武器裝備運用知識框架及建模方法

羅弋洋, 趙青松, 李華超, 李 勇, 孫建彬

(國防科技大學系統工程學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

武器裝備是現代戰爭的重要物質基礎,而武器裝備運用知識是指導和規范戰爭中武器裝備的運用的重要依據,是規范武器裝備運用方式、提高武器裝備運用效率、確保武器裝備運用效果的重要支撐。而現代戰爭的一體化聯合作戰,更加強調各種武器裝備的協同運用、體系運用,這對武器裝備運用知識,特別是體系運用知識提出了更高的要求。

“知識建模”的概念最早由Newell提出,常見的知識建模方法包括一階謂詞邏輯表示法、產生式規則表示法、框架表示法、基于語義網絡的知識表示方法、資源描述框架(resource description framework,RDF)的知識表示方法,本體的知識表示方法以及知識圖譜。其中,本體的知識表示方法可以將武器裝備運用知識用機器可理解的語言和邏輯進行結構化的、形式化的、規范的描述,進而實現人機之間以及機器之間的交流,進而達到知識表示、共享和重用的目的。

武器裝備運用知識可以劃分為描述性知識、判斷性知識和過程性知識。目前，專門面向武器裝備運用知識的系統的研究非常少,部分是針對知識本身的建模方法、知識結構以及構建知識系統等的研究,但普遍存在覆蓋面不全、知識結構較為簡單、沒有考慮裝備體系的問題。更多的研究是局部的,在一些較為成熟的業務領域背景之下,為了解決業務問題而使用到了武器裝備運用知識,例如分析或優化作戰策略、識別作戰意圖。另外，Yu面向裝備知識表示的不足與裝備知識的特點,進行了裝備知識可視化表示的研究,實現了3種可視化表示方法,為進一步的知識分析提供了支撐。

武器裝備的體系化運用涉及到多個領域,美國國防部體系結構框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)通過8個視角、52個視圖產品描述了聯合作戰中的裝備體系場景要素。美軍的戰場信息基于JC3IEDM(joint C3 information exchange data model)數據模型進行表示,其中的概念數據模型定義出了作戰中的9類獨立實體。

現有面向武器裝備運用知識的研究,基本上是在體系作戰的局部范圍進行描述與說明,缺乏在整個體系的角度,面向全局的研究。因此,本文提出了基于多視角的武器裝備運用知識框架及建模方法。首先,從武器裝備運用知識中分析出構成知識的要素以及要素之間的關系。然后,從武器裝備運用相關人員的業務需求出發,分析出七大視角,再結合知識要素,提出每個視角下包含的知識。最后,根據多視圖結構構建武器裝備運用知識本體,并在一個示例中展示了具體的知識模型。

1 武器裝備運用知識要素分析

1.1 武器裝備及其運用知識的定義

武器裝備運用知識是各級作戰人員和平時期與戰時運用武器裝備的基本遵循,源于武器裝備運用相關軍事條令、教材和手冊等法規材料以及在武器裝備運用實踐中形成的經驗,是武器裝備運用相關人員從各個途徑中獲得的經過總結與凝練的系統的認識。

1.2 要素分析

根據DoDAF中的概念數據元模型和JC3IEDM中概念數據元模型的實體和概念。以體系作戰中的武器裝備運用為視角,以描述武器裝備運用知識為目的,重新對上述兩個概念數據元模型中的實體與概念進行劃分,構建出如圖1所示的武器裝備運用知識要素。

圖1 武器裝備運用知識要素Fig.1 Factors of weaponry utilization knowledge

每個知識要素表示的是一類概念,可以按照樹狀結構向下細分。這些要素、要素的屬性以及要素之間的關系就是構成知識的基礎。在構成知識時,除了給出的要素間的簡單直接關系外,還可以由這些關系組成的復雜關系來形成知識的結構。武器裝備運用知識要素中的節點與邊的含義如表1和表2所示。

表1 節點的含義

表2 邊的含義

2 基于多視角的武器裝備運用知識建模框架

武器裝備運用知識所服務的人員群體構成復雜,包括頂層規劃人員、各級指揮人員、制定計劃的參謀人員、使用武器裝備的各類戰斗員、武器裝備的維護保障人員等;所包括的領域較為廣泛,包括作戰的籌劃、作戰過程的實施、作戰人員的訓練以及武器裝備的維護保障等。

