知识图谱技术在雷达情报处理与运用综合实践课程中的应用研究

刘立国

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

一、雷达情报处理与运用综合实践课程教学的现实问题

雷达情报处理与运用综合实践课程是雷达工程专业首次任职类必修课程，主要开展战术想定背景下的雷达情报处理与运用分析、处理、情况处置等实践，对于雷达原理与技术、雷达指挥、雷达情报处理与运用分析与处理的综合运用能力、理论联系实际、实践动手能力和创新意识的培养具有重要作用[1]。由于雷达情报处理与运用涉及的概念和原理复杂，而且其综合实践与实际应用数据的关联性极强，涵盖的数据类型多、数量大，使得传统雷达情报处理与运用综合实践课程教学面临以下三个方面的现实问题：

1.教学内容与实际应用脱节。一方面，掌握雷达情报处理与运用实际应用数据的单位由于没有教学训练的使命任务，对于教学训练的需求不急迫、不明确，欠缺推进实际应用数据在实践课程教学中运用的动力；另一方面，传统雷达情报处理与运用综合教学训练的内容侧重于“知识本位”，对于雷达情报处理与运用分析所需的结构化思维和大数据分析视野的锻炼不足，难以提升学生在面对实际应用场景时的应对能力。

2.课程内容结构不适应学习者学习。与雷达原理与技术等课程内容不同，雷达情报处理与运用综合实践课程作为一门操作性强、综合性高的课程，涉及到的理论知识和实践知识都非常多，而且知识之间关系复杂。由于当前没有对课程内容所涉及的各方面知识统一做系统性的梳理，导致知识体系散乱，学生在学习过程中难以有效地、系统性地掌握教学内容。

3.欠缺有效的实践教学内容管理工具。与普通的单一专业课程不同，雷达情报处理与运用综合实践课程的教学内容不但涵盖了雷达原理与技术、雷达指挥以及情报分析与处理等多种课程的知识，且融合了实际系统操练和实际应用数据分析，导致传统的教学工具难以有效呈现该课程庞大的知识体系和内在逻辑。因此，需要研发面向雷达情报处理与运用综合实践课程的教学内容管理工具，以帮助学生更好地掌握课程的核心内容。

二、基于知识图谱的雷达情报处理与运用综合实践课程教学内涵及其隐喻

知识图谱技术开创了一种崭新的信息检索方法，给信息分析和推理难题带来了全新的解法，为人类社会发展带来了前所未有的变革[2]。实质上，知识图谱是一个展示实体相互联系的语义系统，由节点和边组成，节点代表实体、边代表实体之间的联系。知识图谱不仅提供了一种直观、容易理解的方式来表示知识，并且为现代问答系统、语义生成系统、自适应学习等提供了基础。

雷达情报处理与运用处理是指通过对雷达信号的收集、处理、分析和解释，从而获取有关目标对象的情报信息的过程。知识图谱的重要应用场景之一是雷达情报处理与运用处理，它可以帮助军事决策者更好地管理和掌握重要的雷达情报资源，进而提高决策的效率和准确性[3]。

本文提出基于知识图谱的雷达情报处理与运用综合实践课程教学方法。首先，结合雷达情报处理与运用的概念和特点，构建雷达情报处理与运用模型，探索雷达情报处理与运用知识图谱的结构设计和构建方法，并阐述知识图谱与雷达情报处理与运用之间的关系。其次，实现雷达情报处理与运用的网络本体语言（OWL）本体模型[4]，利用知识图谱本体开发工具Protégé内置的Onto-Graf 实现模型的可视化。最后，在雷达情报处理与运用综合实践课程中，将构建的雷达情报处理与运用本体模型和实际应用数据汇聚到知识图谱中，形成实践课程的内容管理工具。

通过研发雷达情报处理与运用综合实践课程教学内容的知识图谱，可以有效解决传统雷达情报处理与运用综合实践课程教学面临的三个问题，提升课程教学的成效。（1）实现教学内容与实际应用的紧密融合：知识图谱汇聚了雷达情报处理与运用本体模型和实际应用数据，提供了雷达情报处理与运用分析理论到实际应用的一条清晰路线。（2）实现课程内容的体系化梳理：雷达情报处理与运用综合实践教学内容的知识图谱以结构化的方式组织了课程涉及到的理论知识和实际应用数据，通过知识图谱可视化技术显性表达了理论与实际应用数据的内在关联。（3）提供了高效的实践教学内容管理工具：在知识图谱的构建过程中，设计了合理的应用框架，结合相关度高的实践教学内容管理软件，提供了高效的教学内容检索方法。

