面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)研究

李大偉，張本輝，門金柱

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

艦載直升機具有搜索反應(yīng)速度快、機動性強、搜索效率高等非對稱優(yōu)勢，在反潛反艦等任務(wù)中發(fā)揮著不可取代的作用。艦載直升機作戰(zhàn)效能的發(fā)揮與作戰(zhàn)環(huán)境密切相關(guān)，然而現(xiàn)行艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障體制中，存在著經(jīng)驗依賴性強、專業(yè)知識要求高、智能化水平低等問題，極大制約了艦載直升機作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，難以滿足能打勝仗對艦載直升機作戰(zhàn)能力的迫切需求。

張本輝等[1]在對艦載直升機作戰(zhàn)使用研究進行綜述時，提出了針對任務(wù)需求，分析海洋環(huán)境的影響情況，給出有利的搜、攻潛武器設(shè)備的使用方案或建議，提高了行動的科學性。劉軍[2]提出了戰(zhàn)場環(huán)境保障數(shù)據(jù)集成平臺的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計并實現(xiàn)了戰(zhàn)場環(huán)境保障數(shù)據(jù)集成平臺實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)容相對全面，但針對艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的針對性不高，不能滿足艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的需求。姚科明等[3]借鑒產(chǎn)品配置設(shè)計的思想，利用Visual C#編程語言和MySQL數(shù)據(jù)庫初步開發(fā)了艦載直升機的快速配置系統(tǒng)，但該系統(tǒng)針對于更高層次、更多兵力的配置規(guī)則庫的研究不夠深入，人機交互智能化程度也不高。專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家的決策過程來解決需要人類專家處理的復雜專業(yè)性問題的程序系統(tǒng)，也是人工智能領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、活躍的一個分支[4]。付舉磊[5]將專家系統(tǒng)的概念引入到城市消防輔助系統(tǒng)，提高輔助決策的準確性。何祁陽[6]提出了一種空中交通管制實時決策專家系統(tǒng)，基于專家系統(tǒng)實時對影響管制員決策的氣象參數(shù)作出警示并給出輔助建議，提高了管制員工作效率。

本文將專家系統(tǒng)概念引入到艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障領(lǐng)域，建立面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)，構(gòu)建艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的知識庫和數(shù)據(jù)庫，通過對不同機型不同載荷不同作戰(zhàn)模塊下的專家系統(tǒng)事實規(guī)則的研究，提高輔助決策的精準性，建立相應(yīng)的專家系統(tǒng)界面，實現(xiàn)人機交互，并將該系統(tǒng)在典型作戰(zhàn)場景下進行應(yīng)用。

1 面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)總體設(shè)計

人工智能的發(fā)展提供了作戰(zhàn)環(huán)境保障的新路徑，摒棄了傳統(tǒng)保障方式的延遲性、單一性、分散性和對專業(yè)人員的依賴性，專家系統(tǒng)作為人工領(lǐng)域最活躍的一個分支，將專家系統(tǒng)引入艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障，可提升作戰(zhàn)環(huán)境的獲取及時性、全面性和以任務(wù)為牽引、兵力平臺為核心、著眼作戰(zhàn)方案、突出關(guān)鍵要素等為原則的分析的準確性、科學性、針對性；可以更好地保障艦載直升機的使用安全，更好地提升艦載直升機作戰(zhàn)效能。

專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)由知識庫、推理機、數(shù)據(jù)庫、知識獲取機和人機接口等部分組成。基于專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計的艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境知識庫：是專家對艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境的經(jīng)驗與積累的邏輯化的結(jié)果，可將這些事實和規(guī)則經(jīng)計算機語言創(chuàng)建知識庫。

艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫的表與表、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這些關(guān)系可以理解成是專家知識與經(jīng)驗的邏輯性的體現(xiàn)。

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：獲取數(shù)據(jù)庫中所需的各項數(shù)據(jù)，豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時也起到對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的實時更新，起到知識獲取機的作用。

輔助決策系統(tǒng)：分析數(shù)據(jù)庫所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)分析得到合理方案，對指揮員決策提供輔助作用，可起到推理機的作用。

系統(tǒng)操作界面：設(shè)計出便于用戶操作的軟件界面，提高工作效率，起到人機接口的作用。

本系統(tǒng)通過各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的配合，實現(xiàn)將專家的知識與經(jīng)驗邏輯化、數(shù)字化，根據(jù)用戶的需求，快速準確地處理，并提供給用戶合理的數(shù)據(jù)與輔助決策，相較于傳統(tǒng)的保障方式提高了艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障工作中的準確性、科學性、針對性。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 專家系統(tǒng)知識庫研究

知識庫是專家系統(tǒng)的核心組成部分，知識庫中的知識來源于專家的長期的經(jīng)驗，知識庫中知識的質(zhì)量和體量決定了專家系統(tǒng)的推理能力，同時對知識庫的維護和更新提高了專家系統(tǒng)的性能。而在知識庫建立的過程，艦載直升機所需保障的作戰(zhàn)環(huán)境影響因素與機型、執(zhí)行任務(wù)的類型以及平臺裝備密切相關(guān)，當指揮員關(guān)注的任務(wù)類型和裝備發(fā)生變化時，知識庫應(yīng)該能夠快速精準的響應(yīng)。

2.1.1 艦載直升機作戰(zhàn)模塊劃分

對于艦載直升機而言，需要考慮的作戰(zhàn)環(huán)境因素不同，即使執(zhí)行同一作戰(zhàn)任務(wù)，在不同的作戰(zhàn)階段，環(huán)境因素的重要性也不相同。張本輝等[7]提出將艦載直升機作戰(zhàn)流程細化分為起降模塊、飛行模塊、指揮引導模塊、探測模塊、攻擊模塊等5個模塊。通過對艦載直升機作戰(zhàn)流程進行模塊化，并對各模塊的環(huán)境影響因素進行劃分，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建專家系統(tǒng)的知識庫，提高專家系統(tǒng)的效率和準確性。

