面向舰载直升机作战环境保障的专家系统研究

李大伟，张本辉，门金柱

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

舰载直升机具有搜索反应速度快、机动性强、搜索效率高等非对称优势，在反潜反舰等任务中发挥着不可取代的作用。舰载直升机作战效能的发挥与作战环境密切相关，然而现行舰载直升机作战环境保障体制中，存在着经验依赖性强、专业知识要求高、智能化水平低等问题，极大制约了舰载直升机作战效能的发挥，难以满足能打胜仗对舰载直升机作战能力的迫切需求。

张本辉等[1]在对舰载直升机作战使用研究进行综述时，提出了针对任务需求，分析海洋环境的影响情况，给出有利的搜、攻潜武器设备的使用方案或建议，提高了行动的科学性。刘军[2]提出了战场环境保障数据集成平台的体系结构，设计并实现了战场环境保障数据集成平台实验系统，该系统内容相对全面，但针对舰载直升机作战环境保障的针对性不高，不能满足舰载直升机作战环境保障的需求。姚科明等[3]借鉴产品配置设计的思想，利用Visual C#编程语言和MySQL数据库初步开发了舰载直升机的快速配置系统，但该系统针对于更高层次、更多兵力的配置规则库的研究不够深入，人机交互智能化程度也不高。专家系统是一种模拟人类专家的决策过程来解决需要人类专家处理的复杂专业性问题的程序系统，也是人工智能领域应用最为广泛、活跃的一个分支[4]。付举磊[5]将专家系统的概念引入到城市消防辅助系统，提高辅助决策的准确性。何祁阳[6]提出了一种空中交通管制实时决策专家系统，基于专家系统实时对影响管制员决策的气象参数作出警示并给出辅助建议，提高了管制员工作效率。

本文将专家系统概念引入到舰载直升机作战环境保障领域，建立面向舰载直升机作战环境保障的专家系统，构建舰载直升机作战环境保障的知识库和数据库，通过对不同机型不同载荷不同作战模块下的专家系统事实规则的研究，提高辅助决策的精准性，建立相应的专家系统界面，实现人机交互，并将该系统在典型作战场景下进行应用。

1 面向舰载直升机作战环境保障的专家系统总体设计

人工智能的发展提供了作战环境保障的新路径，摒弃了传统保障方式的延迟性、单一性、分散性和对专业人员的依赖性，专家系统作为人工领域最活跃的一个分支，将专家系统引入舰载直升机作战环境保障，可提升作战环境的获取及时性、全面性和以任务为牵引、兵力平台为核心、着眼作战方案、突出关键要素等为原则的分析的准确性、科学性、针对性；可以更好地保障舰载直升机的使用安全，更好地提升舰载直升机作战效能。

专家系统的一般结构由知识库、推理机、数据库、知识获取机和人机接口等部分组成。基于专家系统的一般结构，本文设计的舰载直升机作战环境保障专家系统结构，如图1所示。

图1 面向舰载直升机作战环境保障的专家系统总体结构图

舰载直升机作战环境知识库：是专家对舰载直升机作战环境的经验与积累的逻辑化的结果，可将这些事实和规则经计算机语言创建知识库。

舰载直升机作战环境数据库：数据库的表与表、数据与数据之间的关系，这些关系可以理解成是专家知识与经验的逻辑性的体现。

数据获取系统：获取数据库中所需的各项数据，丰富数据内容，同时也起到对数据库内容的实时更新，起到知识获取机的作用。

辅助决策系统：分析数据库所提供的相关数据，根据分析得到合理方案，对指挥员决策提供辅助作用，可起到推理机的作用。

系统操作界面：设计出便于用户操作的软件界面，提高工作效率，起到人机接口的作用。

本系统通过各结构系统之间的配合，实现将专家的知识与经验逻辑化、数字化，根据用户的需求，快速准确地处理，并提供给用户合理的数据与辅助决策，相较于传统的保障方式提高了舰载直升机作战环境保障工作中的准确性、科学性、针对性。

2 关键技术研究

2.1 专家系统知识库研究

知识库是专家系统的核心组成部分，知识库中的知识来源于专家的长期的经验，知识库中知识的质量和体量决定了专家系统的推理能力，同时对知识库的维护和更新提高了专家系统的性能。而在知识库建立的过程，舰载直升机所需保障的作战环境影响因素与机型、执行任务的类型以及平台装备密切相关，当指挥员关注的任务类型和装备发生变化时，知识库应该能够快速精准的响应。

