面向情景感知的指揮信息系統(tǒng)本體建模

董慶超，司維超，朱衛(wèi)星

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001;2.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007)

0 引 言

戰(zhàn)場無人化、智能化是未來作戰(zhàn)的重要特征。目前，各種無人裝備已經(jīng)大量涌現(xiàn)，包括無人機(jī)、無人車、無人艇、無人值守傳感器、無人水下潛航器、掃雷排爆機(jī)器人。以美軍為例，其無人機(jī)已達(dá)7 000多架，伊拉克、阿富汗戰(zhàn)場投入使用的地面輪式或履帶式機(jī)器人超過12 000個(gè)。在單個(gè)無人化裝備的基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了由多個(gè)同一或相近類型無人化裝備組成的無人作戰(zhàn)集群，可以自主協(xié)同實(shí)施偵察、監(jiān)視、壓制、攻擊等行動(dòng)[1]。美軍認(rèn)為：未來軍事通信業(yè)務(wù)及指揮所的核心能力之一是自適應(yīng)決策支持，基于當(dāng)前情景信息與指揮所業(yè)務(wù)進(jìn)行交互以支持指揮員戰(zhàn)場決策[2]。由此可見，戰(zhàn)場無人化、智能化已經(jīng)初見端倪，應(yīng)對單一武器裝備智能化水平的不斷突破，智能化指揮信息系統(tǒng)是未來系統(tǒng)建設(shè)的重要方向。建設(shè)智能化指揮信息系統(tǒng)，必須依托大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)的技術(shù)支撐，更為重要的是如何將系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境態(tài)勢、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、交戰(zhàn)規(guī)則等先驗(yàn)知識，通過何種形式固化于信息裝備之中，并依托知識的演繹實(shí)現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)的智能運(yùn)維，是新一代指揮信息系統(tǒng)研發(fā)有待解決的問題。

針對智能化指揮信息系統(tǒng)對領(lǐng)域知識的表示、推理演繹的需求，該文認(rèn)為智能化指控系統(tǒng)建設(shè)可以綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，領(lǐng)域知識本體建模技術(shù)和情景感知技術(shù)[3]。一方面通過形式化本體建模、表示、推理技術(shù)，將戰(zhàn)法、規(guī)則等人的知識固化于計(jì)算設(shè)備之中；另一方面，通過情景感知技術(shù)，使指揮信息系統(tǒng)感受時(shí)間、空間、環(huán)境等情景環(huán)境要素，并通過知識的形式固化于系統(tǒng)之中，進(jìn)而借助本體推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述綜合知識的推理演繹，為智能化指揮信息系統(tǒng)提供一種可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。

圍繞上述技術(shù)思想，該文提出一種面向情景感知的智能指揮信息系統(tǒng)本體建模方法。該方法重點(diǎn)解決面向情景感知的智能化指揮信息系統(tǒng)領(lǐng)域知識本體表示問題，即系統(tǒng)情景感知環(huán)境應(yīng)該包含哪些情景維度，維度下涵蓋哪些情景要素，要素之間構(gòu)成何種關(guān)系等問題，通過解決這些問題逐步構(gòu)建指揮信息系統(tǒng)領(lǐng)域本體。該方法首先綜合本體建模技術(shù)和國防部體系結(jié)構(gòu)框架技術(shù)的思想，確定構(gòu)成指控系統(tǒng)的核心概念和關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)情景感知技術(shù)的思想，根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境特點(diǎn)、指揮信息系統(tǒng)領(lǐng)域背景，探索擴(kuò)展構(gòu)建指揮信息系統(tǒng)的情景環(huán)境本體，明確影響指揮信息系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境要素，進(jìn)而為下一步的情景感知可適性邏輯計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

