基于语义模板的指挥信息系统与作战仿真系统互操作方法

汤再江， 薛 青， 徐豪华， 徐享忠

(装甲兵工程学院装备指挥与管理系， 北京 100072)



基于语义模板的指挥信息系统与作战仿真系统互操作方法

汤再江， 薛 青， 徐豪华， 徐享忠

(装甲兵工程学院装备指挥与管理系， 北京 100072)

针对指挥信息系统与作战仿真系统互操作接口不灵活、可扩展性不强和语义理解困难等问题，提出了基于语义模板的指挥信息系统与作战仿真系统互操作方法。对格式化命令、报告结构及语义进行了分析，采用元数据定制了语义模板，基于语义模板研究了格式化报文互操作转换机制，实现了指挥命令和态势的互操作。通过应用实例对该方法进行了验证，结果表明：该方法有效可行，模板可以灵活定制和增加，具有较好的可扩展性和语义描述能力。

语义模板； 互操作； 指挥信息系统； 作战仿真系统； 元数据

实战化训练环境是开展实战化训练的重要依托和载体，指挥信息系统与作战仿真系统的虚实结合、有机融合，已成为实战化训练环境建设的一个重要发展方向。指挥信息系统与作战仿真系统的互操作是指二者能够进行双向通信，正确接收、解析和理解来自发送方的信息，并按照发送方所期望的方式做出反应[1]。

目前，互操作方法主要有人工转换、专用接口、标准接口和网关中间件等方法[1]。现有的互操作方法大多由接口驱动，这是解决互操作问题最直接的方法，但接口很难罗列全面，可扩展性和灵活性差，一旦有变化，需要重新定义接口，且不便于理解信息语义描述。获取交互信息中隐含的语义，是互操作方法要达到的最终目标。为此，针对目前互操作方法存在的接口不灵活、语义理解困难等问题，笔者提出了基于语义模板的指挥信息系统与作战仿真系统互操作方法，采用元数据定义语义模板，基于语义模板对作战命令、态势图等信息进行格式化和规范化的描述，实现指挥信息系统与作战仿真系统互操作。最后，通过应用实例对该方法的有效性进行验证。

1 元数据与语义模板

在指挥信息系统中，用户在进行报文交互时，大多采用基于模板的短报文和文书形式进行指挥信息的拟制与发送，其格式相对固定，用词较为规范。在作战仿真系统中，采用计算机结构化的数据来描述信息。

1.1 元数据

元数据(Metadata)是“关于数据的数据”，是不同系统间交互的底层元素。目前，元数据已经从初期的元数据规范层的互操作向语义互操作方向发展[2]。

元数据映射是在统一的元数据标准、元数据映射转换协议下，实现不同格式元数据元素之间对应关系，相同功能或含义的元数据元素直接映射转换，通过元数据映射可实现信息之间的互操作。元数据映射涉及元数据语法、语义和结构等方面，其中：语法是表现形式；结构是描述框架；语义是元数据映射的本质，是最终达到的目的。

1.2 格式化报文与语义模板

格式化报文是报文内容采用预先定义格式进行表示，便于计算机自动处理，如格式化的命令、报告和请求等报文，其特点是信息格式规范。基于模板的短报文是指挥信息系统中使用较多的一种报文形式，该类报文言简意赅，虽然长度短，但意思表达清楚、准确、全面，非常灵活实用。

语义模板是为了描述格式化报文而创建的形式化语义描述模型。语义模板由元数据元素、内容和语法规则组合起来，通过可变参数和标准模板库形成表达语义的一个规范格式模板。可根据需求选择模板，提高工作效率，其每项参数根据录入的编制、装备、弹药、目标、时间和地点等数据，在编辑时以下拉框的形式直接进行选择，也可直接输入，参数修改灵活，数据录入高效、准确。

