構(gòu)建基于知識圖譜的空天一體智能仿真系統(tǒng)

劉昭

摘 要

本文在探討空天一體發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于知識圖譜技術(shù)體系提出了一種空天一體智能仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)，對基于知識本體的仿真系統(tǒng)元模型設(shè)計進行深入研究，為新一代空天一體作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)構(gòu)建提供參考。

關(guān)鍵詞

知識圖譜;空天一體;仿真

中圖分類號： TP391.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.050

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，空天力量發(fā)展深度融合，空天一體作戰(zhàn)成為決定信息化戰(zhàn)爭勝負(fù)、影響軍事強國戰(zhàn)爭博弈的重要戰(zhàn)爭樣式，也是世界軍事強國發(fā)動戰(zhàn)爭的重要手段[1]。從戰(zhàn)爭形態(tài)演變來看，陸、海、空、天、網(wǎng)多維一體已成為新的趨勢，信息化戰(zhàn)爭作戰(zhàn)重心開始從地面向空天轉(zhuǎn)移，空天已成為敵我雙方戰(zhàn)略爭奪的新高地，誰控制了空間，獲取了空天優(yōu)勢，誰就會在戰(zhàn)爭中贏得主動，牢牢掌握戰(zhàn)爭主動權(quán)。

空天領(lǐng)域?qū)儆诳焖侔l(fā)展的新興領(lǐng)域，涉及裝備種類多樣，作戰(zhàn)關(guān)系交織，特別是與指揮所、武器平臺、作戰(zhàn)人員的信息交互錯綜復(fù)雜，為仿真系統(tǒng)的構(gòu)建帶來了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠛突诮M件化的仿真建模方法運用于空天裝備建模和空天作戰(zhàn)推演還存在很大的不足，特別是在復(fù)用性、可擴展性和智能性方面還有很大差距。因此，在仿真系統(tǒng)發(fā)展中亟需探尋新的方法路子。

繼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)之后，知識圖譜作為第三代人工智能的核心技術(shù)，已成為通用智能、可解釋智能、自主學(xué)習(xí)與進化智能等實現(xiàn)的主要手段，在解決知識查詢精度以及可擴展性方面展現(xiàn)出強大優(yōu)勢[2]，特別是結(jié)合知識本體、知識推理、圖譜可視化等先進技術(shù)，已成為智能仿真系統(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)方向。

1 發(fā)展現(xiàn)狀研究

1.1 空天一體發(fā)展現(xiàn)狀研究

空天一體概念的提出最早可以追溯到20世紀(jì)中葉美蘇在外層空間航天領(lǐng)域的競爭。1959年，美國空軍條令首次以“航空航天力量”代替“航空力量”，把地球表面以上的整個空間稱為“航空航天空間”，即空天。1999年，美國提出聯(lián)合航空航天力量為主體的作戰(zhàn)理論新構(gòu)想[3]。世紀(jì)之交，美軍又進一步提出航空航天力量一體化轉(zhuǎn)型的指導(dǎo)方針。21世紀(jì)初，美國發(fā)表了《航空航天部隊：保衛(wèi)21世紀(jì)的美國》白皮書，再次強調(diào)以空中作戰(zhàn)為主的空軍，轉(zhuǎn)變?yōu)榧饶軐嵤┛罩凶鲬?zhàn)，又能進行太空作戰(zhàn)的“空天一體化”空軍，以確保成為“全球警戒、全球到達”的作戰(zhàn)力量;《2020年聯(lián)合構(gòu)想》中提出在未來建立10支“航空航天遠(yuǎn)征部隊”。目前，美軍正以反介入/區(qū)域拒止作戰(zhàn)環(huán)境下的新型聯(lián)合作戰(zhàn)理論為指導(dǎo)，發(fā)展新型空天作戰(zhàn)理論，旨在實現(xiàn)靈活的空天一體化多域作戰(zhàn)能力。美軍“空天一體”作戰(zhàn)已在“海灣戰(zhàn)爭”、“科索沃戰(zhàn)爭”、“阿富汗戰(zhàn)爭”和“伊拉克戰(zhàn)爭”等大規(guī)模局部戰(zhàn)爭中證明了其正確性，但大多體現(xiàn)在信息支援層面，真正發(fā)生在太空和臨近空間領(lǐng)域的作戰(zhàn)尚處于起步階段。為此，美國已經(jīng)開始擴大太空作戰(zhàn)資源部署，不斷增強空天作戰(zhàn)能力，同時出臺了《聯(lián)合太空作戰(zhàn)行動綱要》、《反太空作戰(zhàn)行動綱要》等法規(guī)。

