基于語義相似度的工程裝備試驗設(shè)計知識檢索系統(tǒng)

摘" 要： 針對工程裝備作戰(zhàn)試驗與在役考核方案和大綱設(shè)計（簡稱工程裝備試驗設(shè)計）專業(yè)性強、難度高、知識重用率低等問題，提出一種基于語義相似度的知識檢索系統(tǒng)。首次構(gòu)建工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域本體模型，實現(xiàn)案例知識的規(guī)范化表示，為知識重用奠定基礎(chǔ)。為提高案例檢索的準(zhǔn)確性，設(shè)計一種基于語義相似度的工程裝備試驗設(shè)計案例的雙層檢索方法，實現(xiàn)設(shè)計前與設(shè)計過程中相似案例的一次與二次精準(zhǔn)推送。最后，以某型自行舟橋裝備在役考核大綱設(shè)計為例進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果證明，所設(shè)計系統(tǒng)能夠提高工程裝備領(lǐng)域試驗設(shè)計的效率和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞： 工程裝備； 試驗設(shè)計； 語義相似度； 知識檢索； 知識重用； 本體模型； 同義擴展

中圖分類號： TN911?34； TP3" " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）12?0170?07

Semantic similarity based konwledge retrieval system of engineering equipment experiments design

JU Jinjun， CHEN Yulong， ZHANG Ying， WANG Hui， SONG Wanma

（Training Base， Army Engineering University of PLA， Xuzhou 221004， China）

Abstract： In order to solve the problems of strong professionalism， high difficulty and low rate of knowledge reuse in the scheme and outline design for operational test and in?service assessment of engineering equipment （engineering equipment experiments design）， a knowledge retrieval system is proposed. An ontology model for the field of engineering equipment experimental design is constructed for the first time， so as to realize the standardized representation of case knowledge， and lay the foundation for knowledge reuse. In order to improve the accuracy of case retrieval， the two?level retrieval method based on semantic similarity of engineering equipment is proposed， which can achieve precise one?time and secondary push of similar cases before and during the design process. Taking the design of in?service assessment outline for a certain type of self?propelled pontoon bridge equipment as an example for testing， the testing results show that the designed system can improve the efficiency and scientificity of experimental design in the field of engineering equipment.

Keywords： engineering equipment; experimental design; semantic similarity; knowledge retrieval; knowledge reuse; ontology model; synonymous extension

0" 引" 言

工程裝備試驗主要是檢驗裝備作戰(zhàn)效能和各類適用性指標(biāo)的系統(tǒng)性活動，為裝備的優(yōu)化設(shè)計、改進(jìn)改型提供意見建議[1]。其科學(xué)有效開展的前提是工程裝備作戰(zhàn)試驗與在役考核方案和大綱的設(shè)計（以下簡稱工程裝備試驗設(shè)計）?？己朔桨概c大綱設(shè)計涉及多學(xué)科知識交叉、多專業(yè)、多層次，是知識高度密集的復(fù)雜過程，存在指標(biāo)體系構(gòu)建難、考核科目設(shè)計難等問題[2]。

目前，考核方案與大綱設(shè)計依賴于專業(yè)人員的經(jīng)驗積累，輔以手冊、圖書等，缺乏對工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域顯性及隱形經(jīng)驗知識的規(guī)范化表示和檢索重用，設(shè)計效率低、難度大。

本體[3]是對特定領(lǐng)域內(nèi)概念、術(shù)語及關(guān)系進(jìn)行抽象而建立的一種形式化知識描述，可實現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)知識的規(guī)范化表示，為知識檢索重用提供基礎(chǔ)。本體在生物醫(yī)藥、工程、運輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，王姝婷等構(gòu)建了產(chǎn)品維修工程案例本體模型，基于案例相似度和適應(yīng)度實現(xiàn)相似歷史案例的推送，為產(chǎn)品維修提供借鑒[4]。近年來本體在軍事領(lǐng)域也逐漸得到運用，羅蕾構(gòu)建了作戰(zhàn)模擬應(yīng)用的案例本體，為模擬應(yīng)用案例庫的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[5]；彭超等結(jié)合本體和作戰(zhàn)仿真特點，開展了作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域的本體構(gòu)建研究，提出了本體構(gòu)建的原則和流程，對本體的軍事應(yīng)用有一定借鑒意義[6]。但現(xiàn)有軍事與本體結(jié)合的研究仍相對偏少，未涉及工程裝備作戰(zhàn)試驗設(shè)計領(lǐng)域問題；且基于本體的案例推理方法僅為在設(shè)計前的相似案例一次性推理，未考慮設(shè)計過程中推送案例相似度的改變，缺乏針對性。基于此，本文整理并分析工程裝備試驗領(lǐng)域設(shè)計知識，首次構(gòu)建裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域本體模型，設(shè)計一種基于語義相似度的工程裝備試驗設(shè)計案例雙層檢索算法。在工程裝備試驗設(shè)計前，提出一種基于本體概念語義相似度的案例推送算法，實現(xiàn)相似歷史案例的一次推送；在設(shè)計過程中，建立領(lǐng)域同義詞詞庫，綜合覆蓋通用知識的同義詞詞林，對實時內(nèi)容進(jìn)行查詢擴展，利用Lucene文本檢索引擎實現(xiàn)對歷史案例二次推送，提高工程裝備領(lǐng)域試驗設(shè)計的效率和科學(xué)性。

