基于本體框架的海軍裝備保障計劃數據模型構建

莫攀飛 李啟元

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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基于本體框架的海軍裝備保障計劃數據模型構建

莫攀飛 李啟元

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

為滿足海軍裝備保障計劃在保障單元間高效交流共享及自動化操作處理的要求,文章建立海軍裝備保障計劃本體框架,對行動功能關聯進行形式化表達,構建行動功能關聯數據模型,形式化的闡述資源、能力以及它們之間的關聯,擴展海軍裝備保障資源概念并構建資源數據模型。案例表達表明:行動功能關聯和資源數據模型能夠很好地表述裝備保障行動序列、資源和能力。

海軍裝備保障計劃; 本體; 功能關聯; 資源; 能力

Class Number TP391.9

1 引言

裝備保障計劃是裝備保障行動高效有序執行的前提,保障計劃在各計劃執行單元間高效的交流和共享是保障計劃必須滿足的現實要求。裝備保障計劃的研究工作始于作戰計劃的研究,當前計劃的研究工作主要有基于本體的計劃表述[1～4]、計劃生成[5]以及計劃的一致性表達[6～7]等方向。基于本體的計劃表述可以實現人與人之間對于裝備保障計劃無歧義理解,在計算機自動化處理以及計劃的推理校驗方面也有較大優勢。當前基于本體的計劃表述相關研究大多建立了領域本體[1～4]來表達計劃,海軍裝備保障計劃涉及的保障資源種類繁多、保障方式多樣以及功能型資源組合基礎上能力作用關系的復雜使得當前已有的通用領域本體和其他領域本體不能最佳適用于海軍裝備保障計劃的表達和校驗。

本文在海軍裝備保障行動概念分析基礎上,結合CPR本體模型[8]以及JC3IEDM數據模型[9～10]構建海軍裝備保障計劃本體框架模型,給出了行動功能關聯、資源和能力的形式化定義,構造了行動功能關聯和資源數據模型,為行動序列生成、資源編組、保障能力匹配和校驗的實現奠定基礎。

2 海軍裝備保障計劃本體框架模型

海軍裝備保障行動概念分析是構建海軍裝備保障計劃本體框架的基礎,目標是提取計劃諸要素概念并理清其邏輯聯系。其根本目標是解決“誰利用什么資源采取什么行動達成什么目標”的問題,保障行動序列是海軍裝備保障計劃的主體,保障資源和保障能力通過資源需求與能力需求與行動序列相關聯。

如圖1所示,行動序列、資源和效能評估構成海軍裝備保障計劃本體框架的三個主要部分。行動序列作為裝備保障計劃的主體,通過原子行動和行動關聯描述行動執行的順序關系以及時間、空間約束;其能力需求和資源需求將行動序列和資源、能力有機聯系起來;資源和能力包為實現資源編組、資源分配以及校驗匹配奠定了基礎。

圖1 海軍裝備保障計劃本體框架

3 裝備保障行動序列表述

由圖1可知,裝備保障行動計劃主體是由行動/原子行動以及行動間執行的邏輯關系構成一張有向圖。行動間功能關聯是行動間執行順序邏輯關系的描述,行動功能關聯全面的分類、準確的形式化表達、有效的數據模型構造是海軍裝備保障方案/計劃表述的基礎。

3.1 行動間功能關聯形式化表達

文獻[11]中將作戰行動執行的邏輯關系分為七種,其形式化定義缺乏對于行動執行邏輯順序本質的描述,本文通過引入行動輸入、輸出將七種關聯關系簡化為順序、并發、條件和聚合關系四種基本關系。七種關系中同步關系可通過時間關聯表述,循環關系是條件關系的特殊情況,或關系并不適用于海軍裝備保障行動。四種基本關系可以有效表述海軍裝備保障行動中所有行動關系。

原子行動指不能分解為其他行動組合的行動。假設Actions={Act1,Act2,…,Actn}是所有原子行動Acti構成的集合,1≤i≤n,η是行動Acti的輸入或輸出,Condi是執行Acti后序行動的觸發條件,可為空。