总之，本文借助知识图谱完成对雷达情报处理与运用综合实践课程前序知识的梳理和总结，解决了学生知识点难以记忆和学习知识不够体系化的问题，达到了在综合实践类课程中快速应用以往知识的目的。

三、雷达情报处理与运用综合实践课程的知识图谱构建

为了面向实际应用场景开展基于知识图谱的雷达情报处理与运用综合实践教学，需要构建基于实装雷达情报处理与运用数据的知识图谱，形成课程的教学内容管理工具。本文采用的方法是雷达情报处理与运用知识图谱的本体建模，其中需要满足所构建模型的基本要求，包括整体上逻辑严密、结构完整、无明显错误以及可以实现可视化。因此，本体建模过程中需要对其内容结构进行精简，以确保其能实现上述要求。

对于雷达情报处理与运用，主要考虑三个方面。（1）地理环境方面，雷达情报处理与运用收集到的数据包含地理位置等信息，可以通过分析实体的分布和移动轨迹，在地图上展示实体所处的位置和移动轨迹。（2）点航迹方面，通过实时监测目标的点迹，并根据点迹变化推断出目标的行动和意图，如识别出目标的速度、加速度、转弯半径等，以便分析目标的规律和特征。（3）目标方面，知识图谱可以描述不同物体、船只或飞机的特征和属性，例如大小、方向、速度、制造商等，这些属性可以用来帮助分析人员更好地理解目标，并向分析人员通知目标潜在的意图或目的，以便在必要时采取行动或使用相关情报预警。

要建立适合的模型，首先要充分了解建模的需求。雷达情报处理与运用作为重要的军事情报，具有高度机密性、及时性、复杂性、数据量大、信息碎片化、装备依赖性等特点[5]。基于上述特点，要系统构建雷达情报处理与运用的模型，应采取“关联型”思维方式，由点及面才能做到获得相对完整的模型。

“由点及面”是雷达情报处理与运用分析中的一种方法，是指通过收集、分析点航迹数据来推断目标位置、速度等信息，并在此基础上构建出目标的全貌形象。在进行“由点及面”处理的过程中，首先需要获取雷达目标的点航迹数据。然后，采用各种分析方法，从这些点的轨迹中提取目标的相关信息，例如位置、速度、加速度等，进而将这些点连接起来，绘制出目标的轨迹线。最后，通过联想周围环境来确定目标的类型、规模和特征等，构建出目标的全貌形象。

在雷达情报处理与运用知识图谱构建过程中，可以借鉴OWL本体建模采用的{C、D、C、O、R}思路：第一个C 代表Classes 类设置；D 代表Data properties 数据属性设置；第二个C 代表Cellfie 批量导入数据模块；O 代表Object properties 对象属性（关系）设置；R代表Restriction 条件约束。基于该思路，雷达情报处理与运用模型构建步骤如下：（1）雷达情报处理与运用建模需求分析：明确构建雷达情报处理与运用模型所需的因素。（2）类建立：明确所需的父类和相应的子类，并设置相应的类别。（3）雷达情报处理与运用数据属性设置：设置雷达情报处理与运用数据中存在的属性，以便顺利导入后续数据。（4）雷达情报处理与运用数据获取及导入：通过爬虫软件等工具，获取相关数据并转换成Excel表格形式，通过Protégé软件中自带的Cellfie 模块将Excel 表格数据导入模型中。（5）对象属性的设置：定义实体之间的关系和属性之间的关系。（6）雷达情报处理与运用模型检查：对建立的雷达情报处理与运用模型进行检查和测试，确保其符合需求和规范。（7）雷达情报处理与运用模型输出：将构建的雷达情报处理与运用模型输出到相应的OWL格式，以满足后续进行格式转换以及模型导入操作。

