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面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模

朱杰 张宏军

朱杰, 张宏军. 面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
引用本文: 朱杰, 张宏军. 面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
ZHU Jie, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Spatiotemporal Process Model Based on Simulation Event[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
Citation: ZHU Jie, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Spatiotemporal Process Model Based on Simulation Event[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175

面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模

doi: 10.13203/j.whugis20200175
基金项目: 

中国博士后科学基金 2019M664028

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 Spatiotemporal Process Model Based on Simulation Event

Funds: 

China Postdoctoral Science Foundation 2019M664028

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

  • 摘要: 已有的战场环境仿真模型缺乏作战实体与地理实体和地理现象之间相互影响及交互作用的语义表达,难以反映时空条件下地理环境实体的动态变化规律。提出了一种面向仿真事件的战场地理环境时空过程模型,实现时空过程语义的一体化描述以及结构化存储,从语义角度表达时空对象之间的相互作用和影响关系。该模型采用本体的方法集成描述仿真事件、环境实体及其行为过程的时空语义和属性语义,基于面向对象的方法构建具有层次结构的时空过程语义逻辑关系,按照数据模型的语义特征建立时空过程数据的组织与存储结构。基于该模型设计战场环境仿真平台组件并在仿真系统中应用,实验表明, 与传统仿真模型相比,该模型能更好地记录和表达时空过程语义变化信息。
  • 图  1  基于仿真事件的时空过程语义抽象示意图

    Figure  1.  Abstract Diagram of Spatio-temporal Processes Semantic Based on Simulation Events

    图  2  基于对象的时空过程语义逻辑关系树

    Figure  2.  Spatio-temporal Process Semantic Logical Relation Tree Based on Object

    图  3  基于UML的时空过程逻辑模型数据结构

    Figure  3.  Data Structure of Spatio-temporal Process Semantic Logic Model Based on UML

    图  4  时空过程对象表结构及其关联关系存储视图

    Figure  4.  Spatio-temporal Process Object Table Structure and Its Associated Relation Storage View

    图  5  基于仿真事件的战场地理环境时空数据动态变化过程语义表达

    Figure  5.  Dynamic Process Semantic Expression of Battlefield Geographic Environment Spatio-temporal Data Based on Simulation Event

  • [1] 游雄.战场环境仿真[M].北京:解放军出版社, 2012

    You Xiong. Battlefield Environment Simulation[M]. Beijing: PLA Press, 2012
    [2] 葛磊, 叶程煜, 陈晓慧, 等.作战行动的时空演化可视分析方法[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2019, 31(10):1 739-1 749 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jsjfzsjytxxxb201910009

    Ge Lei, Ye Chengyu, Chen Xiaohui, et al.Visual Analysis of Operational Events Based on Spatio-Temporal Evolution[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics, 2019, 31(10):1 739-1 749 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jsjfzsjytxxxb201910009
    [3] 邬群勇, 孙梅, 崔磊.时空数据模型研究综述[J].地球科学进展, 2016, 31(10):1 001-1 011 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqkxjz201610002

    Wu Qunyong, Sun Mei, Cui Lei. A Survey of the Sapatio-Temporal Data Model[J]. Advances in Earth Science, 2016, 31(10):1 001-1 011 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqkxjz201610002
    [4] 李旭晖, 刘洋.时空数据建模方法研究综述[J].数据分析与知识发现, 2019(3):1-13 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=xdtsqbjs201903001

    Li Xuhui, Liu Yang. Review of Spatio-Temporal Data Modeling Methods[J]. Data Analysis and Knowledge Discovery, 2019(3):1-13 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=xdtsqbjs201903001
    [5] Worboys M F. A Generic Model for Planar Geographical Objects[J]. International Journal of Geographical Information Systems, 1992, 6(5): 353-372 doi:  10.1080/02693799208901920
    [6] 舒红, 陈军, 杜道生, 等.面向对象的时空数据模型[J].武汉测绘科技大学学报, 1997, 22(3):229-233 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167947302002116

    Shu Hong, Chen Jun, Du Daosheng, et al. An Object-Oriented Spatio-Temporal Data Model[J]. Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, 1997, 22(3):229-233 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167947302002116
    [7] Peuquet D J, Duan N. An Event-Based Spatiotemporal Data Model (ESTDM) for Temporal Analysis of Geographical Data[J]. International Journal of Geographical Information Systems, 1995, 9(1):7-24 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=10.1080/02693799508902022
    [8] 尹章才, 李霖, 艾自兴.基于图论的时空数据模型研究[J].测绘学报, 2003, 32(2):168-172 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb200302015

    Yin Zhangcai, Li Lin, Ai Zixing. A Study of Spatio-Temporal Data Model Based on Graph Theory[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2003, 32(2):168-172 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb200302015
    [9] 薛存金, 周成虎, 苏奋振, 等.面向过程的时空数据模型研究[J].测绘学报, 2010, 39(1):95-101 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb201001017

    Xue Cunjin, Zhou Chenghu, Su Fenzhen, et al. Research on Process-Oriented Spatio-Temporal Data Model[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(1):95-101 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb201001017
    [10] 徐爱功, 车莉娜.一种新的时空过程模型建模方法[J].测绘科学, 2013, 38(6):60-63 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chkx201306019

