管理,一般公众能够进行监督与查询。角色权限确定的第二个途径存在于技术层面,属于虚拟地理环境协同的系统约束,比如来自系统管理员、系统维护员、协同创建人员、数据处理人员、模型构建人员、动态可视化分析人员等的技术性需求。角色权限具有继承与派生关系,并且与具体的研究对象和研究方法紧密相关。从虚拟地理环境技术实现和运行的角度说来,角色权限的内容主要包括数据处理权限、模型操作权限、系统运行权限等,主要限定角色行为的有限性、状态的边界性、资源的可访问性、信息的可交互性等。

      3) 角色感知

      角色感知是角色对周边物体和环境的探知,是角色信息输入的通道。虚拟地理环境协同的角色感知源主要来自3个方面,分别是角色通过人机交互通道完成对协同参与者输入信息的感知,角色对其他角色状态和行为的感知,以及角色对环境信息、环境状态和环境变化过程的感知。虚拟地理环境协同下的角色感知受感知度的约束。所谓感知度是角色对外界所能感知到的强度,它直接影响角色对外界感知的准确性。比如,虚拟地理环境中,当一个角色的空间位置距离某个事件发生地较远时,则这一事件信息不能被该角色感知到,此时该角色对此爆炸的感知度为零。以上3种感知源中,第一种感知的感知度通常为全部感知,而后两种感知度则根据角色与被感知对象之间的时空关系确定。

      4) 角色思维

      角色思维是角色在感知到外界信息后,对信息进行加工处理、推理并对下一步行为进行决策的一系列过程。角色思维主要通过两种方法实现。其一是由计算机自动完成,即通过人工智能方法,根据先验知识进行智能化推理。其二是人工干预推理方法,即协同参与者通过人机交互与计算机进行交流,计算机负责复杂的计算,而参与者对结果进行判断并做出决策。角色思维的基础是各领域专业知识,在具体的实现上主要采用基于数据和规则的推理方法,或者基于模型计算的方法。

      5) 角色行为

      角色行为是角色基于思维结果所做的一系列有序、有目的的动作集合。角色行为与角色所代表的对象群体有关,同时又与群体协同所赋予的任务有关。本研究将角色行为区分为角色的自身外表达行为和角色对虚拟地理环境系统的操作行为。所谓自身外表达行为是指角色所代表群体自身的行为动作,比如跑、跳、蹲、坐、卧、站、举手、抬头等。系统操作行为是指角色为开展群体协同,对虚拟地理环境所实施的操作,比如数据处理、模型运行、过程模拟、协同操作等。在一个具体的虚拟地理环境系统协同过程中,角色具体化后的参与者行为可能同时包括外表达行为和操作行为,也可能只包括其中的一种。比如,当用户以化身进入系统时,角色的外表达行为和操作行为需要同时得以体现,但是当操作者直接参与到协同中来时,则其行为主要是操作行为。

      6) 角色表达

      角色表达是指将角色的状态、动作、行为等进行可视化。角色表达并非角色的现实特征,而是为了虚拟地理环境的集成和表现需要。角色表达涵盖角色模块的所有内容,表达的方式有多种,可以是传统的二维表达,也可以是三维表达或者其他表达方式。

    • 角色模型与虚拟地理环境的集成框架包括概念模型层、接口层和实现层,如图 2所示。

      图  2  角色模型与虚拟地理环境之间的集成框架

      Figure 2.  Integration Between the Role Model and Virtual Geographic Environments

      角色模型的概念层是依据角色模型的模块及其之间关系的定义与描述,它通过脚本语言实现。在概念模型的描述中,包括角色的用户描述、权限描述、感知描述、思维描述、行为描述和表达描述。每一个描述主要从属性和接口两个内容入手。属性用于完成对描述的解释性说明,接口主要用于明确该描述在初始化、运行等过程中需要执行的操作。角色模型的接口层是连接角色概念模型与虚拟地理环境之间的纽带,包括权限接口、感知度接口、角色思维的机器智能推理接口和操作者推理交互、角色行为的操作者操作交互和行为模拟,以及角色可视化接口。建立角色模型接口层的目的是为了实现概念模型层和集成实现层的相对独立,以便于二者的有效管理。集成实现层既包括虚拟地理环境的核心模块,如交互协同、地理数据、地理过程模型、空间分析、多维动态可视化,又包括面向角色的各个特殊性模块,比如权限约束集、感知度模型集、人机交互,以及可视化方法集等。集成实现层中的两个部分并非相对独立,而是集成在虚拟地理环境的核心模块中,比如将感知度模型集集成到地理过程模型中,实现统一管理。

    • 在角色模型支撑下,虚拟地理环境协同流程如图 3所示。第1步,协同发起人通过角色登录功能,启动角色扮演模块,调用角色权限接口,确定其对应的权限,而后进入工作流创建阶段。此时,参与协同的用户同样通过角色登录功能完成角色扮演,并确定自身的角色权限。第2步,协同发起人创建工作流并划分工作流片段,在感知协同参与者后,将对应的工作片段分配给参与者。同时,协同参与者在感知被分配的工作片段后,可以决定是否接受任务分配。在协同工作流的任务片段全部被分配完毕后,即可启动任务协同。任务协同内容可以根据不同的应用而不同,比如协同数据处理、协同模型计算、协同分析与评估等。在任务协同的过程中,角色通过各种指定动作实现各自的任务操作,同时角色之间的感知模块实时启动,探知相互之间的工作状态和处理结果,而后传递给角色思维模块进行推理或操作人员进行交互干预,其思维结果用于驱动角色动作模块,确定采取哪些操作。在任务协同过程中,将启动冲突检测与消除机制,确保协同的顺利实施,并形成最终的协同结果。

