面向知识活动的指挥信息系统体系结构框架*

张兆晨，王俊，周光霞

(中国电科第28研究所 信息系统工程重点实验室，江苏 南京 210007)

0 引言

体系结构是对复杂系统一种较高层次的抽象。体系结构框架是体系结构设计的顶层架构和概念模型，是体系结构描述和集成的统一方法，它提供了开发和描述体系结构的规则、指南和产品模型[1]。以“适应环境”[2]为特征的第三次人工智能浪潮[3]，推动了指挥信息系统的自主学习、智能决策的能力生成，使其成为现代战争的“中枢神经”和“大脑”[4]，感知战场情报、预测战场态势，洞察战争走向，主导战争演变。当前DoDAF2.0(department of defense architecture framework),MoDAF1.2(British ministry of defense architecture framework)等主流体系结构框架主要关注系统在物理域、信息域的组成和行为描述，而以智能化为特征的新一代指挥信息系统的构建要求体系结构描述上升到认知域和社会域，充分发挥系统智能决策与人机协作能力。

本文提出一套面向知识活动的指挥信息系统体系结构框架，聚焦知识在感知、决策、控制中涌现出的作用，形成描述知识能力需求，以及知识发现、融合、运用、演化活动过程和活动效果的统一方法，为智能处理、敏捷适变的指挥信息系统体系结构开发提供顶层指导规范。

1 体系结构框架构建理念

信息主导理论[5]认为，信息活动环驱动业务活动环，信息活动的效果产生能力。在信息主导机理的基础上进一步提出知识活动作用机理,如图1所示，即知识活动是驱动智能化业务活动的核心动力，是业务活动环的“加速度”，知识活动的效能发挥能够提升业务活动的速度和精度。知识活动效果产生“智慧力”，即通过知识的提取、融合、运用等过程，涌现形成系统智能感知、决策、行动的能力，体现系统的“聪明”程度，而信息活动为知识活动效果的发挥提供信息汇聚、融合、更新等服务。知识活动将信息优势转化为决策优势，最终推动智能化的OODA(observe orient decide act)业务活动，形成行动优势。

(1) 侦察目标信息，进行信息分层聚类，挖掘信息内部的关联、变化趋势，提取与目标、行为、意图相关的知识。

(2) 对知识进行关联、推理，构建知识图谱[6]，实现对环境的认知、对意图的预测能力。

(3) 通过博弈推演，以知识服务的形式为趋势研判、指挥决策提供可靠的辅助建议。

(4) 通过作战行动反馈信息不断试错[7]，促进知识学习更新，以应对未来出现的类似情况。

2 体系结构框架视角组成

在知识活动作用机理的指导下，借鉴Zachman框架[8-9]的矩阵形式，参考统一体系结构框架UAF1.0(unified architecture framework)[10-11]，从构想、分类、活动、效果、协作、功能、性能等10个概念方面提出面向知识活动的体系结构框架,如表1所示。该框架以知识视角(knowledge viewpoint，KV)为核心，通过对知识活动及能力效果的描述，指导系统资源和技术标准分析，从而设计形成面向智能化作战的指挥信息系统架构。

图1 知识活动作用机理Fig.1 Mechanism of knowledge activity

全视角(all viewpoint，AV)和能力视角(capability viewpoint，CV)沿用了DoDAF2.0，其中能力视角(CV)主要描述业务相关能力，其他视角均在主流体系架构框架的基础上进行了新增或改进。

(1) 业务视角(business viewpoint，BV)：基于平战结合的思想，将DoDAF2.0作战视角概念扩展为业务视角，描述战时和训练的业务活动过程、协作活动、组织职责等。

(2) 信息视角(information viewpoint，IV)：定义信息类型，着重描述信息活动过程、活动协作过程、信息活动产生的能力及效果度量等。

(3) 知识视角(knowledge viewpoint，KV)：不仅包含知识分类、关联等静态属性的描述，还包含知识动态属性的描述，关注知识发现、提取、融合、服务、演化等活动过程，以及活动产生的能力和对活动效果的度量等，并定义信息活动对知识活动的支撑作用、知识活动对业务活动的驱动作用。

表1 面向知识活动的体系结构框架视角矩阵Table 1 Knowledge activity-oriented architecture framework viewpoint matrix

(4) 人机视角(human machine viewpoint，HMV)：深化UAF[12],NAF[13](north atlantic treaty organization architecture framework)等体系结构框架的人因视角，描述满足作战任务和作战能力的人机协作模式、人机权限分配、人机协作活动、活动效果以及协作接口标准等。

(5) 资源视角(resource niewpoint，RV)：扩展DoDAF2.0系统视角的设计范围，描述信息系统、主战装备、保障装备、基础设施、人员力量的体系资源组成、功能、性能、演进等。