    Xu Aigong, Che Li'na. Discussion on a New Spatio-Temporal Process Model[J]. Science of Surveying and Mapping, 2013, 38(6):60-63 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chkx201306019
    [11] 成波, 关雪峰, 向隆刚, 等.一种面向时空对象及其关联关系动态变化表达的概念数据模型[J].地球信息科学学报, 2017, 19(11):1 415-1 421 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqxxkx201711003

    Cheng Bo, Guan Xuefeng, Xiang Longgang, et al. A Conceptual Data Model for Dynamic Changes Expression of Spatio-Temporal Object and Its Association[J]. Journal of Geo-Information Science, 2017, 19(11):1 415-1 421 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqxxkx201711003
    [12] 华一新, 周成虎.面向全空间信息系统的多粒度时空对象数据模型描述框架[J].地球信息科学学报, 2017, 19(9):1 142-1 149 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqxxkx201709002

    Hua Yixin, Zhou Chenghu. Description Frame of Data Model of Multi-granularity Spatio-Temporal Object for Pan-Spatial Information System[J]. Journal of Geo-Information Science, 2017, 19(9):1 142-1 149 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqxxkx201709002
    [13] 刘晓慧, 吴信才, 罗显刚.面向对象的地质灾害数据模型与时空过程表达[J].武汉大学学报·信息科学版, 2013, 38(8):958-962 http://ch.whu.edu.cn/article/id/2717

    Liu Xianhui, Wu Xincai, Luo Xiangang. Object-Oriented Geological Disaster Data Model and Spatio-Temporal Process Expression[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2013, 38(8):958-962 http://ch.whu.edu.cn/article/id/2717
    [14] 张恒才, 陆锋, 陈洁.移动对象时空轨迹及社交关系一体化数据模型[J].武汉大学学报·信息科学版, 2014, 39(6): 711-718 doi:  10.13203/j.whugis20140125

    Zhang Hengcai, Lu Feng, Chen Jie. An Integrated Data Model for Spatial-Temporal Trajectories and the Social Relationships of Moving Objects[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(6): 711-718 doi:  10.13203/j.whugis20140125
    [15] 徐佑军, 谭成国.时空数据的组织与应用研究[J].测绘通报, 2017(2):98-101 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chtb201702022

    Xu Youjun, Tan Chengguo. Study on the Spatio-Temporal Data Organization and Application[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 2017(2):98-101 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chtb201702022
    [16] 梁桂明, 朱文德.一种基于特征-语义的时空数据组织方法[J].测绘与空间地理信息, 2016, 39(3):79-84 http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=668237746

    Liang Guiming, Zhu Wende. A Spatio-Temporal Data Organization Method Based on Features[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2016, 39(3):79-84 http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=668237746
    [17] 陈能成, 刘迎冰, 盛浩, 等.智慧城市时空信息综合决策关键技术与系统[J].武汉大学学报·信息科学版, 2018, 43(12): 2 278-2 286 doi:  10.13203/j.whugis20180198

    Chen Nengcheng, Liu Yingbing, Sheng Hao, et al. Key Techniques and System for Comprehensive Decision-Making of Spatio-Temporal Information in Smart City[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(12): 2 278-2 286 doi:  10.13203/j.whugis20180198
    [18] 林珲, 游兰, 胡传博, 等.时空大数据时代的地理知识工程展望[J].武汉大学学报·信息科学版, 2018, 43(12): 2 205-2 211 doi:  10.13203/j.whugis20180318

    Lin Hui, You Lan, Hu Chuanbo, et al. Prospect of Geo-Knowledge Engineering in the Era of Spatio-Temporal Big Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(12): 2 205-2 211 doi:  10.13203/j.whugis20180318
    [19] 闾国年, 袁林旺, 俞肇元.地理学视角下测绘地理信息再透视[J].测绘学报, 2017, 46(10):1 549-1 556 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb201710036

    Lü Guonian, Yuan Linwang, Yu Zhaoyuan. Surveying and Mapping Geographical Information from the Perspective of Geography[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2017, 46(10):1 549-1 556 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb201710036
    [20] 陈新保, Li Songnian, 李黎, 等.基于对象-事件-过程的时空数据模型及其应用[J].地理与地理信息科学, 2013, 29(3):10-15 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=CASS_45945663

    Chen Xinbao, Li Songnian, Li Li, et al. Object-Even-Process-Based Spatiotemporal Data Model and Its Application into Sea-Ice Dynamics[J]. Geography and Geo-Information Science, 2013, 29(3):10-15 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=CASS_45945663
    [21] 丁小辉, 张树清, 陈祥葱, 等.时空对象行为分类与形式化表达[J].地球信息科学学报, 2017, 19(9):1 195-1 200 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqxxkx201709009

    Ding Xiaohui, Zhang Shuqing, Chen Xiangcong, et al. A Study on the Classification and Formalization of the Behavior of Spatio-temporal Object[J]. Journal of Geo-Informalion Science, 2017, 19(9):1 195-1 200 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dqxxkx201709009
    [22] 于海涛, 高一波, 杨一平.基于知识树的领域知识组织和应用[J].计算机应用研究, 2008, 25(11):3 246-3 252 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jsjyyyj200811012

    Yu Haitao, Gao Yibo, Yang Yiping. Construction and Application of Domain Knowledge Based on Knowledge Tree[J]. Application Research of Computers, 2008, 25(11):3 246-3 252 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jsjyyyj200811012
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-17
  • 刊出日期:  2020-09-05