      图  3  基于角色的多用户协同规划流程

      Figure 3.  Flow Chart of the Role Model-based Group Collaboration Plan

    • 协同冲突是指协同参与者针对同一个对象实施了不同的操作,或者对协同的结果给出了不同的判读,从而形成操作或结论上的不一致。协同冲突是多用户协同过程中必须解决的关键问题。而协同冲突检测与消除则是协同冲突研究的核心。角色模型支持下的多用户冲突检测与消除的总体框架设计如图 4所示,包括冲突来源、冲突检测方法、冲突解决方法等三大部分。协同的冲突主要来源于数据处理、模型操作、过程模拟、结果判断等; 冲突的检测方法可以包括基于数据一致性检测方法、基于约束规则检测方法、主观判断法等; 冲突的解决方法可以区分为两大类,第一类是机器自动解决,另一类是人工协商解决。所谓机器自动解决则是基于自动消除方法,如加权平均、元数据检验、预设约束、约束松弛等方法,完成对冲突的自动消除。人工协商解决方法则是依托于支持对话和交流的冲突协商工具,通过多人投票,或者机器判读的方式,完成对冲突的消除。

      图  4  基于角色的冲突检测与消除框架

      Figure 4.  Role Model-based Collaboration Conflict Detection and Resolving

    • 原型系统以人类活动与全球变化相互影响的模拟与评估为背景,模拟并评估政策变化、气候变化等对生态环境的影响。系统基于角色模型,完成群体协同的设计、组织、管理与实现。案例涉及到的协同参与者包括政策研究、全球变化研究、地球系统模式研究、生态评估研究等专业人员;也包括政府决策人员,比如人口管理部门、环境保护部门、国土资源部门等人员以及公众。基于以上角色模型,并将每个角色与其研究领域或职能相关联,实现角色与权限匹配。

      系统的总体框架如图 5所示。系统将角色扮演与授权、角色感知、角色思维、角色行为、角色表达,映射到虚拟地理环境的数据层、模型层、操作层以及可视化表达层中。其中,数据层除了系统构建需要的基础数据外,还包括用户数据、权限集、协同规则、冲突规则等。模型层包括政策模型、全球变化评估模型(global change assessment model, GCAM)、地球系统模式(earth system model, ESM)、生态评估模型等专业基础模型,以及感知度、冲突检测与消除等协同控制模型。操作层包括基础数据处理、模型参数配置、协同流程创建、协同过程干预、计算结果处理与分析等。可视化表达层包括用户操作可视化、模型计算结果可视化、数据分析过程可视化、数据可视化、模拟与评估可视化等。

      图  5  原型系统框架

      Figure 5.  Framework of the Prototype System

      协同流程如下:用户从不同地理位置登录系统时,会根据自身的选择或历史信息的匹配,确定或分配相应的角色及权限。而后,实例化的角色进入信息监听状态,即角色感知。此时,协同发起人创建协同工作流,并根据角色的权限、职务、能力等划分协同子任务并将其分派给不同的参与者。而各个参与者针对自己所负责的任务开展协同工作,比如数据处理、模型组合、参数配置、模型计算、过程控制等。参与者在协同过程中一旦收到系统信息,则进行信息的分析判断等思考过程,最后产生行动指令,并再次激发用户进行操作。在以上的过程中,相关的数据、模型、计算、流程等均可以进行可视化。

      系统采用浏览器/服务器(Browser/ Server,B/S)结构,系统编程语言为Python与C++结合,后台基于Django应用框架,前端基于Bootstrap框架,使用可扩展标记语言XML定义数据接口。原型系统总体初步效果如图 6所示。图 6中下部分为角色实例化之后的参与者之间的协同工作流示意,右部为参与者针对协同开展研讨示意,中部为用于模拟与评估的虚拟地理环境示意。

      图  6  基于角色的多用户协同配置模拟效果示意

      Figure 6.  Role Model Based Collaborative Simulation and the Effects

    • 本研究着重构建适用于虚拟地理环境的角色模型,以及基于角色的虚拟地理环境群体协同方法,为虚拟地理环境协同设计、规划、组织、管理等提供方法支撑。具体构建了包括角色扮演、角色权限、角色感知、角色思维、角色行为、角色表达为6大支撑模块的角色模型,探讨了角色模型与虚拟地理环境集成框架、角色支撑下的虚拟地理环境协同规划流程、基于角色的多用户协同冲突检测与消除方法,实践了角色模型及其协同方法在人类活动与全球变化相互影响的模拟与评估项目中的应用。

      本文构建的角色模型有助于协同参与者与虚拟地理环境平台之间的耦合,为虚拟地理环境实现以人为核心的多用户协同研究复杂地理问题提供支持,同时为虚拟地理环境工程协同实践提供解决方法。研究中的具体技术细节,如角色的感知度如何确定、角色之间的冲突检测与消除的具体方法如何建立等,将在后续的研究中进一步讨论。

参考文献 (19)

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