基于势场函数战场态势可视化分析方法研究
总第238期2009年第8期
计算机与数字工程
Computer &D ig ital Eng ineer ing V o l. 37No. 8
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基于势场函数战场态势可视化分析方法研究
张建伟 李启元
(海军工程大学 武汉 430033)
*
摘 要 利用战场势场函数方法提出了基于人工势场、时变人工势场的态势分析评估模型, 通过建立的多层时变人工势场分析方法得到战场空间态势的多视图评估, 为战场敌我双方力量对比、威胁评估、敌方战术意图识别等判断以及为作战指挥决策提供决策支持。通过仿真战场态势想定平台生成剧情证明了基于势场函数可视化分析方法的可行性。
关键词 态势分析 人工势场 时变人工势场 可视化中图分类号 T P391. 7
Research o n Battlefield Situatio n Visualizatio n Analysis
Based o n Potential T echnique
Z hang Jianw ei L i Q iy uan
(N av al U nive rsity of Eng ineer ing , W uha n 430033)
A bstract T he pote ntial technique is applied to the situation visualiza tio n mo de l a ccor ding to the mar ine ba ttle field
quantitative ana lysis m ode, w hich can give the colle ctiv ity situation to the co mmander. T he art if icial po tentia l metho d, time var ying ar tificial pote nt ial metho d of situatio n a naly sis ar e pro pose d, by which situatio n e stim ation can be acquir ed. T he fea sibility o f this technique can be testif ie d thro ugh the em ulation using the dat a co mes f ro m the situatio n cr eating platf or m.
Key words situatio n analysis, ar tif icial po tential f ie ld, time v ar ying ar tif icial po tential field, v isualiza tio n Class Nu mber T P391. 7
1 引言
态势评估是在战场环境中对作战区域内随时间推移而不断动作并变化的作战实体进行觉察、认知、理解和预测的处理过程。作战指挥决策首先需要对态势进行评估, 评估结论作为决策依据。舰艇编队战术仿真认知行为流程中, 战术指挥模型决策输出结果为指挥命令, 是下级作战实体的任务行动指南。
战场态势在空间的角度上表现为自然环境中敌我双方的兵力部署, 战术指挥决策模型的关键在于根据战场自然地理环境空间分析及敌方兵力的分布和战术意图的认知, 进一步指挥部署我方的兵力应对和决策。本文提出一种时变人工势场空间
收稿日期:2009年4月10日, 修回日期:2009年5月5日
[1]
态势分析模型, 将战场态势量化为多个层面的时变态势场强数据, 在执行级-组织级-宏观调控三个层次上[2], 仿真海战场中作战实体的指挥行为, 根据敌方目标态势分布和环境因素做出相应层次的指挥决策。
2 人工势场
人工势场概念首先由Khatib 等人于1986年提出应用于移动机器人的导航, 利用势函数用于避障, 势场法通常应用于实时局部路径规划, 成为目前应用最广泛的机器人路径规划方法之一。该方法计算简洁、实时性强, 便于数学描述, 主要用于解决局部路径的避障规划问题出的人工势场借鉴电场模型
[3~4]
。李志强等人提
[5]
基本原理, 根据战场
*
:
第37卷(2009) 第8期计算机与数字工程 87
态势分析的基本要求, 将战场中敌我双方的兵力虚拟为电场中的异种电荷, /大量电荷0之间的相互作用从而形成一个人工构造的可用来辅助指挥控制结构分析评估战场态势的可视化势场模型。
物理学表明任何电荷都在自己周围的空间激发电场, 电场对于处在其中的任何其它电荷都有作用力, 电荷与电荷之间通过电场发生相互作用的。