(6) 技术视角(technology viewpoint，TV)：描述体系资源的接口标准，约束业务活动、信息活动和知识活动的规则，以及支撑系统运行的技术体系。

3 知识视角描述与设计过程

面向知识活动的体系结构框架聚焦于描述知识活动过程及其能力效果，以指导智能化指挥信息系统要素灵活协同，发挥智能决策能力。下面重点介绍知识视角及其设计过程。

3.1 知识视角描述

(1) 知识活动过程(KV-1)：将知识的提取、服务、运用、演化等活动连接，按照一定的逻辑顺序进行组合，形成对知识活动过程的描述，包含活动、连接关系、输入、输出等要素。

(2) 知识活动效果(KV-2)：描述知识活动产生的效果，将活动与能力关联，提出效果属性的度量标准，并以增量的方式展现对不同阶段能力效果的要求，包含能力、活动、能力活动关联、效果属性、度量标准等。

(3) 知识协作活动(KV-3)：描述跨领域、军种、部门、系统等单元之间的知识活动的协作过程，包含单元、知识活动、连接关系等要素。

(4) 知识能力分解(KV-4)：由业务概念和业务能力推导生成，提出支撑任务完成所需具备的知识处理运用能力，包含能力名称、标识、层次等要素。

(5) 知识能力关系(KV-5)：包含单向依赖、双向依赖、正向影响、反向影响等关系，包含能力、关联关系等要素。

(6) 知识分类(KV-6)：可分为概念性知识、规则性知识、历史性知识，以及支撑知识生成的计算、训练模型等，包含类型、名称、描述、关联的知识活动、作用等要素。

(7) 知识活动-信息活动关系描述(KV-7)：识别既有信息加工处理又有知识运用的活动，将它们关联映射，包括知识活动、信息活动、映射关系等要素。

(8) 知识活动-业务活动关系描述(KV-8)：识别知识活动对业务活动的支撑关系，通常业务活动是覆盖作战全过程的，知识活动则在业务活动的重要决策环节进行知识处理运用，提升智能作战能力，包括知识活动、业务活动、支撑关系等要素。

(9) 知识活动清单(KV-9)：收集KV-1中的所有活动，并直观地展现活动间的层级关系，包含知识活动名称、标识、层次等要素。

3.2 设计过程

(1) 知识能力分析：由业务概念和业务能力推导对知识处理、运用的能力需求，解析知识能力之间的关系，形成知识能力分解(KV-4)和知识能力关系(KV-5)。

(2) 知识活动设计：设计支撑业务活动和知识能力实现的知识活动过程(KV-1)；知识活动的逻辑关系可以验证知识能力关系(KV-5)；在知识活动过程中提取与协作相关的活动，形成知识协作活动(KV-3)；推导知识活动所需的知识分类(KV-6)，识别各类知识在活动中的作用；知识活动清单(KV-9)由知识活动过程(KV-1)自动导出。

(3) 活动效果度量：列出知识活动与知识能力的关联，提出知识活动的能力效果度量，形成知识活动效果(KV-2)。

(4) 活动映射关系生成：分析知识活动与信息活动的映射关系，以及知识活动对业务活动的支撑作用，形成知识活动-信息活动关系描述(KV-7)和知识活动-业务活动关系描述(KV-8)。

知识视角设计过程如图2所示。

4 应用实例

以反导作战筹划系统[14-15]为例进行知识视角设计，以验证知识视角的可行性和有效性。

4.1 知识能力分析

(1) 知识能力分解(KV-4)

业务概念可描述为红方预警雷达探测发现蓝方来袭导弹，筹划系统识别目标，指挥员下达导弹拦截指令，筹划系统进行导弹拦截方案生成，指挥员选择拦截方案，导弹发射进行拦截。这里不考虑对拦截效果评估以及二次拦截决策。筹划系统的业务能力包括导弹识别与行为预测能力、方案制定与推演能力。由此分析得到筹划系统为完成拦截任务所需具备的判定、推理、预测、关联、学习等知识处理与运用能力，建立第1层次知识能力分解树，如图3所示。

图2 知识视角设计过程Fig.2 Design process of knowledge viewpoint

图3 第1层知识能力分解树Fig.3 First level knowledge capability decomposition tree

(2) 知识能力关系(KV-5)

分析第1层次知识能力之间的依赖、影响关系，形成知识能力关系矩阵如表2所示。可以看出，依赖目标特征深度学习能力(Cp1)的能力数量最多，表明该能力为关键能力，其缺失对其他能力的影响最大，因此，在系统研制过程中应当重点关注并首先开展该能力的建设。

