知識圖譜技術(shù)在雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程中的應(yīng)用研究

劉立國

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

一、雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)的現(xiàn)實問題

雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程是雷達(dá)工程專業(yè)首次任職類必修課程，主要開展戰(zhàn)術(shù)想定背景下的雷達(dá)情報處理與運用分析、處理、情況處置等實踐，對于雷達(dá)原理與技術(shù)、雷達(dá)指揮、雷達(dá)情報處理與運用分析與處理的綜合運用能力、理論聯(lián)系實際、實踐動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)具有重要作用[1]。由于雷達(dá)情報處理與運用涉及的概念和原理復(fù)雜，而且其綜合實踐與實際應(yīng)用數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，涵蓋的數(shù)據(jù)類型多、數(shù)量大，使得傳統(tǒng)雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)面臨以下三個方面的現(xiàn)實問題：

1.教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用脫節(jié)。一方面，掌握雷達(dá)情報處理與運用實際應(yīng)用數(shù)據(jù)的單位由于沒有教學(xué)訓(xùn)練的使命任務(wù)，對于教學(xué)訓(xùn)練的需求不急迫、不明確，欠缺推進(jìn)實際應(yīng)用數(shù)據(jù)在實踐課程教學(xué)中運用的動力；另一方面，傳統(tǒng)雷達(dá)情報處理與運用綜合教學(xué)訓(xùn)練的內(nèi)容側(cè)重于“知識本位”，對于雷達(dá)情報處理與運用分析所需的結(jié)構(gòu)化思維和大數(shù)據(jù)分析視野的鍛煉不足，難以提升學(xué)生在面對實際應(yīng)用場景時的應(yīng)對能力。

2.課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)不適應(yīng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)。與雷達(dá)原理與技術(shù)等課程內(nèi)容不同，雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程作為一門操作性強(qiáng)、綜合性高的課程，涉及到的理論知識和實踐知識都非常多，而且知識之間關(guān)系復(fù)雜。由于當(dāng)前沒有對課程內(nèi)容所涉及的各方面知識統(tǒng)一做系統(tǒng)性的梳理，導(dǎo)致知識體系散亂，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以有效地、系統(tǒng)性地掌握教學(xué)內(nèi)容。

3.欠缺有效的實踐教學(xué)內(nèi)容管理工具。與普通的單一專業(yè)課程不同，雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程的教學(xué)內(nèi)容不但涵蓋了雷達(dá)原理與技術(shù)、雷達(dá)指揮以及情報分析與處理等多種課程的知識，且融合了實際系統(tǒng)操練和實際應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致傳統(tǒng)的教學(xué)工具難以有效呈現(xiàn)該課程龐大的知識體系和內(nèi)在邏輯。因此，需要研發(fā)面向雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程的教學(xué)內(nèi)容管理工具，以幫助學(xué)生更好地掌握課程的核心內(nèi)容。

二、基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)內(nèi)涵及其隱喻

知識圖譜技術(shù)開創(chuàng)了一種嶄新的信息檢索方法，給信息分析和推理難題帶來了全新的解法，為人類社會發(fā)展帶來了前所未有的變革[2]。實質(zhì)上，知識圖譜是一個展示實體相互聯(lián)系的語義系統(tǒng)，由節(jié)點和邊組成，節(jié)點代表實體、邊代表實體之間的聯(lián)系。知識圖譜不僅提供了一種直觀、容易理解的方式來表示知識，并且為現(xiàn)代問答系統(tǒng)、語義生成系統(tǒng)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等提供了基礎(chǔ)。

雷達(dá)情報處理與運用處理是指通過對雷達(dá)信號的收集、處理、分析和解釋，從而獲取有關(guān)目標(biāo)對象的情報信息的過程。知識圖譜的重要應(yīng)用場景之一是雷達(dá)情報處理與運用處理，它可以幫助軍事決策者更好地管理和掌握重要的雷達(dá)情報資源，進(jìn)而提高決策的效率和準(zhǔn)確性[3]。

