留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模

朱杰 游雄 夏青 张宏军

朱杰, 游雄, 夏青, 张宏军. 基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
引用本文: 朱杰, 游雄, 夏青, 张宏军. 基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
ZHU Jie, YOU Xiong, XIA Qing, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Data Organizational Process Modeling Based on OOPN[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
Citation: ZHU Jie, YOU Xiong, XIA Qing, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Data Organizational Process Modeling Based on OOPN[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313

基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模

doi: 10.13203/j.whugis20180313
基金项目: 

国家自然科学基金 41271393

详细信息
    作者简介:

    朱杰, 博士,工程师,主要从事战场环境认知及战场位置服务的理论和方法研究。zjsoldierlee@163.com

  • 中图分类号: P208

Battlefield Geographic Environment Data Organizational Process Modeling Based on OOPN

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41271393

More Information
    Author Bio:

    ZHU Jie, PhD, engineer, specializes in the theories and methods of battlefield environment cognition and battlefield location service. E-mail: zjsoldierlee@163.com

图(5) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  401
  • HTML全文浏览量:  112
  • PDF下载量:  70
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-25
  • 刊出日期:  2020-07-30

基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模

doi: 10.13203/j.whugis20180313
    基金项目:

    国家自然科学基金 41271393

    作者简介:

    朱杰, 博士,工程师,主要从事战场环境认知及战场位置服务的理论和方法研究。zjsoldierlee@163.com

  • 中图分类号: P208

摘要: 战场地理环境数据组织是战场环境信息保障的重要环节,而良好定义的数据组织模型将有助于联合作战体系下战场环境保障的顺利实施。已有的战场地理环境数据组织模型多侧重于数据状态的描述,缺乏与作战任务相关联的过程模型,难以表达数据组织与任务事件间的因果关系。通过面向对象的方法建立战场地理环境数据对象静态模型并结构化表达,采用面向对象的Petri网构建数据组织过程模型,统一描述数据与活动之间的交互关系及数据存储结构。通过该模型在战场环境分析平台中的应用,证明其能有效地实现数据状态、任务事件及其相互之间关系的查询。

English Abstract

朱杰, 游雄, 夏青, 张宏军. 基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
引用本文: 朱杰, 游雄, 夏青, 张宏军. 基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
ZHU Jie, YOU Xiong, XIA Qing, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Data Organizational Process Modeling Based on OOPN[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
Citation: ZHU Jie, YOU Xiong, XIA Qing, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Data Organizational Process Modeling Based on OOPN[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1027-1034. doi: 10.13203/j.whugis20180313
  • 信息化条件下的战场环境保障是以一体化联合作战为核心,根据不同作战阶段对战场环境数据进行获取、收集、存储和管理,分析并及时为各级部队提供战场环境信息服务的一系列过程的有序集合[1]。战场地理环境数据是战场地理环境信息的载体,数据组织过程同任务决策流程相似,要求数据组织能够进一步降低沟通成本、提高协同效率,并实现战斗力的提升,因而,战场地理环境数据组织过程是准确、及时地按需提取战场地理环境各要素的特征数据,并从这些特征数据中分析、提炼和加工出有针对性价值的信息,将其用科学、合理的数据形式来统一表达的过程,数据组织的目的是为用户提供个性化的数据服务,有效地形成标准化的作业流程,提高任务执行效率。