順序關系SeqR表示行動間的直接相關關系,?Acti,Actj∈Actions,若滿足 1)Acti的輸出η是Actj的輸入; 2) 在Acti的輸出η流通連線上,Acti和Actj之間不存在其他原子行動; 3)Actj執行不需要Condi的觸發,則Acti、Actj符合順序關系SeqR(Acti,Actj)。

· 并發關系ConcR:假設Act?Actions,滿足 1)Act中任意兩個行動間無η輸入輸出關系; 2)Acti∈Actions,且Acti?Act,?Actm∈Act,Acti與Actm符合SeqR(Acti,Actm),則Acti、Act符合并發關系ConcR(Acti,Act),且Acti是Act的先序行動。

· 條件關系CndR:假設Act?Actions,?Actm∈Act,m∈[1,n],若滿足 1)Acti∈Actions且Acti?Act,Acti輸出η可以滿足Actm; 2)Acti輸出η由觸發條件Condi確定是否流向Actm,則Acti、Act滿足條件關系CndR(Acti,Act)。

· 聚合關系AggR:假設Act?Actions,?Actm∈Act,m∈[1,n],若滿足 1)Act中任意兩個行動間無η輸入輸出關系; 2)Acti∈Actions,且Acti?Act,Actm與Acti符合SeqR(Actm,Acti); 3) 設Actm輸出ηm,集合Act中所有行動的輸出是Acti的輸入,則Act、Acti滿足聚合關系AggR(Act,Acti)。

3.2 行動間功能關聯數據結構模型

由行動功能關聯形式化定義可知:順序關系是對行動執行先后順序的表述;并發關系是對先序行動和后序行動集執行順序的表述,可看作多個順序關系的并行表述;條件關系是對條件約束下后序行動選擇表述,多項條件可轉化為單個的條件集合;聚合關系中后序行動需要先序行動集中所有行動的輸出,可以將后序行動的觸發條件設置為Condj,滿足Condj表明后序行動已經具備所有輸入可以執行,它是對滿足此特性的行動關系的描述;由此可知順序、并發可以看作條件關系Cond為空的特例,而聚合關系可以看作條件關系“滿足Condj就執行后序行動,不滿足就等待”的特例。因此可將行動功能關聯的數據結構定義為統一形式,如圖2(a)所示。順序關系Cond為空,后序行動集為單個元素,指向下一原子行動,如圖2(b)所示;并發關系Cond為空,后續行動集為鏈表形式,指向Act中原子行動,如圖2(c)所示;條件關系中將多個條件轉化為單個的條件集合,后續行動集中為兩個元素,分別指向條件判斷后不同執行路線,通過在null行動中合理設置Cond實現行動選擇,如圖2(d);聚合關系先序行動集中行動結點的條件存放后序行動執行的觸發條件Condj,以此判定先序行動集合各個行動是否完成,行動結點的后續行動集中為指向后序行動的單個元素,如圖2(e)所示。

圖2 功能關聯數據模型

3.3 行動網絡數據結構表述

圖3是一個計劃網絡,結點1和結點2滿足順序關系,結點4在條件Condk下循環執行;結點3、結點5和結點6構成選擇關系,結點3執行完成之后在Cond1條件下執行結點5,在Cond2條件下執行結點6;結點4、結點6和結點7構成聚合關系,結點7為后序結點;結點5、結點7和結點8構成聚合關系,結點8是后序結點。這是一個典型的行動計劃網絡,其中包含了順序、并發、選擇、聚合和循環五種行動邏輯關系,圖4用定義的數據結構表示該行動網絡。時間、位置約束可以通過對結點添加屬性實現,不再表述。

圖3 計劃網絡

圖4 計劃網絡數據結構

結點4的特殊性在于自身構成循環關系并與結點6、7構成聚合關系,結點4執行后判斷循環條件Condk,滿足條件則調用后續行動集中指向行動自身的指針實現循環,否則跳出循環,執行結點NULL,NULL結點的作用是對是否執行結點7進行判斷。由圖4可知該數據模型可以較好地表述計劃網絡中復雜的行動關系。

