面向知識活動的指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架*

張兆晨，王俊，周光霞

(中國電科第28研究所 信息系統(tǒng)工程重點實驗室，江蘇 南京 210007)

0 引言

體系結(jié)構(gòu)是對復(fù)雜系統(tǒng)一種較高層次的抽象。體系結(jié)構(gòu)框架是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的頂層架構(gòu)和概念模型，是體系結(jié)構(gòu)描述和集成的統(tǒng)一方法，它提供了開發(fā)和描述體系結(jié)構(gòu)的規(guī)則、指南和產(chǎn)品模型[1]。以“適應(yīng)環(huán)境”[2]為特征的第三次人工智能浪潮[3]，推動了指揮信息系統(tǒng)的自主學習、智能決策的能力生成，使其成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“中樞神經(jīng)”和“大腦”[4]，感知戰(zhàn)場情報、預(yù)測戰(zhàn)場態(tài)勢，洞察戰(zhàn)爭走向，主導(dǎo)戰(zhàn)爭演變。當前DoDAF2.0(department of defense architecture framework),MoDAF1.2(British ministry of defense architecture framework)等主流體系結(jié)構(gòu)框架主要關(guān)注系統(tǒng)在物理域、信息域的組成和行為描述，而以智能化為特征的新一代指揮信息系統(tǒng)的構(gòu)建要求體系結(jié)構(gòu)描述上升到認知域和社會域，充分發(fā)揮系統(tǒng)智能決策與人機協(xié)作能力。

本文提出一套面向知識活動的指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架，聚焦知識在感知、決策、控制中涌現(xiàn)出的作用，形成描述知識能力需求，以及知識發(fā)現(xiàn)、融合、運用、演化活動過程和活動效果的統(tǒng)一方法，為智能處理、敏捷適變的指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)提供頂層指導(dǎo)規(guī)范。

1 體系結(jié)構(gòu)框架構(gòu)建理念

信息主導(dǎo)理論[5]認為，信息活動環(huán)驅(qū)動業(yè)務(wù)活動環(huán)，信息活動的效果產(chǎn)生能力。在信息主導(dǎo)機理的基礎(chǔ)上進一步提出知識活動作用機理,如圖1所示，即知識活動是驅(qū)動智能化業(yè)務(wù)活動的核心動力，是業(yè)務(wù)活動環(huán)的“加速度”，知識活動的效能發(fā)揮能夠提升業(yè)務(wù)活動的速度和精度。知識活動效果產(chǎn)生“智慧力”，即通過知識的提取、融合、運用等過程，涌現(xiàn)形成系統(tǒng)智能感知、決策、行動的能力，體現(xiàn)系統(tǒng)的“聰明”程度，而信息活動為知識活動效果的發(fā)揮提供信息匯聚、融合、更新等服務(wù)。知識活動將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢，最終推動智能化的OODA(observe orient decide act)業(yè)務(wù)活動，形成行動優(yōu)勢。

(1) 偵察目標信息，進行信息分層聚類，挖掘信息內(nèi)部的關(guān)聯(lián)、變化趨勢，提取與目標、行為、意圖相關(guān)的知識。

(2) 對知識進行關(guān)聯(lián)、推理，構(gòu)建知識圖譜[6]，實現(xiàn)對環(huán)境的認知、對意圖的預(yù)測能力。

(3) 通過博弈推演，以知識服務(wù)的形式為趨勢研判、指揮決策提供可靠的輔助建議。

(4) 通過作戰(zhàn)行動反饋信息不斷試錯[7]，促進知識學習更新，以應(yīng)對未來出現(xiàn)的類似情況。

2 體系結(jié)構(gòu)框架視角組成

在知識活動作用機理的指導(dǎo)下，借鑒Zachman框架[8-9]的矩陣形式，參考統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)框架UAF1.0(unified architecture framework)[10-11]，從構(gòu)想、分類、活動、效果、協(xié)作、功能、性能等10個概念方面提出面向知識活動的體系結(jié)構(gòu)框架,如表1所示。該框架以知識視角(knowledge viewpoint，KV)為核心，通過對知識活動及能力效果的描述，指導(dǎo)系統(tǒng)資源和技術(shù)標準分析，從而設(shè)計形成面向智能化作戰(zhàn)的指揮信息系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 知識活動作用機理Fig.1 Mechanism of knowledge activity

全視角(all viewpoint，AV)和能力視角(capability viewpoint，CV)沿用了DoDAF2.0，其中能力視角(CV)主要描述業(yè)務(wù)相關(guān)能力，其他視角均在主流體系架構(gòu)框架的基礎(chǔ)上進行了新增或改進。