    目前,对于战场地理环境数据组织模型的研究多侧重于数据存储模型,已有多位学者在此基础上构建分布式计算环境下矢栅一体化数据组织管理与存储模型,以提高数据处理与访问效率,实现战场环境数据描述统一性、可扩展性和高效检索[2-5]。由于战场地理环境数据对象具有多种属性,对象及对象之间的属性关系在不同条件下就有可能构成复杂的关系,因而数据模型在相互关系表达上不仅要能描述时空关系,更重要的是要描述数据对象与变化过程之间的依赖关系。这种依赖关系主要表现在数据组织过程中的因果关系,为了显式地表达数据对象与组织过程之间的系统性变化关系,国内多位学者采用Petri网理论建立基于过程的数据模型,用以结构化描述GIS中的事件、状态以及事件与状态之间的因果关系[6-9]; 国外多位学者利用Petri网的数学功能描述时空事件关系建立时空推理模型,以优化地理空间产品生产过程,如文献[10]提出了将Petri网的代数方法应用于动态的地理事件表示; 文献[11-12]基于Petri网提出了一种时空数据驱动推理模型, 用于支持对包含不精确和模糊的空间、时间和时空关系的领域的表示和推理; 文献[13]应用Petri网设计了符合地理空间标准和业务过程执行语言的工作流引擎来优化分布式地理空间信息处理提取信息和知识过程。

    传统Petri网多采用理论和知识描述复杂系统内部事件关系,但是建模过程复杂,不易于工程实现和应用[14]; 面向对象技术利用继承、聚合等方法设计模型数据结构,适应人类一般思维模式的描述范式,有利于从软件设计角度来建立问题域的事物以及这些事物之间的相互关系表现。因而,将面向对象技术与Petri网建模方法相结合建立面向对象的Petri网(object oriented petri net, OOPN) [15-16],利用面向对象的方法实现数据组织模型的模块化和可重构,能够有效解决对复杂系统内部关系描述问题。本文通过Petri网图形化表示和数学分析方法直观地建立战场地理环境数据组织的结构化过程,通过记录对象属性状态和变迁来表达对象随过程的动态变化而发生变化,提高了对数据组织过程的直观、形象以及结构化的表达能力,能够较完整地反映复杂过程与数据属性之间的客观依赖关系,并有效地进行复杂系统对象之间的关联分析。

    • 战场地理环境是战场环境诸要素的存在与依托,起着空间基准的作用,包括陆地环境、海洋环境、地质环境和天空、太空环境等,是进行空间定位及加载各种作战信息的基础[17]。战场地理环境数据是以数字地图数据为基础,结合数字高程模型、数字正射影像图、战场目标数据等各地理环境要素数据建立起来的,战场地理环境实体是基于战场地理环境数据对战场中独立存在、可以唯一标识的自然或者人工地物的表达,采用面向对象的方法表达空间对象,相比传统的基于图层的数据模型更灵活、更具内涵,利于表达空间对象在时空中的发展和变化[18]

      战场地理环境实体对象之间具有固定的层次结构关系,从面向对象的角度,将战场地理环境对象可分为简单对象与复杂对象,简单对象是战场地理环境实体对象基本单元,具有对象最基本的空间特征和属性特征,复杂对象是由简单对象根据一定规则组成的集合,是对象特征功能集合的表达。

      从概念模型角度,简单对象模型结构由唯一标识、空间特征、时间特征、属性特征等参数组成,可形式化描述为5元组:

      SO={O_ID, O_Spatial, O_Time,

      O_Attribute, O_Operation}

      其中, O_ID表示对象唯一标识码,用以区分对象之间的关系; O_Spatial表示对象空间特性,包括对象的几何特性与位置特性; O_Time表示对象时间特性,表示对象发生变化的有效时间区间; O_Attribute表示对象属性特性,通过对象的语义属性反映实体语义信息; O_Operation表示对象的几何操作和语义操作,包括几何运算、关系运算和拓扑运算等操作。

      复杂对象模型结构定义为由n个简单对象按照一定规则组成的集合体,即

      $$ {\rm{CO}} = \bigcup\limits_{i = 1}^n {{\rm{S}}{{\rm{O}}_i}} (i = 1, 2 \cdots n) $$