2.1.2 艦載直升機作戰(zhàn)模塊影響因素分析

對于不同的機型、不同的作戰(zhàn)模塊，所涉及的平臺與裝備不盡相同。針對不同模塊的所屬平臺或裝備對各個模塊的環(huán)境需求即影響因素進行分析，例如探測模塊其影響因素分析，如圖2所示。給定機型條件下，探測模塊所對應(yīng)的平臺裝備有吊放聲納、聲納浮標、磁探儀。對吊放聲納影響較大的環(huán)境因素主要有聲速剖面、海流、海洋噪聲、海洋地形等，而對聲吶浮標影響較大的環(huán)境因素有聲速剖面、海流、海洋噪聲、海洋地形及風。雖然吊放聲納和聲納浮標的影響因素里有部分是相同的，但是，2個裝備對影響因素的要求是不一樣的。

圖2 探測模塊影響因素分析圖

2.1.3 面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)知識庫構(gòu)建

作戰(zhàn)環(huán)境影響知識庫是對各機型、各模塊、各裝備影響的集合、管理與查詢。同時指揮員現(xiàn)場決策所對應(yīng)的環(huán)境因素數(shù)據(jù)作為新的知識更新到知識庫中，提高專家系統(tǒng)的推理能力，從而提高作戰(zhàn)環(huán)境保障的效率和準確性。

知識庫所要實現(xiàn)需求有以下5點。

由作戰(zhàn)任務(wù)確定機型：艦載直升機的作戰(zhàn)任務(wù)主要包括運輸、反潛、反艦及預警，每個作戰(zhàn)任務(wù)所選擇的執(zhí)飛機型必定不同，因此針對該機型提供的保障方案必定是不同的。

由機型確定作戰(zhàn)模塊：由于機型之間作戰(zhàn)模塊存在差異，如預警直升機沒有攻擊模塊，可由機型選擇執(zhí)行任務(wù)流程中包括的模塊，而起降、飛行、指揮引導3個模塊是任何機型均具有的，所以機型之間的差異存在于探測和攻擊模塊之間。

根據(jù)作戰(zhàn)模塊確定裝備：各個作戰(zhàn)模塊所涉及的裝備不同，但一旦擁有該模塊便具有其完成模塊使命的必要裝備。

根據(jù)裝備確定影響因素：每個裝備擁有多個影響因素，且必須擁有至少一個影響因素。

影響因素映射數(shù)據(jù)：影響因素數(shù)據(jù)通過影響因素映射到裝備上。

2.2 專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫研究

2.2.1 數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)設(shè)計

知識庫需求分析確定作戰(zhàn)環(huán)境影響數(shù)據(jù)庫的概念數(shù)據(jù)模型的主要實體有機型、任務(wù)模塊、裝備、影響因素、影響因素數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計思路為：由機型對作戰(zhàn)模塊作出了選擇，確定執(zhí)行過程中作戰(zhàn)流程所包括的作戰(zhàn)模塊；再根據(jù)作戰(zhàn)模塊確定每個模塊所包含的裝備類型，而裝備又受到機型的限制；最后根據(jù)裝備確定機型在任務(wù)過程中所受到的影響因素。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

利用Power Designer建立數(shù)據(jù)庫的一般過程先建立概念數(shù)據(jù)模型，然后生成相應(yīng)的邏輯數(shù)據(jù)模型，接著生成物理數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)物理數(shù)據(jù)模型生成多種可以在MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)環(huán)境中運行的數(shù)據(jù)庫的腳本的全過程。

概念數(shù)據(jù)模型（CMD）簡稱概念模型，主要是用以描述現(xiàn)實世界的概念化的結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)特征的一種抽象化表示。

物理數(shù)據(jù)模型（PDM）是將概念模型被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫腳本的中間過程，是對真實數(shù)據(jù)庫的描述，其將概念模型的進一步抽象，根據(jù)概念模型對應(yīng)到具體數(shù)據(jù)模型的計算機實現(xiàn)。物理數(shù)據(jù)模型（PDM）主要包括表、字段、數(shù)據(jù)類型等，與概念模型有對應(yīng)的關(guān)系。

在生成物理數(shù)據(jù)模型（PDM）之后，利用Check Model檢查物理數(shù)據(jù)模型（PDM）是否正確，確定無誤后便可進入生成數(shù)據(jù)庫腳本。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫生成

數(shù)據(jù)庫腳本生成后使用可視化軟件Navicat for MYSQL進行生成數(shù)據(jù)庫。

3 面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)界面設(shè)計

艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障專家系統(tǒng)界面設(shè)計如圖3所示。

圖3 艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障專家系統(tǒng)界面

該界面可以實現(xiàn)系統(tǒng)和人的簡單交互，其主要實現(xiàn)的功能有環(huán)境數(shù)據(jù)查詢與預報、海圖要素界面可視化、輔助決策。該系統(tǒng)界面可使艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障更加簡便、易操作。

4 總結(jié)

本文初步構(gòu)建了面向艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)，通過對不同作戰(zhàn)任務(wù)、不同機型、不同載荷、不同作戰(zhàn)模塊下的專家系統(tǒng)事實規(guī)則的研究，在一定程度上提高了輔助決策的精準性和效率，有效提升艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境保障水平。當然，該系統(tǒng)還存在諸多不足，如功能較為簡單、界面還不夠美觀等，還有待進一步完善。可考慮使用知識圖譜等更加先進技術(shù)，使艦載直升機作戰(zhàn)環(huán)境輔助決策更加智能。