俄羅斯自20世紀(jì)60年代以來，始終保持強大的戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊和航天力量。1995年，俄軍在《航天器的作戰(zhàn)運用》中全面論述了如何運用航天器以及對抗地方航天器的基本理論，認(rèn)為“沒有制天權(quán)就沒有制空權(quán)和制海權(quán)”，強調(diào)“航天力量應(yīng)由最高統(tǒng)帥部管理控制”[4]，2003年，俄軍開始制定建立俄羅斯空天防御體系的構(gòu)想和原則。2005年，將空軍和戰(zhàn)略火箭軍合并成“空天軍”。近年來，俄軍提出了常規(guī)戰(zhàn)爭條件下的戰(zhàn)略性空天戰(zhàn)役理論，標(biāo)志著空天一體發(fā)展戰(zhàn)略付諸實施。

1.2 空天一體模擬訓(xùn)練發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，模擬訓(xùn)練已成為當(dāng)前各國軍事訓(xùn)練的重要手段。針對空間作戰(zhàn)的大時空、高延遲、高成本等特點，與實兵、實裝訓(xùn)練相比，模擬訓(xùn)練在提高軍事訓(xùn)練質(zhì)量、降低訓(xùn)練成本、縮短訓(xùn)練周期、復(fù)盤推演等方面具有天然優(yōu)勢。

近年來，美國開始涉足以空天一體為背景的模擬訓(xùn)練，典型項目包括：“施里弗”演習(xí)、“全球哨兵”、“戰(zhàn)備太空機組”、“太空旗”演習(xí)等。以“施里弗”演習(xí)為代表，美軍綜合運用各種手段，調(diào)動各軍兵種進行模擬演練，來檢驗美國空軍航天司令部的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、航天系統(tǒng)的運行狀況以及航天系統(tǒng)與地面系統(tǒng)的配合能力，其深層次的目的則是加強美軍的太空戰(zhàn)威懾能力，奪取制天權(quán)。從2001年至今，美國已陸續(xù)完成了10余次“施里弗”演習(xí)。通過演習(xí)，不斷豐富和完善美軍空天威懾戰(zhàn)略、作戰(zhàn)條令與裝備力量運用、發(fā)展策略。

仿真系統(tǒng)是模擬訓(xùn)練的核心支撐平臺。當(dāng)前，支持空天一體模擬訓(xùn)練的系統(tǒng)有Xsim、Maxsim、Command、oneSAF、STAGE、VR-Force等國內(nèi)外產(chǎn)品，已有的仿真系統(tǒng)多以面向?qū)ο蠛徒M件化建?；騇ulti-Agent方式，結(jié)合并行離散事件仿真技術(shù)實現(xiàn)，一定程度上滿足了不同軍兵種的訓(xùn)練需求。但是，隨著聯(lián)合作戰(zhàn)和智能仿真需求的發(fā)展，現(xiàn)有的基于組件化的仿真系統(tǒng)急需進一步提供智能化水平?；谥R本體的建模方法，可以實現(xiàn)更精細(xì)力度和更加精確的仿真系統(tǒng)建模，在此基礎(chǔ)上，基于知識推理的智能仿真系統(tǒng)被認(rèn)為是下一代智能仿真系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

