CIM指揮信息模型研究

（重慶埃默科技有限責(zé)任公司，重慶 400039）

1 引言

指揮，指的是軍隊(duì)指揮、作戰(zhàn)指揮，就其實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)，是指揮員和指揮機(jī)關(guān)對(duì)所屬部隊(duì)的作戰(zhàn)準(zhǔn)備與實(shí)施的主觀指導(dǎo)活動(dòng)[1]。目前，該術(shù)語(yǔ)已廣泛用于地方政府和企事業(yè)單位的管理、生產(chǎn)和搶險(xiǎn)救災(zāi)活動(dòng)中，如指揮調(diào)度、應(yīng)急指揮等。

隨著科技的發(fā)展，武器裝備射（航）程增大，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)呈現(xiàn)大縱深、高立體和多維度的特點(diǎn)，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境涵蓋高空、中低空、地面（水面）、地下（水下）等多層空間，囊括前沿、縱深和后方等多樣式地幅，涉及參戰(zhàn)的人員、物資、裝備和戰(zhàn)場(chǎng)設(shè)施等多種要素，涉及戰(zhàn)前戰(zhàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、戰(zhàn)中戰(zhàn)場(chǎng)變化、戰(zhàn)后戰(zhàn)場(chǎng)打掃等多個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)隨著參戰(zhàn)各方人員、物資、財(cái)力的流動(dòng)和任務(wù)的變化，產(chǎn)生了巨大的信息流。那么，怎樣描述和表達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及其變化以及伴生的各類信息，才能滿足指揮的需要？傳統(tǒng)的辦法是通過(guò)地圖標(biāo)圖作業(yè)或沙盤(pán)推演來(lái)實(shí)現(xiàn)。

然而，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，地圖數(shù)據(jù)的來(lái)源、屬性維度、展現(xiàn)效果、交互手段、計(jì)算能力、應(yīng)用范疇等均得到了很大的拓展[2-3]；數(shù)字空間和電子載體的廣泛應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)依賴于物理空間和平面載體的二維地圖產(chǎn)生了極大的沖擊，地圖制圖的對(duì)象、制圖的主體、制圖的模式和制圖的技術(shù)等都發(fā)生了深刻的變化。這些都要求三維地圖或沙盤(pán)模型完成從反映現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系信息轉(zhuǎn)向?qū)?zhàn)場(chǎng)現(xiàn)象和作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的綜合集成描述，不僅要求全面、真實(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的地形地貌、指揮對(duì)象和作戰(zhàn)進(jìn)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和場(chǎng)景建模，還要通過(guò)適合的圖形語(yǔ)言與抽象符號(hào)對(duì)所反映的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)過(guò)程和相互作用機(jī)制進(jìn)行再現(xiàn)和表達(dá)，進(jìn)一步滿足指揮員、戰(zhàn)斗員等多種角色的需要，實(shí)現(xiàn)多視角、多模式、地圖內(nèi)內(nèi)容、地圖外意圖的表達(dá)，支撐起基于地圖的軍隊(duì)作戰(zhàn)指揮和地方政府的社會(huì)化應(yīng)用與服務(wù)管理。

當(dāng)前利用GIS系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)三維建模，但基本上只涉及目標(biāo)的外部特征，而不具備體現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和場(chǎng)景的功能。因此，數(shù)字化時(shí)代的二維地圖或沙盤(pán)模型，正朝著三維空間、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、全要素、全信息、全內(nèi)容及地理規(guī)律表達(dá)的方向發(fā)展[4]，我們需要重視以側(cè)面觀測(cè)世界、側(cè)面表達(dá)世界以及360°全視角為主流的全方位多視角看世界的技術(shù)方法，重視對(duì)人這一認(rèn)知主體的理解和表達(dá)；同時(shí)，要在地圖六要素表達(dá)模型基礎(chǔ)上，研究以地理語(yǔ)義為基礎(chǔ)、地理規(guī)律為驅(qū)動(dòng)的多模式場(chǎng)景表達(dá)方法與理論，建立虛與實(shí)、靜與動(dòng)、連續(xù)與離散、低維與高維等場(chǎng)景和情景相融合的全息表達(dá)模型[1]，而最適合這一要求的就是指揮信息模型。

2 指揮信息模型概念提出

2.1 指揮信息模型概念

指揮信息模型（Command Information Modeling，簡(jiǎn)稱CIM），顧名思義是指用于指揮的信息模型，是戰(zhàn)場(chǎng)或管理空間環(huán)境特征、資源和事件的數(shù)據(jù)信息以三維數(shù)字模型形象化的表達(dá)。

2.2 指揮及指揮信息模型的含義

（1）指揮的含義。前文已經(jīng)提到，指揮是指指揮員和指揮機(jī)關(guān)對(duì)所屬部隊(duì)的作戰(zhàn)準(zhǔn)備與實(shí)施的主觀指導(dǎo)活動(dòng)，是在特定空間地域中按照作戰(zhàn)方案或計(jì)劃，對(duì)所屬人員、物資、裝備進(jìn)行組織、協(xié)調(diào)和控制的過(guò)程，簡(jiǎn)言之，指揮是對(duì)特定環(huán)境中人、事、物的管理。因此，指揮離不開(kāi)環(huán)境、資源、事件。

