語義網(wǎng)技術及其在軍事領域應用研究

李家良，宋文賓，劉炳磊

(1．海裝天津局，北京100073;2．中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

當今社會，在網(wǎng)絡技術和電子技術等新技術的發(fā)展影響下，人類每天產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，圖靈獎獲得者Jim Gray 提出了一個關于網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)據(jù)量的定律:網(wǎng)絡環(huán)境下每18 個月產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量等于有史以來數(shù)據(jù)量之和［1］。如此海量的數(shù)據(jù)中蘊含著大量的知識和財富。

可是利用計算機進行簡單的數(shù)據(jù)查詢并不能有效地發(fā)掘知識，計算機如果能代替人對數(shù)據(jù)進行理解并在理解的基礎上進行處理分析，將會給使用者帶來極大便利。語義網(wǎng)技術正是為了解決這一問題。

1 語義網(wǎng)的技術體系

語義網(wǎng)技術通過將萬維網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)加工，并引入約束和邏輯關系等，使得計算機可以形式化描述數(shù)據(jù)，在此基礎上對數(shù)據(jù)進行理解和推理，從而實現(xiàn)人機的智能交互。數(shù)據(jù)加工的過程也就是數(shù)據(jù)表示和組織的過程，通常采用的方法是進行本體提取，在本體提取的基礎上，對本體進行約束限制和邏輯關系推理等。在應用中，針對不同應用的需求，往往引入安全技術以保證交互環(huán)境的可信。

1.1 語義網(wǎng)技術體系結(jié)構(gòu)

語義網(wǎng)技術體系結(jié)構(gòu)涉及語義網(wǎng)技術的實現(xiàn)基礎和語義網(wǎng)技術為上層應用的技術支撐。針對語義網(wǎng)技術的實現(xiàn)機制和其在應用中發(fā)揮的作用，Berners－Lee 于2000 年提出了語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，這也就是為人熟知的語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示［3］。

圖1 語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of Semantic Web

語義網(wǎng)技術體系結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)語義網(wǎng)的技術體系，體系按照從最底層的編碼層到高層應用逐層構(gòu)建。每一層為上一層實現(xiàn)提供接口或技術支持。該體系結(jié)構(gòu)共有7 層，自下而上其各層功能逐漸增強。第1 層是字符集層，是整個語義網(wǎng)的基礎，負責資源的統(tǒng)一編碼和標識。第2 層是標記語言層，該層負責從語法上表示數(shù)據(jù)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，通過使用標準的語言將網(wǎng)絡信息的表現(xiàn)形式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容分離。第3 層是資源描述框架層，該層主要是為元數(shù)據(jù)的描述提供標準的描述框架，對元數(shù)據(jù)的語義描述形成標準規(guī)范。第4 層是本體層，該層是在資源描述框架層的基礎上定義的概念及其關系的抽象描述，用于描述應用領域的知識，描述各類資源及資源之間的關系，實現(xiàn)對詞匯表的擴展。第5 層是邏輯層，負責提供公理和邏輯推理規(guī)則，用于對資源與資源之間的關系以及推理結(jié)果進行有效性驗證。第6 層是證明層，該層提供語義網(wǎng)可靠性和可用性等方面的技術。第7 層是可信層，它基于證明層和數(shù)字簽名等，確保語義網(wǎng)所提供服務的整體可信。

除了7 層結(jié)構(gòu)，語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中也引入了數(shù)字簽名和文檔等。數(shù)字簽名主要為滿足應用中對安全和可信的需求，結(jié)合從資源描述框架層到證明層的技術進行實現(xiàn)。體系結(jié)構(gòu)中的文檔和數(shù)據(jù)指的是為各層技術提供支持的標準文檔、擴展文檔、相關數(shù)據(jù)等，例如在使用資源描述框架對專業(yè)領域的資源進行描述時，往往需要用到該領域?qū)I(yè)的資源描述文件和以往的數(shù)據(jù)等。

