龚 伟 姜文志 孙玉玉

(海军航空工程学院 烟台 264001)

海岛战场环境数据库结构及API设计*

龚 伟 姜文志 孙玉玉

(海军航空工程学院 烟台 264001)

战场环境数据具有涉及范围广、数据量大的特点,基于综合自然环境数据表示与交换规范协议(SEDRIS)的体系结构,利用战场环境数据表示的高效性与精确性,设计了一个适用于海岛防空作战的战场环境数据库分层存储模型及应用程序接口(API)函数。

战场环境数据库; 分层存储模型; 应用程序接口

Class Number TP391.1

1 引言

在研究海岛防空作战推演系统时,战场环境数据库结构及应用程序接口(API)函数是必须研究的。所谓推演就是“通过对预定行动环境逼真地、交互式地表现,完成计划任务和功能的演练,而且这些演练对于任务成功有重大意义”[1]。

战场环境[2]是作战推演系统的重要组成部分,在分布式仿真中主要有广义和狭义两种定义。广义上,美国国防部DMSO建模与仿真主计划(M&S Master Plan)将综合环境定义为实现分布式系统建立和运行的所有软硬件环境,包括计算机网络、各个仿真节点、仿真模型库、仿真通信协议等;狭义上,按照美国国防部DMSO综合环境数据表示与交换标准(SEDRIS)[3]对综合环境的定义,综合环境即分布式仿真系统中的统一的虚拟物理环境(Virtual Physical Environment),主要包括空间、大气、海洋、陆地、电磁场以及各种人文环境和参战实体的外部特性,其体系结构[4]如图1所示。

图1 SEDRIS的体系结构

传统的推演系统在进行战场环境仿真时,多采用自然环境建模方法实现,技术难度大、开发周期长[5]。本文依据图1所示体系结构,对战场环境数据组成进行分析,设计了作战推演系统的环境数据库存储模型,同时为它们设计了API函数,使得接口更加友好,为推演系统的设计与实现奠定良好基础。

2 海战场环境数据库结构及API的设计

2.1 数据组成

虚拟战场环境[6]中的数据包括地形高程数据和文化特征数据。地形高程数据一般采用六角网格或方形网格量化表示[7]。对于文化特征,按照SEDRIS的分类,它是以形状为标准,分为点、线、面三种特征。点状信息是指一些比较孤立、面积相对较小的文化特征。线状信息是指那些长度比较长、宽度相对于长度可以忽略的文化特征,比如道路、河流等。面状信息是指面积比较大的特征,比如树林、湖泊、岛屿等。它们之间的区别比较明显,但有时也是模糊的,这就要看该特征是作为点状信息容易处理还是作为面状信息容易处理[8]。

真实环境中,有的海域包括许多岛屿、沙洲和礁滩,有的是露出水面的,而有的则藏在水下。对于其中面积较大的岛礁沙洲,我们可以用面状抽象信息来表示;对于面积很小,影响战场通视性的礁石,我们可以用点状抽象信息表示;对于没有露出水面的礁石暗沙,在防空作战中可以忽略不计,不予表示。而在岛礁上部署的防空设施和建筑物可以用点状信息表示。

综合上述分析,我们把战场环境数据库的数据分成三部分,即基本网格信息、点状索引信息、面状抽象信息。

2.2 数据库分层结构的设计

战场环境数据库结构模型是指战场环境数据库中环境数据的编排方式和组织关系[9]。这种组织方式的优劣对战场环境数据库的数据采集、存储、查询、检索和应用分析都有着重要影响。

从以往的GIS[10]环境数据库看,描述地形地貌和地形上的文化特征的方法有两类:一是栅格法;二是矢量法。栅格法是用网格的方法来量化战场环境,因此可以很好地定位战场环境,便于搜索整个战场环境,各种查询、调度、描述等都能很方便地进行。但栅格细化与系统实时性会产生矛盾,所以栅格法在量化战场环境中只适用于很小的局部地域,不适合于大地形。矢量法可以精确地描述战场环境中各种要素的特点和关系,但往往算法复杂,建模困难。