多視角的方法可以從特定的視角對武器裝備運用知識進行描述,每個視角考慮的范疇各不相同,但視角與視角之間又存在著內部聯系,從而達到清晰、完整地描述整個結構的目的。所以選取多視角的方法,從這些相關人員的業務需求出發,分析武器裝備運用知識中與之相關的部分,初步形成武器裝備運用知識框架,經過與業務需要的多次迭代,不斷更新框架內容,最終可以得到適應現實需求的、完整的武器裝備運用知識框架。

針對武器裝備運用相關人員的關注點,將武器裝備運用知識劃分進武器裝備、能力、組織、系統、法規、任務和資源七大視角中,以武器裝備為中心,各視角從本身要素出發,相互關聯,構成武器裝備運用知識框架,如圖2所示。

圖2 基于多視角的武器裝備運用知識框架Fig.2 Multi-view based weaponry utilization knowledge framework

(1) 武器裝備視角

具體使用武器裝備的各類戰斗員需要掌握武器裝備的作戰性能、操作方式、配置方案、運用方式。參謀人員需要掌握武器裝備的性能參數用于各類作戰計算,以及掌握武器裝備的運用方式用于方案制定等。所以,武器裝備視角包含對武器裝備類型、戰技指標、掛載方案以及所涉及到的關鍵技術的描述等。

(2) 能力視角

能力具有天然的綜合性,能力的實現需要裝備、人員、保障條件等因素共同作用。頂層規劃人員需要掌握武器裝備能力的架構來推動全軍武器裝備又好又快發展,適應新背景、新挑戰下的運用要求。參謀人員需要掌握武器裝備、能力、作戰任務三者之間的對應關系來制定適應任務能力需求的武器裝備方案等。所以,能力視角包含對能力框架、能力自身的描述以及對能力與作戰行動、作戰任務、武器裝備等的映射關系的描述等。

(3) 組織視角

各級指揮人員需要掌握作戰力量基本的結構編成,作戰力量之間的作用關系,以及作戰力量中武器裝備和人員配置情況來達到充分發揮本級作戰力量戰斗力的目的。技術保障人員需要掌握作戰力量基本的結構編成,以便按照規定對武器裝備進行維護和保障等。所以,組織視角包含對組織構成、人員配備以及武器裝備配備的描述等。

(4) 系統視角

具體使用武器裝備的戰斗員需要掌握武器裝備系統的基本工作原理、運用方式等,以便在作戰活動中靈活運用武器裝備系統達成作戰目的。各級指揮人員與作戰參謀人員需要掌握武器裝備系統的結構構成、完成使命任務的各類系統及其關系,以便明確實現作戰目的的途徑與手段。頂層規劃人員需要掌握武器裝備系統的構成與運用方式,從而實現對現有系統的論證和新系統的開發等。所以,系統視角包含對系統構成、系統交互、系統運用規則的描述等。

(5) 法規視角

武器裝備運用法規是作戰人員和平時期和戰時運用裝備體系的基本遵循,包括了裝備運用的基本規章、制度、條例、相關軍事教材、裝備手冊等,指導和規范了作戰人員在使用和維護武器裝備時的行為。頂層規劃人員需要掌握指導和規范武器裝備運用的法規的各項信息以及法規之間的關系、法規與武器裝備的關系,以便對現有法規進行分析,促進法規的修繕與更新。各級指揮人員需要掌握法規與武器裝備的關系,進而對下屬部隊進行訓練等。所以,法規視角包含對軍用詞匯、法規分類、法規與武器裝備和作戰任務映射關系的描述等。

(6) 任務視角

此處任務指的是軍隊為達成預定作戰目標所承擔的任務。任務是武器裝備運用的出發點,明確任務的知識對武器裝備的運用有重要的指導作用。各級指揮人員需要掌握任務的制定方式、任務的構成、任務的實現步驟以及武器裝備的使用方式,進而靈活運用武器裝備以支撐任務的完成。參謀人員需要掌握任務的各項要求,以便在制定充分適應要求的作戰方案。頂層規劃人員需要掌握任務的類型、任務的指標,進而根據任務需要對武器裝備進行更新換代等。所以,任務視角包含對任務類型、任務組成、任務過程、任務的評價標準以及約束與指導任務執行的規則的描述等。

(7) 資源視角

作戰資源是作戰中所需要的信息、物資和環境條件,其中環境條件在適宜的情況下對武器裝備運用有支撐作用,在非適宜的情況下對武器裝備運用有限制作用。具體使用各類武器裝備的作戰人員需要掌握環境對武器裝備的影響,以便在操作武器裝備完成任務時,采用正確的方式方法。各級指揮人員需要掌握軍事設施的各項信息,進而制定攻擊敵方設施與保護我方設施的計劃等。所以,資源視角包含對資源類型、資源組成、資源標準以及作戰行動與資源間映射關系和資源對武器裝備運用造成影響的描述等。