语义模板与自由语言表述指挥信息不同，语义模板将指挥信息内容具体化和准确化。例如：语言可比较笼统地描述预想敌情，如“当我进攻发展顺利时”“当我进攻受挫时”“当敌人实施反冲击时”等，不指明具体单位和具体位置也可以，但计算机难以理解这些自然语言；采用语义模板可表示为“当我(XX单位)进攻(XX位置)发展顺利时”“当我(XX单位)进攻(XX位置)受挫时”“当敌人(多少)个(班/排/连/营)从(XX位置)向(XX位置)实施反冲击时”，描述的信息具体、准确，便于计算机理解。

1.3 语义模板的元数据映射

元数据映射有多种方式，包括一对一映射、一对多映射和多对多映射。基于语义模板的互操作采用一对一映射来实现元数据语义互操作。基于语义模板的格式化指挥报文转换方法是将指挥信息系统和作战仿真系统中使用信息的元数据模型通过建立映射关系构成信息交换机制，实现系统之间信息的互操作。元数据映射的过程主要是根据接口协议和映射规则，将指挥信息系统和作战仿真系统中元数据进行一对一匹配，形成一个映射转换对应表。

1.4 模板的可扩充性

基于接口的转换方法是一种依赖于接口的被动式转换，可移植性较差，一旦标准或接口改变，或有新的元素出现，这种专一化的处理模式将面临着失效的风险。通过定制模板的方式，可将代码协议层大量接口工作通过模板实现，大大减少了开发的工作量。但由于指挥信息系统中模板较多，基于模板的互操作转换是一个工作量较大的工程，因此，基于模板的报文形式也很难保证全面性。

语义模板采用元数据的方式，可以实现模板的可扩充性，相应地，仿真数据转换也具有可扩充性。在这种形式下，从指挥信息系统中流出的信息是相应报文的参数编码，在交互中，根据双方的编码、解码协议，达到数据的共享互操作。对于随时间和条件发生变化的报文信息，可设置条件或选择参数，一个模板可灵活实现多种信息交互。

语义模板可根据不同的报文类型需求扩展新的语义模板。另外，还可设置元语义模板，灵活实现额外语义信息交互需求，实现对语义模板的扩展。

2 基于语义模板的格式化报文互操作

2.1 基于语义模板的格式化指挥命令

作战命令是指挥信息系统连接指挥所与武器平台的纽带，是指挥信息系统与作战仿真实体之间的桥梁，是实现指挥信息系统与作战仿真系统互操作的主要内容之一。指挥信息系统主要采用模板拟制与发送报文，事先通过模板编制工具制作相应的模板，在使用时调用所需模板进行相应报文的编制。如：基于模板的格式化指挥命令如图1所示，这是一条机动攻击命令报文。

图1 基于模板的机动攻击命令报文

2.2 基于语义模板的格式化报告

一条完整的报文模板由固定数据项和可变数据项组成，形成符合自然语言习惯、可让人读懂的报文。基于语义模板的格式化报告包括战果战损报告、侦察报告、任务完成情况报告、车辆状况报告和毁伤报告等，报告要素包括报告类型、发送者、接收者、报告时间和报告内容等[3]。如基于模板的格式化报告如图2所示，这是一条作战部队发现敌情的报告报文。

图2 基于模板的敌情报告报文

3 基于语义模板的报文转换机制

图3为基于语义模板的报文互操作原理。作战仿真系统接收到指挥信息系统中的格式化报文后，根据格式化报文的特点，采用二进制报文的数据提取算法，按照格式化报文协议中规定的每个数据对应的代码长度及其数值所对应的意义，建立二进制数据所对应的军事信息数据字典，以指针方式读取二进制数据，然后将数据转换成数值或字符后，与数据字典进行匹配，通过逐位操作，获取二进制数据包所对应的军事信息数据解析值，再按照仿真数据格式转换成作战仿真系统所用的数据包。