本文提出基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)方法。首先，結(jié)合雷達(dá)情報處理與運用的概念和特點，構(gòu)建雷達(dá)情報處理與運用模型，探索雷達(dá)情報處理與運用知識圖譜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)建方法，并闡述知識圖譜與雷達(dá)情報處理與運用之間的關(guān)系。其次，實現(xiàn)雷達(dá)情報處理與運用的網(wǎng)絡(luò)本體語言（OWL）本體模型[4]，利用知識圖譜本體開發(fā)工具Protégé內(nèi)置的Onto-Graf 實現(xiàn)模型的可視化。最后，在雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程中，將構(gòu)建的雷達(dá)情報處理與運用本體模型和實際應(yīng)用數(shù)據(jù)匯聚到知識圖譜中，形成實踐課程的內(nèi)容管理工具。

通過研發(fā)雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)內(nèi)容的知識圖譜，可以有效解決傳統(tǒng)雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)面臨的三個問題，提升課程教學(xué)的成效。（1）實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用的緊密融合：知識圖譜匯聚了雷達(dá)情報處理與運用本體模型和實際應(yīng)用數(shù)據(jù)，提供了雷達(dá)情報處理與運用分析理論到實際應(yīng)用的一條清晰路線。（2）實現(xiàn)課程內(nèi)容的體系化梳理：雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐教學(xué)內(nèi)容的知識圖譜以結(jié)構(gòu)化的方式組織了課程涉及到的理論知識和實際應(yīng)用數(shù)據(jù)，通過知識圖譜可視化技術(shù)顯性表達(dá)了理論與實際應(yīng)用數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。（3）提供了高效的實踐教學(xué)內(nèi)容管理工具：在知識圖譜的構(gòu)建過程中，設(shè)計了合理的應(yīng)用框架，結(jié)合相關(guān)度高的實踐教學(xué)內(nèi)容管理軟件，提供了高效的教學(xué)內(nèi)容檢索方法。

總之，本文借助知識圖譜完成對雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程前序知識的梳理和總結(jié)，解決了學(xué)生知識點難以記憶和學(xué)習(xí)知識不夠體系化的問題，達(dá)到了在綜合實踐類課程中快速應(yīng)用以往知識的目的。

三、雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程的知識圖譜構(gòu)建

為了面向?qū)嶋H應(yīng)用場景開展基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐教學(xué)，需要構(gòu)建基于實裝雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)的知識圖譜，形成課程的教學(xué)內(nèi)容管理工具。本文采用的方法是雷達(dá)情報處理與運用知識圖譜的本體建模，其中需要滿足所構(gòu)建模型的基本要求，包括整體上邏輯嚴(yán)密、結(jié)構(gòu)完整、無明顯錯誤以及可以實現(xiàn)可視化。因此，本體建模過程中需要對其內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡，以確保其能實現(xiàn)上述要求。

對于雷達(dá)情報處理與運用，主要考慮三個方面。（1）地理環(huán)境方面，雷達(dá)情報處理與運用收集到的數(shù)據(jù)包含地理位置等信息，可以通過分析實體的分布和移動軌跡，在地圖上展示實體所處的位置和移動軌跡。（2）點航跡方面，通過實時監(jiān)測目標(biāo)的點跡，并根據(jù)點跡變化推斷出目標(biāo)的行動和意圖，如識別出目標(biāo)的速度、加速度、轉(zhuǎn)彎半徑等，以便分析目標(biāo)的規(guī)律和特征。（3）目標(biāo)方面，知識圖譜可以描述不同物體、船只或飛機(jī)的特征和屬性，例如大小、方向、速度、制造商等，這些屬性可以用來幫助分析人員更好地理解目標(biāo)，并向分析人員通知目標(biāo)潛在的意圖或目的，以便在必要時采取行動或使用相關(guān)情報預(yù)警。

要建立適合的模型，首先要充分了解建模的需求。雷達(dá)情報處理與運用作為重要的軍事情報，具有高度機(jī)密性、及時性、復(fù)雜性、數(shù)據(jù)量大、信息碎片化、裝備依賴性等特點[5]?；谏鲜鎏攸c，要系統(tǒng)構(gòu)建雷達(dá)情報處理與運用的模型，應(yīng)采取“關(guān)聯(lián)型”思維方式，由點及面才能做到獲得相對完整的模型。

