基于協(xié)同過濾推薦的國防教育資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 凡，刁 瑩

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

隨著我國國防建設(shè)的不斷發(fā)展與完善，國防安全教育成為國防建設(shè)中重要的組成部分。國防人才的培養(yǎng)能夠?yàn)閲澜ㄔO(shè)提供更新、更強(qiáng)、源源不斷的有生力量。隨著國防系統(tǒng)的完善，國防教育資源愈加豐富。基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，國防教育資源的管理向著智能化、一體化發(fā)展。國防教育資源為各大院校的國防教育教學(xué)提供了數(shù)據(jù)資源。國防教育資源管理系統(tǒng)為資源的存儲(chǔ)、調(diào)取、下載、修正、檢索提供了便利。數(shù)字化系統(tǒng)平臺(tái)的不斷發(fā)展為資源數(shù)據(jù)的管理提供了一種新的模式。

隨著國防教育資源管理系統(tǒng)資源檢索量的不斷增加，系統(tǒng)架構(gòu)與交互方式反映出了一系列問題。在云計(jì)算技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)背景下[1?3]，現(xiàn)有資源管理系統(tǒng)最為突出的問題主要集中在資源推薦的關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)匹配機(jī)制方面[4?6]。系統(tǒng)底層架構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)決定了現(xiàn)有系統(tǒng)的檢索特性。在信息資源類型復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，單一的關(guān)鍵詞信息與簡(jiǎn)單主體關(guān)聯(lián)的方式已無法滿足國防教育資源推薦檢索對(duì)關(guān)鍵詞的關(guān)聯(lián)處理要求。現(xiàn)有國防教育資源管理系統(tǒng)推薦資源匹配度的降低，反映出國防教育資源信息之間的關(guān)聯(lián)正逐步變強(qiáng)[7]，信息資源邊界化逐步衰弱[8]，多信息特征檢索[9]、協(xié)同過濾推薦成為資源管理系統(tǒng)更新發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 基于協(xié)同過濾推薦的國防教育資源管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件部分的設(shè)計(jì)主要針對(duì)管理資源推薦的數(shù)據(jù)交互、分析、轉(zhuǎn)換平臺(tái)支持等方面。因此，硬件框架主要由數(shù)據(jù)采集陣列、數(shù)據(jù)傳輸單元、嵌入式中央邏輯主控區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、供電管理單元五部分構(gòu)成。

1.1 數(shù)據(jù)采集陣列

通過CD4060BM96 二進(jìn)制邏輯IC 的第1，3，6，8 針腳與6ES7288?1ST20?0AA0 數(shù)據(jù)采集模塊第1，2，4，7 針腳相連接，完成對(duì)系統(tǒng)管理過程中數(shù)據(jù)載入接口與數(shù)據(jù)輸出接口的數(shù)據(jù)資源的采集。陣列中的邏輯IC 的第2，5 針腳與采集模塊第3，6 針腳為供電針腳，陣列邏輯IC的第4，7 針腳與采集模塊的5，8 針腳為通信針腳。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸單元

通過CWM900 通信模塊與BC26NC?04?STD 通信驅(qū)動(dòng)IC 建立數(shù)據(jù)交互信道，通過內(nèi)建射頻協(xié)議與中央控制核心區(qū)對(duì)接，為資源信息推薦分析處理提供高速交互信道。

1.3 嵌入式中央邏輯主控區(qū)

采用SN74LVC8T245 邏輯主控作為核心MUC，通過射頻信道的數(shù)據(jù)對(duì)接，完成對(duì)推薦數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞信息的交互、處理，并通過次信道與數(shù)據(jù)采集單元對(duì)接。

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

采用TPIC6B595N DIP20 信號(hào)移位寄存器接收MUC 推薦處理資源輸出信號(hào)，并將信號(hào)解析存儲(chǔ)；解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于24C04 存儲(chǔ)器空間中，并通過邏輯IC 與通信傳輸單元保持通信。

