基于本体框架的海军装备保障计划数据模型构建

莫攀飞 李启元

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



基于本体框架的海军装备保障计划数据模型构建

莫攀飞 李启元

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

为满足海军装备保障计划在保障单元间高效交流共享及自动化操作处理的要求,文章建立海军装备保障计划本体框架,对行动功能关联进行形式化表达,构建行动功能关联数据模型,形式化的阐述资源、能力以及它们之间的关联,扩展海军装备保障资源概念并构建资源数据模型。案例表达表明:行动功能关联和资源数据模型能够很好地表述装备保障行动序列、资源和能力。

海军装备保障计划; 本体; 功能关联; 资源; 能力

Class Number TP391.9

1 引言

装备保障计划是装备保障行动高效有序执行的前提,保障计划在各计划执行单元间高效的交流和共享是保障计划必须满足的现实要求。装备保障计划的研究工作始于作战计划的研究,当前计划的研究工作主要有基于本体的计划表述[1～4]、计划生成[5]以及计划的一致性表达[6～7]等方向。基于本体的计划表述可以实现人与人之间对于装备保障计划无歧义理解,在计算机自动化处理以及计划的推理校验方面也有较大优势。当前基于本体的计划表述相关研究大多建立了领域本体[1～4]来表达计划,海军装备保障计划涉及的保障资源种类繁多、保障方式多样以及功能型资源组合基础上能力作用关系的复杂使得当前已有的通用领域本体和其他领域本体不能最佳适用于海军装备保障计划的表达和校验。

本文在海军装备保障行动概念分析基础上,结合CPR本体模型[8]以及JC3IEDM数据模型[9～10]构建海军装备保障计划本体框架模型,给出了行动功能关联、资源和能力的形式化定义,构造了行动功能关联和资源数据模型,为行动序列生成、资源编组、保障能力匹配和校验的实现奠定基础。

2 海军装备保障计划本体框架模型

海军装备保障行动概念分析是构建海军装备保障计划本体框架的基础,目标是提取计划诸要素概念并理清其逻辑联系。其根本目标是解决“谁利用什么资源采取什么行动达成什么目标”的问题,保障行动序列是海军装备保障计划的主体,保障资源和保障能力通过资源需求与能力需求与行动序列相关联。

如图1所示,行动序列、资源和效能评估构成海军装备保障计划本体框架的三个主要部分。行动序列作为装备保障计划的主体,通过原子行动和行动关联描述行动执行的顺序关系以及时间、空间约束;其能力需求和资源需求将行动序列和资源、能力有机联系起来;资源和能力包为实现资源编组、资源分配以及校验匹配奠定了基础。

图1 海军装备保障计划本体框架

3 装备保障行动序列表述

由图1可知,装备保障行动计划主体是由行动/原子行动以及行动间执行的逻辑关系构成一张有向图。行动间功能关联是行动间执行顺序逻辑关系的描述,行动功能关联全面的分类、准确的形式化表达、有效的数据模型构造是海军装备保障方案/计划表述的基础。

3.1 行动间功能关联形式化表达

文献[11]中将作战行动执行的逻辑关系分为七种,其形式化定义缺乏对于行动执行逻辑顺序本质的描述,本文通过引入行动输入、输出将七种关联关系简化为顺序、并发、条件和聚合关系四种基本关系。七种关系中同步关系可通过时间关联表述,循环关系是条件关系的特殊情况,或关系并不适用于海军装备保障行动。四种基本关系可以有效表述海军装备保障行动中所有行动关系。

原子行动指不能分解为其他行动组合的行动。假设Actions={Act1,Act2,…,Actn}是所有原子行动Acti构成的集合,1≤i≤n,η是行动Acti的输入或输出,Condi是执行Acti后序行动的触发条件,可为空。

顺序关系SeqR表示行动间的直接相关关系,∀Acti,Actj∈Actions,若满足 1)Acti的输出η是Actj的输入; 2) 在Acti的输出η流通连线上,Acti和Actj之间不存在其他原子行动; 3)Actj执行不需要Condi的触发,则Acti、Actj符合顺序关系SeqR(Acti,Actj)。

· 并发关系ConcR:假设Act⊆Actions,满足 1)Act中任意两个行动间无η输入输出关系; 2)Acti∈Actions,且Acti∉Act,∀Actm∈Act,Acti与Actm符合SeqR(Acti,Actm),则Acti、Act符合并发关系ConcR(Acti,Act),且Acti是Act的先序行动。

