２０１１年６月 军事运筹与系统工程 Ｊｕｎ． ２０１１ 第２５卷第２期 Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０１．２５ Ｎｏ．２ 面向战争模拟的作战实时信息系统研究与实现 刘洋 ，胡晓峰 ，吴琳 ，淦文燕 （１．国防大学信息作战与指挥训练教研部，北京１０００９１； ２．理工大学指挥自动化学院，江苏南京２００００７） 摘要：作战实时信息系统是战争模拟系统中的重要分系统，为不同角色的参演人员提供训练所需的 各种实时作战信息。提出了作战实时信息的概念建模思想，基于作战实时数据仓库为系统构建了一个统 一的数据存储与管理平台，实现了该系统并在实践中通过了测试。 关键词：作战实时信息；概念建模；数据仓库；数据建模 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—８２１１（２０１１）０２—００２６—０７ １ 引 言 钱学森曾提出“战争是科学”。战争的“迷雾”、偶然性、结果的不可重复性等特征使得战争问题的研 究困难重重，也使得战争模拟极具挑战性。 战争过程中，如果指挥员得到的是错误的战场信息，那么很可能导致一系列的错误决策，最终战败；反 而言之，如果指挥员在整个战争过程中能够随时掌握准确的战场信息，那么就极可能达成对战局的有效控 制，从而赢得最终胜利。因此，在战争模拟中仿真指挥员在指挥过程中所获取的实时信息非常重要，将直 接影响战局的走向。面向战争模拟的作战实时信息系统的设计目标正在于此，即模拟真实。参与一场战 争的实体要素众多，实体状态复杂。不仅涉及大量基础数据和各种想定数据，而且推演过程中产生的动态 信息更是随时间不断倍增；同时，要模拟真实世界的作战实时信息，就必须考虑不同角色之间真实信息与 情报信息的映射，这更使得数据量成指数上升。因此，战争模拟必然导致海量作战实时数据的产生，而生 成高效的作战实时信息并对它们进行管理显得尤为重要。 国内外许多模拟系统的设计者和学者针对这些问题都提出了各自的解决方案。美军的ＥＡＤＳＩＭ…、 ＪＩＣＭ＿２］、ＪＷＡＲＳ¨３ Ｊ、ＪＴＬＳ等系统均有相关的研究内容。ＥＡＤＳＩＭ是一个集分析、训练、作战规划于一体的 多功能仿真系统，重点描述空战、导弹战、空间战的多方对抗仿真，其信息交互也因此有所偏重。ＪＷＡＲＳ 是美军专业化水平很高的联合作战分析系统，研究内容涉及陆、海、空、天，包含基于感知的Ｃ ＩＳＲ系统。 该系统正是基于丰富详细的数据构建数据模型，通过情报感知来更新战场态势 Ｊ。由于其描述范围 的宽泛，也带来了数据需求量大、建模复杂性高及运行效率方面的问题。ＪＴＬｓ是联合战区级仿真系统，有 比较友好的信息交互界面，但从掌握的资料来看信息较琐碎，整合不够。ＪＩＣＭ是针对红蓝双方的战区级 作战模拟系统，包含地况、海情、武器性能、ｃ Ｉ数据等大量复杂信息，图表内容如态势显示丰富。而国内 战役级以上模拟训练系统普遍缺乏对作战实时信息的整体考虑，尤其是在真实信息与情报信息映射方面 的设计与实现都有欠缺。胡晓峰等人正是针对这一问题，对模拟数据的处理方式提出了多种变换的概 念 Ｊ。总体看来，我军在此方面的研究尚不够深入和普遍。 收稿日期：２０１１—０４－０１；修回日期：２０１１－０５—１０ 作者简介：刘洋（１９７５一），女，讲师，博士研究生，主要研究方向为计算机战争模拟、数据挖掘 面向战争模拟的作战实时信息系统研究与实现 本文将面向战争模拟对作战实时信息进行概念建模，建立作战实时信息系统的总体架构，基于作战实 时数据仓库进行数据建模并构建一个统一的数据存储与管理平台，以达成在战争模拟中为指挥员提供逼 真的作战实时信息的目的。 ２作战实时信息的概念建模 作战实时信息是在模拟推演中动态产生的各种与作战相关的信息。它以基础数据和想定数据为基 础，由方案或计划转换而成的作战指令或实时干预指令驱使模型运算产生出各种运行时数据，是实体发生 交互的结果。