对于电场可以从电场强度E 和电势U 来描述, 电场强度是一个矢量, 用电场强度E 去描述电场则将形成一个矢量场, 从能量的角度来描述则形成一个标量场即电势场。
点电荷q 在产生的电场中任意点P 的电场强度计算公式为:
E =
#4P E 0r
(1)
析当前的战场态势, 对某一战场空间内所有的离散空间区域进行求和计算确定敌我双方作战能力对比, 可通过计算我方防御点空间单元的势场值的变化情况判断敌战术意图。
3 分层人工势场
由于战场情况远比实验环境复杂, 参与作战的战斗舰艇种类多样, 攻击和防御能力上也各有所长, 仅仅靠前述虚拟作战实体电荷产生的势场计算实际上不足以充分描述战场态势, 战场中要面对的空中飞机实体、水面舰艇实体、水下潜艇实体等威胁, 这些实体的方位、使用的武器的种类数量、作战能力也是决定该目标威胁程度的重要因素, 因此需要在敌我双方相关作战能力和属性进行细化, 将战场态势信息具体化。
李志强等人的人工势场理论[5]将作战实体的多项能力进行综合评估分析, 从而确定战场空间中虚拟电荷的电量, 其分析基于战场空间当前时刻的状态, 未考虑历史信息的变化过程。结合战场空间的历史信息本文提出时变人工势场分析方法, 一方面将敌我双方兵力虚拟成的单一异种电荷, 转变为能够具体描述敌我攻防层面的多种/电荷0, 结合战场环境地理信息, 综合利用多种电荷形成的多个电场层, 对战场空间进行态势分析。另一方面考虑战场信息的时间因素, 在时间维度上对历史、当前时刻的态势信息进行考虑, 考虑人工势场的/时变0因素对战场态势分析和决策的影响, 最终实现基于时变人工势场的态势评估, 并将结果作为指挥决策的输入。
表1 舰艇作战能力划分
电荷物理意义
种类Q 1对飞机作战能力Q 2对导弹防御能力Q 3Q 4Q 5
电荷物理意义种类Q 6对鱼雷防御能力Q 7对岸火力支援
对敌岸目标能力对敌电子进攻
对敌电子防御
式中P E 0为常数, q 为点电荷所带电量大小, r 为点电荷与场点的距离。电荷组所产生的电场在某点的场强等于各点电荷单独存在时所产生的电场在该点场强的矢量叠加。
点电荷q 在产生的电场中任意点P 的电势计算公式为:
U =#04P E r
(2)
电场中任意点P 的电场强度等于该点的电势的负梯度。即电场中任意一点的电场强度量值等于电势随距离的最大减少量, 其方向则沿着电势减
少率最大的方向。
根据李志强等人的人工势场理论, 敌我双方相关作战实体的一些属性和战场中其它作战资源可虚拟成电场中的异种电荷, 其带电量由表示为参战实体的攻击力、防护力、火力等, 战场态势中某点的场强可以通过虚拟异种电荷生成并叠加的电场强度来表示, 计算公式为:
E v =
E
我方+
4P E r 1
E
敌方
4P E r 2
(4)
对战斗舰艇作战能力Q 8对军辅船只作战能力Q 9对潜作战能力
Q 10
式中, Q 我方、Q 敌方是敌我双方各自产生电场的点电荷的带电量, r 1、r 2分别是空间该点到我方电荷和到敌方电荷的距离, 其它为常数。
战场态势分析中, 敌我双方各类作战资源可根据人工势场相关理论虚拟为异种电荷进行计算[5]。工程应用中在满足分析精度和性能要求的前提下, 对于战场空间的电势计算往往采用离散表示方法, 将战场根据态势分辨率分割成等距离散空间区域, 战场空间决策中态势评估的复杂性使得评估过程必须充份考虑作战实体的各种作战能力因素, 在综合能力计算的同时需要将/单一电荷量0进行扩展, 在人工势场中充分考虑海战场上参与作战的战斗舰艇种类多样性、攻击和防御能力上的不同, 设置多种电荷场来反映作战实体的作战能力, 形成多个层面的电势场, 作为进一步的战场态势/时变0
88张建伟等:基于势场函数战场态势可视化分析方法研究第37卷
战能力和个体间的组织配合, 对于舰艇综战能力, 其电荷划分如表1所示。
分层人工势场用于某项作战能力对比可确定敌我对抗能力强弱, 计算单一电荷层/复合电场0公式如式(5) 所示。计算由多种电荷所产生的/复合电场0公式如式(6) 所示。
E v (i) =E v (i, j ) =
一个二维的势场, 按照时间顺序存储战场态势数据信息, t 0时刻第i 层战场态势电势值可记录为
j =1m
E
(E v (i, j ) , t 0) 。
战场电势对时间进行一次求导, 可判断态势场
电势随时间变化量的大小情况; 战场电势对时间进
E
我方i
+
4P E r 1
E
敌方i 4P E r 2
(5) (6)
行二次求导, 可求得态势场电势变化快慢结果。在某一战场态势层上, 计算敌我第i 项作战力量对比随时间变化的公式为:v =(dt dt
E
我方i
+
4P E r 1
E
敌方j
4P E r 2
通过多个层次的势场计算比较, 可对战场空间进行多视图评估, 计算和判断敌我作战力量对比,