1 相關(guān)工作

1.1 指控系統(tǒng)本體建模

本體建模始終是計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，本體是針對某領(lǐng)域的明確的共享概念的形式化規(guī)范說明，它以結(jié)構(gòu)化和易理解的形式來表示領(lǐng)域知識[4]。此外借助本體推理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對領(lǐng)域知識的推理分析，即從現(xiàn)有的知識推斷出新的知識，因此該技術(shù)目前在語義網(wǎng)、人工智能、形式化定理證明等不同研究方向都有廣泛的應(yīng)用。在指控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析中，國內(nèi)外專家學(xué)者普遍將本體技術(shù)與指控系統(tǒng)建模技術(shù)緊密結(jié)合，借助本體技術(shù)不僅可以規(guī)范明確指控系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)域的核心概念和關(guān)系，統(tǒng)一不同利益相關(guān)方對復(fù)雜系統(tǒng)建設(shè)的共識，而且借助其形式化推理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)模型的自動(dòng)驗(yàn)證分析。指控系統(tǒng)本體由哪些概念組成，目前業(yè)界沒有形成統(tǒng)一的意見。該文主要借鑒美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架技術(shù)(department of defense architecture framework，DoDAF)，從中確定指控系統(tǒng)的核心概念和關(guān)系，如圖1所示。

圖1 指控系統(tǒng)本體模型

DoDAF是美國國防部發(fā)布的一種系統(tǒng)工程方法，用以指導(dǎo)軍事系統(tǒng)工程項(xiàng)目研發(fā)，最終目標(biāo)是確保研發(fā)的體系結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)支持綜合集成、互連互通互操作和高性價(jià)比[5]。其發(fā)布的DoDAF2.0版本中，明確了指揮信息系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，即元模型數(shù)據(jù)組。參考該模型可以抽取出構(gòu)成指控系統(tǒng)的核心概念和關(guān)系，組成指控系統(tǒng)本體，這里采用UML建模語言表示。在此基礎(chǔ)上，將從指揮信息系統(tǒng)情景感知需求出發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)展指控系統(tǒng)本體，引進(jìn)指揮信息系統(tǒng)的情景環(huán)境要素，進(jìn)而形成面向情景感知的指揮信息系統(tǒng)情景環(huán)境本體。

1.2 情景感知技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及傳感器、移動(dòng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制等相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算系統(tǒng)不再采用鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等傳統(tǒng)的顯式輸入輸出手段，而是通過感知用戶的需求和環(huán)境的狀態(tài)，自動(dòng)地控制設(shè)備為用戶提供服務(wù)成為可能，強(qiáng)調(diào)計(jì)算無處不在而又透明于用戶的普適計(jì)算，這一新型計(jì)算模式應(yīng)運(yùn)而生。這一計(jì)算模式的關(guān)鍵技術(shù)之一是情景感知技術(shù)，即系統(tǒng)可以感知用戶的狀態(tài)和環(huán)境信息，并根據(jù)這些信息調(diào)整系統(tǒng)的行為。如何確定系統(tǒng)的情景環(huán)境要素，由于情景的復(fù)雜性，不同的研究者對于情景給出了不同的定義，如文獻(xiàn)[6]將情景分為用戶維度和系統(tǒng)維度。文獻(xiàn)[7]使用計(jì)算維度、用戶維度和物理維度來建模情景。文獻(xiàn)[8]將情景分為五個(gè)維度：個(gè)體維度、時(shí)間維度、位置維度、活動(dòng)維度和關(guān)系維度。參考上述研究，該文認(rèn)為面向情景感知的指揮信息系統(tǒng)，在針對情景變化動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，將與作戰(zhàn)目標(biāo)、作戰(zhàn)過程、作戰(zhàn)力量、作戰(zhàn)資源、作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)規(guī)則八個(gè)方面特征相關(guān)，因此將情景環(huán)境劃分為上述八個(gè)維度。八個(gè)維度的情景環(huán)境要素及關(guān)系共同構(gòu)成指揮信息系統(tǒng)情景本體，某特定場景下的指揮信息系統(tǒng)模型將是該本體的一個(gè)實(shí)例。