2 基于知識圖譜的仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，空天一體智能仿真系統(tǒng)是著眼研究空天一體作戰(zhàn)樣式，開展作戰(zhàn)研討、想定推演、人在回路模擬訓(xùn)練等功能的模擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)基于知識圖譜智能技術(shù)體系構(gòu)建，系統(tǒng)架構(gòu)由資源層、知識實體與數(shù)據(jù)模型層、引擎驅(qū)動層、知識推理與服務(wù)層、應(yīng)用層5層結(jié)構(gòu)組成，具有層級功能界面劃分清晰、接口互操作性強的特點，支持國產(chǎn)平臺和windows平臺運行。

資源層基于“一切皆資源”的思想，在共用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上，基于軟件定義和虛擬化的手段，將仿真系統(tǒng)所需要的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、通信、安全等資源“云化”，實現(xiàn)資源的共享共用。

知識實體與數(shù)據(jù)模型層基于“本體”思想，運用知識圖譜的實體定義與抽取方法，結(jié)合基于模型的系統(tǒng)工程（MBDE）設(shè)計方法，實現(xiàn)從知識元數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)庫到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫的映射。其中知識元數(shù)據(jù)以資源描述框架（Resource Description Framework，簡稱RDF）和網(wǎng)絡(luò)本體語言（Ontology Web language，簡稱OWL）為主要手段，使用XML語法來描述資源特性及資源之間的關(guān)系，定義仿真所用到的實體對象的概念、屬性等元數(shù)據(jù)規(guī)范。知識數(shù)據(jù)庫是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明[6]，為仿真系統(tǒng)構(gòu)建提供一定程度的邏輯描述，使得不同的本體描述在框架上形成一個有機整體。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫是目前已有的信息系統(tǒng)所積累的數(shù)據(jù)庫，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為典型代表，包括XML、文本、語音、視頻等半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

引擎驅(qū)動層是仿真系統(tǒng)運行的內(nèi)核，主要實現(xiàn)軟件調(diào)用、資源分配、多線程、分布式工作、基礎(chǔ)信息服務(wù)信息驅(qū)動等，包括分布式仿真驅(qū)動引擎、地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)引擎、角色協(xié)同管控引擎、可視化素材訪問引擎等。

知識推理與服務(wù)層包括知識生產(chǎn)與服務(wù)提供層、服務(wù)映射層兩部分。其中知識生產(chǎn)與服務(wù)提供層是智能的核心，通過知識實體抽取、知識推理、知識圖譜生成、知識檢索算法、知識規(guī)則表示等智能方法，對仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行分類、聚類、關(guān)聯(lián)分析和情報挖掘等。服務(wù)映射層主要實現(xiàn)知識服務(wù)與業(yè)務(wù)邏輯的銜接，從任務(wù)、活動、角色、組織、裝備等各方面為仿真應(yīng)用提供接口。

應(yīng)用層著眼空天一體作戰(zhàn)重點方向和典型作戰(zhàn)任務(wù)，按照空天態(tài)勢一張圖、空天一體智能籌劃、空天指揮決策、空天一體協(xié)同控制、空天一體支援保障等業(yè)務(wù)域，為想定編輯、編程配置、任務(wù)規(guī)劃、角色分配、態(tài)勢綜合、效能評估、系統(tǒng)管理等仿真系統(tǒng)應(yīng)用提供用戶接口和界面。

3 基于知識本體的空天一體仿真系統(tǒng)元模型設(shè)計

系統(tǒng)模型的組織機制是仿真系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵，它不但關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計知識的重用，而且關(guān)乎模型結(jié)構(gòu)的組織形式。設(shè)計良好的模型組織結(jié)構(gòu)，可以避免模型工程文件過于龐大、模型元素數(shù)量爆炸、難以對模型進行有效的管理和使用等問題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模是以具體系統(tǒng)為核心的，方法上一般采用實體-關(guān)系建模方法進行關(guān)系數(shù)據(jù)建模，而基于知識本體的空天一體仿真系統(tǒng)元模型設(shè)計以實體或稱之為客觀物理對象為中心，它是空天一體仿真系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)智能的知識推理機制構(gòu)建的關(guān)鍵。