1.5 供電管理單元

采用SG?ANL100?S24 電源管理模塊，支持雙向?qū)掚妷嚎刂乒芾?，通過獨(dú)有的穩(wěn)壓控制技術(shù)與多頻域調(diào)節(jié)技術(shù)，保證多場(chǎng)景下設(shè)計(jì)硬件供電的穩(wěn)定。定制64 針腳，集成28 組正向供電針腳、28 組反向供電針腳、4 組通信針腳、4 組狀態(tài)監(jiān)測(cè)針腳。30 組正、反向供電針腳分別分為4 組與上述設(shè)計(jì)硬件單元相連接，每個(gè)單元分配正、反向供電針腳7 枚，其中包含保險(xiǎn)針腳1 枚。

框架各功能單元詳細(xì)配置與功能如圖1 所示。

圖1 基于協(xié)同過濾推薦的國防教育資源管理系統(tǒng)硬件框架

2 基于協(xié)同過濾推薦的國防教育資源管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 面向外圍數(shù)據(jù)鏈資源的協(xié)同過濾推薦機(jī)制（G1機(jī)制）

面向外圍數(shù)據(jù)鏈資源主要具備以下特征：

1）檢索關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的教育資源數(shù)據(jù)為一個(gè)泛資源[10]數(shù)據(jù)包，其中包含多個(gè)關(guān)聯(lián)性資源數(shù)據(jù)個(gè)體；

2）檢索推薦資源鏈輻射面廣泛，且具有一定的挖掘空間；

3）推薦關(guān)鍵詞僅對(duì)一種數(shù)據(jù)進(jìn)行延伸關(guān)聯(lián)，且關(guān)聯(lián)資源具有相同主題屬性。其中包含特殊推薦場(chǎng)景，例如國防歷史資源、國防數(shù)據(jù)編研資源、國防對(duì)外展示等。

針對(duì)此種推薦場(chǎng)景，系統(tǒng)在軟件推薦機(jī)制中引入模擬變量的概念，將一系列外圍資源鏈對(duì)應(yīng)條件視為一個(gè)模擬變量，通過模擬變量對(duì)應(yīng)模擬用戶需求，將一些列外圍資源鏈的推薦檢索列為一次模擬量，并將其記作OR1。例如，一個(gè)關(guān)鍵詞需要反復(fù)多次對(duì)應(yīng)一個(gè)主題進(jìn)行檢索推薦，此過程可記作OR1，將其視為一個(gè)模擬用戶，OR1下包含多組與關(guān)鍵詞相關(guān)的資源信息可供推薦；若一個(gè)關(guān)鍵詞改變了對(duì)應(yīng)檢索推薦的目標(biāo)信息，則將其對(duì)應(yīng)的新目標(biāo)記作OR2，同理，將其視為一個(gè)新的模擬用戶，OR2下同樣含多組與關(guān)鍵詞相關(guān)的資源信息可供推薦。對(duì)于重疊關(guān)鍵詞與多維度關(guān)鍵詞信息，可將信息內(nèi)容進(jìn)行主題特征劃分，通過劃分關(guān)鍵詞信息使其對(duì)應(yīng)多個(gè)模擬用戶，通過對(duì)不同的多個(gè)模擬用戶對(duì)應(yīng)資源的交叉調(diào)用，實(shí)現(xiàn)協(xié)同過濾效果。協(xié)同過濾矩陣的構(gòu)成包含上述一系列關(guān)鍵詞信息下的模擬用戶OR與對(duì)應(yīng)模擬用戶下的推薦資源信息，即根據(jù)面向外圍資源鏈的推薦特征生成協(xié)同過濾矩陣。

基于上述協(xié)同過濾場(chǎng)景，對(duì)面向外圍數(shù)據(jù)鏈資源的協(xié)同過濾推薦機(jī)制進(jìn)行流程編譯。

對(duì)全局推薦目標(biāo)資源對(duì)應(yīng)的模擬用戶OY進(jìn)行如下操作：

1）載入目標(biāo)模擬用戶OY資源信息數(shù)據(jù)，建立推薦資源信息向量。將被推薦過的資源信息數(shù)據(jù)參量設(shè)定為0，未被推薦的資源信息數(shù)據(jù)參量設(shè)定為1。