1" 工程裝備試驗案例本體構(gòu)建

工程裝備試驗大綱和方案是試驗考核知識的重要載體，蘊含著專業(yè)人員寶貴的經(jīng)驗知識，能夠為工程裝備試驗設(shè)計提供關(guān)鍵性的借鑒和參考。歷史案例的重用將極大提高設(shè)計的效率，降低設(shè)計的難度。目前，工程裝備試驗大綱和方案多為不同專業(yè)人員按照經(jīng)驗編寫，知識具有個人特點鮮明、表達(dá)形式不同、碎片化的特點，重用難度大。因此，需要構(gòu)建規(guī)范化的工程裝備試驗大綱和案例知識表示體系。本體作為對領(lǐng)域知識的規(guī)范化描述，包含了該領(lǐng)域的核心概念和概念間的層級關(guān)系，其構(gòu)建不僅有利于領(lǐng)域知識的規(guī)范化表述，也可為案例的相似度計算提供語義層面的支持，提高知識的重用性和共享性。

本文對工程裝備試驗領(lǐng)域的歷史大綱和方案進(jìn)行梳理、總結(jié)、抽象，首次構(gòu)建工程裝備試驗領(lǐng)域知識本體模型，規(guī)范化表示和管理歷史設(shè)計案例數(shù)據(jù)，為知識重用奠定基礎(chǔ)。本體建模常用的方法有骨架法、Bernaras法、七步法[7]等，其中運用較為廣泛的是由斯坦福大學(xué)提出的七步法，開發(fā)流程如圖1所示，其建模便捷、邏輯清晰，符合人的思維方式。本文采用七步法構(gòu)建裝備試驗領(lǐng)域本體模型，步驟如下：

1） 確定知識本體專業(yè)領(lǐng)域及范疇

工程裝備試驗設(shè)計是圍繞眾多不同類型工程裝備，在不同條件下針對性考核其作業(yè)效能等指標(biāo)的活動，其設(shè)計主體為工程裝備，因此，本文從考核對象出發(fā)，確定構(gòu)建領(lǐng)域本體為工程裝備類型。

2） 復(fù)用現(xiàn)有知識本體

通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前尚無關(guān)于工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域本體的研究。因此，本文創(chuàng)造性地實現(xiàn)了工程裝備試驗領(lǐng)域本體模型的構(gòu)建。

3） 列出本體中重要概念術(shù)語

本體構(gòu)建的前提是領(lǐng)域知識梳理與分析以及重要概念的抽象與組織。工程裝備隸屬于工程兵專業(yè)，本文通過調(diào)研工程兵專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)資料，分析歷史試驗方案和大綱、咨詢領(lǐng)域?qū)＜遥崂硌b備試驗考核領(lǐng)域的重要概念術(shù)語，具體內(nèi)容如圖2所示。

4） 定義概念和概念之間的層次體系

由于工程裝備試驗是圍繞不同類型工程裝備展開的，因此本文依據(jù)工程裝備的類別和型號進(jìn)行層級劃分，如圖3所示。

5） 確定概念的屬性

概念的屬性表示其區(qū)別于其他概念的特殊性質(zhì)，本文根據(jù)試驗考核對象特點梳理屬性集合：{案例類別，地理環(huán)境，列裝部隊類型，使用場景，功能部件}，內(nèi)容如下：

案例類別：由于工程裝備試驗設(shè)計分為試驗大綱和方案，故案例類別為大綱或方案。

地理環(huán)境：地理環(huán)境不同，裝備的結(jié)構(gòu)特性也會有所區(qū)別。不同地理環(huán)境下的裝備需有針對性地進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗。根據(jù)裝備試驗要求，試驗的地理環(huán)境可分為高原、平原、瀕海三類。