(1) 業(yè)務(wù)視角(business viewpoint，BV)：基于平戰(zhàn)結(jié)合的思想，將DoDAF2.0作戰(zhàn)視角概念擴展為業(yè)務(wù)視角，描述戰(zhàn)時和訓(xùn)練的業(yè)務(wù)活動過程、協(xié)作活動、組織職責等。

(2) 信息視角(information viewpoint，IV)：定義信息類型，著重描述信息活動過程、活動協(xié)作過程、信息活動產(chǎn)生的能力及效果度量等。

(3) 知識視角(knowledge viewpoint，KV)：不僅包含知識分類、關(guān)聯(lián)等靜態(tài)屬性的描述，還包含知識動態(tài)屬性的描述，關(guān)注知識發(fā)現(xiàn)、提取、融合、服務(wù)、演化等活動過程，以及活動產(chǎn)生的能力和對活動效果的度量等，并定義信息活動對知識活動的支撐作用、知識活動對業(yè)務(wù)活動的驅(qū)動作用。

表1 面向知識活動的體系結(jié)構(gòu)框架視角矩陣Table 1 Knowledge activity-oriented architecture framework viewpoint matrix

(4) 人機視角(human machine viewpoint，HMV)：深化UAF[12],NAF[13](north atlantic treaty organization architecture framework)等體系結(jié)構(gòu)框架的人因視角，描述滿足作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)能力的人機協(xié)作模式、人機權(quán)限分配、人機協(xié)作活動、活動效果以及協(xié)作接口標準等。

(5) 資源視角(resource niewpoint，RV)：擴展DoDAF2.0系統(tǒng)視角的設(shè)計范圍，描述信息系統(tǒng)、主戰(zhàn)裝備、保障裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、人員力量的體系資源組成、功能、性能、演進等。

(6) 技術(shù)視角(technology viewpoint，TV)：描述體系資源的接口標準，約束業(yè)務(wù)活動、信息活動和知識活動的規(guī)則，以及支撐系統(tǒng)運行的技術(shù)體系。

3 知識視角描述與設(shè)計過程

面向知識活動的體系結(jié)構(gòu)框架聚焦于描述知識活動過程及其能力效果，以指導(dǎo)智能化指揮信息系統(tǒng)要素靈活協(xié)同，發(fā)揮智能決策能力。下面重點介紹知識視角及其設(shè)計過程。

3.1 知識視角描述

(1) 知識活動過程(KV-1)：將知識的提取、服務(wù)、運用、演化等活動連接，按照一定的邏輯順序進行組合，形成對知識活動過程的描述，包含活動、連接關(guān)系、輸入、輸出等要素。

(2) 知識活動效果(KV-2)：描述知識活動產(chǎn)生的效果，將活動與能力關(guān)聯(lián)，提出效果屬性的度量標準，并以增量的方式展現(xiàn)對不同階段能力效果的要求，包含能力、活動、能力活動關(guān)聯(lián)、效果屬性、度量標準等。

(3) 知識協(xié)作活動(KV-3)：描述跨領(lǐng)域、軍種、部門、系統(tǒng)等單元之間的知識活動的協(xié)作過程，包含單元、知識活動、連接關(guān)系等要素。

(4) 知識能力分解(KV-4)：由業(yè)務(wù)概念和業(yè)務(wù)能力推導(dǎo)生成，提出支撐任務(wù)完成所需具備的知識處理運用能力，包含能力名稱、標識、層次等要素。

(5) 知識能力關(guān)系(KV-5)：包含單向依賴、雙向依賴、正向影響、反向影響等關(guān)系，包含能力、關(guān)聯(lián)關(guān)系等要素。

(6) 知識分類(KV-6)：可分為概念性知識、規(guī)則性知識、歷史性知識，以及支撐知識生成的計算、訓(xùn)練模型等，包含類型、名稱、描述、關(guān)聯(lián)的知識活動、作用等要素。

(7) 知識活動-信息活動關(guān)系描述(KV-7)：識別既有信息加工處理又有知識運用的活動，將它們關(guān)聯(lián)映射，包括知識活動、信息活動、映射關(guān)系等要素。

(8) 知識活動-業(yè)務(wù)活動關(guān)系描述(KV-8)：識別知識活動對業(yè)務(wù)活動的支撐關(guān)系，通常業(yè)務(wù)活動是覆蓋作戰(zhàn)全過程的，知識活動則在業(yè)務(wù)活動的重要決策環(huán)節(jié)進行知識處理運用，提升智能作戰(zhàn)能力，包括知識活動、業(yè)務(wù)活動、支撐關(guān)系等要素。