2）調(diào)用協(xié)同過濾矩陣，對(duì)其中目標(biāo)模擬用戶OY和推薦模擬用戶ORn進(jìn)行匹配度計(jì)算。計(jì)算規(guī)則根據(jù)Tanimoto 匹配精度[11]進(jìn)行，可得到：

式中：IYR代表目標(biāo)模擬用戶OY與推薦模擬用戶ORn之間的相同資源總量；IY代表目標(biāo)模擬用戶OY所對(duì)應(yīng)被推薦的資源信息總量；IR代表推薦模擬用戶ORn所對(duì)應(yīng)被推薦的資源信息總量，即二者間相同資源信息的匹配系數(shù)。

1）抽取與推薦模擬用戶OY匹配程度最佳的I個(gè)模擬用戶ORn，并將其定義為推薦目標(biāo)模擬用戶最佳匹配系數(shù)的相鄰合集。

2）根據(jù)推薦模擬用戶OY最佳匹配相鄰合集ORn被推薦資源信息的推薦狀態(tài)，生成關(guān)于OY的資源推薦信息合集TN，其函數(shù)計(jì)算公式定義為：

式中：NRn代表最佳匹配相鄰合集中模擬用戶ORn所對(duì)應(yīng)被推薦資源的合集；NY代表目標(biāo)模擬用戶OY所對(duì)應(yīng)被推薦資源的合集；n表示資源值；I代表最佳匹配相鄰合集包含的資源總量。

2.2 面向內(nèi)部資源鏈的協(xié)同過濾推薦機(jī)制（G2 機(jī)制）

面向內(nèi)部資源鏈的機(jī)制主要具備以下特征：

1）推薦資源數(shù)據(jù)與提供詞條信息數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)輻射層級(jí)大于3 個(gè)層級(jí)以上；

2）推薦資源的主題覆蓋面相對(duì)穩(wěn)定，推薦資源系數(shù)呈現(xiàn)剛性；

3）關(guān)鍵詞用戶對(duì)應(yīng)的推薦資源信息數(shù)據(jù)形態(tài)具有不確定性，個(gè)體與集合之間根據(jù)推薦場(chǎng)景而變化。

因此，根據(jù)上述設(shè)定，同理引入模擬用戶概念，即一條關(guān)于內(nèi)部資源鏈任務(wù)通過模擬用戶對(duì)其對(duì)應(yīng)的一組推薦資源進(jìn)行一次關(guān)于內(nèi)部資源鏈的推薦，并將其過程定義為OS。例如，一次關(guān)于國防認(rèn)證資源的管理信息需要對(duì)其資源進(jìn)行推薦，可將此次推薦記作OS1；當(dāng)此操作的推薦目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍碌膬?nèi)部資源推薦信息時(shí)，將其過程記為OS2，同樣將其視為一個(gè)新的模擬用戶。循環(huán)往復(fù)構(gòu)成以內(nèi)部資源鏈為推薦模擬用戶的協(xié)同過濾。再次協(xié)同過濾中，包含一系列模擬用戶OS，根據(jù)面向內(nèi)部資源鏈推薦資源特征構(gòu)建協(xié)同過濾矩陣。

為了保證軟件設(shè)計(jì)機(jī)制的統(tǒng)一，此層面上的矩陣依舊采用二進(jìn)制標(biāo)識(shí)方式，即通過1 和0 對(duì)模擬用戶推薦資源狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記。

與“模擬用戶推薦任務(wù)”矩陣配合，建立“模擬用戶內(nèi)部資源鏈虛擬用戶內(nèi)部資源鏈推薦任務(wù)”推薦判定矩陣，建立矩陣行對(duì)應(yīng)量為模擬用戶OS，縱向參量對(duì)應(yīng)資源管理信息庫。將矩陣縱向參量范圍設(shè)定為資源信息庫資源推薦值的適應(yīng)值，利用1，0 分別對(duì)模擬用戶推薦資源與未被推薦資源進(jìn)行標(biāo)記。