列裝部隊類型：工程裝備主要列裝于工化旅和合成旅，而不同類型部隊對裝備的性能要求側(cè)重點不同，如輕型合成旅要求裝備具有較好的機動性。因此，試驗考核設(shè)計需考慮裝備的列裝部隊類型。

裝備使用場景：使用場景不同導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)功能存在差異，主要包含水面、陸上、兩棲等。

功能部件：不同工程裝備所具有的功能不同，需要重點考核的結(jié)構(gòu)部件也有所區(qū)別。而具備相似功能的結(jié)構(gòu)部件，即便裝備類型不同，其在該部件考核的側(cè)重點上也往往相似，具備參考借鑒意義。如掃雷車和沖擊橋是兩種不同類型的裝備，但在考核裝備機動性能時，兩款裝備同屬于履帶式底盤結(jié)構(gòu)，具備借鑒意義。

6） 定義屬性的約束

工程裝備試驗設(shè)計本體屬性值類型均為實體。

7） 創(chuàng)建實例

根據(jù)構(gòu)建的本體模型，創(chuàng)建一個具體類的實例，明確屬性值。如案例A在本體中表示如下：裝備型號為地爆裝備，掃雷裝備、X1型號；案例類別為大綱，地理環(huán)境為高原和平原，使用情景為陸上；列裝部隊類型為中型合成旅，功能結(jié)構(gòu)為輪式。

2" 工程裝備試驗設(shè)計知識檢索方法

工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域本體規(guī)范化表示裝備試驗設(shè)計知識，是工程裝備試驗設(shè)計案例知識檢索重用的基礎(chǔ)。基于本體的知識檢索方法從語義角度實現(xiàn)相似案例知識檢索推送，能夠提高知識檢索的準(zhǔn)確率[8]。但現(xiàn)有的基于本體的案例知識檢索方法多為在案例編寫前，依據(jù)本體相似度大小的一次檢索推送，而忽略了案例設(shè)計過程中因?qū)崟r輸入內(nèi)容不同而導(dǎo)致的一次檢索案例相似度變化，缺乏針對性。因此，本文設(shè)計一種基于語義相似的工程裝備試驗設(shè)計案例雙層檢索方法。在案例設(shè)計前，利用基于工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域本體的語義相似度知識檢索算法，計算目標(biāo)案例與歷史案例相似度，實現(xiàn)相似歷史案例的一次推送，幫助試驗設(shè)計人員梳理設(shè)計思路；在實際設(shè)計過程中，考慮由于具體輸入內(nèi)容的不同，一次推送案例與目標(biāo)案例的相似度可能會隨之改變，建立領(lǐng)域同義詞詞庫，利用基于同義詞查詢擴展方法實現(xiàn)推送案例的二次檢索和歷史案例的實時精準(zhǔn)推送，提高工程裝備試驗設(shè)計的針對性和科學(xué)性。

2.1" 基于領(lǐng)域本體語義相似度的知識檢索算法

基于領(lǐng)域本體的案例知識檢索是裝備試驗設(shè)計知識重用的一個重要問題。目前，基于本體的檢索方法主要包含基于語義距離的相似度計算方法[9]、基于信息內(nèi)容的計算方法[10]及基于屬性的計算方法[11]，這些方法都是基于單因素的相似度計算方法，只考慮了一種影響因素?；旌鲜接嬎惴椒ňC合考慮多種因素，是目前相似度計算的重要研究方向。本文綜合考慮概念語義距離和屬性語義相似度，設(shè)計雙層檢索算法，提高檢索準(zhǔn)確度。

2.1.1" 本體概念語義距離相似度計算

本文構(gòu)建的工程裝備試驗案例本體概念模型具有層次性，因此可以將每個本體概念看成一個節(jié)點，通過計算節(jié)點間的歐氏距離來衡量節(jié)點間語義相似度。兩個節(jié)點之間的距離越近，則二者所表示的概念之間語義相似度越大。語義相似度[5]Sg公式為：

[Sg=simfli，fRi=1-fli-fRiki] （1）

式中：sim為相似函數(shù)；[fli]、[fRi]分別表示目標(biāo)案例和案例庫中歷史案例本體的第i個概念值；ki表示第i個概念值的取值范圍。在工程裝備試驗設(shè)計案例中，由于各本體概念取值類型多為實體類型，難以進(jìn)行簡單的量化，因此結(jié)合裝備試驗考核領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)[12]，將[simfli，fRi]重新定義為：