(9) 知識活動清單(KV-9)：收集KV-1中的所有活動，并直觀地展現(xiàn)活動間的層級關(guān)系，包含知識活動名稱、標識、層次等要素。

3.2 設(shè)計過程

(1) 知識能力分析：由業(yè)務(wù)概念和業(yè)務(wù)能力推導(dǎo)對知識處理、運用的能力需求，解析知識能力之間的關(guān)系，形成知識能力分解(KV-4)和知識能力關(guān)系(KV-5)。

(2) 知識活動設(shè)計：設(shè)計支撐業(yè)務(wù)活動和知識能力實現(xiàn)的知識活動過程(KV-1)；知識活動的邏輯關(guān)系可以驗證知識能力關(guān)系(KV-5)；在知識活動過程中提取與協(xié)作相關(guān)的活動，形成知識協(xié)作活動(KV-3)；推導(dǎo)知識活動所需的知識分類(KV-6)，識別各類知識在活動中的作用；知識活動清單(KV-9)由知識活動過程(KV-1)自動導(dǎo)出。

(3) 活動效果度量：列出知識活動與知識能力的關(guān)聯(lián)，提出知識活動的能力效果度量，形成知識活動效果(KV-2)。

(4) 活動映射關(guān)系生成：分析知識活動與信息活動的映射關(guān)系，以及知識活動對業(yè)務(wù)活動的支撐作用，形成知識活動-信息活動關(guān)系描述(KV-7)和知識活動-業(yè)務(wù)活動關(guān)系描述(KV-8)。

知識視角設(shè)計過程如圖2所示。

4 應(yīng)用實例

以反導(dǎo)作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)[14-15]為例進行知識視角設(shè)計，以驗證知識視角的可行性和有效性。

4.1 知識能力分析

(1) 知識能力分解(KV-4)

業(yè)務(wù)概念可描述為紅方預(yù)警雷達探測發(fā)現(xiàn)藍方來襲導(dǎo)彈，籌劃系統(tǒng)識別目標，指揮員下達導(dǎo)彈攔截指令，籌劃系統(tǒng)進行導(dǎo)彈攔截方案生成，指揮員選擇攔截方案，導(dǎo)彈發(fā)射進行攔截。這里不考慮對攔截效果評估以及二次攔截決策?；I劃系統(tǒng)的業(yè)務(wù)能力包括導(dǎo)彈識別與行為預(yù)測能力、方案制定與推演能力。由此分析得到籌劃系統(tǒng)為完成攔截任務(wù)所需具備的判定、推理、預(yù)測、關(guān)聯(lián)、學習等知識處理與運用能力，建立第1層次知識能力分解樹，如圖3所示。

圖2 知識視角設(shè)計過程Fig.2 Design process of knowledge viewpoint

圖3 第1層知識能力分解樹Fig.3 First level knowledge capability decomposition tree

(2) 知識能力關(guān)系(KV-5)

分析第1層次知識能力之間的依賴、影響關(guān)系，形成知識能力關(guān)系矩陣如表2所示?？梢钥闯觯蕾嚹繕颂卣魃疃葘W習能力(Cp1)的能力數(shù)量最多，表明該能力為關(guān)鍵能力，其缺失對其他能力的影響最大，因此，在系統(tǒng)研制過程中應(yīng)當重點關(guān)注并首先開展該能力的建設(shè)。

4.2 知識活動設(shè)計

(1) 知識活動過程(KV-1)

業(yè)務(wù)活動包括探測跟蹤來襲導(dǎo)彈(Ba1)、預(yù)警信息綜合處理(Ba2)、來襲導(dǎo)彈識別預(yù)測(Ba3)、攔截方案生成評估(Ba4)、攔截方案選擇(Ba5)、下達攔截指令(Ba6)、導(dǎo)彈發(fā)射攔截(Ba7)。其中，知識活動支持智能化的來襲導(dǎo)彈識別預(yù)測與攔截方案生成評估。因此，籌劃系統(tǒng)需要進行來襲導(dǎo)彈識別(Ka1)、來襲導(dǎo)彈軌跡預(yù)測(Ka2)、攔截方案生成(Ka3)、攔截方案推演評估(Ka4)4個知識活動,如圖4所示，以保證業(yè)務(wù)活動開展，形成知識能力。需要說明的是，知識提取是在籌劃前期完成，形成各種類型的知識庫；知識運用是基于輸入知識的決策過程，可能發(fā)現(xiàn)新的知識，并將新知識不斷更新到知識庫中，因此存在知識反饋演化的過程。