面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模

doi: 10.13203/j.whugis20200175
    基金项目:

    中国博士后科学基金 2019M664028

    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: 已有的战场环境仿真模型缺乏作战实体与地理实体和地理现象之间相互影响及交互作用的语义表达,难以反映时空条件下地理环境实体的动态变化规律。提出了一种面向仿真事件的战场地理环境时空过程模型,实现时空过程语义的一体化描述以及结构化存储,从语义角度表达时空对象之间的相互作用和影响关系。该模型采用本体的方法集成描述仿真事件、环境实体及其行为过程的时空语义和属性语义,基于面向对象的方法构建具有层次结构的时空过程语义逻辑关系,按照数据模型的语义特征建立时空过程数据的组织与存储结构。基于该模型设计战场环境仿真平台组件并在仿真系统中应用,实验表明, 与传统仿真模型相比,该模型能更好地记录和表达时空过程语义变化信息。

English Abstract

朱杰, 张宏军. 面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
引用本文: 朱杰, 张宏军. 面向仿真事件的战场地理环境时空过程建模[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
ZHU Jie, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Spatiotemporal Process Model Based on Simulation Event[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
Citation: ZHU Jie, ZHANG Hongjun. Battlefield Geographic Environment Spatiotemporal Process Model Based on Simulation Event[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(9): 1367-1377, 1437. doi: 10.13203/j.whugis20200175
  • 战场环境仿真是对真实战场的模拟,是军事人员认知战场的重要手段[1]。战场环境的变化受到自然因素和人为干预的影响而发生变化,其涉及的时空信息贯穿整个动态演变过程,形成相应的复杂时空过程。传统的战场环境仿真是以地图数据为基础,多以地理实体及地理现象为仿真对象,集中在基于不同方式网格剖分下的时空数据组织与表达[2],仿真过程中缺乏作战实体与地理实体和地理现象之间相互影响及交互作用的语义表达,尚未有统一的数据规范描述其交互影响的动态变化规律。因而,如何利用时空数据模型分析战场环境动态变化过程中时空信息的变化规律以及驱动该变化过程的事件,是战场环境动态建模必须要解决的问题之一。

    传统地理信息系统(geographic information system,GIS)时空数据模型提供了多种类型的静态数据模型,记录地理实体的位置、属性及其变化过程,反映某一时刻的时空对象状态[3-4]。为了描述地理实体的时空变化关系和反映时空过程,研究者提出面向对象的时空数据模型[5-6]、基于事件驱动的时空数据模型[7]、基于图论的时空数据模型[8]以及基于过程的时空数据模型[9]等,建立时空对象动态演变及历史回溯方法。在现阶段大数据时代,研究者相继提出动态对象存储模型[10]、多域集成对象[11]、多粒度对象[12]等时空数据模型,应用于海量时空数据集的存储和维护,分析时空对象变化过程及其动态关系的本质和规律,各种具有不同特点的时空数据模型与具体应用需求相结合,分别通过不同的改进或者扩展的方法[13-18],在各行业中发挥重要的作用。现有的时空数据模型虽然数量很多,其中不乏时空数据的基本理论研究和结构设计,但是在应用领域上多集中于土地管理、林业资源、交通道路等国土规划领域,缺乏通用的数据模型体系,难以满足军事领域的需求。

    战场环境仿真不仅要描述仿真条件下战场环境实体状态及其变化过程,而且还要描述环境实体与其他仿真实体及仿真事件的相互关系。因此,利用本体方法获取时空数据的丰富语义,在传统时空数据库基础上用地理语义统一描述地理环境实体、事件与关系[19],将各类仿真实体的交互作用通过时空语义关系反映出来,构建时间、空间、属性、关系及变化过程特征统一表达的语义操作数据模型,既能有效管理动态变化的时空数据,又能有效支持仿真事件驱动下的时空过程模拟,从而符合仿真环境下战争过程设计规律,用以表达各种环境实体对象与仿真事件、演变过程的关联关系,解决仿真事件驱动下地理实体在时空上的分布状态及其变化过程的特性描述、推理预测和演化机制。

    • 地理对象状态及其变化过程并不是独立存在的,而是与引起该变化的事件和过程紧密相关[20]。因而,战场地理环境实体之间及其与其他仿真实体的相互作用是由仿真事件来传递的。在一定条件下,仿真事件驱动环境实体状态发生变化,环境实体的时空状态变化序列形成了该实体的时空行为变化过程[21],由此构成了仿真事件驱动下战场地理环境时空过程的动态演变。虽然时空过程没有明确统一的概念,但是为了确保不同仿真系统理解的一致性,本文通过本体的方法定义仿真事件与时空行为过程的语义概念,并对其进行统一描述。

    • 仿真事件是引发仿真实体对象发生变化的外部原因,具体表现为仿真实体对象随事件时间发展而发生空间特性及其属性变化。仿真事件的描述尺度由仿真任务决定,复杂事件可以按照特定尺度α进行层次结构划分,细分至不可再分的基元事件,反映在时间上形成事件序列,表达了事件对象之间的相互关系,即$\text{Event}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \cup }}\, \left( \text{Event}\left( i \right), t\left( i \right), \alpha \right), i=1, 2\ldots n$。基元事件的时空语义本体可以表示为:Event(i)=(EventOB, EventPR, EventSLoc, EventELoc, EventST, EventET, EventSta, EventRL, EventH),分别表示事件对象概念、属性描述、发生位置、结束位置、发生时间、结束时间、当前状态、对象之间的语义关系及语义操作规则,反映了事件对象内部组成要素的语义概念。