两种方法各有利弊,可以使用网格化与矢量化相结合的方法来设计一个战场环境数据库的分层模型,如图2所示。

图2 战场环境数据库的分层结构

这种分层方法可以把各种环境信息都明确地归入设计的模型中,当战场环境发生较大变化时,在其中添加或删除信息都可以归入分层的结构,而不用改变其模型结构。

2.2.1 基本网格信息层

基本网格信息以地形高程网格为基本网格,以左上角顶点为本网格的索引,对每个网格进行编号,以方便搜索和查找。每个网格还包括很多其他的海战场环境属性,防空作战中主要考虑的是在大气中飞行的空中实体,如巡航导弹、轰炸机、运输机等,因此在影响战场的自然环境中,我们可以只考虑影响空中实体的大气环境因素,如气候温度、通视性、电磁环境等。根据属性的不同,又可以把基本网格信息层分为地形高程信息层、气候温度信息层、电磁环境信息层、通视性信息层,如图3所示。

图3 基本网格信息层分层结构

气候温度层用来存储该网格的天气、温度、风力等大气参数信息,对于在该网格中飞行的空中实体会受到大气参数的影响。电磁环境主要存储该网格上电磁对通信状况的影响。通视性是指该网格上的作战实体是否在可视范围内。

2.2.2 点状索引信息层

基本网格信息层把一个战场环境属性分在很多网格里,而点状索引信息层要求每一个索引的战场环境特征要素完全处在它的索引网格里。因此,点状索引信息层是用一张比基本网格信息层网格间距大一些的网格,并用网格索引号来索引该网格内文化特征的集合,这个集合包括一些用矢量表示的点状特征信息包括建筑物、面积较小的岛礁、岛屿上的防空设施、军事要塞等。

网格索引的信息都是点状特征物,可以把它抽象成以下形式:

Point=(phID,position,*pNext)

(1)

其中,Point为点状物特征物抽象属性;phID为特征代号,用来映射具体的特征对象结构;而position指明了该点状特征物在战场环境中的x、y坐标;*pNext用来指向该网格内的另一个点状信息。特征代号如表1所示。

表1 点状特征物代码

点状索引信息层中每个网格的内容如下:

gridPoint=(gridID,*pHead)

(2)

其中:gridPoint为网格属性;gridID为网格ID,代表该网格在索引网格中的网格ID号;*pHead为点状信息链表头,它存储了该网格内所有点状信息组成的链表的表头,而每张表格的内容是式(1)所示的内容。

由以上定义可知,在点状信息索引层根据给定位置按照ID号索引搜索网格,取得该网格内点状特征物链表表头。然后对链表进行遍历,就可以访问到战场环境内任何一个角落的网格索引信息。

2.2.3 面状抽象特征层

面状抽象信息是指一些面积较大的特征,一般使用矢量方法来描述,用一组有序闭合的点来表示,两个相邻的点之间用线段连接起来就成了折线,然后把首尾连接起来就成了多边形。它无法在网格里表示,可以建立一张面状抽象特征链表,只要记住表头位置,就可遍历到战场中的每一个面状特征对象。

面状抽象特征的特征类SHAPE可以定义如下:

SHAPE={s_featrueID,s_featrueName,

s_points[PointSUM],s_pointsum,*pNext}

(3)

其中,SHAPE表示面状抽象属性;s_featrueID用整型来表示指面状特征编号;s_featrueName用字符串来表示,存储面状特征对象的名称;s_points[PointSUM]是一个三维点坐标数组,从头到尾有序并且闭合地存储面状特征的拐点;s_pointsum用整型来表示,指表示该面状特征物的拐点总数;*pNext是一个指针,指向下一个面状特征物。

综合上述分层情况,海战场环境数据库的对象模型主要定义了环境中各要素特征的一些属性,对象属性的定义方法基本是一致的,只是在具体的对象中有不同的属性,可以给出其抽象的定义方法:

OBJECT={dbf_ID,dbf_sumID,

dbf_FeatrueObjName,dbf_nPointSum,

dbf_pos[n],dbf_Attribution}

(4)