[Sg=simfli，fRi=2DeptOnto-1-MinDistfli，fRi2DeptOnto-1] （2）

式中：[DeptOnto]表示本體概念的深度，為概念節(jié)點與根節(jié)點的最短路徑中所包含的邊數(shù)；[MinDistfli，fRi]表示概念[fli]、[fRi]在本體結(jié)構(gòu)層次中最短路徑的歐氏距離。路徑距離[MinDistfli，fRi]越小，節(jié)點深度[DeptOnto]越大，相似度值[Sg]越大。為便于計算，本文采用簡化處理的方式，將相鄰概念節(jié)點之間的語義距離定為單位距離1。

以圖3渡河裝備中自行舟橋下裝備型號X1和Xn為例，二者歐氏距離為它們在渡河裝備的子類自行舟橋下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對應(yīng)節(jié)點的幾何距離。

為綜合考慮語義路徑距離和節(jié)點深度對相似度的影響，提高算法的精確度，對式（2）中[DeptOnto]的定義[13]進(jìn)行改進(jìn)，表達(dá)式為：

[DeptOnto=Depth（fli）+Depth（fRi）1+Depth（fli）-Depth（fRi）] （3）

式中：[Depth（fli）]和[Depth（fRi）]分別為概念[fli]和[fRi]的節(jié)點深度。當(dāng)語義距離相同，兩個概念節(jié)點所處深度越大，概念間的相似度就越大。

2.1.2" 案例屬性語義相似度計算

本文采用屬性相似度衡量案例屬性值的相似性。考慮到工程裝備試驗案例屬性值均為實體類型，難以量化表示，本文對上文七步法列舉的屬性進(jìn)行梳理和層次劃分，如圖4所示。

圖4中，列裝部隊屬性中，與列裝“重型合成旅”的裝備相比，列裝“輕型合成旅”的裝備與“中型合成旅”裝備的相似度更高，所以圖中“列裝部隊”屬性首先劃分為輕中型合成旅、中重型合成旅兩類，再分別進(jìn)行細(xì)分，以確保在按照節(jié)點距離計算相似度時，輕型合成旅裝備和中型合成旅裝備的距離小于輕型合成旅裝備和重型合成旅裝備間的距離。

在屬性層次結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，借鑒基于本體語義距離相似度計算方法，計算案例屬性相似度，公式為：

[Sp=i=1nωi·simpli，pRisimpli，pRi=2DeptOnto'-1-MinDistpli，pRi2DeptOnto'-1] " " （4）

式中：[ωi]是第i個屬性的權(quán)重；[pli]、[pRi]分別為目標(biāo)案例和歷史案例第i個屬性?？紤]不同裝備試驗設(shè)計中各屬性權(quán)值不同，本文暫將[ωi]的權(quán)重值簡單取為[1n]（n為屬性個數(shù)），實際應(yīng)用中該權(quán)重取值應(yīng)根據(jù)試驗考核需求更改。

2.1.3" 領(lǐng)域本體語義相似度計算

加權(quán)概念語義距離相似度和案例屬性語義相似度，可得目標(biāo)案例與候選案例的相似度S為：

[S=w1Sg+w2Sp]" " " （5）

式中：w1、w2分別為概念語義距離相似度和屬性語義相似度的權(quán)重。

系統(tǒng)在進(jìn)行案例推送時，根據(jù)相似度的大小進(jìn)行降序排列。整個案例檢索推送過程如圖5所示。

在對設(shè)計文檔內(nèi)容進(jìn)行編輯前，輸入待設(shè)計案例本體實例化信息，系統(tǒng)利用基于本體的語義相似度檢索算法計算目標(biāo)案例與案例庫中歷史案例的概念語義相似度和屬性語義的加權(quán)相似度，按照相似度大小排序歷史案例，輸出一次檢索的相似案例。

2.2" 基于關(guān)鍵詞同義擴展二次檢索算法

在實際設(shè)計過程中，根據(jù)具體輸入內(nèi)容的不同，一次推送案例與目標(biāo)案例的相似度會發(fā)生改變。因此，需要根據(jù)實時輸入內(nèi)容，計算一次推送結(jié)果與目標(biāo)案例相似度，實現(xiàn)更具有針對性的二次推送。

目前，基于關(guān)鍵詞的檢索方法是信息檢索領(lǐng)域最為簡單、成熟、有效的一種方法，應(yīng)用廣泛[14]，但這類檢索算法在異形同義檢索方面表現(xiàn)不佳。由于語言習(xí)慣、知識環(huán)境、全稱和簡稱等影響，不同人員對同一概念可能存在不同的表達(dá)方式，如個人計算機、筆記本電腦、PC表述不同，但本質(zhì)上是相似或同一概念。因此，利用關(guān)鍵詞檢索算法是一種機械式匹配方式，缺乏語義信息，存在漏檢、檢索準(zhǔn)確率不高、查不全的問題[15]。