      在军事仿真系统中,仿真事件初始化由仿真想定中的任务要素进行定义,如机动防御任务分解形成的事件有机动集结、路线选择、道路设障、阵地防御,按照仿真实体的尺度可以将各类事件作进一步细分,满足仿真实体行为的一致性描述。

    • 环境实体的时空行为过程是实体对象从输入到输出所经过的一系列时空状态变化过程,在仿真事件的驱动下,记录环境实体之间及其与其他仿真实体相互关联或者相互影响的活动集合。时空行为过程的定义往往建立在若干个仿真事件之间,根据事件的尺度形成引发环境实体发生状态变化的操作序列;也就是说,仿真事件记录的是环境实体对象变化的状态,时空行为过程记录的是环境实体对象变化的具体操作。同样,复杂行为过程在特定尺度β下可以分解至不可再分的基元行为过程,按照时间和一定规则组成,表达了行为过程对象之间的相互关系,即$\text{BehProcess}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathop \cup }}\, \left( \text{BehProcess}\left( i \right), t\left( i \right), \beta \right)$$, i=1, 2\ldots m$。以道路设障事件为例,原先道路网的拓扑关系因为障碍物的出现导致重构,道路节点的状态发生改变,部分路线从正常状态变化为消亡状态;则在规定尺度下,分别对涉及范围内的环境实体的位置、形状、属性以及拓扑关系按照事件时间进行状态更新,形成新的时空状态集合。

      基元行为过程的时空语义本体可以表示为:BehProcess(i)=(EnvOB, EnvPR, EnvSLoc, EnvELoc, EnvST, EnvET, EnvAct, EnvRL, EnvH)分别表示环境实体对象概念、对象属性描述、对象变化发生位置和结束位置、对象变化发生时间和结束时间、对象行为变化集合(如实体对象的创建、修改、终止、消亡、再生、合并、分离等类型)、对象之间的语义层级关系(如父子关系、包含关系、关联关系等)以及对象的语义操作规则,反映了行为过程对象内部组成要素的语义概念。

    • 在GIS领域中,时空过程可以描述为由空间对象的产生、扩展、稳定、消弱与消亡等连续渐变的阶段组成[9];在仿真系统中,环境实体对象是时空过程演变的载体,通过对象的一系列状态变化的过程来记录空间与时态信息,时空变化过程由对象行为操作完成,并通过对象的时空语义属性体现,如图 1所示。

      图  1  基于仿真事件的时空过程语义抽象示意图

      Figure 1.  Abstract Diagram of Spatio-temporal Processes Semantic Based on Simulation Events

      具体来说,一个仿真事件引起一个或者若干个环境实体对象的变化,那么仿真事件语义与一个或者若干个实体对象语义相关联,如机动路线的选择事件关联一条道路或者若干条道路;一个环境实体对象可参与若干个仿真事件,那么环境实体对象语义与若干个事件语义相关联,如一个居民地参与集结、设障等多个仿真事件;多个环境实体对象在多个事件序列中发生变化,那么多个实体对象通过语义操作关联多个事件,如多条道路或者多个居民地在机动任务仿真过程中与不同的事件关联并发生变化,包括创建、消失、合并、分割等行为操作。

      因而,基于仿真事件的时空过程语义可以在仿真事件语义发生变化条件下,通过记录环境实体对象的时空状态及其语义关系的变化过程来表达,即STProcess=∪(Event(i), Behprocess(i), OS(i), OT(i), OA(i), OR(i), semtype),分别表示仿真事件对象的语义集合以及环境实体对象的行为过程语义集合、空间属性语义集合、时态属性语义集合、其他属性语义集合、语义关系集合和语义操作类型集合。

    • 在战场环境仿真系统中,地理环境实体是仿真事件参与者,仿真事件必须有地理环境实体参与,地理环境实体在仿真事件的驱动下产生时空行为,致使实体对象的时空状态发生变化。仿真事件和地理环境实体都具有空间特征、时态特征和属性特征3类语义信息,从面向对象的角度,将其分别抽象为仿真事件语义对象类、实体语义对象类和实体行为过程语义对象类,对三者的时空语义和属性语义用本体进行概括描述,并用语义关系和语义操作规则将三者语义概念集成起来,通过五元组来形式化表达其结构化概念模型,从而建立时空过程对象语义本体,即:

      STP={EnvObjectSem, SimEventSem, BehProcessSem, SemRL, SemOperate}

      STP表示时空过程对象语义本体,其具体参数描述如下:

      1)地理环境实体语义对象(EnvObjectSem)

      地理环境实体语义对象是地理环境实体在某时刻所表现出来的空间语义特征的抽象,是环境实体的时空语义表达,可形式化描述为四元组:

      EnvObjectSem={ObjectID, SpatialSem, TimeSem, PropertySem}

      其中,ObjectID表示环境实体对象的唯一标识,用以区分对象类型;SpatialSem表示环境实体对象的空间特征语义概念,包括几何特征、位置特征、关系特征等语义概念;TimeSem表示环境实体对象的时态特征语义概念,记录某个时刻或者持续时间的特征语义概念;PropertySem表示环境实体对象的属性特征语义概念,包括结构特征、功能特征、量表特征等语义概念。