1.2 語義網(wǎng)的關鍵技術

從技術角度出發(fā)，語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)每層所使用的技術主要用于在不同層面實現(xiàn)對數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)關系的表示和組織，為上層的使用提供支持。實現(xiàn)語義網(wǎng)的關鍵是要解決數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間關系描述、機器理解以及安全保證等。作為通用標準，語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)采用廣泛使用的標準技術作為每層的實現(xiàn)技術。其關鍵技術主要是XML(S)、RDF(S)和本體技術等。

1.2.1 XML 和XML Schema

XML 技術基于標簽實現(xiàn)，與HTML 類似，但是XML 采用更加豐富的標簽描述數(shù)據(jù)的每一成分，并借助XML 嵌套結(jié)構(gòu)定義各成分之間的關系。XML還將顯示與內(nèi)容區(qū)分開來，這使得XML 不僅能夠被計算機理解，而且同樣的內(nèi)容可以采用不同的風格顯示給用戶［4］。

XML Schema 是對XML 結(jié)構(gòu)的擴展，它用于可替代文檔類型定義和對可擴展標記語言文檔的結(jié)構(gòu)進行描述，是對XML 中組件的擴展，增強了XML的描述能力。

XML 和XML Schema 是語義網(wǎng)的技術基礎。用來對數(shù)據(jù)進行詞匯級別描述。它們的實現(xiàn)是基于統(tǒng)一編碼規(guī)則和統(tǒng)一資源定位符(URI)。

1.2.2 RDF 和RDF Schema

RDF 是現(xiàn)在廣泛流行的資源描述框架，一般采用三元組(＜資源，屬性，值＞)的形式對本體中的實體進行描述。RDF 是建立本體、執(zhí)行邏輯推理和描述Web 服務以及其他語義網(wǎng)行為的基礎。RDF被設計為提供一種描述信息的通用方法，所描述的內(nèi)容是以被計算機讀取和理解。

基于RDF 的擴展RDFS (RDF Schema)是對RDF 數(shù)據(jù)模型中所使用的詞匯的擴展。RDF 是允許用戶使用自己的詞匯描述資源的通用語言，用戶使用RDFS 定義專業(yè)領域的語義［5］。

RDF 是領域無關的，采用RDFS 對其詞匯擴展可以表示專業(yè)領域的資源，這種描述技術對所描述資源的約束少，這擴展了RDF 的使用范圍。但是在本體知識層面，存在一定的局限性，例如屬性基數(shù)約束困難，一個人有一個父親和一個母親，一門課至少由一個教授講授等［6］。為實現(xiàn)對本體更全面地描述，語義網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)引入本體技術。

1.2.3 本體技術

本體由實體描述集、實體屬性集、實體關系集、函數(shù)、限制、規(guī)則和公理等組成。本體目的是數(shù)據(jù)概念化、關系明確化、描述形式化和結(jié)果可共享。

本體提供語義交換的橋梁，能夠在不同知識之間達成有關術語概念的共識，為概念共享和統(tǒng)一理解提供支持，是構(gòu)建語義網(wǎng)的關鍵。本體層在體系結(jié)構(gòu)中更接近上層應用，它為邏輯層直接提供支持，為進一步的推理提供子集。

2 在軍事領域應用

2.1 軍事信息系統(tǒng)中的語義網(wǎng)技術

語義網(wǎng)技術在軍事領域的應用主要在資源描述、數(shù)據(jù)融合、信息共享等方面，重點應用于軍事信息基礎設施中網(wǎng)絡化信息服務設施。網(wǎng)絡化信息服務設施是支持信息按需共享和系統(tǒng)柔性重組，實現(xiàn)軍事信息系統(tǒng)由以平臺為中心系向網(wǎng)絡為中心轉(zhuǎn)變，提供“網(wǎng)絡中心、面向服務、按需分發(fā)、柔性重組”等支持能力的核心基礎設施［7］。語義網(wǎng)技術的應用，從信息表示，資源描述、理解和使用，服務組合、可信等方面有效提升了網(wǎng)絡化信息服務設施能力，如圖2 所示。