“由點及面”是雷達(dá)情報處理與運用分析中的一種方法，是指通過收集、分析點航跡數(shù)據(jù)來推斷目標(biāo)位置、速度等信息，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出目標(biāo)的全貌形象。在進(jìn)行“由點及面”處理的過程中，首先需要獲取雷達(dá)目標(biāo)的點航跡數(shù)據(jù)。然后，采用各種分析方法，從這些點的軌跡中提取目標(biāo)的相關(guān)信息，例如位置、速度、加速度等，進(jìn)而將這些點連接起來，繪制出目標(biāo)的軌跡線。最后，通過聯(lián)想周圍環(huán)境來確定目標(biāo)的類型、規(guī)模和特征等，構(gòu)建出目標(biāo)的全貌形象。

在雷達(dá)情報處理與運用知識圖譜構(gòu)建過程中，可以借鑒OWL本體建模采用的{C、D、C、O、R}思路：第一個C 代表Classes 類設(shè)置；D 代表Data properties 數(shù)據(jù)屬性設(shè)置；第二個C 代表Cellfie 批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)模塊；O 代表Object properties 對象屬性（關(guān)系）設(shè)置；R代表Restriction 條件約束?；谠撍悸?，雷達(dá)情報處理與運用模型構(gòu)建步驟如下：（1）雷達(dá)情報處理與運用建模需求分析：明確構(gòu)建雷達(dá)情報處理與運用模型所需的因素。（2）類建立：明確所需的父類和相應(yīng)的子類，并設(shè)置相應(yīng)的類別。（3）雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)屬性設(shè)置：設(shè)置雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)中存在的屬性，以便順利導(dǎo)入后續(xù)數(shù)據(jù)。（4）雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)獲取及導(dǎo)入：通過爬蟲軟件等工具，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成Excel表格形式，通過Protégé軟件中自帶的Cellfie 模塊將Excel 表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中。（5）對象屬性的設(shè)置：定義實體之間的關(guān)系和屬性之間的關(guān)系。（6）雷達(dá)情報處理與運用模型檢查：對建立的雷達(dá)情報處理與運用模型進(jìn)行檢查和測試，確保其符合需求和規(guī)范。（7）雷達(dá)情報處理與運用模型輸出：將構(gòu)建的雷達(dá)情報處理與運用模型輸出到相應(yīng)的OWL格式，以滿足后續(xù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換以及模型導(dǎo)入操作。

四、基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程實踐路徑

基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程教學(xué)將實際應(yīng)用數(shù)據(jù)引入課程的實戰(zhàn)化施訓(xùn)中：通過某實際裝備的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，與雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐課程培養(yǎng)大綱相結(jié)合；將緊貼雷達(dá)情報處理與運用分析一線需求的軟件系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)提高后，設(shè)計能夠用于課堂實戰(zhàn)化教學(xué)的知識框架，構(gòu)建實踐教學(xué)的專業(yè)體系和知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的實踐素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實踐的思維方法[5，6]。

課程實踐過程按照雷達(dá)情報處理與運用分析流程劃分實踐單元，再按知識圖譜調(diào)試、數(shù)據(jù)回放、基于知識圖譜的情報分析劃分實踐層次，逐步練習(xí)熟悉基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用分析、處理和決策。本文以“某海域目標(biāo)行為分析實踐任務(wù)”為例，介紹基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用綜合實踐教學(xué)實施路徑。本次實踐任務(wù)采用的實裝數(shù)據(jù)為某型號雷達(dá)掌握的目標(biāo)飛行高度、速度特征等綜合航跡數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)教學(xué)方案中的模擬數(shù)據(jù)更有可信度。對訓(xùn)練后積累的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，在回放過程中形成案例報告，同時提取高價值目標(biāo)進(jìn)行分析處理，判斷當(dāng)前海域的態(tài)勢及疑似異常的目標(biāo)。