      其中,对象集之间的组合并不是简单特征相加,而是根据对象的几何空间特征与属性特征按照“部分-整体”的认知规则实现对象概念的表达。

      战场地理环境实体对象静态模型是由空间特性、时间特性、属性特性和语义操作等要素构成结构化表达,因而采用综合环境数据表示与交换规范数据参考模型(data reference model, DRM)[19]对概念模型的组成要素抽象为几何对象类(geometry class)、特征对象类(feature class)和拓扑关系类(topology class),利用UML(unified modeling language)进行静态建模表示对象类之间的关联关系,如图 1所示。

      图  1  基于UML的战场地理环境对象关联关系图

      Figure 1.  Battlefield Geographic Environment Object Correlation Relation Graph Based on UML

    • 在对数据组织过程建模时,将数据对象作为托肯放入Petri网中,Petri网中的变迁作为调用对象的操作,包括对象活动的输出和输入,其逻辑关系构成对象活动的控制流与操作流[20-21]。在变迁的作用下,数据对象的属性发生变化,导致新对象的生成和旧对象的消亡,对象状态的相继变化及其周而复始的发生促使Petri网系统中信息动态流转[22]

      以空间信息处理过程建模思想为指导[23-24],按照任务需求及应用逻辑建立战场地理环境数据组织过程模型,对其作出形式化定义如下:战场地理环境数据组织过程(battlefield geographic environment data organizational process, BGEDOP)即BGEDOP=(EOD, EOA,EOF, Rule, Store, Time),其中:

      1) EOD为数据对象集,记为${\mathop{\rm EOD}\nolimits} = {D_{{\rm{in }}}} \cup {D_{{\rm{out }}}} $,Din表示过程输入数据对象集,Dout表示过程输出数据对象集;

      2) EOA为数据活动集,记为${\mathop{\rm EO}\nolimits} {\rm{A}} = \sum {\left( {{a_0}, {a_1} \cdots {a_n}} \right)} $,表示过程变迁集合,每个变迁a表示一个触发数据集状态变化的任务,a0记为初始变迁,表示引起该变迁的任务不依赖于其他任何任务,an记为结束变迁,表示引起该变迁的任务是整个关系流中最后执行的任务;

      3) EOF为数据对象交互关系集,记为$ \mathrm{EOF} \subseteq \mathrm{EOD} \times \mathrm{EOA} \cup \mathrm{EOA} \times \mathrm{EOD}$,表示数据对象与数据活动之间的关联关系。若EOF(a)是变迁a对应的对象交互关系向量,则

      $$ \operatorname{EOF}(a)=\left\{\begin{array}{l} \operatorname{eof}\left(a_{0}\right) \\ \operatorname{eof}\left(a_{1}\right) \\ \vdots \\ \operatorname{eof}\left(a_{n}\right) \end{array}\right\} $$

      其中,eof(an)表示某个变迁an执行时的关联关系(1≤in);

      4) Rule为符合空间语义的约束规则,记为$ {\rm{Rule}} = \Sigma \left( {{\rm{ValueCon }}, {\rm{ StateCon , StrucCon, SemCon}}} \right){\rm{ }}$其中,ValueCon表示属性值约束,是对数据对象和活动属性信息的约束操作; StateCon表示状态约束,是对数据集状态信息的值约束,包括状态的类型和取值范围; StrucCon表示结构约束,是对数据对象集与活动集之间的属性匹配操作; SemCon表示空间语义约束,是从时空语义特征上对模型要素定义时空参考系、尺度和空间关系,使数据对象、活动及关系关联性符合空间语义的约束;

      5) Store为存储数据对象、活动和关联关系的数据库,记为$\text { Store }=\{\mathrm{DO}, \mathrm{DA}, \mathrm{DF}\} $,分别对应Petri网系统的库所、变迁和有向弧。

      6) Time为全局有效时间,表示触发变迁发生和实施对应的有效时间,反映Petri网信息流转的参考条件。

    • 面向对象的战场地理环境数据组织过程模型实体由对象定义和对象操作组成。对象定义包括对象数据集、对象变迁、对象关系等Petri网要素的定义; 对象操作包括对象数据的关系流、活动流以及语义操作规则的定义[25]。两者都是在统一的模型框架下定义,从结构和功能上能够实现对数据组织过程模型各要素间相互依赖关系的描述,如图 2所示。