这些结果数据实时地改变着模拟系统中各个实体的动态属性，综合形成了作战实时信息。 作战实时信息的生成自想定始，随模型变，显示方式更是多种多样，可以表现为综合态势显示图、作战实时 信息报表、战场情况报告和回放分析讲评等，如图１所示。 方案 干预 一 Ｉ 、 计划 指令 Ｉ Ｉ ｌ综合态势显 示图ｌ１ ｒｒ 褰／． Ｉ 模型 压 Ｉｌ ｉ作战实时信 息表ｌ． ＼＼‘广—］． ｌ Ｉ战场情况 报告ｌ基础 想定 果 ＼１：：：：：：ｒ ｌ 数据 数据 —＝ Ｉ・ ｌ ｌ ｌ回放分析 Ｉ ｒ ； ＝＝ ，／一，－ 一，－图１战争模拟系统中作战实时信息的产生 ２．１ 作战实时信息的概念模型 从最细粒度的数据到信息的形成，研究作战实时信息的生成必须研究战争模拟中所需的各种要素并 进行提炼与描述。客观看来，作战实时信息的生成是度的，它不仅与时间、位置空间相关，而且与实体 粒度、情报感知映射等因素密切相关。通过对实体的抽象和聚合，在实体粒度维上实现对作战信息的初步 认知；同时，不同参演角色之间的信息映射所产生的不同视角信息构成了整个战争模拟的信息集合。由 此，可以如图２所示构建作战实时信息的概念模型，从而对战场信息形成一个较为完整的认知。 Ｔ时的作战 时间ｔ 图２作战实时信息的概念模型 图２中，实体粒度维上实现对单一实体到聚合实体从细到粗、从小到大、从底至上的抽象；在情报感知 维上基于对实体的认知与表现，实现了真实信息与情报信息之间的映射；在位置维度上随着位置空间的变 化，产生位于这一位置切面上的相应作战实时信息；在时间维度上随着时间的变化，基于所有因素生成了 《军事运筹与系统工程》２０１１年第２期 某一时间点上的实时作战信息。由此，随着演习进程的推进，就展现出整个推演过程中整个战场的作战实 时信息。 ２．２真实信息与情报信息映射的形式化描述 为了更真实地模拟战争“迷雾”特性，系统应该考虑为不同角色的参演人员提供各种动态实时的作战 信息，包括本方当前状态信息，侦察到的敌情信息（含假情报和过时情报等在内）等所有战场情况。 因此，在引入战场情报模型输出结果的前提下，系统设计时通过情报信息与真实信息之间的科学合理映射 和组织，使得模拟仿真接近真实成为可能。 通常情况下，假定本方的所有信息对己方而言都是透明的，即给己方的是真实信息。因此，整个战场 的真实信息集合可具体描述如下： ＲｅａｌＷｏｒｌｄ＝｛ＳＤｌ，ＳＤ２，…，ＳＤ ｝，ＳＤ ＝｛ＥＲ １，ＥＲ ，…，ＥＲ ｝ ＝ｌ…Ｎｍ ，ｔ＝１… （１） 式（１）中，ＲｅａｌＷｏｒｌｄ表示战场全部真实信息的集合；ＳＤ 表示第ｎ方的真实信息集合；ＥＲ 表示第ｎ方 第ｔ个实体的状态信息；Ⅳｍ 表示参与模拟训练的总方数；ｒｍ 表示第ｎ方的实体总数。 由于每一方的情报感知能力都有所不同，因而造成每一方感知同一方的信息都有所不同。换个角度 看，事实上则是每一方提供给其他任一方的信息（即情报信息）都不一样。在系统设计时，我们采取情报信 息的产生以真实信息为基础，真实信息经各种变换后得到相应的情报信息这一思路。也就是说，情报信息 是通过情报模型对真实世界的信息进行相关映射所得。因此，可对每一方所提供的所有信息进行描述，以 第ｉ方为例说明如下： ＩＮＦＯ ＝｛ＳＤ ＳＤ ，…，ＳＤ ，…ＳＤ ｝ （２） 式（２）中，ＩＮＦＯ 表示第ｉ方可提供的全部信息集合，除提供给己方的ＳＤ （即江 时）是真实信息，其 余均为情报信息；ＳＤ 表示第ｉ方提供给第 方的信息集合，即第 方所侦察到的第ｉ方的情报信息，其中， ＳＤ 为真实信息。 依此类推可得，Ⅳ方对抗时将产生Ｊ７、７２：种信息集合，可描述如下： ＳＤ．ＳＤ１２……ＳＤ ＳＤ ……ＳＤｌ ＳＤ２ ＳＯ２１ ＳＤ２２ＩＮＦ０＝ ＳＤｉｌ ＳＤａ…ＳＤ …ＳＤ （３） ＳＤ ＳＤ越…ＳＤ …ＳＤ 式（３）中，ＩＮＦＯ表示可提供的全部信息集合。 