將上述機(jī)制按照操作順序進(jìn)行流程編譯：任意一個(gè)目標(biāo)模擬用戶OY的操作如下：

1）載入目標(biāo)模擬用戶OY資源，利用關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)特征與目標(biāo)模擬用戶OY信息特征。

2）在“模擬用戶內(nèi)部資源鏈虛擬用戶內(nèi)部資源鏈推薦任務(wù)”矩陣中，對(duì)目標(biāo)模擬用戶OY和其他模擬用戶OSn進(jìn)行匹配度計(jì)算。

式中：n代表目標(biāo)模擬用戶OY所對(duì)應(yīng)的內(nèi)部資源鏈推薦信息的向量；k代表模擬用戶OSn推薦內(nèi)部資源鏈的向量。

1）抽取sim( )OY,OSn值，并將大于初始閾值的取值對(duì)應(yīng)模擬用戶OSn設(shè)定為目標(biāo)模擬用戶OY的最佳匹配鄰值。

2）由最佳匹配鄰值對(duì)應(yīng)的OSn在“模擬用戶內(nèi)部資源鏈虛擬用戶內(nèi)部資源鏈推薦任務(wù)”矩陣中，得到其對(duì)應(yīng)資源向量B，并計(jì)算得到OSn，通過OSn獲得其對(duì)應(yīng)推薦資源在內(nèi)部資源鏈的位置，將目標(biāo)模擬用戶OY特征信息與資源向量B進(jìn)行融合，得到最佳的內(nèi)部資源鏈推薦資源信息結(jié)果。

2.3 面向特殊資源鏈的協(xié)同過濾推薦機(jī)制（G3 機(jī)制）

完成上述軟件部分兩組推薦機(jī)制單量設(shè)計(jì)后，對(duì)兩種機(jī)制單量外的特殊資源鏈進(jìn)行推薦機(jī)制編譯。編譯原理與機(jī)制特點(diǎn)同上，這里不再過多累述。面向特殊資源鏈的協(xié)同過濾機(jī)制，主要用于國防教育資源管理系統(tǒng)中缺失資源，或需要外部引入資源的推薦場(chǎng)景的應(yīng)用。次協(xié)同過濾推薦機(jī)制成立的必要條件是必須滿足推薦用戶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)資源，或需要引入完善的資源無法通過正常關(guān)鍵詞完成檢索推薦[12?14]，且檢索推薦的目標(biāo)資源必須存在。

對(duì)面向特殊資源鏈的協(xié)同過濾推薦機(jī)制流程進(jìn)行編譯，任意一個(gè)目標(biāo)模擬用戶OY的操作如下：

1）在推薦檢索關(guān)鍵詞為空的狀態(tài)下，載入推薦檢索關(guān)鍵詞合集LY。

2）在目標(biāo)模擬用戶OY推薦資源協(xié)同過濾未完成的狀態(tài)下[15]，按照以下順序進(jìn)行操作：

①載入目標(biāo)模擬用戶OY，將其對(duì)應(yīng)的檢索推薦資源關(guān)鍵詞信息進(jìn)行定義，記作Ln。

②組建關(guān)于目標(biāo)模擬用戶OY的推薦資源關(guān)鍵詞信息合集LY=LY?{Ln}。

③對(duì)協(xié)同矩陣進(jìn)行映射，抽取將LY的映射資源，再將抽取結(jié)果推薦給目標(biāo)模擬用戶OY。

3）若目標(biāo)模擬用戶OY檢索資源滿足推薦資源TY，則將TY與LY分別導(dǎo)入?yún)f(xié)同過濾矩陣的行參量與縱向參量，并將所得的推薦結(jié)果進(jìn)行二進(jìn)制標(biāo)記，標(biāo)記值為0。

至此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分推薦機(jī)制設(shè)計(jì)完畢。

3 基于協(xié)同過濾推薦的國防教育資源管理系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 仿真測(cè)試場(chǎng)景配置