圖2 語義網(wǎng)技術在信息服務設施中作用Fig.2 Semantic Web in information infrastructure

隨著應用的不斷深入和相關技術的發(fā)展，語義網(wǎng)技術將在智能輔助決策、預警偵察等方面發(fā)揮更大作用。

2.2 應用

2.2.1 軍事領域“XML 數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”

當今軍事領域中，隨著各種傳感器和雷達等信息獲取設備的發(fā)展和網(wǎng)絡中大量數(shù)據(jù)的發(fā)布，軍事活動中所需要處理的數(shù)據(jù)量暴增。快速分析數(shù)據(jù)并從中提取重要信息的能力對奪取信息優(yōu)勢來說極其重要。

XML 數(shù)據(jù)戰(zhàn)略是美軍提出的信息化戰(zhàn)爭的數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的一部分。它的涵義是指導信息化戰(zhàn)爭在軍事信息網(wǎng)格——新一代軍事信息網(wǎng)絡環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的計劃和策略。美軍在信息化戰(zhàn)爭《聯(lián)合構(gòu)想2020》中指出，只有信息被決策者轉(zhuǎn)化為相關知識乃至智慧，并及時正確地做出合理決策，才能真正奪取信息優(yōu)勢，贏得聯(lián)合作戰(zhàn)勝利。實現(xiàn)知識的可理解性及計算機自動智能化推理是知識智能化共享的關鍵［8］。

XML 數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的目標是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，作為“獲取—共享—協(xié)作”信息鏈中的關鍵一步，采用XML 作為統(tǒng)一的標準進行數(shù)據(jù)標識，不僅能夠為獲取的數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一形式的表示和組織，而且在信息資源的整合和管控中起到重要作用。語義網(wǎng)技術在軍事領域中的應用為解決復雜戰(zhàn)場環(huán)境中資源的管控、資源按需重組和網(wǎng)絡信息安全等提供途徑。

2.2.2 戰(zhàn)場環(huán)境中增強的態(tài)勢感知

AKTiveSA 工程在模擬國際人道主義援助方案中利用語義網(wǎng)技術支持信息融合和增強態(tài)勢察覺。語義網(wǎng)技術為收獲來自大量的、不同的信息源的信息提供新的機會，并能更好地支持復雜的知識融合。對越來越多的知識資源來說，通過綜合考慮資源傳播、環(huán)境情報等，以及采用語義網(wǎng)技術，能夠?qū)崿F(xiàn)態(tài)勢察覺，即:在一定空間和時間的環(huán)境中對元素的察覺，對其意義的理解和在近期對其狀態(tài)的投影。目前，要過濾并聚集大量的資源以找到最有關聯(lián)性的信息較為困難。研究人員通過分析語義網(wǎng)初始和發(fā)展趨勢，面向解決信息超載問題，研究為信息過濾和分類提供一個更具表達性的、結(jié)合上下文的方法。

3 發(fā)展和對軍事領域影響

3.1 技術發(fā)展方向

語義網(wǎng)技術憑借互聯(lián)網(wǎng)浪潮帶來的數(shù)據(jù)處理需求快速發(fā)展，正應用到電子商務、電子政府、醫(yī)療、語音識別等多個領域，技術的發(fā)展日新月異［9］。