在知識圖譜調(diào)試階段，以掌握知識圖譜軟件的原理和操作為實踐任務(wù)，所涉及的操作包括雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)導(dǎo)入、綜合航跡查詢、高度異常值檢測、高度特征統(tǒng)計、分析結(jié)果顯示等。這些操作可以組合成一個具有雷達(dá)情報處理與運用獲取與分析的簡單完整分析流程，其中理解知識圖譜技術(shù)的原理為實踐重點。具體實施過程是：（1）示例準(zhǔn)備，教師在課前需要準(zhǔn)備基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用分析流程說明，以及協(xié)調(diào)有關(guān)單位獲取實裝的某海域雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)。（2）基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用分析理解，教師課前將實踐任務(wù)發(fā)布到教學(xué)平臺供學(xué)生下載自學(xué)，課中抽查學(xué)生是否理解知識圖譜的基本原理，是否熟悉基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用分析流程；學(xué)生課前下載相關(guān)資源并熟悉知識圖譜軟件工具的功能與接口，課中根據(jù)要求練習(xí)基本操作。（3）知識圖譜調(diào)試，課中教師發(fā)布實裝的某海域雷達(dá)情報處理與運用數(shù)據(jù)，學(xué)生基于對基于知識圖譜的雷達(dá)情報處理與運用模型的理解，調(diào)用相應(yīng)的軟件接口，將情報數(shù)據(jù)導(dǎo)入知識圖譜，自主調(diào)試?yán)走_(dá)情報處理與運用模型、排除錯誤直到運行結(jié)果正確。

在數(shù)據(jù)回放階段，以形成案例報告為實踐任務(wù)，利用知識圖譜軟件等工具描繪場景中各類目標(biāo)的情況是重難點。具體實施過程是：（1）理解數(shù)據(jù)回放任務(wù)，課前，學(xué)生在教學(xué)平臺上下載教師發(fā)布的實踐任務(wù)和相關(guān)教學(xué)資源，繪制任務(wù)實現(xiàn)流程圖；課中，教師抽查學(xué)生繪制的任務(wù)流程以確保其可行性。（2）目標(biāo)情況描繪，學(xué)生根據(jù)教師確認(rèn)后的任務(wù)流程回放按時空順序采集到的雷達(dá)數(shù)據(jù)，拆解各個目標(biāo)的基本數(shù)據(jù)，利用軟件工具分別繪制各目標(biāo)的活動航跡圖和目標(biāo)三維飛行圖，教師檢查學(xué)生繪制的目標(biāo)情況是否正確。（3）初步案例報告生成。課前，教師結(jié)合案例情景給出案例報告大綱；課中，將案例報告大綱發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生結(jié)合繪制的目標(biāo)情況，自主編寫初步案例報告，教師檢查學(xué)生編寫的初步案例報告。

在基于知識圖譜的情報分析階段，以實際雷達(dá)情報處理與運用分析為實踐任務(wù)，結(jié)合知識圖譜分析情報是實踐的重難點。具體實施過程：（1）情景理解，課前學(xué)生根據(jù)自己的能力從教學(xué)平臺中選擇并下載教師發(fā)布的實踐任務(wù)和教學(xué)資源，了解案例的背景，編寫案例情景流程概要；課中教師抽查學(xué)生編寫的案例情景流程概要，確保學(xué)生正確理解案例背景。（2）情報篩選，教師發(fā)布一個具有簡單完整功能的特定類型目標(biāo)分析需求，學(xué)生針對此需求，借助知識圖譜軟件工具查的情報篩選功能，查找重點關(guān)注的信息。（3）目標(biāo)行為分析，學(xué)生基于篩選出的重點信息，并結(jié)合案例背景信息，運用情報分析理論分析研判目標(biāo)的意圖，找出高價值目標(biāo)，完善案例報告。

在各個實踐階段，學(xué)生課后都要反饋實踐體會，供教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。教師全程答疑解惑并同時記錄學(xué)生的表現(xiàn)和任務(wù)完成度，根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)和實踐體會進(jìn)行反思調(diào)整。