实际上在Ⅳ方对抗演习中，由于共有Ⅳ个对抗方，因此系统将提供给对抗方Ⅳ种信息世界（集合），这 Ⅳ种信息世界包含着真实信息与情报信息，具体描述如下： ＲＷｉ＝｛ＳＤ ＳＤ２ 一，ＳＤ¨…，ＳＤ ｝ ｉ＝１，２，…，Ⅳ （４） 式（４）中， 表示第 方可看到的全部信息世界，即系统提供给ｉ方的信息世界。其中，除ＳＤ 为真实 信息外，其余均为情报信息。 除此之外，还有提供给导演方的真实信息世界ＲＷ，具体描述如下： ＲＷ＝｛ＳＤｌ１，ＳＤ２２，…，ＳＤ¨…，ＳＤ ｝ （５） 可见，随着参演方增多，产生的作战实时信息集合将以平方级速度增加；参演方越多，情报信息与真实 信息的组合越复杂，组合形成了系统中完整的信息世界，如图３所示。 进一步假设各参演方内部不同层次，不同类型实体之间因感知能力不同、情报融合能力差异等原因， 均可提供不同的情报信息，那么，则会使作战实时信息集合复杂程度激增。由此要求我们在系统设计时要 面向战争模拟的作战实时信息系统研究与实现 充分考虑针对海量数据的管理、实时查询与分析，及用户数大量增加所带来的问题。 共Ｎ＋１个信息 图３作战实时信息的组织 ３作战实时信息系统的总体架构 考虑到传统的ＤＢ—ＤＷ两层结构模型难以满足大量即时的、多层次数据查询与处理需求，作战实时 信息系统采用数据库（ＤＢ）一操作数据存储（ＯＤＳ）一数据仓库（ＤＷ）三层系统结构模型，总体架构如图４ 所示。 应用层 ｉ作战实时信息表 ｌ ｌ综合态势显示图ｌ 战场情况报告ｌ ｆ回放分析讲评ｉ …… … 彳 … … 黼 —Ｌ——Ｌｊ————～—Ｌ 作战实时数据仓库｝．—１～ＯＤ—Ｓ ｝ ～ 一— 一 １Ｌ Ｕ ＥＴＬ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ ：数据源 Ｆ、－ ＿＇ ＿—－＿ ．—ＨＨ— ＿＿，＿—＿＿－一、 。１１ｒｒ’ －—－－ － －－＿－ ’—！ 、１ｒ１ｒ －＇＿－－ ＿—Ｈ＿・－・Ｈ—－——＿ １ ～—Ｉｒｒ — ’———・一 １ ｌ ｌ 、、 演结果ｌｌ令干预ｌｌ秉数据Ｉ ｌｊ 、 ＿＿－＿＿－＿＿一 ’＿＿・＿－ ＿ 、－—＿・－ ———／、 ———．，／、 ————／＼ ———／ ’图４作战实时信息系统的体系结构图 ３．１数据源层 作战实时信息系统的数据来源广泛，根据数据性质的不同，可大致分为公共数据和运行时数据。其 中，公共数据主要是指静态数据。包括那些既不因具体想定改变而改变，也不会在系统运行过程中发生改 变的基础数据，如战场环境数据（地理环境、水文环境和气象环境数据）、实体原型数据、目标实体数据、模 型参数与规则数据等；以及与具体想定相关的、随想定改变而发生改变的想定数据，如编成与兵力部 署、目标部署、后装保障、作战网络以及与演习系统相关的配置数据等等。运行时数据主要指那些在模型 运行过程中产生的动态数据，包括用户输入的各类计划与干预指令数据、模型输出的各种实体的模拟结果 数据，以及实时采集的用于分析评估的历史记录数据等等。 ３．２数据抽取、转换、加载（Ｅｘｔｒａｃｔ．Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ。Ｌｏａｄ。简称ＥＴＬ） ３０ 《军事运筹与系统工程》２０１１年第２期 ＥＴＬ负责从源数据库中获取数据，经过必要的清洗、转换和集成后，将其加载到作战实时数据仓库中。 具体工作包括根据主题的不同粒度划分和数据分割策略确定装载的内容和时间表，定时向数据仓库中追 加数据，并记录装载文档等等。作战实时信息系统的ＥＴＬ过程分为两个步骤：第一步将原始数据载人操 作数据存储区（ＯＤＳ），经过ＯＤＳ这个介于原始操作数据和面向主题的数据仓库存储的中间层的过渡，再 进行第二次ＥＴＬ过程，以面向主题的方式将数据进行组织、转换和综合，并装载到数据仓库的分析数据存 储区中。这种设计的好处在于，ＯＤＳ作为中间层可进行全局联机操作处理，辅助完成大量即时作战信息 查询与分析工作。作战实时信息系统的ＥＴＬ接口和数据载人程序是在Ｏｒａｃｌｅ数据库的存储过程中设计 实现的。 ３．