（2）管理空間的含義。管理空間是指靠近地球的受太陽(yáng)輻射變化直接影響的空域、地球表面及地下淺表層所構(gòu)成的立體空間區(qū)域，包含高空、中空、低空、地面（水面）、地下（水下）。該空間區(qū)域存在著衛(wèi)星、飛機(jī)、低空飛行物、地形地貌、地面物體、地下隱蔽設(shè)備設(shè)施和活動(dòng)于其間的人員，它們按照自然規(guī)律或人為因素發(fā)生著運(yùn)動(dòng)和變化，構(gòu)成了一個(gè)充滿活力的紛繁復(fù)雜的巨大生態(tài)圈。

（3）指揮信息模型的含義。指揮信息模型可以理解為帶數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景，即三維態(tài)勢(shì)。站在指揮和管理角度，對(duì)于三維態(tài)勢(shì)，應(yīng)包含三部分內(nèi)容：管理環(huán)境的特征、環(huán)境中資源及其分布、相關(guān)事件及進(jìn)程。

空間環(huán)境具有空間分布特征、時(shí)空尺度概念和空間定位含義。在軍事作戰(zhàn)和訓(xùn)練中，通常以地球表面為參照物，以地形地貌作為識(shí)別依據(jù)，以空間坐標(biāo)作為計(jì)量尺度，用以描述空間環(huán)境，展現(xiàn)空間分布，實(shí)現(xiàn)空間定位，因此，空間環(huán)境特征通常包含地形地貌、地物表面特征以及用以描述其空間關(guān)系的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

資源是指空間環(huán)境中的人員、物資、裝備和各類設(shè)施以及自然資源等，也是指揮管理的對(duì)象，需要獲得其屬性、位置、數(shù)量、狀態(tài)、軌跡等信息。

事件是指發(fā)生于空間環(huán)境中的各類現(xiàn)象、人為行為。事件是構(gòu)成指揮調(diào)度的根源，從指揮角度，需要了解和把握事件產(chǎn)生的原因、狀態(tài)、進(jìn)程、后果以及處理過(guò)程中伴生的信息流。

2.3 指揮信息模型的形成

指揮信息模型是用于指揮的帶有信息的模型，將管理環(huán)境中的地形、地物、人員、物資、設(shè)施等有形物體，按照其真實(shí)尺寸，構(gòu)建成單個(gè)三維模型；然后按照這些物體之間的空間關(guān)系，將所有的三維模型組合成一個(gè)三維模型集，再賦予其真實(shí)的色彩、尺寸、坐標(biāo)、狀態(tài)、屬性等數(shù)據(jù)和信息；最后以虛擬的粒子、水面、軌跡等表現(xiàn)環(huán)境中人、事、物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成包括環(huán)境、人員和物資分布等信息的立體化、一體化、時(shí)空量化的三維態(tài)勢(shì)，即指揮信息模型（CIM）。

3 指揮信息模型的特點(diǎn)

CIM具有信息實(shí)時(shí)化、信息全景化、信息可視化等特點(diǎn)。

3.1 信息實(shí)時(shí)化

指揮信息模型不是一個(gè)靜止的模型集，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的三維空間，該空間中有相對(duì)靜態(tài)的地形地貌和建筑設(shè)施，也有處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人員、裝備和作業(yè)設(shè)備，因此，由此而生的信息和數(shù)據(jù)，既有屬性信息和技術(shù)檔案數(shù)據(jù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)信息，又有實(shí)時(shí)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡、環(huán)境變化數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。

3.2 信息全景化

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)手段，CIM將管理環(huán)境和環(huán)境中的人員、物資、裝備以及因業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和機(jī)制形成的事件，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，就像是棋盤(pán)與棋子，讓管理人員可以從第一人稱或第三人稱角度，觀察三維空間中正在發(fā)生的事件，并形成一個(gè)全局、宏觀的印象。

3.3 數(shù)據(jù)可視化

CIM將管理環(huán)境以三維仿真場(chǎng)景的形式呈現(xiàn)，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)和信息，包括作業(yè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，以視頻圖像、報(bào)警聲音、圖形、圖表、數(shù)字和文字等多媒體形式呈現(xiàn)出來(lái)，讓管理人員不需抽象思維就能夠看見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、聽(tīng)到現(xiàn)場(chǎng)聲音、了解現(xiàn)場(chǎng)狀況，達(dá)到想看什么就看見(jiàn)什么的效果，即“所見(jiàn)即所得”。

4 CIM與BIM和三維電子沙盤(pán)的區(qū)別

BIM，是Building Information Modeling的簡(jiǎn)稱，國(guó)內(nèi)翻譯為建筑信息模型，它是三維數(shù)字技術(shù)模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，為工程設(shè)計(jì)和施工提供相互協(xié)調(diào)、內(nèi)部一致的信息模型。2017年7月，國(guó)家建設(shè)部頒布的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中定義，BIM是在建設(shè)工程及設(shè)施全壽命周期內(nèi)對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程和結(jié)果的總稱。