每個視角下的產品具體如表3所示。

表3 基于多視角的武器裝備運用知識產品

續表3Continued table 3

續表3Continued table 3

3 基于本體的武器裝備運用知識建模

武器裝備運用知識包含第2節中提出的7個視角下的所有知識,這些知識又劃分為對各類實體的特征屬性和關系的描述性知識,涉及因果關聯的判斷性知識以及關于武器裝備操作和作戰任務流程的過程性知識,整體結構較為復雜。采用本體的方法可以清晰明確地對武器裝備運用知識進行描述,表達知識的結構、知識要素之間的關系以及知識、知識要素的各類屬性,便于理解知識、共享知識與重用知識以及后續擴充知識的內容。

基于本體的知識表示方法,提出知識要素、知識、知識類型和知識領域的4層建模框架。多視圖框架包含視圖產品的構成要素、視圖產品以及視圖產品組成的視角這3層結構。其中,視圖產品的構成要素就是知識要素,視圖產品就是各類知識,而視角是一個知識領域,涵蓋領域內的多類知識。由于知識可以定性的劃分為描述性知識、判斷性知識與過程性知識,所以由多視圖框架映射一個由知識要素、知識、知識類型與知識領域組成的4層結構來建立本體模型。知識要素是表示知識的最小單元,通過要素的屬性以及要素與要素之間的關聯構成知識。知識又按照描述性、判斷性和過程性知識的類型進行劃分,最后歸納進視角中,構成知識領域,如圖3所示。

圖3 多視圖框架映射的本體模型結構Fig.3 Ontology model structure of multi-view framework mapping

按照文獻[10]中提到的本體構建五步法,根據4層結構構建的武器裝備運用知識本體模型,步驟如下。

確定本體范圍。武器裝備運用知識框架明確了武器裝備運用知識本體的范圍是七大視角下共38個不同類型的知識。

獲取知識定義。知識的要素構成以及知識的定義由武器裝備運用知識框架中的視圖產品給出。

定義概念類及屬性。根據多視圖框架映射到本體模型,共構建“武器裝備運用知識”“知識類型”“武器裝備運用要素”3個大類。根據多視圖框架結構與武器裝備運用知識要素內容繼續細分。

本體實例創建。以P-3C偵察機的運用知識為例,構建實例。確定實例屬于哪一個類,在該類下創建一個實例并給其屬性賦值。

本體驗證及分析。基于建模軟件工具,通過對構建的本體進行推理和分析,對各個類之間的關系進行檢驗,保證建立本體的正確性。

所構建的武器裝備運用知識本體如圖4所示。本體模型中的概念主要劃分為3個大類,武器裝備運用知識、武器裝備運用要素以及知識類型。底層的知識通過包含關系與知識要素相連,并且豐富包含關系的內涵,繼續將其劃分為“包含主體要素為”“包含客體要素為”“包含時序要素為”等多種包含關系來明確構成知識的要素的相互關系。以P-3C偵察機的運用知識為例,其戰技指標知識、具備的能力知識以及通過用于執行的應召反潛任務的流程知識分別屬于描述性知識、判斷性知識和過程性知識,構建結果如圖5所示。

圖4 武器裝備運用知識本體Fig.4 Ontology of weaponry utilization knowledge

圖5 P-3C偵察機的運用知識Fig.5 Utilization knowledge of P-3C reconnaissance aircraft

4 結 論

本文參考DoDAF、JC3IEDM中的概念數據元模型中的實體與概念,構建了武器裝備運用知識要素。基于多視角的方法,從武器裝備運用相關人員的業務需求出發,以武器裝備、能力、組織、系統、法規、任務和資源這7個視角對武器裝備運用知識框架進行構建;闡述了各視角下所包含知識的內容與形式,并由多視圖框架結構映射出了一個4層本體結構,構建了武器裝備運用知識本體模型,清晰準確地表示了框架中所包含的知識。但本文還存在不足之處,下一步需要繼續研究。

(1) 本文只提出了武器裝備運用知識的框架與建模方法,下一步可以在具體場景中,構建較為完善的知識模型,并基于此來解決具體問題,如體系作戰中的意圖識別等。

(2) 基于本體表示的知識模型雖然便于人的理解,但不如圖示化的表現方式簡潔直觀,下一步可以進行基于本體的武器裝備運用知識模型的可視化研究。