針對此問題，本文基于Lucene中文檢索引擎，引入關(guān)鍵詞同義擴展查詢思想，將關(guān)鍵詞擴展為能全面表述其語義的詞組，克服關(guān)鍵詞異形同義問題，實現(xiàn)相似案例的實時精準(zhǔn)推送，提高工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域的效率和科學(xué)性。

工程裝備試驗設(shè)計涉及通用性詞語和專業(yè)領(lǐng)域詞語，因此，本文構(gòu)建兼顧通用知識和專業(yè)領(lǐng)域知識的工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域同義詞詞庫。其中，通用知識同義詞詞典選用《同義詞詞林（擴展版）》[16]，其共包含77 343條詞語，分為1 400個小類，能對大部分通用詞進(jìn)行同義擴展。對于專業(yè)領(lǐng)域同義詞詞典構(gòu)建，考慮到在工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域尚無其相關(guān)的同義詞詞庫，通過挖掘《中國人民解放軍軍語》中工程裝備試驗設(shè)計相關(guān)用語、咨詢工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜?、查閱資料等方式，整理具有指導(dǎo)性的相似語義詞語，首次建立工程裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域同義詞詞典，部分同義詞見表1。

基于關(guān)鍵詞同義擴展的檢索流程如圖6所示。

在編輯文檔時，捕捉實時關(guān)鍵詞，分別利用通用知識同義詞詞典和專業(yè)領(lǐng)域同義詞詞典進(jìn)行擴展，生成擴展同義詞集合。在相似度較高的前N個一次推送案例，利用Lucence搜索引擎檢索同義關(guān)鍵詞集合，根據(jù)檢索結(jié)果對一次推送案例進(jìn)行重排序，取前M篇或相似度大于某閾值的歷史案例推送。

3" 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1" 系統(tǒng)功能

工程裝備試驗設(shè)計的關(guān)鍵步驟是考核指標(biāo)體系的構(gòu)建和相似歷史案例的推送。系統(tǒng)應(yīng)用.NET平臺設(shè)計，基于所提工程裝備試驗設(shè)計本體模型及雙層知識檢索算法，完成相似指標(biāo)及歷史案例的推送，輔助設(shè)計者重用歷史經(jīng)驗知識，實現(xiàn)工程裝備試驗的高效設(shè)計。系統(tǒng)功能如圖7所示。

3.2" 試驗分析

收集整理工程裝備試驗案例，建立案例庫和本體模型。以某型自行舟橋裝備在役考核大綱設(shè)計為例進(jìn)行試驗。在構(gòu)建指標(biāo)體系時，輸入待設(shè)計方案本體實例化信息，計算待設(shè)計方案與歷史案例庫的本體語義相似度，完成一次檢索推送。按照相似度降序?qū)⑾嗨瓢咐帕性谙路浇Y(jié)果欄中，指導(dǎo)工程裝備試驗文檔設(shè)計，結(jié)果如圖8所示。

實際設(shè)計過程中，根據(jù)具體輸入內(nèi)容不同，系統(tǒng)捕捉關(guān)鍵詞，利用基于關(guān)鍵詞同義擴展檢索方法在前N個一次推送案例中進(jìn)行二次檢索，根據(jù)實時設(shè)計內(nèi)容有針對性地調(diào)整案例推送順序，提高案例推送的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，推送結(jié)果如圖9所示。

指標(biāo)體系構(gòu)建完成后，進(jìn)行該型裝備在役考核大綱設(shè)計，方法同指標(biāo)體系構(gòu)建，其檢索推薦界面如圖10所示，其中虛線框中為推送的結(jié)果及歷史案例相似度，歷史案例的相似度最高為82.32%。

4" 結(jié)" 語

針對工程裝備作戰(zhàn)試驗與在役考核設(shè)計專業(yè)性強、難度大、效率低的問題，本文設(shè)計一種基于工程裝備試驗設(shè)計案例語義相似度的知識檢索系統(tǒng)，將本體的概念引入裝備試驗設(shè)計中，首次構(gòu)建裝備試驗設(shè)計領(lǐng)域本體模型，規(guī)范化表示裝備試驗設(shè)計知識，為知識的重用奠定基礎(chǔ)；其次，提出一種基于本體概念語義距離相似度和案例屬性相似度雙層檢索算法，提高檢索推送的準(zhǔn)確率和效率，有效提高工程裝備試驗設(shè)計的針對性和科學(xué)性。以某型自行舟橋裝備在役考核大綱設(shè)計為例進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)可實現(xiàn)工程裝備試驗設(shè)計歷史案例的實時精準(zhǔn)推送。

注：本文通訊作者為張穎。

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