語義網(wǎng)技術發(fā)展至今，主要的幾個研究方向是:關聯(lián)數(shù)據(jù)［10］、本體抽取、查詢語言、推理、縱向應用等［11］。

網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)量的膨脹和數(shù)據(jù)的松散組織關系使得數(shù)據(jù)之間關系變得更加復雜。關聯(lián)數(shù)據(jù)技術借助語義網(wǎng)對數(shù)據(jù)之間關系進行發(fā)掘。未來，在電子商務領域、教育、軍事情報等領域，必將成為一種關鍵技術，發(fā)揮重要作用;本體的抽取能擴展數(shù)據(jù)所表示的意義，使得數(shù)據(jù)蘊含的意義更加豐富，隨著語義網(wǎng)技術應用范圍變得更加廣泛，領域內(nèi)智能本體發(fā)現(xiàn)、領域間本體描述等技術將會成為關鍵;如果將采用語義網(wǎng)技術組織的所有數(shù)據(jù)看作是一個大型的數(shù)據(jù)集合，對這些數(shù)據(jù)的查詢必不可少，查詢語言將至關重要，實現(xiàn)快速、便捷、高效的查詢?nèi)匀皇侵悄軝z索等領域的關鍵技術;語義網(wǎng)技術通過制定規(guī)則，按照規(guī)則推理獲得數(shù)據(jù)，在不同系統(tǒng)和語言之間通過規(guī)則的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)推理過程;隨著語義網(wǎng)技術的發(fā)展不斷深入，不同領域之間、不同應用之間、不同數(shù)據(jù)之間如何實現(xiàn)語義網(wǎng)技術才能夠屏蔽底層技術、內(nèi)容等方面的不同，是縱向應用技術要面對的問題。

3.2 對軍事領域的影響

科技是第一生產(chǎn)力，軍事領域中，科技同樣發(fā)揮極其重要的作用。伴隨科技的發(fā)展，軍事作戰(zhàn)活動的樣式、空間、時間等都發(fā)生了深刻變化，信息戰(zhàn)成為戰(zhàn)爭最重要組成部分。信息戰(zhàn)不僅是體系與體系的對抗，系統(tǒng)對系統(tǒng)的攻防，更是信息處理能力的較量。

以海戰(zhàn)場為例，近年來我國海軍的技術和實力得到了長足的發(fā)展，海戰(zhàn)場中網(wǎng)絡、傳感器等共性信息基礎設施等得到長足發(fā)展，數(shù)據(jù)從匱乏到豐富。但是新舊系統(tǒng)兼容性、技術體制不統(tǒng)一、缺乏總體設計等矛盾依然突出，海戰(zhàn)場作戰(zhàn)的元素多樣性和環(huán)境多變性等決定了海戰(zhàn)場作戰(zhàn)中信息的多樣化和處理的復雜化，數(shù)據(jù)處理能力的不足導致無法形成信息優(yōu)勢，嚴重制約了我國海軍體系化協(xié)同作戰(zhàn)的能力。

語義網(wǎng)技術起源于互聯(lián)網(wǎng)，推動了網(wǎng)絡中資源的描述和表示方式，并由此衍生出的數(shù)據(jù)挖掘、推理等都成為知識產(chǎn)生的重要途徑。語義網(wǎng)技術在其他領域的應用證明了其進行可用性，為在軍事領域中的應用奠定了基礎，在作戰(zhàn)資源描述等方面的應用為軍事領域中資源標識提供了一種手段，伴隨語義網(wǎng)技術的發(fā)展和在軍事領域應用的深入，其必將成為推動電子信息戰(zhàn)到知識信息戰(zhàn)轉(zhuǎn)變的關鍵技術。

4 結(jié) 語

語義網(wǎng)技術是伴隨大數(shù)據(jù)時代人們對于數(shù)據(jù)內(nèi)容處理能力的需求而提出的一項技術，它的使用為計算機理解數(shù)據(jù)以及智能發(fā)現(xiàn)和處理數(shù)據(jù)提供支持。語義網(wǎng)技術的發(fā)展必然會帶來計算機對數(shù)據(jù)處理能力的提升，創(chuàng)造人與計算機交互的新局面。隨著語義網(wǎng)技術的發(fā)展和在軍事領域的應用，逐漸形成以數(shù)據(jù)為基礎，以信息為主體，以知識為能力的信息時代軍事戰(zhàn)爭發(fā)展的一個新方向。

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