在計算機科學(xué)與信息科學(xué)領(lǐng)域，本體被定義為一種“形式化的，對于共享概念體系的明確而又詳細(xì)的說明”，是本質(zhì)一種共享詞表，也就是特定領(lǐng)域之中那些存在著的對象類型或概念及其屬性和相互關(guān)系。常見的本體構(gòu)成要素包括：個體（實例），指基礎(chǔ)的或者說“底層的”對象;類，指集合、概念、對象類型或者說事物的種類;屬性指對象（和類）所可能具有的屬性、特征、特性、特點和參數(shù);關(guān)系指類與個體之間的彼此關(guān)聯(lián)所可能具有的方式;函數(shù)術(shù)語，指在聲明語句當(dāng)中，可用來代替具體術(shù)語的特定關(guān)系所構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。約束（限制），指采取形式化方式所聲明的，關(guān)于接受某項斷言作為輸入而必須成立的情況的描述。規(guī)則，指用于描述可以依據(jù)特定形式的某項斷言所能夠得出的邏輯推論的語句形式的聲明;公理，指采取特定邏輯形式的斷言（包括規(guī)則在內(nèi)）所共同構(gòu)成的就是其本體在相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中所描述的整個理論;事件，指屬性或關(guān)系的變化。

基于知識本體的空天一體仿真系統(tǒng)元模型設(shè)計，是指通過對空天戰(zhàn)場內(nèi)物理或虛擬的、對軍事活動產(chǎn)生影響的對象進行抽象，對空天裝備或空天作戰(zhàn)活動對象的基本情況、能力狀態(tài)、功能性能、編配標(biāo)準(zhǔn)等信息進行分類、本體屬性定義和數(shù)據(jù)字典抽取，形成數(shù)字化的實體元模型描述，如衛(wèi)星基本信息、軌道數(shù)據(jù)信息、衛(wèi)星健康狀態(tài)信息、平臺管理任務(wù)等本體信息等，它是構(gòu)成更高級系統(tǒng)的“原子對象”。具體可以分為靜態(tài)本體、活動本體和能力本體，其中靜態(tài)本體是指不隨時間變化的本體，又可分為人員本體和對象本體，如指揮所的類型、裝備的發(fā)射時間、國別等?；顒颖倔w誰對空天作戰(zhàn)活動的客觀描述，它會隨時間和空間的變化而變化，如裝備的戰(zhàn)備狀態(tài)、位置情況等。能力本體是對事物所具有的能力的描述，比如衛(wèi)星通信裝備的波束覆蓋范圍、傳輸帶寬等。對于本體元模型的抽象，要盡可能的原子化，同時屬性的定義應(yīng)該無二義性。一個典型的軌道根數(shù)元模型可以從表1所示的屬性來描述。根據(jù)所述信息，可以用本體描述的概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實例等基本的建模元語描述。

本體元模型反應(yīng)了現(xiàn)實世界中相對穩(wěn)定的概念及其關(guān)系和規(guī)則，在此基礎(chǔ)上，仿真系統(tǒng)可以進行知識推理，實現(xiàn)系統(tǒng)智能。基于知識圖譜的知識推理是智能仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。早期知識推理缺乏平行語料庫，因此多采用基于概率圖的隨機游走和路徑排序（path ranking） 等手段，從已有語義網(wǎng)絡(luò)中挖掘和發(fā)現(xiàn)未知知識。隨著深度學(xué)習(xí)的興起，內(nèi)嵌（embedding）表示成為目前的主流方法。在這種方法中，通過神經(jīng)語言模型將語義網(wǎng)絡(luò)中符號化的實體、關(guān)系和屬性映射到連續(xù)向量空間，在保持其圖結(jié)構(gòu)前提下得到實體、關(guān)系和屬性的分布式向量表達。在此基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)得到能夠衡量每一條三元組知識是否成立的推理函數(shù)。

4 結(jié)論

本文在研究空天一體發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對基于知識圖譜的空天一體仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)進行設(shè)計，對基于知識本體的仿真系統(tǒng)元模型設(shè)計進行深入研討，為新一代空天一體作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)構(gòu)建提供參考。

參考文獻

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