      图  2  战场地理环境数据组织过程模型结构体

      Figure 2.  Battlefield Geographic Environment Data Organization Process Model Structure

      以生成任务区域战场地理环境要素专题数据为例,如图 3所示,采用Petri网来表达数据组织过程各个阶段,如图 4所示,全局时钟模块抽象为一个对象,即EO={EOD, EOA, EOF, T, F},其中EOD={D1, D2, D3, D4, D5},表示将各要素数据集抽象为空间对象; EOA={A1, A2, A3},表示将触发变迁发生的任务驱动抽象为空间关系操作对象; EOF={F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7},表示将数据集与变迁之间的关系流抽象为对象之间的关系; 时间T={T0, T1, T2},表示变迁实施对应的有效时间; 有序偶集合F={(D1, A1), (D2, A2), (D2, A3), (D3, A3), (A1, D2), (A2, D4), (A3, D5)},表示数据集与变迁构成的有向弧。由此,基于Petri网的数据组织过程可以对某个时间阶段数据对象发生变化的过程以及触发过程发生的事件予以记录,同时由数据状态、变迁和有向弧组成的有向图通过时间因子将离散的过程转变为连续过程。

      图  3  战场地理环境数据组织过程实例示意图

      Figure 3.  The Sketch Map of Battlefield Geographic Environment Data Organization Process Instance

      图 4可以看出,对于Petri网中的任一库所或者变迁,通过前后相关联的有序偶集都可以获取对应的变迁或者库所,由此实现过程对象要素动态演变的表达与查询。如以对象数据集D中$X = 5 $状态关联的前状态查询过程为例:首先从对象数据集X=5状态获取对应的关系流EOF={F7},从F7中获得X的前集$ x=\{\text { A } 3\}$,其次再从对应的EOF={F4, F5}中获得A3的前集{D2, D3},从而查询出X=5状态所对应的前状态集为{D2, D3}。

      图  4  基于Petri网的战场地理环境数据组织过程实例抽象示意图

      Figure 4.  Abstract Sketch Map of Battlefield Geographic Environment Data Organization Process Instance Based on Petri Net

    • 每一个数据组织模型的逻辑对象都可以通过数据库表结构建立相应的对象数据状态表、对象活动表和对象关系规则表,分别存储Petri网系统中库所、变迁和有向弧的数据[26],通过数据库字段结构映射构建三者之间的逻辑关系。

      1) 对象数据状态表。对象数据状态的变化由对象活动的变迁来实施,状态的产生和消亡分别对应产生该状态的事件和终结该状态的事件,用数据库字段“状态产生事件”和“状态终结事件”来记录,状态的生命周期由状态产生的时间和状态终结的时间决定。当状态产生事件不为空时,该状态事件变迁为前置变迁; 当状态终结事件不为空时,该状态事件变迁为后置变迁。

      2) 对象活动表。对象数据前后状态之间是不能直接发生关系而必须由对象活动来关联,其属性具有对象数据状态发生权或者终结权,用数据库字段“事件发生弧”和“事件终结弧”来记录,用以连接对象数据和相应的对象活动事件。对象活动的时间字段用以记录该事件所发生的时刻,与对象数据状态表中的时间相对应。

      3) 对象关系规则表。经任务规则语义、空间关系语义等语义操作记录连接对象数据和活动事件的每一条有向弧; 每一条有向弧的两端结点为对象数据和活动事件组成有序集合,以此构成了有向偶集合,以数据库字段“当前有向弧”和“下一条有向弧”表示,用以表示过程中一系列连接对象数据初始状态和发生状态变化事件的有向弧开始直至连接数据消亡状态和产生终结状态事件的有向弧。