2 面向情景感知的指揮信息系統(tǒng)本體

指揮信息系統(tǒng)所處的政治、地理環(huán)境極為特殊，因此構(gòu)建其情景環(huán)境需要綜合考慮兩個(gè)方面的因素。一方面是復(fù)雜的地緣政治、軍事局勢對指揮信息系統(tǒng)在態(tài)勢感知、情報(bào)保障、指揮控制、資源調(diào)配等方面的能力需求；另一個(gè)方面是指揮信息信息系統(tǒng)所處的特殊情景信息，如作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)空間，以及地理、氣象、水文、電磁等情景環(huán)境。結(jié)合1.2節(jié)的分析，這里將指揮信息系統(tǒng)情景環(huán)境分為八個(gè)維度，分別是作戰(zhàn)目標(biāo)域、作戰(zhàn)過程域、作戰(zhàn)力量域、作戰(zhàn)資源域、作戰(zhàn)時(shí)間域、作戰(zhàn)空間域、作戰(zhàn)環(huán)境域、作戰(zhàn)規(guī)則域。作戰(zhàn)目標(biāo)域描述了作戰(zhàn)的使命和作戰(zhàn)針對對象，目標(biāo)宏觀上分為戰(zhàn)略目標(biāo)和戰(zhàn)役/戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)兩類。目標(biāo)對象是作戰(zhàn)過程中需要打擊的敵方目標(biāo)，其具有經(jīng)度、緯度、威脅半徑、威脅度四個(gè)屬性。上述環(huán)境要素之間的關(guān)系通過UML建模為圖2所示模型。作戰(zhàn)過程域是按照作戰(zhàn)階段最終達(dá)到作戰(zhàn)目標(biāo)的過程。過程域由作戰(zhàn)過程、作戰(zhàn)階段、作戰(zhàn)行動(dòng)組成，各要素關(guān)系如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)目標(biāo)、過程域要素組成

作戰(zhàn)力量域主要描述參與作戰(zhàn)的參與者。主要要素由作戰(zhàn)部隊(duì)、部隊(duì)屬性(位置、類型、數(shù)量、作用半徑)、部隊(duì)間關(guān)系(指揮、協(xié)同)組成，如圖3所示。作戰(zhàn)資源域主要分為裝備、武器、物資、信息，同時(shí)資源具有一定的屬性，如位置、類型、數(shù)量、送達(dá)范圍，各要素關(guān)系見圖3。需要說明的是這里的信息資源包括無線頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)資源等無形資源概念。

圖3 作戰(zhàn)力量、資源域要素組成

作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)空間是描述情景環(huán)境的重要要素，這里參考文獻(xiàn)[9-11]，確定了作戰(zhàn)時(shí)間和作戰(zhàn)空間域的組成結(jié)構(gòu)。

作戰(zhàn)時(shí)間域包括描述時(shí)間關(guān)系的全部要素，包括時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間區(qū)間、時(shí)間關(guān)系等，如圖4所示。空間域用于描述兵力、資源、過程等空間信息，包括：經(jīng)度、緯度、高度、半徑、相離、覆蓋、相接等要素，具體如圖4所示。

圖4 作戰(zhàn)時(shí)間、空間域要素組成

環(huán)境域主要是對區(qū)域氣象、水文、地理、電磁空間等方面的描述，如圖5所示。作戰(zhàn)規(guī)則域是不同類型指揮信息系統(tǒng)所屬領(lǐng)域規(guī)則的集合，主要包括軍事領(lǐng)域中的條令條例、作戰(zhàn)業(yè)務(wù)規(guī)范性指導(dǎo)文件中規(guī)定的各項(xiàng)條規(guī)以及典型軍事作戰(zhàn)范例中潛在的業(yè)務(wù)規(guī)則。作戰(zhàn)規(guī)則域可以將指揮信息系統(tǒng)所屬領(lǐng)域內(nèi)的一些規(guī)范化常識、知識、共識、條例、規(guī)章等，通過本體這種形式化的知識表示形式進(jìn)行建模表示，并固化于信息設(shè)備中，下一步借助本體的邏輯推理優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)知識的推理和演繹。

