基于知識(shí)庫(kù)的艦船應(yīng)急搶修決策支持系統(tǒng)研究

許 偉，曾凡明，劉金林，李彥強(qiáng)

(1.海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033;2.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442)

0 引言

隨著各種現(xiàn)代先進(jìn)武器裝備的應(yīng)用，現(xiàn)代海戰(zhàn)中的攻擊手段也呈現(xiàn)出立體化、多樣化的趨勢(shì)，海軍艦船戰(zhàn)損的概率加大，裝備的損傷現(xiàn)象和損傷機(jī)理將更加復(fù)雜，這些因素會(huì)導(dǎo)致裝備戰(zhàn)損信息量增大，搶修決策難度增加，且艦艇戰(zhàn)損搶修本身也具有時(shí)間緊迫、情況復(fù)雜的特點(diǎn)，因此戰(zhàn)場(chǎng)指揮人員快速、合理的做出決策并組織有效的搶修是恢復(fù)裝備戰(zhàn)斗力的重要措施［1］。

針對(duì)艦船裝備戰(zhàn)損搶修時(shí)間緊迫、情況復(fù)雜、信息量大的特點(diǎn)，為了提高海軍艦船戰(zhàn)損搶修決策水平，開發(fā)艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)具有十分重要的軍事意義和十分迫切的軍事需求［2］。搶修系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)建立艦船基本綜合信息，搶修資源綜合信息及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息;通過案例庫(kù)存儲(chǔ)和管理?yè)屝揞A(yù)案和搶修案例;利用知識(shí)庫(kù)可對(duì)搶修決策知識(shí)進(jìn)行修改、更新、刪除、添加，并根據(jù)獲得的艦船戰(zhàn)損信息通過知識(shí)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、利用推理機(jī)推理產(chǎn)生合理的決策信息。本系統(tǒng)的開發(fā)，能夠?yàn)榕灤瑧?zhàn)損搶修決策水平的提高奠定一定的基礎(chǔ)，同時(shí)也將為其它武器裝備戰(zhàn)損搶修決策的信息化提供一定的參考。

1 基于知識(shí)庫(kù)的艦船戰(zhàn)損搶修決策系統(tǒng)開發(fā)方案研究

1.1 系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)

1)艦船系統(tǒng)綜合信息管理。

艦船系統(tǒng)綜合信息管理主要存儲(chǔ)和管理艦船基本信息、艦船維修資源信息、編隊(duì)情況信息、敵方兵力部署信息、協(xié)同兵力信息，為決策人員的決策提供決策依據(jù)。

2)艦船戰(zhàn)損搶修數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理。

艦船數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)信息，主要包括型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)、海區(qū)港區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)、維修資源數(shù)據(jù)庫(kù)、調(diào)用規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)、搶修預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)庫(kù)、搶修案例數(shù)據(jù)庫(kù)、決策信息數(shù)據(jù)庫(kù)及用戶數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)信息是進(jìn)行戰(zhàn)損搶修決策的基礎(chǔ)。

3)艦船戰(zhàn)損搶修知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。

艦船戰(zhàn)損搶修知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)是艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)的核心。通過建立決策知識(shí)庫(kù)，將各類專家的知識(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在決策過程中將專家知識(shí)通過一定的方法進(jìn)行推送，為搶修決策過程提供依據(jù)。

4)戰(zhàn)場(chǎng)指揮輔助決策。

艦船戰(zhàn)損搶修決策方案主要根據(jù)艦船戰(zhàn)損信息，在綜合考慮戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、維修資源、協(xié)同兵力的基礎(chǔ)上，由決策人員經(jīng)過綜合信息分析，從而得到特定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的搶修決策方案。

1.2 知識(shí)庫(kù)基本知識(shí)

知識(shí)庫(kù)是知識(shí)工程中結(jié)構(gòu)化，易操作，易利用，全面有組織的知識(shí)群，是針對(duì)某一領(lǐng)域問題求解的需要，采用某種知識(shí)表示方式在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)、組織、管理和使用的相互聯(lián)系的知識(shí)片集合［3］，它是決策支持系統(tǒng)的一個(gè)新的發(fā)展方向，又稱為智能數(shù)據(jù)庫(kù)或人工智能數(shù)據(jù)庫(kù)。艦船知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)是管理和維護(hù)艦船知識(shí)的系統(tǒng)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)艦船知識(shí)的獲取，表達(dá)和戰(zhàn)損決策方案的推理生成等。艦船知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是把戰(zhàn)場(chǎng)決策領(lǐng)域相關(guān)專家的艦船戰(zhàn)損搶修知識(shí)經(jīng)驗(yàn)整理和組織收集到艦船知識(shí)庫(kù)中，同時(shí)建立一個(gè)學(xué)習(xí)型構(gòu)件，該學(xué)習(xí)構(gòu)件根據(jù)各項(xiàng)決策的實(shí)際效果，再結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)決策人員的經(jīng)驗(yàn)，決策風(fēng)格，得出合理的艦船戰(zhàn)損搶修決策方案。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)方案研究