      2)仿真事件语义对象(SimEventSem)

      仿真事件语义对象是仿真事件内部要素状态的时空特征抽象,是仿真实体对象在某时刻或者某空间中值域的语义表达,可形式化描述为五元组:

      SimEventSem={EventID, EnvObject, EventSpatial, EventTime, EventAttr}

      其中,EventID表示仿真事件对象的唯一标识,用以区分事件对象类型; EnvObject表示仿真事件中所参与的环境实体对象集合,可以是一个或者若干个实体对象,通过实体对象的出现和消亡等状态表示事件作用的语义;EventSpatial表示仿真事件作用的空间特征语义,如事件发生的位置语义;EventTime表示仿真事件作用的时间特征语义,如事件发生的时间语义;EventAttr表示仿真事件的属性特征语义,如事件的主题特征。

      3)实体行为过程语义对象(BehProcessSem)

      实体行为过程语义对象是环境实体在仿真事件作用下时空特征和属性特征发生变化的过程抽象,是环境实体对象在时间序列上形成空间特征和属性特征的语义表达。

      实体行为过程对象的时空语义更加强调多个时间的空间行为特征值,反映在客观世界的时间轴上形成为时空行为状态序列,状态的开始和结束代表了行为过程生命周期的线性时态特征,可形式化描述为五元组:

      BehProcessSem={ProcessID, BehProEv, BehProSpatial, BehProTime, BehProAttr}

      其中,ProcessID表示实体行为过程对象的唯一标识,用以区分过程对象类型;BehProEv表示产生行为过程主体的环境实体对象集合,记录不同时间段内发生不同行为的实体对象语义信息;BehProSpatial表示行为过程作用的空间特征语义,如过程发生的空间区域特征语义;BehProTime表示行为过程作用的时间特征语义,如过程持续的时间特征语义;BehProAttr表示行为过程作用的属性特征语义,如过程的行为特征语义。

      4)时空对象语义关系(SemRL)

      时空对象语义关系是地理环境实体对象、仿真事件对象和行为过程对象内部及其相互之间发生关联关系的语义特征表达,可形式化描述为六元组:

      SemRL={RLID, RLType, RLOB, RLTime, RLAttr, RLStr}

      其中,RLID表示时空对象语义关系的唯一标识,用以区分单一关系或者组合关系的类型;RLType表示时空对象语义关系的类型,包括空间关系(如位置关系、距离关系、方向关系、拓扑关系等)、时态关系(如顺序关系、并行关系、周期关系等)和属性关系(如继承关系、因果关系、组成关系、连接关系等),其可以是同类对象之间的语义关系,如环境实体对象之间空间关系,也可以是不同类对象之间的语义关系,如仿真事件触发环境实体及其行为过程发生属性变化的语义关系;RLOB表示发生语义关系的时空对象集合,用以记录时空对象节点;RLTime表示时空对象语义关系作用的时间特征语义,如关联开始和结束时间语义;RLAttr表示时空对象语义关系的属性特征语义,如拓扑关系的包含、相邻、相接等属性特征语义;RLStr表示时空对象之间发生语义关系的关联强度,用以标识关系强度是否引起时空对象状态的改变。

      5)时空语义操作规则(SemOperate)

      时空语义操作规则是对上述时空特征语义抽象规则的定义和描述,是仿真事件、实体行为过程和实体对象定义本体语义概念和语义关系的实例化操作,只有满足一定约束条件时,才能通过语义规则操作存储在空间数据库中的时空数据对象,可形式化描述为三元组:

      SemOperate={SemID, SemDec, SemTc}

      其中,SemID表示时空语义操作规则唯一编号;SemDec表示时空语义操作规则概念定义和描述;SemTc表示时空语义操作规则触发的约束条件描述。

      在Protégé中开发时空过程对象语义本体结构,以巴科斯范式语法对本体概念进行结构化描述,如:

      <时空过程>::=<地理环境实体><仿真事件><实体行为过程><语义关系><语义操作规则><实例描述>

      <地理环境实体>::=<空间特征><时态特征><属性特征>

      <仿真事件>::=<作用空间域><作用时间域><作用属性域><作用实体对象集>

      <实体行为过程>::=<行为主体对象集><行为作用空间域><行为作用时间域><行为作用属性域>

      <语义关系>::=<关系类型><关联对象><关联时间><关联属性><关联强度>

      <语义操作规则>::=<定义条件><操作条件>

      通过上述形式化描述方法,将环境实体、行为过程与仿真事件的语义概念集成为时空过程对象语义本体,从而构建时空过程的结构化概念模型,实现三者一体化表达与描述,一方面用本体定义三者的时空特征语义,有利于对象语义的共享和一致性理解,另一方面完整地保留三者之间的相互关系,有利于提高模型的语义完整性。

    • 基于对象的时空过程语义逻辑关系是采用面向对象的方法描述空间对象在事件作用过程中生成的时空关系语义和属性关系语义。时空关系语义包括对象本身的时空关系,对象与对象之间的时空关系以及对象与事件之间的时空关系,如某一时刻事件发生地域环境实体对象的自身位置、与其他实体间的距离及方位。属性关系语义包括因果关系、继承关系、连接关系、认知关系等描述属性关联关系的语义,随着空间对象与事件发生关系而建立生成、消亡以及变化等不同属性语义,如环境实体受事件作用而产生的属性变化。