· 条件关系CndR:假设Act⊆Actions,∀Actm∈Act,m∈[1,n],若满足 1)Acti∈Actions且Acti∉Act,Acti输出η可以满足Actm; 2)Acti输出η由触发条件Condi确定是否流向Actm,则Acti、Act满足条件关系CndR(Acti,Act)。

· 聚合关系AggR:假设Act⊆Actions,∀Actm∈Act,m∈[1,n],若满足 1)Act中任意两个行动间无η输入输出关系; 2)Acti∈Actions,且Acti∉Act,Actm与Acti符合SeqR(Actm,Acti); 3) 设Actm输出ηm,集合Act中所有行动的输出是Acti的输入,则Act、Acti满足聚合关系AggR(Act,Acti)。

3.2 行动间功能关联数据结构模型

由行动功能关联形式化定义可知:顺序关系是对行动执行先后顺序的表述;并发关系是对先序行动和后序行动集执行顺序的表述,可看作多个顺序关系的并行表述;条件关系是对条件约束下后序行动选择表述,多项条件可转化为单个的条件集合;聚合关系中后序行动需要先序行动集中所有行动的输出,可以将后序行动的触发条件设置为Condj,满足Condj表明后序行动已经具备所有输入可以执行,它是对满足此特性的行动关系的描述;由此可知顺序、并发可以看作条件关系Cond为空的特例,而聚合关系可以看作条件关系“满足Condj就执行后序行动,不满足就等待”的特例。因此可将行动功能关联的数据结构定义为统一形式,如图2(a)所示。顺序关系Cond为空,后序行动集为单个元素,指向下一原子行动,如图2(b)所示;并发关系Cond为空,后续行动集为链表形式,指向Act中原子行动,如图2(c)所示;条件关系中将多个条件转化为单个的条件集合,后续行动集中为两个元素,分别指向条件判断后不同执行路线,通过在null行动中合理设置Cond实现行动选择,如图2(d);聚合关系先序行动集中行动结点的条件存放后序行动执行的触发条件Condj,以此判定先序行动集合各个行动是否完成,行动结点的后续行动集中为指向后序行动的单个元素,如图2(e)所示。

图2 功能关联数据模型

3.3 行动网络数据结构表述

图3是一个计划网络,结点1和结点2满足顺序关系,结点4在条件Condk下循环执行;结点3、结点5和结点6构成选择关系,结点3执行完成之后在Cond1条件下执行结点5,在Cond2条件下执行结点6;结点4、结点6和结点7构成聚合关系,结点7为后序结点;结点5、结点7和结点8构成聚合关系,结点8是后序结点。这是一个典型的行动计划网络,其中包含了顺序、并发、选择、聚合和循环五种行动逻辑关系,图4用定义的数据结构表示该行动网络。时间、位置约束可以通过对结点添加属性实现,不再表述。

图3 计划网络

图4 计划网络数据结构

结点4的特殊性在于自身构成循环关系并与结点6、7构成聚合关系,结点4执行后判断循环条件Condk,满足条件则调用后续行动集中指向行动自身的指针实现循环,否则跳出循环,执行结点NULL,NULL结点的作用是对是否执行结点7进行判断。由图4可知该数据模型可以较好地表述计划网络中复杂的行动关系。

4 装备保障资源和保障能力

海军装备保障资源是指保障海军作战需要的弹药、装备以及为作战提供技术保障所需要的器材、设备、人员和设施[12]。装备保障资源按其运用可以分为消耗型资源和功能型资源:消耗型资源随着资源的运用数量逐渐减少,需依靠补充来获取的资源类型;功能型资源具有可重复使用特性,且可与其他资源编组形成新的功能型资源。传统意义上将保障资源物化为具体的人员、器材等,本文将保障资源概念扩展为由资源要素、要素间结构和资源对输入和输出响应所构成的资源系统,资源对输入产生的响应输出称为资源所具备的保障能力,这是保障资源的内在属性,是由资源要素和要素间结构所决定的。在此基础上装备保障行动可以理解为要实现原子行动对资源的需求,或者说原子行动对保障能力的需求。