根據(jù)上述的艦船戰(zhàn)損搶修決策系統(tǒng)的功能方案設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)開發(fā)方案:在艦船裝備系統(tǒng)受到敵方武器攻擊后，根據(jù)綜合評(píng)估系統(tǒng)得出艦船損傷信息，與知識(shí)庫(kù)中的搶修案例進(jìn)行匹配，若有相似案例則得出案例庫(kù)中的搶修方案，若沒有則進(jìn)行搶修資源需求分析，可采用艦船維修，編隊(duì)維修和后方維修方案。艦船維修由隨艦維修資源的滿足程度確定，編隊(duì)維修由戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、敵方部署、編隊(duì)狀況和編隊(duì)維修資源確定，后方維修由后方支援時(shí)間和應(yīng)急狀況確定。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)方案流程圖

2 艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法研究

知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)是艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)智能化的核心部分，它管理知識(shí)庫(kù)中的所有信息，對(duì)信息進(jìn)行更新、刪除、查詢。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)通過知識(shí)獲取得到艦船戰(zhàn)損信息，經(jīng)過知識(shí)管理和處理系統(tǒng)進(jìn)行分析得出合理的搶修決策方案。

2.1 知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

根據(jù)本文研究對(duì)象的特點(diǎn)，參考文獻(xiàn) ［4］關(guān)于小衛(wèi)星測(cè)試知識(shí)庫(kù)的構(gòu)成方法建立艦船戰(zhàn)損搶修決策知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)管理系統(tǒng)、知識(shí)獲取子系統(tǒng)和人機(jī)交互界面等5部分組成。

2.2 知識(shí)獲取

軟件的知識(shí)獲取采用自動(dòng)獲取，事先從裝備專家處獲取裝備基本功能項(xiàng)目知識(shí)，從維修專家和使用人員處獲取基本功能項(xiàng)目檢修知識(shí)和損傷模式影響分析知識(shí)，從裝備維修專家和裝備后勤保障專家處獲取基本功能項(xiàng)目搶修知識(shí)，將這些知識(shí)經(jīng)過歸納整理轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的語(yǔ)言存入到知識(shí)庫(kù)中，由機(jī)器學(xué)習(xí)程序自動(dòng)從信息源獲取知識(shí)并輸入進(jìn)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。

圖2 知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 知識(shí)表示

知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)采用產(chǎn)生式表示法表示因果關(guān)系知識(shí)，產(chǎn)生式規(guī)則常用于表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，基本形式是

A→B(可信度)

或者

IF A THEN B(可信度)

IF A1AND A2AND…AnTHEN B(可信度)

A表示產(chǎn)生式的一組前提或者條件，B是一組結(jié)論或者動(dòng)作，A，B都可以用一個(gè)或者一組數(shù)學(xué)表達(dá)式或者自然語(yǔ)言來表示。產(chǎn)生式表示方法容易描述事實(shí)、規(guī)則以及它們的不確定度，具有清晰性、模塊化和自然性，具有不確定性因子，可以實(shí)施不確定性推理。

2.4 知識(shí)處理

知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)知識(shí)的處理主要包括知識(shí)庫(kù)對(duì)知識(shí)的維護(hù)和完善以及推理機(jī)對(duì)決策問題的處理。知識(shí)庫(kù)可以增加、修改、刪除、更新知識(shí)，比如在型號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以添加新的艦船型號(hào)。在搶修預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中可以更新已有的搶修預(yù)案，完善和豐富預(yù)案庫(kù)中的預(yù)案。在知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)獲取戰(zhàn)損搶修信息后，通過系統(tǒng)接口將這些信息傳送給推理機(jī)，根據(jù)推理機(jī)決策方法得出決策方案。

3 基于知識(shí)庫(kù)的艦船戰(zhàn)損搶修決策研究

3.1 基于知識(shí)庫(kù)的艦船戰(zhàn)損維修資源分析

在艦船裝備發(fā)生戰(zhàn)損后，對(duì)艦船進(jìn)行戰(zhàn)損搶修的前提是分析艦船戰(zhàn)損情況和維修戰(zhàn)損裝備需要的維修資源。把這些維修資源 (主要包括備件、人員、工具、技術(shù)資料等)看作一組維修資源表達(dá)模型，則待修裝備的維修特征屬性可以表示為:

Ca={Aa1，Aa2，Aa3，…，Aai}，i=1，2，…，n。

設(shè)知識(shí)庫(kù)中的艦船維修資源相應(yīng)的表示為:

對(duì)Ca和 Cb，Cc，…，Cm進(jìn)行相似度分析，Ca與Cb的相似度為Sab，Ca與Cc的相似度為Sac，…，Ca與Cm的相似度為Sam，取最大相似度San=Max{Sab，Sac，…，Sam}，n=b，c，…，m，得出所需維修資源Cn。

3.2 基于知識(shí)庫(kù)的戰(zhàn)損決策方法研究

基于知識(shí)庫(kù)的戰(zhàn)損決策是根據(jù)給定戰(zhàn)損決策問題的特征描述，從案例庫(kù)中查找與之最相似的案例，為問題解決方案的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。案例檢索的實(shí)質(zhì)是一個(gè)案例匹配過程，即案例相似性度量過程。不同的案例相似性度量方法對(duì)案例的匹配結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。本研究以最近鄰法為檢索策略，采用基于粗糙集的相似性算法，構(gòu)建適用于戰(zhàn)損搶修案例檢索的智能引擎。案例檢索引擎結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 案例檢索引擎結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 相似度的計(jì)算

構(gòu)建案例知識(shí)表達(dá)模型:

Cm= {At1，At2，…，Ati，…，Atn}，i=1，2，…，n。

該模型是一組特征屬性的集合。在計(jì)算案例相似度時(shí)，可將它們看作一對(duì)相似系統(tǒng)［5］?？紤]到每一個(gè)特征屬性對(duì)系統(tǒng)相似度的影響不等，分別對(duì)特征屬性 At1，At2，…，Atn取權(quán)重系數(shù) w1，w2，…，wn，則由特征值確定的系統(tǒng)相似度S為:

式中，0≤S≤1，0≤wi≤1。

本文默認(rèn)兩個(gè)系統(tǒng)的特征屬性的個(gè)數(shù)是相同的，這一點(diǎn)可以通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的、格式化的案例庫(kù)得以保證。

3.2.2 權(quán)重系數(shù)的確定

在基于最鄰近法的檢索策略中，特征屬性的權(quán)重對(duì)于案例相似度計(jì)算結(jié)果影響非常大，必須認(rèn)真考慮。目前，關(guān)于權(quán)重系數(shù)的確定方法主要有主觀賦權(quán)、客觀賦權(quán)和綜合賦權(quán)3類，常用算法如表1所示。

表1 常用權(quán)重系數(shù)算法

其中主觀賦權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀隨意性，客觀性較差，具有一定局限性;客觀賦權(quán)法評(píng)估結(jié)果具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論依據(jù)，但沒有考慮設(shè)計(jì)的主觀意愿，并且依賴現(xiàn)實(shí)案例的問題域，通用性較差。為了真實(shí)反映案例特征屬性的權(quán)重比例，本文采用粗糙集法與專家評(píng)估結(jié)合的綜合賦權(quán)法。由粗集理論求得的權(quán)重系數(shù)作為客觀權(quán)重P;根據(jù)動(dòng)力裝置研究領(lǐng)域?qū)＜覛v史經(jīng)驗(yàn)得出的權(quán)重系數(shù)作為主觀權(quán)重Q。權(quán)重系數(shù)的確定公式為:

式中，α為經(jīng)驗(yàn)因子，0≤α≤1，反映設(shè)計(jì)者對(duì)主觀經(jīng)驗(yàn)的偏好程度。

4 基于知識(shí)庫(kù)的艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)開發(fā)

4.1 開發(fā)平臺(tái)

1)硬件平臺(tái)。

HP XW8000。

2)軟件平臺(tái)。

開發(fā)平臺(tái)，Visual Studio.Net 2005 C#;數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，SQL Server2005 Express Management;地理信息平臺(tái)，ArcGis Engine SDK for .Net。

4.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前文的研究，本文研究開發(fā)了基于知識(shí)庫(kù)的艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、知識(shí)庫(kù)管理、系統(tǒng)用戶及權(quán)限管理、戰(zhàn)損搶修決策等方面的功能，能夠?yàn)榕灤瑧?zhàn)損搶修決策過程提供一定的支持。

5 結(jié)論

本文針對(duì)艦船戰(zhàn)損搶修的特點(diǎn)提出開展艦船戰(zhàn)損搶修決策技術(shù)研究，并重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的開發(fā)方案，知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建和基于知識(shí)庫(kù)的決策方法等開發(fā)過程的關(guān)鍵技術(shù)。通過本文的研究，將為艦船戰(zhàn)損搶修決策提供一定的支持，同時(shí)也將為艦船戰(zhàn)損搶修決策水平的提高奠定一定的基礎(chǔ)。

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［2］傅為忠.一種新型的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系 ［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ，2003(S1):871－874.

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