      从面向对象的角度,按照“个体—部分—整体”认识地理空间的原则,采用自顶向下的方式构建时空过程语义逻辑关系。首先,将时空过程本体作为一个整体类进行描述,包括类的空间语义特征、时态语义特征和属性语义特征;然后,根据一定尺度分解形成该类的子类,将子集部分作为一个新的整体作进一步分解,形成下一级子类;接着,将对象子类的基本组成单元对应空间数据库中的概念元素,作为概念集合的个体进行描述;最后,类、子类与个体单元之间的语义关系采用谓词逻辑进行描述,从而形成具有层次结构的语义逻辑关系树,如图 2所示。

      图  2  基于对象的时空过程语义逻辑关系树

      Figure 2.  Spatio-temporal Process Semantic Logical Relation Tree Based on Object

      语义逻辑关系树具有概念知识树的结构特征,每一层语义关系可根据需要分解或者组合形成具有上下级语义关系的层次结构树,从而形成嵌套式的层级语义关系[22]。对象语义关系可分为对象内部语义关系和对象外部语义关系,本文中分别记为IR、OR。

      将一个地理环境实体时空过程模型语义关系视为整体,由环境实体IR和OR组成,即$R=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \cup }}\, {{R}_{i}}$且${{R}_{i}}\subseteq \mathop{\sum }^{}\left\{ \text{I}{{\text{R}}_{i}}, \text{O}{{\text{R}}_{i}} \right\}$, i=1, 2…n,从语义关系逻辑树的角度,同一层级的语义关系具有对象传递性,即在相同尺度下可以进行语义关系的平移操作;上下层级的语义关系具有对象继承性,即在不同尺度下可以进行语义关系的补充操作,进而使语义逻辑关系符合空间对象操作规律。

    • 基于事件的时空过程语义模型是战场地理环境实体在仿真事件作用下时空数据发生动态变化过程的抽象和概括,采用统一建模语言(unified modeling language,UML)描述其逻辑模型数据结构,表达仿真事件、行为过程和实体对象三者本体域之间的空间、时态和属性等语义信息和语义关系,为时空过程存储和管理提供支持,如图 3所示。

      图  3  基于UML的时空过程逻辑模型数据结构

      Figure 3.  Data Structure of Spatio-temporal Process Semantic Logic Model Based on UML

      其中,环境实体对象类ObjectClass是数据结构的基础,派生出时态对象类TimeClass、空间对象类SpatialClass和属性状态PropertyClass类,分别描述参与仿真事件和行为过程的实体对象的相关语义信息,同时也是仿真事件类EventClass、行为过程类BehProcessClass时空语义信息的基础类;仿真事件类EventClass用于描述仿真事件发生的时间、位置和相关属性等语义信息,事件类根据时间序列组成事件序列类EventSerialClass来描述连续事件信息;行为过程类BehProcessClass与事件序列类相关联,用于描述环境实体在仿真事件作用下形成的动态变化过程,包括过程持续的时间、位置和相关属性等语义信息,根据时间序列组成形成过程序列类BehProcessSerialClass;语义关系类SemRelationClass描述仿真事件、行为过程和实体对象之间的语义关系,通过对象ID记录与仿真事件和行为过程相关联的实体对象,以及描述对象之间的空间关系。

      由此,通过面向对象的方法对基于事件的时空数据语义模型进行逻辑结构设计,使事件域、过程域和对象域之间的语义描述和关系操作能够符合地理空间认知规律。

    • 环境实体对象在仿真事件作用条件下产生的行为过程需要符合语义约束,由此形成的语义操作条件集合是时空数据对象之间交互、影响和作用的前提,使得时空数据能够由产生到消亡不断变化,最终演变形成综合性系统效果。引起时空数据动态变化的外因是由于仿真事件作用于环境实体对象上,因而时空数据的动态变化机制是基于事件触发形成的约束条件,通过触发规则的语义约束来操作对象要素之间的关联关系,由语义约束构成的时空算子在存储结构中提供时空数据变化的接口函数。

      按照时空数据“产生—消亡—再生”连续渐变过程,根据仿真事件的主题特征,将事件的类型、作用条件和范围注册至语义操作规则中,在仿真事件初始化条件下表达环境实体对象的时空状态,这一般由军事仿真想定中给出各要素的初始环境;当仿真事件达到一定条件时,根据触发规则,实体对象的时空状态发生改变,生成新的对象类型;然后新对象的产生反作用于原事件,产生新的事件类型;最后新的事件按照触发规则作用于旧对象,旧对象消亡,新对象再生,由此形成对象的动态变化过程。将实体对象“产生—消亡”前后语义变换过程用代数的方法表示如下:

      $$ \left\{ \begin{array}{*{35}{l}} \exists \ \text{ event}\left( \text{en}\to \text{eo} \right), \text{if }\!\!~\!\!\text{ en}\ne \varnothing \ \text{ }\wedge \ \text{ eo}=\varnothing ;\ \text{ } \\ \ \ \text{ en}\in \text{EN}, \text{eo}\in \text{EO} \\ \exists \ \text{ sobj}\left( \text{sn}\to \text{so} \right), \ \text{ sn}\in \text{SN}, \text{so}\in \text{SO} \\ \exists \ \text{ event}\left( \text{en}\to \text{eo} \right)\propto \text{sobj}\left( \text{sn}\to \text{so} \right), \ \text{ } \\ \ \ \text{ if }\!\!~\!\!\text{ EN}\ne \text{SN}, \text{EO}\ne \text{SO} \\ \end{array} \right. $$