圖5 作戰(zhàn)環(huán)境、規(guī)則域要素組成

3 案例分析

城市要地防空任務(wù)，具有作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間短、干擾因素多等特點(diǎn)。因此，城市防空指揮信息系統(tǒng)在態(tài)勢感知、指揮決策、兵力控制等環(huán)節(jié)更加需要考慮所處區(qū)域的氣象、電磁、地理、信息資源等綜合因素，通過智能分析快速做出應(yīng)答。下面以假想的城市防空指揮信息系統(tǒng)為例，說明本體建模方法。該文建議采用UML建模語言表示指控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，前文定義的指揮信息系統(tǒng)情景本體作為類的元類型擴(kuò)展UML語義，使得UML建模語言更加適合情景環(huán)境需求信息建模表示[12-13]。圖6展示了城市防空部隊(duì)情景環(huán)境模型的局部內(nèi)容，其中主要作戰(zhàn)任務(wù)是完成城市要地防御作戰(zhàn)任務(wù)，完成此項(xiàng)任務(wù)需要指揮與控制、通信保障、態(tài)勢感知、綜合防御、信息對抗六種作戰(zhàn)能力的支撐，同時(shí)部隊(duì)作戰(zhàn)能力受到外部環(huán)境影響(情景環(huán)境)，一方面是區(qū)域地理、氣象、復(fù)雜電磁環(huán)境等外部因素，另一方面，依賴于電磁頻譜資源、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源、衛(wèi)通信道資源等內(nèi)部資源要素。

圖6 某區(qū)域防空指揮信息系統(tǒng)情景環(huán)境組成模型

假設(shè)在要地防空任務(wù)中，為確保重要目標(biāo)防衛(wèi)安全，存在以下作戰(zhàn)規(guī)則或常識，即系統(tǒng)態(tài)勢感知能力所提供目標(biāo)準(zhǔn)確識別率不低于80%，威脅目標(biāo)提前預(yù)警時(shí)間不低于20分鐘。這是一條典型的演繹規(guī)則，利用本方法可以表示為以下知識本體，見圖7。

圖7 防空領(lǐng)域特定規(guī)則模型

此外，各種資源的合理調(diào)度一定程度上依賴于情景因素的影響，例如區(qū)域電磁環(huán)境過于復(fù)雜嚴(yán)重影響無線頻譜資源時(shí)，指揮信息系統(tǒng)在選擇通信手段時(shí)可以考慮光纜、同軸電纜、以太網(wǎng)、電話網(wǎng)等有線通信手段。如何通過情景環(huán)境的分析，進(jìn)而智能化決策各類資源的分配和調(diào)用，在一定程度上可以綜合領(lǐng)域知識、情景本體，借助本體推理技術(shù)得以解決[14-15]。下一步，本研究將解決上述智能指揮信息系統(tǒng)本體模型的形式化手段和本體推理技術(shù)，為智能指揮信息系統(tǒng)的建設(shè)探索一種可行技術(shù)途徑。

4 結(jié)束語

指揮信息系統(tǒng)智能化是未來系統(tǒng)演進(jìn)的必然方向，智能化指揮信息系統(tǒng)需要大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的支持，更為重要的是系統(tǒng)不僅要理解、學(xué)習(xí)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、交戰(zhàn)規(guī)則等指揮人員的智慧，還需要準(zhǔn)確識別、認(rèn)識當(dāng)前所處情景環(huán)境。以此為背景，該文提出了一種面向情景感知的指揮信息系統(tǒng)本體建模方法，提出從作戰(zhàn)目標(biāo)、作戰(zhàn)過程、作戰(zhàn)力量、作戰(zhàn)資源、作戰(zhàn)時(shí)間、作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)規(guī)則八個(gè)維度刻畫智能指揮信息系統(tǒng)的情景環(huán)境，并通過擴(kuò)展UML建模語言建模表示上述本體模型。該方法一方面在系統(tǒng)需求分析階段可以充分考慮影響系統(tǒng)運(yùn)行的外部情景要素，降低大型指控系統(tǒng)后期開發(fā)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)；另一個(gè)方面，在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中引入情景要素，可以使得情景感知技術(shù)真正運(yùn)用于指控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)過程，為智能化指揮信息系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。