2.1.1 舰载直升机作战模块划分

对于舰载直升机而言，需要考虑的作战环境因素不同，即使执行同一作战任务，在不同的作战阶段，环境因素的重要性也不相同。张本辉等[7]提出将舰载直升机作战流程细化分为起降模块、飞行模块、指挥引导模块、探测模块、攻击模块等5个模块。通过对舰载直升机作战流程进行模块化，并对各模块的环境影响因素进行划分，在此基础上构建专家系统的知识库，提高专家系统的效率和准确性。

2.1.2 舰载直升机作战模块影响因素分析

对于不同的机型、不同的作战模块，所涉及的平台与装备不尽相同。针对不同模块的所属平台或装备对各个模块的环境需求即影响因素进行分析，例如探测模块其影响因素分析，如图2所示。给定机型条件下，探测模块所对应的平台装备有吊放声纳、声纳浮标、磁探仪。对吊放声纳影响较大的环境因素主要有声速剖面、海流、海洋噪声、海洋地形等，而对声呐浮标影响较大的环境因素有声速剖面、海流、海洋噪声、海洋地形及风。虽然吊放声纳和声纳浮标的影响因素里有部分是相同的，但是，2个装备对影响因素的要求是不一样的。

图2 探测模块影响因素分析图

2.1.3 面向舰载直升机作战环境保障的专家系统知识库构建

作战环境影响知识库是对各机型、各模块、各装备影响的集合、管理与查询。同时指挥员现场决策所对应的环境因素数据作为新的知识更新到知识库中，提高专家系统的推理能力，从而提高作战环境保障的效率和准确性。

知识库所要实现需求有以下5点。

由作战任务确定机型：舰载直升机的作战任务主要包括运输、反潜、反舰及预警，每个作战任务所选择的执飞机型必定不同，因此针对该机型提供的保障方案必定是不同的。

由机型确定作战模块：由于机型之间作战模块存在差异，如预警直升机没有攻击模块，可由机型选择执行任务流程中包括的模块，而起降、飞行、指挥引导3个模块是任何机型均具有的，所以机型之间的差异存在于探测和攻击模块之间。

根据作战模块确定装备：各个作战模块所涉及的装备不同，但一旦拥有该模块便具有其完成模块使命的必要装备。

根据装备确定影响因素：每个装备拥有多个影响因素，且必须拥有至少一个影响因素。

影响因素映射数据：影响因素数据通过影响因素映射到装备上。

2.2 专家系统数据库研究

2.2.1 数据库的架构设计

知识库需求分析确定作战环境影响数据库的概念数据模型的主要实体有机型、任务模块、装备、影响因素、影响因素数据。

数据库设计思路为：由机型对作战模块作出了选择，确定执行过程中作战流程所包括的作战模块；再根据作战模块确定每个模块所包含的装备类型，而装备又受到机型的限制；最后根据装备确定机型在任务过程中所受到的影响因素。

2.2.2 数据库的构建

利用Power Designer建立数据库的一般过程先建立概念数据模型，然后生成相应的逻辑数据模型，接着生成物理数据模型，并根据物理数据模型生成多种可以在MySQL数据库系统环境中运行的数据库的脚本的全过程。

概念数据模型（CMD）简称概念模型，主要是用以描述现实世界的概念化的结构，是数据特征的一种抽象化表示。

物理数据模型（PDM）是将概念模型被转化为数据库脚本的中间过程，是对真实数据库的描述，其将概念模型的进一步抽象，根据概念模型对应到具体数据模型的计算机实现。物理数据模型（PDM）主要包括表、字段、数据类型等，与概念模型有对应的关系。

在生成物理数据模型（PDM）之后，利用Check Model检查物理数据模型（PDM）是否正确，确定无误后便可进入生成数据库脚本。

2.2.3 数据库生成

数据库脚本生成后使用可视化软件Navicat for MYSQL进行生成数据库。

3 面向舰载直升机作战环境保障的专家系统界面设计

舰载直升机作战环境保障专家系统界面设计如图3所示。

图3 舰载直升机作战环境保障专家系统界面

该界面可以实现系统和人的简单交互，其主要实现的功能有环境数据查询与预报、海图要素界面可视化、辅助决策。该系统界面可使舰载直升机作战环境保障更加简便、易操作。

4 总结

本文初步构建了面向舰载直升机作战环境保障的专家系统，通过对不同作战任务、不同机型、不同载荷、不同作战模块下的专家系统事实规则的研究，在一定程度上提高了辅助决策的精准性和效率，有效提升舰载直升机作战环境保障水平。当然，该系统还存在诸多不足，如功能较为简单、界面还不够美观等，还有待进一步完善。可考虑使用知识图谱等更加先进技术，使舰载直升机作战环境辅助决策更加智能。