4.2 知识活动设计

(1) 知识活动过程(KV-1)

业务活动包括探测跟踪来袭导弹(Ba1)、预警信息综合处理(Ba2)、来袭导弹识别预测(Ba3)、拦截方案生成评估(Ba4)、拦截方案选择(Ba5)、下达拦截指令(Ba6)、导弹发射拦截(Ba7)。其中，知识活动支持智能化的来袭导弹识别预测与拦截方案生成评估。因此，筹划系统需要进行来袭导弹识别(Ka1)、来袭导弹轨迹预测(Ka2)、拦截方案生成(Ka3)、拦截方案推演评估(Ka4)4个知识活动,如图4所示，以保证业务活动开展，形成知识能力。需要说明的是，知识提取是在筹划前期完成，形成各种类型的知识库；知识运用是基于输入知识的决策过程，可能发现新的知识，并将新知识不断更新到知识库中，因此存在知识反馈演化的过程。

表2 知识能力关系矩阵Table 2 Knowledge capability relationship matrix

注：“→”表示纵向能力依赖于横向能力；“+”表示能力正向影响关系，“-”表示能力反向影响关系。

可以看出，来袭导弹识别(Ka1)是后续知识活动的基础，因此，KV-5中将支撑该活动的目标特征深度学习能力(Cp1)作为关键能力是合理的。此外，能力之间的依赖关系也与业务活动的逻辑关系相符。

(2) 知识协作活动(KV-3)

KV-3不需要描述完整的知识活动，可采用泳道的形式表现跨系统之间的知识协作活动。提取跨来袭导弹识别系统和导弹拦截方案制定系统之间的协作活动，形成知识协作过程，如图5所示。协作活动的提取有利于合理规划部署各分系统的建设顺序，并为保证协作接口的互操作性提供基础，有效避免烟囱式的系统建设。

图4 知识活动过程Fig.4 Knowledge activity process

图5 知识协作过程Fig.5 Knowledge cooperation activity

(3) 知识分类(KV-6)

分析系统为实现智能化筹划作业需要具备的概念性、规则性和历史性知识，以及知识计算模型，给出各类知识的描述，明确其支撑的知识活动以及在知识活动中发挥的作用，如表3所示。KV-6识别各知识活动的知识需求，能够有效指导特征库、规则库、模型库等基础知识资源的建设。

KV-9可以由KV-1自动导出，以列表的形式展现，在这里不再赘述。

4.3 活动效果度量

将KV-1中的知识活动与KV-4中的能力关联，提出知识活动产生的能力效果的属性和能力效果的度量标准，并展现近期和长期2个阶段的度量标准的增量。本文以目标特征深度学习能力(Cp1)与来袭导弹识别(Ka1)为例，建立活动效果度量，如表4所示。活动效果度量可作为体系能力水平、体系成熟度[16]评估的依据。

表3 知识分类表Table 3 Knowledge classification list

表4 活动效果度量Table 4 Activity effect measurement

4.4 活动映射关系生成

信息活动包括收集来袭导弹信息(Ia1)、预警信息综合处理(Ia2)、来袭导弹识别预测(Ia3)、拦截方案生成评估(Ia4)、拦截方案选择(Ia5)、下达拦截指令(Ia6)，其中来袭导弹识别预测(Ia3)和拦截方案生成评估(Ia4)与知识活动关联，生成KV-7矩阵如表5所示。KV-7有助于识别信息活动中知识处理运用的过程，指出信息系统智能化建设重点。

知识活动支撑业务活动中来袭导弹识别预测(Ba3)和拦截方案生成评估(Ba4)的智能化知识处理运用，建立KV-8矩阵如表6所示。KV-8验证了知识活动能够保证业务活动完成。

表5 知识活动-信息活动关系描述Table 5 Knowledge activity-information activity relationship description

注：“√”表示知识活动和信息活动存在映射关系。

表6 知识活动-业务活动关系描述Table 6 Knowledge activity-operation activity relationship description

注：“√”表示知识活动支撑业务活动。

5 结束语

本文充分考虑了智能化作战条件下，指挥信息系统体系结构设计对知识运用过程的描述需求，创新地提出一套面向知识活动的指挥信息系统体系结构框架，揭示了知识活动在作战活动中的“加速”和“增效”作用，展现了知识视角中对知识活动、效果、能力等描述规范，并以实例验证其合理性和有效性，弥补了传统体系结构框架对智能化指挥信息系统体系结构设计支撑力度不足的问题。后续将关注人机视角优化描述以及更好地与知识视角铰链，共同展现指挥信息系统的自主决策、智能协同等过程，进一步指导以知识为中心的指挥信息系统顶层设计。