四、基于知识图谱的雷达情报处理与运用综合实践课程实践路径

基于知识图谱的雷达情报处理与运用综合实践课程教学将实际应用数据引入课程的实战化施训中：通过某实际装备的数据采集与处理系统，与雷达情报处理与运用综合实践课程培养大纲相结合；将紧贴雷达情报处理与运用分析一线需求的软件系统进行适当的改进提高后，设计能够用于课堂实战化教学的知识框架，构建实践教学的专业体系和知识结构，提高学生的实践素养，培养学生应用实践的思维方法[5，6]。

课程实践过程按照雷达情报处理与运用分析流程划分实践单元，再按知识图谱调试、数据回放、基于知识图谱的情报分析划分实践层次，逐步练习熟悉基于知识图谱的雷达情报处理与运用分析、处理和决策。本文以“某海域目标行为分析实践任务”为例，介绍基于知识图谱的雷达情报处理与运用综合实践教学实施路径。本次实践任务采用的实装数据为某型号雷达掌握的目标飞行高度、速度特征等综合航迹数据，相比传统教学方案中的模拟数据更有可信度。对训练后积累的实际数据进行回放，在回放过程中形成案例报告，同时提取高价值目标进行分析处理，判断当前海域的态势及疑似异常的目标。

在知识图谱调试阶段，以掌握知识图谱软件的原理和操作为实践任务，所涉及的操作包括雷达情报处理与运用数据导入、综合航迹查询、高度异常值检测、高度特征统计、分析结果显示等。这些操作可以组合成一个具有雷达情报处理与运用获取与分析的简单完整分析流程，其中理解知识图谱技术的原理为实践重点。具体实施过程是：（1）示例准备，教师在课前需要准备基于知识图谱的雷达情报处理与运用分析流程说明，以及协调有关单位获取实装的某海域雷达情报处理与运用数据。（2）基于知识图谱的雷达情报处理与运用分析理解，教师课前将实践任务发布到教学平台供学生下载自学，课中抽查学生是否理解知识图谱的基本原理，是否熟悉基于知识图谱的雷达情报处理与运用分析流程；学生课前下载相关资源并熟悉知识图谱软件工具的功能与接口，课中根据要求练习基本操作。（3）知识图谱调试，课中教师发布实装的某海域雷达情报处理与运用数据，学生基于对基于知识图谱的雷达情报处理与运用模型的理解，调用相应的软件接口，将情报数据导入知识图谱，自主调试雷达情报处理与运用模型、排除错误直到运行结果正确。

在数据回放阶段，以形成案例报告为实践任务，利用知识图谱软件等工具描绘场景中各类目标的情况是重难点。具体实施过程是：（1）理解数据回放任务，课前，学生在教学平台上下载教师发布的实践任务和相关教学资源，绘制任务实现流程图；课中，教师抽查学生绘制的任务流程以确保其可行性。（2）目标情况描绘，学生根据教师确认后的任务流程回放按时空顺序采集到的雷达数据，拆解各个目标的基本数据，利用软件工具分别绘制各目标的活动航迹图和目标三维飞行图，教师检查学生绘制的目标情况是否正确。（3）初步案例报告生成。课前，教师结合案例情景给出案例报告大纲；课中，将案例报告大纲发布给学生，学生结合绘制的目标情况，自主编写初步案例报告，教师检查学生编写的初步案例报告。

在基于知识图谱的情报分析阶段，以实际雷达情报处理与运用分析为实践任务，结合知识图谱分析情报是实践的重难点。具体实施过程：（1）情景理解，课前学生根据自己的能力从教学平台中选择并下载教师发布的实践任务和教学资源，了解案例的背景，编写案例情景流程概要；课中教师抽查学生编写的案例情景流程概要，确保学生正确理解案例背景。（2）情报筛选，教师发布一个具有简单完整功能的特定类型目标分析需求，学生针对此需求，借助知识图谱软件工具查的情报筛选功能，查找重点关注的信息。（3）目标行为分析，学生基于筛选出的重点信息，并结合案例背景信息，运用情报分析理论分析研判目标的意图，找出高价值目标，完善案例报告。

在各个实践阶段，学生课后都要反馈实践体会，供教师了解学生的学习情况。教师全程答疑解惑并同时记录学生的表现和任务完成度，根据学生课堂表现和实践体会进行反思调整。