武器装备运用知识框架及建模方法

罗弋洋, 赵青松, 李华超, 李 勇, 孙建彬

(国防科技大学系统工程学院, 湖南 长沙 410073)

0 引 言

武器装备是现代战争的重要物质基础,而武器装备运用知识是指导和规范战争中武器装备的运用的重要依据,是规范武器装备运用方式、提高武器装备运用效率、确保武器装备运用效果的重要支撑。而现代战争的一体化联合作战,更加强调各种武器装备的协同运用、体系运用,这对武器装备运用知识,特别是体系运用知识提出了更高的要求。

“知识建模”的概念最早由Newell提出,常见的知识建模方法包括一阶谓词逻辑表示法、产生式规则表示法、框架表示法、基于语义网络的知识表示方法、资源描述框架(resource description framework,RDF)的知识表示方法,本体的知识表示方法以及知识图谱。其中,本体的知识表示方法可以将武器装备运用知识用机器可理解的语言和逻辑进行结构化的、形式化的、规范的描述,进而实现人机之间以及机器之间的交流,进而达到知识表示、共享和重用的目的。

武器装备运用知识可以划分为描述性知识、判断性知识和过程性知识。目前，专门面向武器装备运用知识的系统的研究非常少,部分是针对知识本身的建模方法、知识结构以及构建知识系统等的研究,但普遍存在覆盖面不全、知识结构较为简单、没有考虑装备体系的问题。更多的研究是局部的,在一些较为成熟的业务领域背景之下,为了解决业务问题而使用到了武器装备运用知识,例如分析或优化作战策略、识别作战意图。另外，Yu面向装备知识表示的不足与装备知识的特点,进行了装备知识可视化表示的研究,实现了3种可视化表示方法,为进一步的知识分析提供了支撑。

武器装备的体系化运用涉及到多个领域,美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)通过8个视角、52个视图产品描述了联合作战中的装备体系场景要素。美军的战场信息基于JC3IEDM(joint C3 information exchange data model)数据模型进行表示,其中的概念数据模型定义出了作战中的9类独立实体。

现有面向武器装备运用知识的研究,基本上是在体系作战的局部范围进行描述与说明,缺乏在整个体系的角度,面向全局的研究。因此,本文提出了基于多视角的武器装备运用知识框架及建模方法。首先,从武器装备运用知识中分析出构成知识的要素以及要素之间的关系。然后,从武器装备运用相关人员的业务需求出发,分析出七大视角,再结合知识要素,提出每个视角下包含的知识。最后,根据多视图结构构建武器装备运用知识本体,并在一个示例中展示了具体的知识模型。

1 武器装备运用知识要素分析

1.1 武器装备及其运用知识的定义

武器装备运用知识是各级作战人员和平时期与战时运用武器装备的基本遵循,源于武器装备运用相关军事条令、教材和手册等法规材料以及在武器装备运用实践中形成的经验,是武器装备运用相关人员从各个途径中获得的经过总结与凝练的系统的认识。

1.2 要素分析

根据DoDAF中的概念数据元模型和JC3IEDM中概念数据元模型的实体和概念。以体系作战中的武器装备运用为视角,以描述武器装备运用知识为目的,重新对上述两个概念数据元模型中的实体与概念进行划分,构建出如图1所示的武器装备运用知识要素。

图1 武器装备运用知识要素Fig.1 Factors of weaponry utilization knowledge

每个知识要素表示的是一类概念,可以按照树状结构向下细分。这些要素、要素的属性以及要素之间的关系就是构成知识的基础。在构成知识时,除了给出的要素间的简单直接关系外,还可以由这些关系组成的复杂关系来形成知识的结构。武器装备运用知识要素中的节点与边的含义如表1和表2所示。

表1 节点的含义

表2 边的含义

2 基于多视角的武器装备运用知识建模框架

武器装备运用知识所服务的人员群体构成复杂,包括顶层规划人员、各级指挥人员、制定计划的参谋人员、使用武器装备的各类战斗员、武器装备的维护保障人员等;所包括的领域较为广泛,包括作战的筹划、作战过程的实施、作战人员的训练以及武器装备的维护保障等。