      图 4为例,将其以数据库表描述Petri网的各元素状态,通过数据库表的逻辑关系可推导出如表 1表 2所示的数据组织模型的数据结构,从时间上形成无缝连接的拓扑关系,并可通过记录对象的数据状态和事件变迁来回溯对象数据的某个状态和触发状态发生变化的活动及其交互关系。

      表 1  数据集状态表实例

      Table 1.  Data Set Status Table Instance

      数据集状态ID 事件发生ID 事件终结ID 有效状态开始时间 有效状态终结时间 说明
      D1 A1 T0 T1 ...
      D2 A1 A2/A3 T1 T2 ...
      D3 A3 T1 T2 ...
      D4 A2 T2 ...
      D5 A3 T2 ...

      表 2  事件变迁表实例

      Table 2.  Event Transition Table Instance

      事件变迁ID 事件发生弧ID 事件终结弧ID 有效事件实施时间 说明
      A1 F1 F2 T1 ...
      A2 F3 F6 T2 ...
      A3 F4/F5 F7 T2 ...
    • 目前,战场地理环境信息保障平台多是以军事地理信息系统(military geographic information system, MGIS)为基础,而MGIS是基于静态的控制流程从源数据库读取基础地理信息和专题兵要信息,实现对战场地理环境信息的描述和分析,但是缺乏与作战任务过程相关联的战场地理环境数据组织与管理流程的动态分析能力,特别是对过程关联的数据资源分配和使用情况的建模分析能力还不完善。因此,本文采用基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模思路,运用面向对象的方法建立层次结构化的过程模型,分析过程关键要素,设计Petri网模型编辑器,实现根据具体作战任务,清楚地记录过程关联的数据集、事件变迁及其之间的因果关系,便于对数据信息的查询和流程的定量化分析,有利于流程的优化,以提高信息服务效率[27]

      按照面向对象的方法对Petri网系统的基本要素:战场地理环境数据对象、任务过程和事件变迁的基本结构分别构建对象特征类,从而表示一个过程或者一个变迁都是由其子过程或者子变迁构成,各要素对象通过特征属性关系有机结合,从而体现数据库中对象数据状态表和对象活动表的相互关联性,通过事件变迁的时间序列记录整个数据组织过程,为后续的信息处理分析提供基础。

      图 5所示,以执行地面战术机动任务过程中对威胁区域地理环境数据组织为实验背景,以战场环境分析平台为实验平台,通过基于OOPN的战场地理环境数据组织模型构建实时动态的数据组织过程。实验表明,通过选择某一特定任务,由该任务相关联的前后变迁关系可以查询到与任务区域当前位置相关的地理环境要素数据的历史状态及其触发产生变化的事件。因而,数据组织模型能结合空间语义系统地表达战场地理环境在实际过程中的变化,有利于显式查询数据状态、事件、变迁及其相互的因果关系,便于实时动态地进行战场环境分析。

      图  5  战场地理环境威胁区域状态查询

      Figure 5.  Threat Region Status of Battlefield Geographic Environment Query Graph

    • 基于OOPN的战场地理环境数据组织过程建模记录了任务过程中战场地理环境信息的数据状态和事件变迁,通过语义关系显式地表达了过程事件与数据组织之间的因果关系,有助于直观分析数据组织过程的内在联系和规律。该模型主要有以下几个特点:①采用面向对象的方法建立数据组织模型,并以时态特征反映过程的连续变化性; ②定义了Petri网的组织过程要素及对象关系,通过Petri网与过程模型的数据映射建立数据组织的逻辑关系; ③结合实际任务应用需求,以增强Petri网在战场环境信息应用过程建模能力和对环境模型的管理能力。但是,本文对任务的复杂性和数据组织过程中的不确定性因素分析仍有局限性; 对Petri网的过程建模数学表达和语义规则的结合需要进一步探讨; 模型性能的定量分析及其运行结果验证仍需进一步研究。

参考文献 (27)

目录

    /

    返回文章
    返回