4.1 形式化定义

原子能力是相互独立、不可分割装备保障能力,可以表征为输入和输出之间的映射关系:Atomfi=f(Inputi,Outputi),Inputi是形成原子能力所必须信息流和物质流的描述,Outputi经过原子能力处理后产生的信息流和物质流描述。原子能力集合表示为F={Atomf1,Atomf2,…,AtomfN}。

装备保障能力Cap是由多项能力聚合或组合形成的模块化能力,设Cap形成能力集合M,则F⊂M,Cap可表示为Cap=G(U,Struct),其中U是能力集且U⊂M,Struct是U集中能力的相互作用关系,函数关系G既可反映消耗型资源聚合所产生的叠加关系,又可表述功能型资源组合产生新的功能关系。

原子资源是不可分割装备保障要素,AtomResi可由资源属性和资源能力进行表述AtomResi=〈ResAttri,Capi〉,ResAttri是原子资源固有属性的表达,Capi对应于原子资源所具备的保障能力,表达为Capi=Gi(Ui,Structi),Ui是构成Capi的能力集合且满足Ui⊂M。原子资源集合表示为ER={AtomRes1,AtomRes2,…,AtomResm},m为原子资源种类;原子资源具备的保障能力组成集合EC={Cap1,Cap2,…,Capm}。

保障资源概念扩展后,可由资源构成要素、结构和生成的能力表述,表征为:Res={R,ResStruct,Cap},设所有Res构成集合N,其中R是资源编组且R⊂N,既可是原子资源的AR的子集合又可是保障编组资源的集合;ResStruct是R的结构表述;Cap是保障资源所具备的保障能力,可表示为Cap=G(C′,ResStruct),C′满足C′⊂M。资源编组形成的能力实际上可以看作资源要素及要素能力、结构决定的,在资源要素一定的情况下,资源的能力由结构ResStruct决定,能力本身又由C′和映射函数G表达,这说明在资源要素确定情况下对资源编组而言资源编组的结构ResStruct与C′到Cap的映射函数G本质上是一致的。

4.2 数据模型

原子资源是保障资源的子集,可采用同一数据模型表述原子资源和保障资源编组,如图5(a)所示资源的数据模型主要由资源属性、资源编组要素及编组结构、资源能力的表述构成。各类资源编组主要有两种结构,一是聚合、二是组合,聚合主要面向消耗型资源的编组,组合主要面向功能型资源的编组。如图5(b)所示为利用该数据模型对资源的各要素进行表述。由能力形式化定义,原子能力与编组能力在定义上是一致的,如图5(c)所示原子能力可采用过程/函数形式实现,资源编组的能力同样可采用过程/函数形式实现,函数输入为资源编组要素所具备的能力,执行过程为能力相互作用的结构,输出为资源的能力。

图5 资源及能力数据模型

能力作为资源的内在属性,与资源编组要素的能力以及这些能力间相互作用的结构密切相关,能力的函数化表达使得资源能力的实现可以脱离于具体的资源及具体的能力,从而将能力的实现与能力间相互作用的结构联系起来,这与在形式化定义中资源要素确定情况下资源编组的结构ResStruct与映射函数G本质上是一致的结论是一脉相承的。

5 结语

海军装备保障计划本体框架实现了对领域概念的全面分类,表达概念之间的关联,为基于本体的海军装备保障计划的表述与生成奠定了良好的基础;案例表明构建的功能关联数据模型能够很好地表达行动序列间执行逻辑关系,资源数据模型能够有效的表述资源的要素、结构和能力。

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Data Model Construction of the Naval Equipment Support Plan Based on Ontology Frame

MO Panfei LI Qiyuan

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In order to satisfy efficient sharing of the naval equipment support plans between security units and automatic processing with computers, an ontology frame of the naval equipment support plan is established, and functional relationship of action sequences is addressed formally. Data structure of actions’ functional relationship is constructed, and the concept of resource, capability and the association of them based on formal expressions and extend the concept of naval equipment support resource is shown, then data model of resource is constructed. The case expression shows that the data models of actions’ functional relationship and resource are able to describe action sequences, resource and capability efficiently.

naval equipment support plan, ontology, functional relationship, resource, capability

2015年1月11日,

2015年3月7日 作者简介:莫攀飞,男,硕士研究生,研究方向:作战辅助决策技术。李启元,男,博士,副教授,研究方向:指挥信息系统仿真。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.040