多视角的方法可以从特定的视角对武器装备运用知识进行描述,每个视角考虑的范畴各不相同,但视角与视角之间又存在着内部联系,从而达到清晰、完整地描述整个结构的目的。所以选取多视角的方法,从这些相关人员的业务需求出发,分析武器装备运用知识中与之相关的部分,初步形成武器装备运用知识框架,经过与业务需要的多次迭代,不断更新框架内容,最终可以得到适应现实需求的、完整的武器装备运用知识框架。

针对武器装备运用相关人员的关注点,将武器装备运用知识划分进武器装备、能力、组织、系统、法规、任务和资源七大视角中,以武器装备为中心,各视角从本身要素出发,相互关联,构成武器装备运用知识框架,如图2所示。

图2 基于多视角的武器装备运用知识框架Fig.2 Multi-view based weaponry utilization knowledge framework

(1) 武器装备视角

具体使用武器装备的各类战斗员需要掌握武器装备的作战性能、操作方式、配置方案、运用方式。参谋人员需要掌握武器装备的性能参数用于各类作战计算,以及掌握武器装备的运用方式用于方案制定等。所以,武器装备视角包含对武器装备类型、战技指标、挂载方案以及所涉及到的关键技术的描述等。

(2) 能力视角

能力具有天然的综合性,能力的实现需要装备、人员、保障条件等因素共同作用。顶层规划人员需要掌握武器装备能力的架构来推动全军武器装备又好又快发展,适应新背景、新挑战下的运用要求。参谋人员需要掌握武器装备、能力、作战任务三者之间的对应关系来制定适应任务能力需求的武器装备方案等。所以,能力视角包含对能力框架、能力自身的描述以及对能力与作战行动、作战任务、武器装备等的映射关系的描述等。

(3) 组织视角

各级指挥人员需要掌握作战力量基本的结构编成,作战力量之间的作用关系,以及作战力量中武器装备和人员配置情况来达到充分发挥本级作战力量战斗力的目的。技术保障人员需要掌握作战力量基本的结构编成,以便按照规定对武器装备进行维护和保障等。所以,组织视角包含对组织构成、人员配备以及武器装备配备的描述等。

(4) 系统视角

具体使用武器装备的战斗员需要掌握武器装备系统的基本工作原理、运用方式等,以便在作战活动中灵活运用武器装备系统达成作战目的。各级指挥人员与作战参谋人员需要掌握武器装备系统的结构构成、完成使命任务的各类系统及其关系,以便明确实现作战目的的途径与手段。顶层规划人员需要掌握武器装备系统的构成与运用方式,从而实现对现有系统的论证和新系统的开发等。所以,系统视角包含对系统构成、系统交互、系统运用规则的描述等。

(5) 法规视角

武器装备运用法规是作战人员和平时期和战时运用装备体系的基本遵循,包括了装备运用的基本规章、制度、条例、相关军事教材、装备手册等,指导和规范了作战人员在使用和维护武器装备时的行为。顶层规划人员需要掌握指导和规范武器装备运用的法规的各项信息以及法规之间的关系、法规与武器装备的关系,以便对现有法规进行分析,促进法规的修缮与更新。各级指挥人员需要掌握法规与武器装备的关系,进而对下属部队进行训练等。所以,法规视角包含对军用词汇、法规分类、法规与武器装备和作战任务映射关系的描述等。

(6) 任务视角

此处任务指的是军队为达成预定作战目标所承担的任务。任务是武器装备运用的出发点,明确任务的知识对武器装备的运用有重要的指导作用。各级指挥人员需要掌握任务的制定方式、任务的构成、任务的实现步骤以及武器装备的使用方式,进而灵活运用武器装备以支撑任务的完成。参谋人员需要掌握任务的各项要求,以便在制定充分适应要求的作战方案。顶层规划人员需要掌握任务的类型、任务的指标,进而根据任务需要对武器装备进行更新换代等。所以,任务视角包含对任务类型、任务组成、任务过程、任务的评价标准以及约束与指导任务执行的规则的描述等。

(7) 资源视角

作战资源是作战中所需要的信息、物资和环境条件,其中环境条件在适宜的情况下对武器装备运用有支撑作用,在非适宜的情况下对武器装备运用有限制作用。具体使用各类武器装备的作战人员需要掌握环境对武器装备的影响,以便在操作武器装备完成任务时,采用正确的方式方法。各级指挥人员需要掌握军事设施的各项信息,进而制定攻击敌方设施与保护我方设施的计划等。所以,资源视角包含对资源类型、资源组成、资源标准以及作战行动与资源间映射关系和资源对武器装备运用造成影响的描述等。