图3 基于语义模板的报文互操作原理

设计指挥命令转换模板体系，直接用模板输入命令。对于每条指挥命令，模板中都有一条对应的仿真命令，以实现指挥命令的自动转换。从仿真数据包转换为格式化报文，与这个过程相反：首先，将仿真数据通过映射转换为指挥信息数据值；其次，按照格式化报文协议中的规定，将每个数据值转换为二进制数据值；最后，按照顺序组装成二进制格式化报文数据包。

4 基于语义模板的态势互操作

态势互操作需要完成时间推进机制上的互操作。指挥信息系统中有作战时间和天文时间，一般作战仿真都是超实时运行，而指挥信息系统与作战仿真系统互操作需要仿真实时运行，因此，作战仿真系统需要有时间调度机制，一般采用时间戳的方式记录随时间推进产生的一系列战场事件的发生。

4.1 态势图报

指挥信息系统态势图传输一般不直接传输图片，而是采用态势图报的方式来传输，传输处理的是敌我态势报信息，即敌我双方位置和状态，实际传输的是格式化的数据，而不是图片。

态势图报描述态势图层信息具有固定的格式，属于格式化报文。报文内容包括综合态势的各种要素，以态势图编号标记态势图，以态势图层内码标记态势图层，以战场目标编码统一码标记战场目标元素，以军标符号标记其他态势要素。态势图层数据主要包括图层编码、图层名称，以及地图左上角的经度、纬宽等。

4.2 仿真态势信息描述

在作战仿真系统中一般通过建立二维、三维战场态势模型将作战过程可视化。态势信息是计算机可处理的数据，使用人员能利用计算机对态势信息进行分析、聚合及可视化。在作战仿真系统中，二维态势信息可采用面向对象程序设计中类的形式进行描述。对于作战仿真系统中各个仿真实体产生的战场态势信息，计算机按照格式进行转化，生成便于计算机处理的二维战场态势信息结构。

4.3 态势数据互操作

态势数据互操作是指挥信息系统与作战仿真系统互操作的重要内容之一，二者因用途、目的、数据获取、推进机制和更新时间等不同而具有较大的差异。从态势形式化描述和建模，红、蓝双方仿真态势生成，按不同级别需要自动生成聚合态势等方面进行研究，可解决态势数据互操作关键问题。

指挥信息系统中大量信息采用态势图进行传递，要求仿真与真实的作战一致，通过双方的侦察情报系统产生红、蓝双方各自的态势，并能与指挥信息系统进行态势层次的互操作，基于仿真数据生成指挥信息系统的态势图报。

在作战节奏空前加快的条件下，态势显示的实时性必须满足临机快速指挥的要求。实装指挥信息系统主要是由综合态势参谋或设置系统按一定时间间隔来更新态势图，如师团指挥信息系统综合态势图更新时间一般不大于5～10 min。

仿真中没有真实的人来操作，为实现态势的实时自动更新，省略手动生成态势的环节，将存储态势数据单元结构和态势数据本身分离存储，从而使态势数据更新与态势可视化视图的刷新自然分离，只要态势信息更新，则态势视图自动更新，无需经过特别处理。

5 基于语义模板的指挥命令互操作应用实例

人在环指挥员通过指挥信息系统短报文方式下达机动命令，语义模板命令格式以指挥所下达给机步1营1连命令为例，如图4所示，1连10时15分沿着坐标点A、坐标点B、坐标点C机动至D村的命令。

图4 机动命令报文

根据选中的报文模板，分别填写相关参数。在该命令中，“机动”是军语中的标准术语；“营指挥所”“机步1营1连” 是相对固定的军队编制；“坐标点A”“坐标点B”“坐标点C”是作战地域中具体的地理位置；“沿着”是用来修饰位置的限定词。这些都可以直接用XML按时间、空间语义标注方法进行时间和空间的标注。