      其中,en、eo分别表示仿真事件在规则触发前后的时空语义特征, EN、EO为集合;sn、so分别表示实体对象在规则触发前后的时空语义特征,SN、SO为集合;event()表示仿真事件时空语义转换函数;sobj()表示实体对象时空语义转换函数;$\propto $表示时空属性语义关联,表示由仿真事件触发规则引起实体对象时空状态发生改变的语义转换过程。

    • 根据时空过程的语义逻辑关系,时空过程物理模型是对仿真事件对象、环境实体对象和行为过程对象的时空语义及其语义关系进行一体化存储与管理,按照数据模型的语义特征建立分级存储数据结构,分别构建仿真事件对象表、行为过程对象表、环境实体对象表以及语义关系表。对象表字段按照规则进行映射建立语义一致性理解的逻辑关系,结合时态信息完整地记录基于仿真事件的地理环境时空过程语义信息,对象表结构及其关联关系的存储视图结构如图 4所示。

      图  4  时空过程对象表结构及其关联关系存储视图

      Figure 4.  Spatio-temporal Process Object Table Structure and Its Associated Relation Storage View

      仿真事件对象表SimEventObjectTable以仿真事件对象本体为基础,存储仿真事件对象的语义信息;行为过程对象表BehProcessObjectTable以环境实体行为过程对象本体为基础,存储行为过程对象的语义信息;环境实体对象表EnvEntityObjectTable以地理环境实体对象本体为基础,存储环境实体对象的语义信息;语义关系规则表SemRelaRuleTable存储环境实体对象、仿真事件对象和行为过程对象内部及其相互之间的语义关系操作规则的元数据;时态信息表TimeStateTable集成事件发生的时态信息、行为过程持续的时态信息、实体时态信息以及规则有效时间等上述对象表中时态语义信息,统一按时间序列进行存储。

      从空间信息上,行为过程对象表通过事件类型ID与仿真事件对象表关联,仿真事件表、行为过程表通过实体对象类型ID与环境实体对象表关联,保证了三者在空间语义特征上的连续性;从时态信息上,仿真事件对象表、行为过程对象表与环境实体对象表在存储过程中利用时态信息表对时态信息进行关联,保证三者时态语义特征的连续性;从语义逻辑上,仿真事件对象表、行为过程对象表与环境实体对象表根据语义规则表关联语义操作,保证三者空间、时态与属性语义信息的一体化存储与管理。

    • 基于仿真事件的战场地理环境对象时空过程变化是由仿真事件与地理环境实体的共同作用引起的,反映在空间数据库中建立由仿真事件域、环境实体对象域与实体行为过程对象域组成的语义映射关系,即通过映射规则X,使得:

      F:SimEventDomain→X(EnvObjectDomain, BehProcessDomain)

      其中,F表示从事件域SimEventDomain到实体对象域EnvObjectDomain和行为过程域BehProcessDomain的语义映射关系。

      根据已有数据模型中的语义信息,通过建立仿真事件对象到环境实体对象、行为过程对象的时空属性语义映射关系,形成基于事件驱动的语义映射机制,具体过程如下:

      首先,根据三者语义逻辑关系及其结构特点,对已有仿真事件域、行为过程域和环境实体对象域分别抽取时态特征属性集、空间特征属性集和主题特征属性集。

      1)已有仿真事件对象域SimEventDomain,设其时态特征属性集为TE={te1, te2…ten},空间特征属性集为SE={se1, se2…sen},事件主题特征属性集为AE={ae1, ae2…aen};

      2)已有行为过程对象域BehProcessDomain,设其时态特征属性集为TP={tp1, tp2…tpm},空间特征属性集为SP={sp1, sp2…spm},过程主题特征属性集为AP={ap1, ap2…apm};

      3)已有环境实体对象域EnvObjectDomain,设其时态特征属性集为TOB={tob1, tob2…tobq},空间特征属性集为SOB={sob1, sob2…sobq},实体主题特征属性集为AOB={aob1, aob2…aobq};

      其次,根据事件域的主题属性特征,通过映射规则建立事件域与实体对象、行为过程对象主题属性特征语义映射关系A,即:

      $$A:\text{AE}\to X\left( \text{AOB}, \text{AP} \right)$$

      由此,在事件语义映射关系A的触发下,建立三者时空特征属性集语义映射关系C,即:

      $$C:\left( \text{TE}, \text{SE} \right)\overset{A}{\mathop{\to }}\, X\left( \text{TOB}, \text{SOB};\text{TP}, \text{SP} \right);$$

      再次,根据时空特征属性集语义映射关系,设已建立属性映射关系的实体对象时空数据特征集为D,变化后的实体对象时空数据特征集为E,对于任意eE,若满足dD,且存在映射cC,可建立时空数据变化前后的语义映射关系ceX (d);若不能确定建立属性语义映射关系,则将其保留在数据模型中,作为其他关系保存;

      最后,将时空数据变化前后的映射关系按照一定规则形成编码序列,作为仿真事件触发的语义约束条件,使得环境实体对象及其行为过程的时空特征根据条件发生变化,形成新的空间对象。