每个视角下的产品具体如表3所示。

表3 基于多视角的武器装备运用知识产品

续表3Continued table 3

续表3Continued table 3

3 基于本体的武器装备运用知识建模

武器装备运用知识包含第2节中提出的7个视角下的所有知识,这些知识又划分为对各类实体的特征属性和关系的描述性知识,涉及因果关联的判断性知识以及关于武器装备操作和作战任务流程的过程性知识,整体结构较为复杂。采用本体的方法可以清晰明确地对武器装备运用知识进行描述,表达知识的结构、知识要素之间的关系以及知识、知识要素的各类属性,便于理解知识、共享知识与重用知识以及后续扩充知识的内容。

基于本体的知识表示方法,提出知识要素、知识、知识类型和知识领域的4层建模框架。多视图框架包含视图产品的构成要素、视图产品以及视图产品组成的视角这3层结构。其中,视图产品的构成要素就是知识要素,视图产品就是各类知识,而视角是一个知识领域,涵盖领域内的多类知识。由于知识可以定性的划分为描述性知识、判断性知识与过程性知识,所以由多视图框架映射一个由知识要素、知识、知识类型与知识领域组成的4层结构来建立本体模型。知识要素是表示知识的最小单元,通过要素的属性以及要素与要素之间的关联构成知识。知识又按照描述性、判断性和过程性知识的类型进行划分,最后归纳进视角中,构成知识领域,如图3所示。

图3 多视图框架映射的本体模型结构Fig.3 Ontology model structure of multi-view framework mapping

按照文献[10]中提到的本体构建五步法,根据4层结构构建的武器装备运用知识本体模型,步骤如下。

确定本体范围。武器装备运用知识框架明确了武器装备运用知识本体的范围是七大视角下共38个不同类型的知识。

获取知识定义。知识的要素构成以及知识的定义由武器装备运用知识框架中的视图产品给出。

定义概念类及属性。根据多视图框架映射到本体模型,共构建“武器装备运用知识”“知识类型”“武器装备运用要素”3个大类。根据多视图框架结构与武器装备运用知识要素内容继续细分。

本体实例创建。以P-3C侦察机的运用知识为例,构建实例。确定实例属于哪一个类,在该类下创建一个实例并给其属性赋值。

本体验证及分析。基于建模软件工具,通过对构建的本体进行推理和分析,对各个类之间的关系进行检验,保证建立本体的正确性。

所构建的武器装备运用知识本体如图4所示。本体模型中的概念主要划分为3个大类,武器装备运用知识、武器装备运用要素以及知识类型。底层的知识通过包含关系与知识要素相连,并且丰富包含关系的内涵,继续将其划分为“包含主体要素为”“包含客体要素为”“包含时序要素为”等多种包含关系来明确构成知识的要素的相互关系。以P-3C侦察机的运用知识为例,其战技指标知识、具备的能力知识以及通过用于执行的应召反潜任务的流程知识分别属于描述性知识、判断性知识和过程性知识,构建结果如图5所示。

图4 武器装备运用知识本体Fig.4 Ontology of weaponry utilization knowledge

图5 P-3C侦察机的运用知识Fig.5 Utilization knowledge of P-3C reconnaissance aircraft

4 结 论

本文参考DoDAF、JC3IEDM中的概念数据元模型中的实体与概念,构建了武器装备运用知识要素。基于多视角的方法,从武器装备运用相关人员的业务需求出发,以武器装备、能力、组织、系统、法规、任务和资源这7个视角对武器装备运用知识框架进行构建;阐述了各视角下所包含知识的内容与形式,并由多视图框架结构映射出了一个4层本体结构,构建了武器装备运用知识本体模型,清晰准确地表示了框架中所包含的知识。但本文还存在不足之处,下一步需要继续研究。

(1) 本文只提出了武器装备运用知识的框架与建模方法,下一步可以在具体场景中,构建较为完善的知识模型,并基于此来解决具体问题,如体系作战中的意图识别等。

(2) 基于本体表示的知识模型虽然便于人的理解,但不如图示化的表现方式简洁直观,下一步可以进行基于本体的武器装备运用知识模型的可视化研究。