以使指挥员对战场态势有更加全面的认识。
E
我方i +4P E r 1
E
敌方i )
4P E r 2
(7)
v =(dt dt
E
我方i +
4P E r 1
E
敌方j ) (8)
4P E r 2
计算结果经过指挥员战术规则推理, 评估结果量化后可作为作战任务执行权值, 变化较明显的战场态势层优先处理。4. 2 转移势场
将t 和t 两个时刻的势场值相减可得到有关战场态势转移的势场。即:
图1 敌对海侦察能力/复合势场0着色图
m
m
U a =(
4 时变人工势场
4. 1 时变势场
战场态势表达中某一时刻的/复合电势0提供了分析战场敌我作战能力强弱的工具, 从而可确定我方总体作战策略; 战场态势电势的变化提供了确定敌方进攻方向、意图等战术意图识别的工具, 可为各级作战实体提供行为决策依据。
基于/复合电势0的战场态势表达方法对于势场值变化的趋势缺乏足够的分析, 而势场值变化的多少、快慢都可以反映出敌方目标在空间位置分布的变化和敌目标的战术意图。为了对海战场上作战区域内敌我双方投入的兵力编成、兵力和武器部署等情况, 以及地形、气象和其它影响作战的战场环境因素进行整体和全局性地考虑, 对敌、我友军及战场环境的综合情况和事件进行定量或定性描述, 将时间轴上观察到的战方力量分布、活动与战场环境、作战意图、机动性能等有机地联系起来, 得到敌方兵力结构、使用、特点和战场形势的估计, 以及对未来战场情况或事件的预测。结合过去的势场值, 分析现在的势场变化, 并在一定程度上预测势场变化的走势, 这是指挥决策的重要依据。
战场空间离散化后, 计算战场中每个离散化区域内态势电势值可得到战场空间的势场表达。考
, j=1
E
E v (i, j ) , t +$t) -
j=1
E
E v (i, j ) , t) ) (9)
二维战场空间平面战场态势转移势场的旋度(或梯度) 代表了该点的转移势场场强, 即该点战场态势电势随距离的最大减少率, 其方向为电势减少率最大的方向。
旋度方向和大小显示了战场态势重心的变化或敌我双方战术意图变化的方向和大小, 将旋度叠加到战场态势图上可得到战场空间的态势转移图, 其中箭头方向表示战场态势重心转移的方向, 箭头的大小表示态势重心转移的大小, 矢量箭头从低威胁区域指向高威胁区域, 矢量箭头越长, 表明该区域态势转移度越大。
对图2进行可视化分析标注可得图3结果, 从
第37卷(2009) 第8期计算机与数字工程 89
中判断整个战场态势转移趋势:敌方主要从东北, 正北, 正东三个方向对我方进行进攻。借助该态势转移可视化分析图可以使指挥员迅速把握战场态势转移趋势, 从而为指挥员决策提供有理有据的支持。
无论战场空间中敌方作战单位的物理运动状态如何, 其战术意图是一定的, 如果只对敌方作战单位的物理运动状态进行分析, 往往过于主观。基于战场态势势场转移的可视化分析方法透过战场中单个作战实体的行为, 对整个战场态势重心的变化过程进行分析, 在某种程度上可以认为反映了敌方的战术意图, 并且在将来的一段时间内会继续保持下去。
5 仿真分析
采用战场态势想定平台, 生成态势想定。本平台将生成的态势数据存在Access 的数据表中, 仿真平台通过调用数据库中的态势数据进行算法验证。由战场态势想定平台生成表4的剧情, 共生成37个周期的仿真数据。
表2 仿真结果
仿真1T -10T 时间
剧情蓝方1, 2, 3
号作战单位从西北方向, 4, 5号作战单位从西南方向集结
10T -20T 20T -30T 30T -37T 蓝方1, 2, 3, 4, 5号作战单位集结完毕
蓝方作战单位集结后向东方进攻
进攻完成1, 2, 3号作战单位向东北方疏散, 4, 5号作战单位向
东南方疏散
图5 仿真态势分析图
向和敌方的进攻意图等进行分析。并且这种方法只利用了战场中当前时刻的态势数据, 没有综合利用历史态势信息。基于时变势场理论的态势可视化分析方法将当前态势信息与历史态势信息进行对比, 得到敌方态势的转移方向即态势重心的转移方向, 最大限度地利用了战场态势历史数据库中的信息, 从而可以提高态势分析的准确度和可靠性。
参考文献
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采用基于战场态势势场分析模型进行可视化分析, 如图5所示为蓝方5T 和25T 的态势势场及势场转移趋势。分
图4 想定平台态势剧情规划
析结果表明本文所提出的可视化分析模型可以明显将敌方兵力在5T-
25T 中转移及集结趋势表示出来, 在一定程度上实现了对敌方态势的可视化分析。
6 结语
基于势场的态势可视化分析方法只能对当前时刻的战场态势进行判断, 不能够对态势的转移方