4 裝備保障資源和保障能力

海軍裝備保障資源是指保障海軍作戰需要的彈藥、裝備以及為作戰提供技術保障所需要的器材、設備、人員和設施[12]。裝備保障資源按其運用可以分為消耗型資源和功能型資源:消耗型資源隨著資源的運用數量逐漸減少,需依靠補充來獲取的資源類型;功能型資源具有可重復使用特性,且可與其他資源編組形成新的功能型資源。傳統意義上將保障資源物化為具體的人員、器材等,本文將保障資源概念擴展為由資源要素、要素間結構和資源對輸入和輸出響應所構成的資源系統,資源對輸入產生的響應輸出稱為資源所具備的保障能力,這是保障資源的內在屬性,是由資源要素和要素間結構所決定的。在此基礎上裝備保障行動可以理解為要實現原子行動對資源的需求,或者說原子行動對保障能力的需求。

4.1 形式化定義

原子能力是相互獨立、不可分割裝備保障能力,可以表征為輸入和輸出之間的映射關系:Atomfi=f(Inputi,Outputi),Inputi是形成原子能力所必須信息流和物質流的描述,Outputi經過原子能力處理后產生的信息流和物質流描述。原子能力集合表示為F={Atomf1,Atomf2,…,AtomfN}。

裝備保障能力Cap是由多項能力聚合或組合形成的模塊化能力,設Cap形成能力集合M,則F?M,Cap可表示為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關系,函數關系G既可反映消耗型資源聚合所產生的疊加關系,又可表述功能型資源組合產生新的功能關系。

原子資源是不可分割裝備保障要素,AtomResi可由資源屬性和資源能力進行表述AtomResi=〈ResAttri,Capi〉,ResAttri是原子資源固有屬性的表達,Capi對應于原子資源所具備的保障能力,表達為Capi=Gi(Ui,Structi),Ui是構成Capi的能力集合且滿足Ui?M。原子資源集合表示為ER={AtomRes1,AtomRes2,…,AtomResm},m為原子資源種類;原子資源具備的保障能力組成集合EC={Cap1,Cap2,…,Capm}。

保障資源概念擴展后,可由資源構成要素、結構和生成的能力表述,表征為:Res={R,ResStruct,Cap},設所有Res構成集合N,其中R是資源編組且R?N,既可是原子資源的AR的子集合又可是保障編組資源的集合;ResStruct是R的結構表述;Cap是保障資源所具備的保障能力,可表示為Cap=G(C′,ResStruct),C′滿足C′?M。資源編組形成的能力實際上可以看作資源要素及要素能力、結構決定的,在資源要素一定的情況下,資源的能力由結構ResStruct決定,能力本身又由C′和映射函數G表達,這說明在資源要素確定情況下對資源編組而言資源編組的結構ResStruct與C′到Cap的映射函數G本質上是一致的。

4.2 數據模型

原子資源是保障資源的子集,可采用同一數據模型表述原子資源和保障資源編組,如圖5(a)所示資源的數據模型主要由資源屬性、資源編組要素及編組結構、資源能力的表述構成。各類資源編組主要有兩種結構,一是聚合、二是組合,聚合主要面向消耗型資源的編組,組合主要面向功能型資源的編組。如圖5(b)所示為利用該數據模型對資源的各要素進行表述。由能力形式化定義,原子能力與編組能力在定義上是一致的,如圖5(c)所示原子能力可采用過程/函數形式實現,資源編組的能力同樣可采用過程/函數形式實現,函數輸入為資源編組要素所具備的能力,執行過程為能力相互作用的結構,輸出為資源的能力。

圖5 資源及能力數據模型

能力作為資源的內在屬性,與資源編組要素的能力以及這些能力間相互作用的結構密切相關,能力的函數化表達使得資源能力的實現可以脫離于具體的資源及具體的能力,從而將能力的實現與能力間相互作用的結構聯系起來,這與在形式化定義中資源要素確定情況下資源編組的結構ResStruct與映射函數G本質上是一致的結論是一脈相承的。

5 結語

海軍裝備保障計劃本體框架實現了對領域概念的全面分類,表達概念之間的關聯,為基于本體的海軍裝備保障計劃的表述與生成奠定了良好的基礎;案例表明構建的功能關聯數據模型能夠很好地表達行動序列間執行邏輯關系,資源數據模型能夠有效的表述資源的要素、結構和能力。

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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 作者簡介:莫攀飛,男,碩士研究生,研究方向:作戰輔助決策技術。李啟元,男,博士,副教授,研究方向:指揮信息系統仿真。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.040