    • 在战场环境仿真系统中,战场地理环境时空过程与作战行动过程紧密联系,基于仿真事件的时空过程表达了地理环境实体对象在某个时刻由仿真事件引发时空状态发生变化而形成新的时空状态及其时空关系的过程,因而,基于仿真事件的地理环境时空过程模型不仅能够描述环境实体对象在仿真事件中时空状态发生变化的过程,而且能够描述仿真事件与环境实体对象相互作用而发生的实体行为变化过程,根据时空对象变化前后的仿真事件、行为过程和实体对象之间的语义关系进行双向查询,实现时空过程数据的历史回溯和动态演变推理。

      以××型战场环境仿真系统平台为基础环境,通过面向对象的组件化模式将基于仿真事件的时空过程语义模型嵌入其中,利用仿真系统定义仿真事件,通过模型关联关系调用时空数据库和地理环境本体库,从数据层上实现时空过程的语义属性记录,为时空数据推理与回溯提供服务。

      根据基于仿真事件的时空过程语义模型设计思路,加载仿真事件及战场地理环境仿真数据,对于每一个事件和实体对象的时空过程,都有相应的空间语义、时态语义、属性语义发生变化。以开辟通路任务作为仿真过程为例,与其关联的仿真事件包括破障、扫残、清障、建路、通路等事件,与其关联的地理环境实体主要是道路和人工地物,环境实体表现出的行为过程主要是人工地物由存在变为消失以及新的道路生成的过程。上述过程相关的所有时空变化语义信息通过数据库操作进行存储和管理,并用关联图的模式表达时空对象之间的语义关系。

      图 5(a)所示,当前所选人工地物时空状态信息表中分别记录了对象的时空信息和属性信息,从关系图中可看出,该实体时空状态是由上一个仿真事件作用而形成;当破障事件发生时,如图 5(b)所示,由该仿真事件触发,当前环境实体对象时空属性发生变化,空间对象属性类型为“人工地物”的状态从“良好”变化为“损毁”,表示该实体对象属性已经发生变化,从关系图中可看出该实体时空状态的变化是由对应的仿真事件作用而引起实体行为发生改变形成;当建路事件发生时,如图 5(c)所示,由该仿真事件触发,当前环境实体对象时空属性再次发生变化,该对象的属性类型变化为“道路”,几何类型从原先的“点状”变化为“线状”,表示新对象的生成并成为道路一部分,其拓扑关系也相应的发生变化,从关系图中可看出新旧对象时空语义转变过程是由旧实体对象经过一系列仿真事件作用最终发生“消亡”而触发新对象生成的过程。

      图  5  基于仿真事件的战场地理环境时空数据动态变化过程语义表达

      Figure 5.  Dynamic Process Semantic Expression of Battlefield Geographic Environment Spatio-temporal Data Based on Simulation Event

      从实验结果可以看出,仿真事件语义描述的是引起环境实体对象发生变化的原因;环境实体对象的空间语义描述的是对象的空间位置、几何类型及其拓扑关系的变化信息;环境实体对象的时间语义描述的是对象在仿真过程中发生变化的时间信息;环境实体对象的属性语义描述的是对象类型、结构及其功能变化信息;实体行为过程通过实体对象的属性语义按照时间序列进行一系列操作组成表示。

      由此可见,记录仿真事件与实体对象的语义变化过程能够清楚地描述两者在时空上相互影响和交互的逻辑关系,不仅在过程回溯时可以通过实体对象的语义变化信息来查询引发该对象变化的仿真事件的语义信息;而且在语义推理时也可以通过仿真事件的触发进行实体对象可能发生的状态变化以及对新实体对象生成的推理。

    • 战场环境仿真是对真实战场的模拟,是军事人员认知战场的重要手段。目前,多数战场环境仿真系统集中在时空表达模型的研究上,并未从仿真事件引发战场环境动态变化的角度来描述时空过程。已有的战场环境仿真模型缺乏作战实体与地理实体和地理现象之间相互影响及交互作用的语义表达,难以反映时空条件下地理环境实体的动态变化规律。本文以本体思想为核心建立时空过程语义模型,与传统仿真模型结构相比,以集成时空对象语义信息为核心建立模型整体框架,利用本体对时空语义进行一体化描述和表达,形成符合认知规律的对象化结构体系,从语义角度反映战场地理环境的动态变化规律及其与仿真事件之间的相互作用和影响,使得时空数据变化符合战场仿真发展规律,从功能上加强了时空数据与事件信息的语义关联度,完善了战场环境动态建模理论与方法。该模型以传统GIS领域的时空数据模型为基础,具有一般时空数据语义特征,同时在模型结构上又有以下几个特点:(1)采用本体的方法对仿真事件、实体对象及其行为过程的时空语义和属性语义进行集成概括描述,从而建立时空过程语义本体;(2)采用面向对象的方法构建具有层次结构的时空过程语义逻辑关系,并建立基于事件触发的语义约束条件;(3)根据数据模型特征建立时空过程语义模型的物理存储结构,并给出了基于事件的语义映射机制。本文模型对构建虚拟地理环境的时空演变过程具有借鉴意义。

      需要指出的是,本文方法在连续事件条件下的时空数据动态演变机制仍存在局限性,对数据语义模型的扩展性和重用性需要进一步研究。模型在复杂系统中应用并实现有待探索,以适应未来系统的需求。

参考文献 (22)

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