其中:OBJECT表示属性集合;dbf_ID指特征编号;dbf_sumID存储当前链表中对象编号;dbf_FeatrueObjName存储对象名称;dbj_nPointSum表示信息的拐点总数;dbf_pos[n]是一个三维点坐标数组,可以用dbf_pos[x]、dbf_pos[y]、dbf_pos[z]分别取x、y、z的值;dbf_Attribution是这个对象的特殊属性集。

2.3 应用程序接口(API)函数的设计

API的实现机制可看成这个数据库的实现引擎,它是海战场环境数据库的实时处理程序,完成数据库的信息提取和处理以及内嵌的各种操作处理。通过设计的各种API函数,海岛防空作战推演系统的应用程序可以方便地提取、处理、设置各种数据,透明地完成对海战场环境数据库的各种操作处理[11]。

设计的所有的API函数应由初级API和高级API两部分组成。其中初级API中主要包括一些数据信息提取的函数,有位置获取、属性提取等;高级API包括根据初级API提取的信息分析综合得到的信息。下面给出每一部分的描述,由于具体API函数比较复杂,给出典型的举例。

2.3.1 初级API

初级API包括两大部分:一是那些运行API引擎所必需的接口函数;另一些是基本的获取战场环境信息的接口函数。

1) 引擎函数

包括数据库文件加载函数,初始化函数等,如:

LoadFieldDB(char* fileName)

参数是字符串,表示海战场环境数据库的路径名,目的是把环境数据读入到内存中。

void InitFieldDB() 初始化海战场环境数据库。

2) 信息获取函数

struct Position{float x,y,z};

Position是定义一个三维点坐标数据格式;

Position GetPointPosition(*char name)

根据输入的对象名称,函数返回一个三维点坐标结构,表示该点信息在战场环境中的位置。

2.3.2 高级API

在获取了战场环境信息后,对其进行分析、处理得到的结果。主要反映战场环境中特征对象之间的关系以及战场环境与实体之间的关系。主要API函数如下:

float GetPointAndPoint(Position p1,Position p2)

参数分别表示两个三维点的坐标,函数计算并返回两点之间的距离。

BOOL IsPointSeePoint(Position p1,Position p2)

参数分别表示两个三维点的坐标,函数计算两点之间的通视情况,返回为真表示两点之间是通视的,否则为假。

3 结语

传统的战场环境建模方法技术难度大,开发周期长,本文提出的分层结构将环境特征物分层考虑,把体积小、数量多的点状特征物归到一个索引网格中分块治理,而把数量少的面状特征物用链表的方法查询,并为此数据库设计了API函数,为海岛防空作战推演系统的设计实现打下了良好基础。

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[4] 庞国峰.虚拟战场理论研究与工程实践[M].北京:电子工业出版社,2009:217-218.

[5] 林华,莫建军,吴中红.基于组件式GIS的海军兵力对抗推演系统[J].计算机仿真,2013,30(3):22-25.

[6] 刘涛,常显奇,谢剑薇.虚拟战场环境系统的军事需求分析[J].飞航导弹,2007(5):35-37.

[7] 杨伦,彭春光,黄健,等.兵棋推演中地形量化算法与研究[J].计算机仿真,2008,25(9):96-99.

[8] 郭齐胜,等.计算机生成兵力导论[M].北京:国防工业出版社,2006:34-35.

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[11] 郭齐胜,董志明.战场环境仿真[M].北京:国防工业出版社,2005:80-82.

Island Battlefield Environment Database Structure and API Design

GONG Wei JIANG Wenzhi SUN Yuyu

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

The battlefield environment data has the characteristics of a wide range and the large amount of data. Based on the architecture of SEDRIS, using the efficiency and accuracy of the battlefield environment data representation, a battlefield environment database hierarchical storage model which is suitable for island air defense combat is designed. And the API function for the model is designed.

the battlefield environment database, hierarchical storage model, API

2014年4月20日,

2014年6月3日

龚伟,男,硕士研究生,研究方向:军用仿真。姜文志,男,教授,博士生导师,研究方向:计算机应用、武器装备与作战指挥一体化。孙玉玉,女,工程师,研究方向:人事管理。

TP391.1

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.024