將仿真測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過仿真測(cè)試工具，配置生成測(cè)試場(chǎng)景，場(chǎng)景具體配置如下：

建立SQL 仿真測(cè)試數(shù)據(jù)庫，通過歐特克仿真軟件與數(shù)據(jù)控對(duì)接，在仿真測(cè)試工具下屬配置文件中，定義DHRF.NET 數(shù)據(jù)庫文件。在文件中定義測(cè)試邏輯場(chǎng)景場(chǎng)次、測(cè)試環(huán)境動(dòng)量、仿真數(shù)據(jù)釋放種群數(shù)量、個(gè)體動(dòng)量變化幅度與時(shí)間變量發(fā)展邏輯動(dòng)態(tài)鏈系數(shù)。通過SJDE.APS 數(shù)據(jù)接口完成配置數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)庫與仿真測(cè)試工具三者間的數(shù)據(jù)對(duì)接與資源調(diào)度。通過創(chuàng)建指令將配置數(shù)據(jù)生成虛擬仿真測(cè)試場(chǎng)景，將設(shè)計(jì)系統(tǒng)載入場(chǎng)景，完成仿真測(cè)試場(chǎng)景的配置。

3.2 測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在創(chuàng)建的仿真場(chǎng)景中，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)資源管理推薦性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)如表1 所示。

3.3 對(duì)比樣本數(shù)據(jù)提取

根據(jù)表1 配置的仿真測(cè)試項(xiàng)目，抽取傳統(tǒng)國防教育資源管理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果及其對(duì)應(yīng)性能數(shù)據(jù)，如表2所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目與傳統(tǒng)樣本對(duì)比數(shù)據(jù)參數(shù)

表2 傳統(tǒng)國防教育資源管理系統(tǒng)仿真測(cè)試量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)及其性能數(shù)據(jù)

3.4 測(cè)試結(jié)果與分析

在創(chuàng)建的仿真場(chǎng)景中對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試，相同測(cè)試項(xiàng)目下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)結(jié)果如表3 所示。

表3 基于協(xié)同過濾推薦的國防教育資源管理系統(tǒng)仿真測(cè)試結(jié)果

3.5 測(cè)試結(jié)果與樣本結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

將表2 與表3 數(shù)據(jù)進(jìn)行提取整合，得到測(cè)試結(jié)果與樣本結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)見表4，對(duì)表4 數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果進(jìn)行分析，并得出測(cè)試結(jié)論。

表4 測(cè)試結(jié)果與樣本結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)

對(duì)比表4 中系統(tǒng)推薦資源處理用時(shí)，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)關(guān)鍵詞檢索資源（匹配資源）推薦資源一系列處理操作的用時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)相較樣本系統(tǒng)節(jié)省用時(shí)365 ms，特殊場(chǎng)景下長字串、多主題的推薦資源用時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)相較樣本系統(tǒng)節(jié)省1 257 ms，在處理時(shí)間上設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。在整個(gè)測(cè)試過程中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在推薦資源匹配度上基本能夠保持在98%以上，資源推薦的匹配精度明顯優(yōu)于樣本系統(tǒng)，符合實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用需求。

4 結(jié) 語

國防教育是愛國教育體系中的重要組成部分，國防教育資源隨著我國國防建設(shè)的不斷發(fā)展，資源量逐步增加，由此帶來的國防資源種類、資源更新速度、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為國防教育資源管理難題。依托數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，國防教育資源管理系統(tǒng)解決了這一難題。針對(duì)國防教育資源管理系統(tǒng)，資源推薦精度不高這一問題，通過采用硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與協(xié)同過濾推薦軟件機(jī)制相結(jié)合的方式，利用編程技術(shù)對(duì)國防教育資源管理系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，解決了推薦精度的問題，提升了推薦資源處理速度。但是，在大數(shù)據(jù)背景下依然存在海量數(shù)據(jù)的處理能力不足、推薦引擎智能化不高的問題，在日后的研究中有待進(jìn)一步提升。