沙盤(pán)，來(lái)自于軍語(yǔ)，是根據(jù)地形圖、航空影像或?qū)嵉氐匦危凑找欢ǖ谋壤?，用兵棋、泥沙或其它材料制作的地形模型?】。三維電子沙盤(pán)是一種沙盤(pán)展示系統(tǒng)，是沙盤(pán)以三維數(shù)字模型的方式展現(xiàn)。

指揮信息模型與建筑信息模型和三維電子沙盤(pán)既有相似之處，又有顯著的不同之處。指揮信息模型與BIM最大的區(qū)別在于，指揮信息模型具有地形數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，沒(méi)有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，而B(niǎo)IM只有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；指揮信息模型與三維電子沙盤(pán)最大區(qū)別在于，指揮信息模型有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而三維電子沙盤(pán)只有靜態(tài)數(shù)據(jù)。其具體區(qū)別見(jiàn)表1：

表1 CIM、BIM、三維電子沙盤(pán)的特征對(duì)比

5 指揮信息模型的用途

CIM可用于環(huán)境仿真、布局展示、數(shù)據(jù)查閱、規(guī)劃測(cè)量和過(guò)程模擬。

5.1 環(huán)境仿真

通過(guò)三維數(shù)字化建模技術(shù)，可以按照1:1的比例尺將管理環(huán)境的地形地貌、道路橋梁、居民點(diǎn)等建（構(gòu)）筑物外觀、地下隱蔽設(shè)施和管網(wǎng)、園林綠化等進(jìn)行三維復(fù)原，形成與現(xiàn)實(shí)高度一致的三維仿真環(huán)境。

5.2 布局展示

基于時(shí)空理念構(gòu)建的CIM，不僅復(fù)原了真實(shí)環(huán)境的面貌，還如實(shí)反映了環(huán)境中的人與人、人與物、物與物之間及其與環(huán)境之間的空間關(guān)系，從而構(gòu)建成一個(gè)動(dòng)靜結(jié)合的三維空間，在此空間中，能夠詳細(xì)準(zhǔn)確表達(dá)并呈現(xiàn)人、物在環(huán)境中的空間布局，以及地下隱蔽設(shè)備包括地下管網(wǎng)和線路網(wǎng)的分布和走向。

5.3 數(shù)據(jù)查詢

點(diǎn)擊CIM中的建筑物、設(shè)備設(shè)施等三維模型，可以查閱其相應(yīng)數(shù)據(jù)和信息，包括技術(shù)檔案數(shù)據(jù)、屬性信息、狀態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，也可以通過(guò)CIM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)功能，對(duì)CIM的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)管理。

5.4 規(guī)劃測(cè)量

CIM的環(huán)境特征信息含有GIS數(shù)據(jù)，如三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，因此，通過(guò)功能定義，可以在CIM中查詢?nèi)我庖稽c(diǎn)的三維坐標(biāo)值，可以進(jìn)行距離、面積、體積的量算，還可以在仿真環(huán)境中添加三維模型，用以觀察該模型對(duì)環(huán)境的影響和呈現(xiàn)出來(lái)的整體效果，用于遠(yuǎn)程規(guī)劃輔助。

5.5 模擬演示

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠呈現(xiàn)管道中液體流動(dòng)、水面波動(dòng)、紅旗飄動(dòng)、報(bào)警聲光電呈現(xiàn)、火焰煙霧彌漫等動(dòng)畫(huà)效果，基于業(yè)務(wù)管理規(guī)則，能夠?qū)?gòu)成CIM的環(huán)境及環(huán)境中的人、事、物進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，展示兵棋推演過(guò)程，如CIM用于石油化工倉(cāng)庫(kù)油庫(kù)時(shí)，可以模擬油罐火災(zāi)、著火爆炸、油料流淌等場(chǎng)景，可以進(jìn)行消防滅火訓(xùn)練和演練，讓模擬演示形象、生動(dòng)、逼真。

6 指揮信息模型的應(yīng)用前景

CIM通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)手法，真實(shí)反映管理環(huán)境及其中的人、事、物的真實(shí)狀態(tài)和相關(guān)信息，讓身處千里之外的指揮人員沉浸于當(dāng)前的環(huán)境中，并站在全局、整體的高度審視管理環(huán)境，查詢各類數(shù)據(jù)，觀察人、事、物運(yùn)動(dòng)變化的過(guò)程，為實(shí)時(shí)決策和遠(yuǎn)程指揮提供參考。

因此，CIM適用于任何對(duì)三維空間事物實(shí)施管理的場(chǎng)合，在軍事上可用于戰(zhàn)場(chǎng)模擬、軍事推演、部隊(duì)營(yíng)院管理；在民用上可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視管理、應(yīng)急指揮和智慧城市建設(shè)與管理，如石油化工危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)管理、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)與管理、城市地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)與管理、城市軌道交通站運(yùn)維管理、河長(zhǎng)制信息化管理等。