３数据仓库层 它是整个作战实时信息系统的核心，包括作战实时数据仓库、操作数据存储（ＯＤＳ）和ＯＬＡＰ联机分析 处理等组成部分。其中，数据仓库主要存储从细节数据到轻度综合和高度综合几乎所有的历史数据，支持 趋势分析与战略决策；而ＯＤＳ主要存储当前和近期细节数据，为建立数据仓库提供近实时的数据视图和 一致的数据接口环境，可以支持实时访问，满足用户的即时查询与分析需求。ＯＬＡＰ服务器主要用于支持 复杂的决策分析，是前端应用程序的直接数据来源。能够根据用户的查询请求迅速、灵活地从作战实时数 据仓库和ＯＤＳ中抽取相关作战信息并进行汇总，以方便用户对数据进行多角度、多层次的分析处理 和展示。 ３．４应用层 主要包括各种显示、查询和数据分析工具，如综合态势显示图、作战实时信息报表、战场情况报告和回 放分析讲评工具等等。 ４作战实时数据仓库的数据建模 作战实时数据仓库的设计与实现涉及多方面的工作，包括根据应用需求确定作战实时数据仓库的主 题域及主题域间的关系，分析每个主题域的关键性能指标，设计并实现描述该主题域的数据模型，构 建相应的事实表和维表结构，并根据数据模型的元数据格式设计ＥＴＬ流程，对作战实时信息进行自 动抽取、转换、并加载到数据仓库等等。其中，数据模型设计是关键，可为海量作战实时信息的有效集 成与分析评估提供统一的数据标准。下面具体阐述兵力与装备部署主题域和情报感知主题域的数据 模型设计。 ４．１ 兵力与装备部署数据模型 考虑到数据模型设计与战争模拟的应用需求密切相关，我们首先以战争模拟系统中最基本的表 示单元——实体＿４ 为出发点来设计作战实时数据仓库的主题域。在推演过程中，实体的状态随着模型的 运行不断发生变化，其状态值就来自运行时数据。同时，正是这些实时数据详尽地描述了实体的基本属 性、空间属性、行为属性、任务属性和效能属性 Ｊ，组成了实体的状态信息。因此，我们以聚合实体状 态信息表与装备设施实体状态信息表等实体信息表为出发点，设计兵力与装备部署主题域的数据模 型，如图５（ａ）所示。兵力与装备部署数据模型包含两个事实表和多个维表，如图５（ｂ）所示，其中事实表 不仅记录了兵力与装备部署的相关作战指标，如当前实力、使用状态和火力任务数等，而且包含４个指向 维表的外键：时间维、位置维、装备设施维和兵力维等。维表代表了对战争模拟数据进行研究的角度：时间 维表示当前、历史，甚至任意时间点的兵力与装备部署情况，是描述战争模拟推演过程与分析讲评的基础； 位置维从空间地域的角度表现位置与兵力与装备部署之间的关系；兵力维从单一实体到聚合实体对 实体在战争模拟中的特征进行抽取；装备设施维则对装备与设施实体逐层进行特征抽取。兵力与装备部 署数据模型在存储中将形成数据立方体结构，如图５（ｃ）所示，这不仅方便训练人员从多个角度对实 面向战争模拟的作战实时信息系统研究与实现 时兵力部署与装备部署信息进行多分辨率探索分析，而且方便训练人员使用ＯＬＡＰ联机分析和图形工具 对实时作战信息进行评估和展示，还能随时掌握作战数据的变化趋势及挖掘潜在规律。 图５兵力与装备部署数据模型 ４．２情报感知数据模型 情报感知数据模型以情报感知信息表为出发点，如图６（ａ）所示，其数据模型包含两个事实 表和多个维表，如图６（ｂ）所示。其中，兵力感知事实表记录了侦察通过雷达探测、卫星侦察等侦察手 段获取的目标的兵力部署情报，装备感知事实表则记录了侦察通过建制内侦察手段获取的关于 目标装备的部署情报，维表代表了情报感知的分析维度，方便训练人员从时间维、位置维、装备设施维和兵 力维等多个角度对情报信息进行多分辨率地探索分析与评估展示，其数据立体结构如图６（ｃ）所示。 图６情报感知数据模型 ５ 系统实现与实验结果 在前述系统设计思想的基础上，本文基于Ｏｒａｃｌｅ Ｗａｒｅｈｏｕｓｅ Ｂｕｉｌｄｅｒ １ ｌ ｇ和ＶｉｓｕａｌＣ＋＋．ＮＥＴ开发实现 了一个作战实时信息系统原型。该系统结合分类查询、精确查询、模糊查询、过滤查询和关联查询多种手 段，不仅可以实现多方对海量作战实时信息的灵活查询与统计分析，如综合战损、战果和消耗情况等， 而且实现了情报信息的有效组织与表达，可以方便参演人员快速掌握最新情报及其来源。