作战仿真系统接收上级命令，然后通过命令解析模型对命令进行解读、处理。采用了可扩展的作战管理本体语言(eXtensible Battle Management Ontology Language，XBMOL)对命令本体进行标注，将其语义信息存储在一个XBMOL文档中，仿真系统通过解析该XBMOL文档表示的语义来获得对命令的理解。

XBMOL以XML为基础，根据本体描述和互操作的需要自行定义标签，在语法上只要标记成对出现即可。可扩展性是XML的主要特征，也是XBMOL的主要特征。采用XBMOL作为指挥信息系统和作战仿真系统互操作的标准转换语言，具有较好的可扩展性。

6 态势图互操作应用实例

作战仿真系统态势生成实现了仿真信息的实时获取、组织和存储，伴随作战仿真进行全过程、实时、自动态势更新，包括作战单元位置、运动轨迹、行动过程、交战关系、工作状态和装备战损分布等。通过格式化模板，作战仿真态势信息可以通过XBMOL映射为指挥信息系统所能识别的*.sml格式，并进行文件的传输，指挥信息系统收到文件后，可以作为图层加入到指挥信息系统态势显示之中。态势图互操作如图5所示，仿真态势信息实时转换进入指挥信息系统，成为指挥信息系统综合态势。

文件存储格式为：10点15分态势.sml。

图5 态势图互操作

10点15分态势

…

指挥信息系统采用态势图显示作战过程，通过指挥信息系统显示界面，仿真实体与真实的作战态势显示一致，通过双方的侦察情报系统产生红、蓝双方各自的仿真态势，基于仿真数据生成态势图报，实现态势图的互操作。

7 结论

笔者提出了基于语义模板的指挥信息系统与作战仿真系统互操作方法，采用元数据定义语义模板，对格式化命令、报告和态势等进行格式化和规范化描述，能够明确表达数据语义，便于计算机的理解和转换。通过元数据映射，实现了报文的转换。应用实例结果表明：该方法具有可行性和实用性，模板可进行灵活定制和增加，具有较好的可扩展性和语义描述能力。

[1] 汤再江,徐享忠,薛青,等.指挥信息系统与作战仿真系统互操作研究综述[J].系统仿真学报,2015,27(8):1659-1664.

[2] 朱超.关于元数据互操作的探讨[J].情报理论与实践,2005,28(6):644-648.

[3] TANG Z J,XUE Q,ZHU M J. Company commander modeling in military equipment battle simulation [C]∥Proceedings of 14th Chinese Conference on System Simulation Technology & Application (CCSSTA2012). Delaware,USA:Scientific Research Publishing,2012:613-617.

[4] 徐享忠,汤再江,谭亚新.作战仿真与指控系统语义互操作技术参考框架研究[J].系统仿真学报,2015,27(8):1735-1739.

[5] 孙剑.基于本体的指挥信息系统与作战仿真系统间数据转换方法研究[D].北京:装甲兵工程学院,2012.

[6] 吴从晖,陈宁军,高志年. 面向指挥信息系统与训练仿真系统互联中间件研究[J].指挥控制与仿真,2013,35(6):120-121.

(责任编辑: 尚彩娟)

Interoperability Method of Command Information System and Warfare Simulation System Based on Semantic Template

TANG Zai-jiang， XUE Qing， XU Hao-hua， XU Xiang-zhong

(Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the problems that the interoperability interface is lack of flexibility and scalability, and the semantic implicitness is hard to understand, an interoperability method of command information system and warfare simulation system based on semantic template is provided. The formatting commands, reporting structures and semantics are analyzed. Semantic template is customized with metadata, and interoperation mechanism of formatted message based on semantic template is studied. The interoperability of order and situation has been applied with the method. The method is verified with application examples, the results show that the method is effective and feasible; the templates can be customized and added flexibly, it has better scalability and semantic description capabilities.

semantic template; interoperability; command information system; warfare simulation system; metadata

1672-1497(2017)03-0080-05

2017-03-28

军队科研计划项目

汤再江(1976-)，男，讲师，博士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.03.015