表2 知識能力關(guān)系矩陣Table 2 Knowledge capability relationship matrix

注：“→”表示縱向能力依賴于橫向能力；“+”表示能力正向影響關(guān)系，“-”表示能力反向影響關(guān)系。

可以看出，來襲導(dǎo)彈識別(Ka1)是后續(xù)知識活動的基礎(chǔ)，因此，KV-5中將支撐該活動的目標特征深度學習能力(Cp1)作為關(guān)鍵能力是合理的。此外，能力之間的依賴關(guān)系也與業(yè)務(wù)活動的邏輯關(guān)系相符。

(2) 知識協(xié)作活動(KV-3)

KV-3不需要描述完整的知識活動，可采用泳道的形式表現(xiàn)跨系統(tǒng)之間的知識協(xié)作活動。提取跨來襲導(dǎo)彈識別系統(tǒng)和導(dǎo)彈攔截方案制定系統(tǒng)之間的協(xié)作活動，形成知識協(xié)作過程，如圖5所示。協(xié)作活動的提取有利于合理規(guī)劃部署各分系統(tǒng)的建設(shè)順序，并為保證協(xié)作接口的互操作性提供基礎(chǔ)，有效避免煙囪式的系統(tǒng)建設(shè)。

圖4 知識活動過程Fig.4 Knowledge activity process

圖5 知識協(xié)作過程Fig.5 Knowledge cooperation activity

(3) 知識分類(KV-6)

分析系統(tǒng)為實現(xiàn)智能化籌劃作業(yè)需要具備的概念性、規(guī)則性和歷史性知識，以及知識計算模型，給出各類知識的描述，明確其支撐的知識活動以及在知識活動中發(fā)揮的作用，如表3所示。KV-6識別各知識活動的知識需求，能夠有效指導(dǎo)特征庫、規(guī)則庫、模型庫等基礎(chǔ)知識資源的建設(shè)。

KV-9可以由KV-1自動導(dǎo)出，以列表的形式展現(xiàn)，在這里不再贅述。

4.3 活動效果度量

將KV-1中的知識活動與KV-4中的能力關(guān)聯(lián)，提出知識活動產(chǎn)生的能力效果的屬性和能力效果的度量標準，并展現(xiàn)近期和長期2個階段的度量標準的增量。本文以目標特征深度學習能力(Cp1)與來襲導(dǎo)彈識別(Ka1)為例，建立活動效果度量，如表4所示?；顒有Ч攘靠勺鳛轶w系能力水平、體系成熟度[16]評估的依據(jù)。

表3 知識分類表Table 3 Knowledge classification list

表4 活動效果度量Table 4 Activity effect measurement

4.4 活動映射關(guān)系生成

信息活動包括收集來襲導(dǎo)彈信息(Ia1)、預(yù)警信息綜合處理(Ia2)、來襲導(dǎo)彈識別預(yù)測(Ia3)、攔截方案生成評估(Ia4)、攔截方案選擇(Ia5)、下達攔截指令(Ia6)，其中來襲導(dǎo)彈識別預(yù)測(Ia3)和攔截方案生成評估(Ia4)與知識活動關(guān)聯(lián)，生成KV-7矩陣如表5所示。KV-7有助于識別信息活動中知識處理運用的過程，指出信息系統(tǒng)智能化建設(shè)重點。

知識活動支撐業(yè)務(wù)活動中來襲導(dǎo)彈識別預(yù)測(Ba3)和攔截方案生成評估(Ba4)的智能化知識處理運用，建立KV-8矩陣如表6所示。KV-8驗證了知識活動能夠保證業(yè)務(wù)活動完成。

表5 知識活動-信息活動關(guān)系描述Table 5 Knowledge activity-information activity relationship description

注：“√”表示知識活動和信息活動存在映射關(guān)系。

表6 知識活動-業(yè)務(wù)活動關(guān)系描述Table 6 Knowledge activity-operation activity relationship description

注：“√”表示知識活動支撐業(yè)務(wù)活動。

5 結(jié)束語

本文充分考慮了智能化作戰(zhàn)條件下，指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計對知識運用過程的描述需求，創(chuàng)新地提出一套面向知識活動的指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架，揭示了知識活動在作戰(zhàn)活動中的“加速”和“增效”作用，展現(xiàn)了知識視角中對知識活動、效果、能力等描述規(guī)范，并以實例驗證其合理性和有效性，彌補了傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架對智能化指揮信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計支撐力度不足的問題。后續(xù)將關(guān)注人機視角優(yōu)化描述以及更好地與知識視角鉸鏈，共同展現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)的自主決策、智能協(xié)同等過程，進一步指導(dǎo)以知識為中心的指揮信息系統(tǒng)頂層設(shè)計。