基于势场函数战场态势可视化分析方法研究
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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 Number T P391. 7
1 引言
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 E Ev =
1 Q 我方 4PE r 1
+
1 Q 敌方 4PE r2
( 4)
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 、r2 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。
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=
1 4PE0
#
q r2
( 1)
式中 PE0 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:
j= 1
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
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:
E E d
Ev d
( t
i)
=
d dt
(
1 Q 我方i 4PE r 1
+
1 Q 敌方i 4PE r 2
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 E Ev ( i) =
1 Q 我方i 4PE r 1
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。
m
m
E E Ua= ( E v ( i, j ) , t+ $t ) -
E v ( i, j ) , t) ) ( 9)
j= 1
j= 1
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。
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
U=
1 4PE0
#
q 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
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 Khat ib 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[ 3~ 4] 。李志强等人提 出的人工势场借鉴电场模型[ 5] 基本原理, 根据战场
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 分析的基础。舰艇作战能力来源于个体的多样作
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,
利用式( 4) 计算每一空间区域的/ 复合电势0叠加分
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。
* 收稿日期: 2009 年 4 月 10 日, 修回日期: 2009 年 5 月 5 日 作者简介: 张建伟, 男, 硕士, 研究方向: 信息技术、装备管理。
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
)
( 7)
E E dE v ( i,
dt
j)
=
d dt
(源自文库
1 Q 我方 4PE r 1
i
+
1 Q 敌方j 4PE r 2
)
( 8)
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:
( N av al U nive rsity of Eng ineer ing , W uha n 430033)
Abstract 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.
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 虑战场态势的历史信息时间因素, 将战场空间看成
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
m
E ( E v ( i, j ) , t0) 。
+
1 Q 敌方i 4PE r 2
( 5)
E E Ev ( i, j ) =
1 Q 我方i 4PE r 1
+
1 Q 敌方j 4PE r 2
( 6)
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。
图 1 敌对海侦 察能力/ 复合势场0 着色图
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[ 1] 。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
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. 37 No . 8 86
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。
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。
Q1 对飞机作战能 力 Q2 对导弹防御能 力
Q6 对鱼雷防御能力 Q7 对岸火力支援
Q3 对战斗舰艇作 战能力 Q8 对敌岸目标能力
Q4 对军辅船只作 战能力 Q9 对敌电子进攻
Q5 对潜作战能力
Q10 对敌电子防御
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
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
Resear ch o n Batt lef ield Situat io n Visualizat io n Analysis Based o n Pot ent ial T echnique
Z hang Jianw ei L i Q iy uan
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。
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
电荷 物理意义 种类
1 引言
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 E Ev =
1 Q 我方 4PE r 1
+
1 Q 敌方 4PE r2
( 4)
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 、r2 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。
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=
1 4PE0
#
q r2
( 1)
式中 PE0 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:
j= 1
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
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:
E E d
Ev d
( t
i)
=
d dt
(
1 Q 我方i 4PE r 1
+
1 Q 敌方i 4PE r 2
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 E Ev ( i) =
1 Q 我方i 4PE r 1
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。
m
m
E E Ua= ( E v ( i, j ) , t+ $t ) -
E v ( i, j ) , t) ) ( 9)
j= 1
j= 1
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。
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
U=
1 4PE0
#
q 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
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 Khat ib 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[ 3~ 4] 。李志强等人提 出的人工势场借鉴电场模型[ 5] 基本原理, 根据战场
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 分析的基础。舰艇作战能力来源于个体的多样作
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,
利用式( 4) 计算每一空间区域的/ 复合电势0叠加分
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。
* 收稿日期: 2009 年 4 月 10 日, 修回日期: 2009 年 5 月 5 日 作者简介: 张建伟, 男, 硕士, 研究方向: 信息技术、装备管理。
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
)
( 7)
E E dE v ( i,
dt
j)
=
d dt
(源自文库
1 Q 我方 4PE r 1
i
+
1 Q 敌方j 4PE r 2
)
( 8)
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:
( N av al U nive rsity of Eng ineer ing , W uha n 430033)
Abstract 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.
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 虑战场态势的历史信息时间因素, 将战场空间看成
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
m
E ( E v ( i, j ) , t0) 。
+
1 Q 敌方i 4PE r 2
( 5)
E E Ev ( i, j ) =
1 Q 我方i 4PE r 1
+
1 Q 敌方j 4PE r 2
( 6)
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。
图 1 敌对海侦 察能力/ 复合势场0 着色图
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[ 1] 。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
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. 37 No . 8 86
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。
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。
Q1 对飞机作战能 力 Q2 对导弹防御能 力
Q6 对鱼雷防御能力 Q7 对岸火力支援
Q3 对战斗舰艇作 战能力 Q8 对敌岸目标能力
Q4 对军辅船只作 战能力 Q9 对敌电子进攻
Q5 对潜作战能力
Q10 对敌电子防御
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
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
Resear ch o n Batt lef ield Situat io n Visualizat io n Analysis Based o n Pot ent ial T echnique
Z hang Jianw ei L i Q iy uan
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。
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
电荷 物理意义 种类