目前该系统已 投入战略战役级模拟训练，并顺利通过测试。图７为系统的运行界面。 《军事运筹与系统工程》２０１１年第２期 １ ２ ３ 图７作战实时信息系统运行界面 模拟训练结果表明，该系统顺利支持了近四百演习站位，包括红、蓝、绿和导演方四方在内的大规模战 略战役模拟训练。其中，数据采集存储能力大于１Ｔ，采集时延小于１分钟，可查询上千种作战实时信息， 平均操作响应时间小于２秒，基本达到了系统的实时性要求。通过情报新鲜程度的颜色区分，较好地反映 出情报的作用，而且为参演人员更快速了解和掌握局部乃至整体作战情况提供更为直接、灵活、可靠的手 段。 ６结束语 作战实时信息系统作为战争模拟系统中的一个重要分系统，主要用于为不同角色的参演人员提供训 练所需的各种实时作战信息。考虑到信息化战争模拟涉及大量作战实体及其交互，推演过程会产生海量 的实时作战信息，这使得仿真数据的存储管理与分析评估面临“信息灾难”的严峻挑战。针对上述需求， 本文深入探讨了作战实时信息的概念建模与情报信息的映射问题，并基于作战实时数据仓库构建了统一 的作战实时信息存储与管理平台。仿真测试结果表明，该平台不仅可以实现多方对海量作战实时信息的 灵活查询与统计分析，而且可以基于主题域对作战信息建立从细粒度到粗粒度的不同分辨率模型以实现 相互验证。目前系统的设计考虑限于单元级和聚合级实体建模，还未能从体系对抗的角度对作战实体间 的信息交互与指挥协同关系网络进行动态建模，这是我们下一步工作中需要深入研究的问题。 参考文献 金伟新．大型仿真系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４． 陈欣，张浩，罗俊荣，等．分析论证仿真系统［Ｍ］．北京：军事科学出版社，２００９． 军事科学院军事运筹分析研究所．军事运筹分析方法［Ｍ］．北京：军事科学出版社，２００９． 胡晓峰，司光亚，吴琳，等．战争模拟原理与系统［Ｍ］．北京：国防大学出版社，２００９． ＯＮＧ Ｊ，ＬＩＮＧ Ｍ Ｆ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅ Ｊｏｉｎｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｙ Ｍｏｄｅｌｆｏｒ Ｃａｍｐａｉｇｎ Ａｎ ｓｉｓ［Ｒ］．ＤＳＴＯ—ＴＲ一１３０７，ＵＮＣＬＡＳＳＩＦＩＥＤ，２００２． ＵＳ Ａｒｍｙ ｗａｒ Ｃｏｌｌｅｇｅ．ＭｃＣｌｉｎｔｉｃ Ｔｈｅａｔｅｒ Ｍｏｄｅ１．Ｖｏｌｕｍｅ Ｉ：ｗａｒ Ｇａｍｅ Ｄｉｒｅｃｔｏｒ’Ｓ Ｍａｎｕａｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｌ．ＣＯＢ． ＳＴＯＮＥ Ｇ Ｆ．ＭＣＩＮＴＹＲＥ Ｉｌｌ Ｇ．Ｔｈｅ Ｊｏｉｎｔ Ｗａｒｆａｒｅ Ｓｙｓｔｅｍ（ＪＷＡＲＳ）：Ａ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｌ ｆ０ｌｒ ｔｈｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ［Ｃ］／／Ｐｒｏ— ｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＷＳＣ２００１．２００１． ＨＡＮ ＪＩＡＷＥＩ．ＫＡＭＢＥＲ ＭＩＣＨＥＬＩＮＥ．Ｄａｔａ‘Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｍ］．Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ａｍｓｔｅｒｄａｍ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｉｎｃ，２００６．
