馬悅 吳琳
(1.國防大學 聯合作戰(zhàn)學院,北京100091;2.中國人民解放軍31002 部隊,北京100091)
優(yōu)秀的指揮員憑借軍事知識和戰(zhàn)爭實踐經驗,可以在腦海中建立作戰(zhàn)任務之間的復雜關系,將戰(zhàn)爭想象與合適的戰(zhàn)爭場景進行準確匹配。而機器卻難以完成“作戰(zhàn)經驗—關系抽取—場景應用”之間的快速轉化,其主要原因是缺乏知識而無法推理復雜任務關系。知識表示是機器認知和理解世界的基礎[1],對復雜作戰(zhàn)問題進行合理的知識表示,是實現自動化和自主化決策的前提。
許多學者對軍事知識的合理化表示進行了研究。徐寧以線性時序邏輯建立了無人機任務規(guī)劃問題的描述模型[2];朱璇利用統(tǒng)一建模語言對作戰(zhàn)方案計劃中的時間、空間和信息進行了可視化描述[3];黎鑫采用OWL(Web Ontology Language)語言對作戰(zhàn)方案領域知識進行了建模[4];于鴻源等基于復雜網絡對作戰(zhàn)計劃協同中作戰(zhàn)行動及時間約束關系進行了建模[5];朱延廣等采用系統(tǒng)建模語言對聯合火力打擊問題進行了形式化建模[6]。上述描述方法未能形成軍事知識表示的統(tǒng)一架構,相互之間難以關聯和共享,且無法對指揮員的思維活動進行建模,導致指揮藝術層面的經驗難以在技術層面得到應用。文獻[7]~[10]雖然探索了基于知識圖譜進行軍事知識表示的方法,但還未涉及作戰(zhàn)任務規(guī)劃領域。
針對上述問題,本文提出一種作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素的圖譜化表示方法,將作戰(zhàn)任務規(guī)劃中各要素以知識圖譜形式進行表示。其中,作戰(zhàn)事理圖譜,是對指揮員頭腦中設計的作戰(zhàn)演進過程進行形式化描述,從而將人類思維過程轉化為機器可理解的形式,為融入技術方法奠定基礎;任務威脅圖譜將作戰(zhàn)任務和敵方威脅之間的隱性推理過程,以顯性經驗知識的形式展現出來,便于與其他圖譜知識進行鏈接推理;戰(zhàn)場實體圖譜和單元能力圖譜描述了戰(zhàn)場中各類實體、部隊單位及其屬性特征。
從工程實現角度來講,作戰(zhàn)任務規(guī)劃(Operation Task Planning)是在確定作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)資源、作戰(zhàn)單元和作戰(zhàn)行動等基本要素基礎上,分析任務關系、資源關系和協同關系等內容,進而完成作戰(zhàn)任務優(yōu)選、作戰(zhàn)任務分配和協同目標分配等活動,其關系如圖1 所示。

圖1 作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素
作戰(zhàn)任務規(guī)劃的基本要素包括:作戰(zhàn)目的,用于描述作戰(zhàn)行動所要達到的預期結果;作戰(zhàn)任務,在一定戰(zhàn)場態(tài)勢下為實現預定作戰(zhàn)目的所采取的一系列具有緊密關系的行動;作戰(zhàn)資源,作戰(zhàn)實施過程中不可再分割的物質基礎,具有處理作戰(zhàn)任務的能力;作戰(zhàn)單元,在一定范圍內能夠獨立遂行作戰(zhàn)任務的基本作戰(zhàn)單位;作戰(zhàn)行動,作戰(zhàn)單元為完成作戰(zhàn)任務而設計的活動;作戰(zhàn)目標,作戰(zhàn)任務所作用的目標對象客體;敵方威脅,敵方為阻撓我方行動、摧毀我方軍事力量和設施所采取的軍事行動。
作戰(zhàn)任務規(guī)劃的關系要素,包括作戰(zhàn)任務關系、作戰(zhàn)資源關系和作戰(zhàn)協同關系。其中:作戰(zhàn)任務關系,是指作戰(zhàn)任務之間存在的層次關系、時序關系和邏輯關系。層次關系描述了作戰(zhàn)任務之間包含與被包含的關系,時序關系描述了作戰(zhàn)任務之間的執(zhí)行順序,而邏輯關系描述了作戰(zhàn)任務的取舍關系。作戰(zhàn)資源關系,是指作戰(zhàn)任務對作戰(zhàn)資源的需求關系以及作戰(zhàn)資源對作戰(zhàn)單元的支撐關系,通過作戰(zhàn)能力的量化來建立作戰(zhàn)任務和作戰(zhàn)單元之間的映射[11],從而實現作戰(zhàn)任務分配。作戰(zhàn)協同關系,是指多個作戰(zhàn)單元在同一時空范圍內執(zhí)行同一作戰(zhàn)任務或具有邏輯關系的不同作戰(zhàn)任務時,在空間部署、時間銜接、目標分配、火力分配和效果達成等方面所具有的相互照應、相互配合和優(yōu)劣互補的關系[12]。
作戰(zhàn)任務規(guī)劃的規(guī)劃要素,包括作戰(zhàn)任務優(yōu)選、作戰(zhàn)任務分配和協同目標分配。其中:作戰(zhàn)任務優(yōu)選,是指從作戰(zhàn)任務集合中選擇能夠確保作戰(zhàn)使命順利實現并取得最佳效果的一系列作戰(zhàn)任務;作戰(zhàn)任務分配,是指將作戰(zhàn)任務指派給單個或若干作戰(zhàn)單元去執(zhí)行,其實質是建立作戰(zhàn)任務集合與作戰(zhàn)單元集合之間的動態(tài)映射。協同目標分配,是指多個作戰(zhàn)單元在同一時空范圍內為完成同一項作戰(zhàn)任務或相互之間存在邏輯關系的多個作戰(zhàn)任務,從時間、空間和效果等多個角度考慮所進行的目標分配和火力分配。
知識是人類通過觀察、學習和思考客觀世界而總結出的概念、事實和規(guī)則,而知識表示是對現實世界的一種抽象表達。知識表示方法有謂詞邏輯、產生式規(guī)則、框架表示、語義網絡及語義網等[9]。為優(yōu)化搜索引擎和提高搜索質量,Google 提出了知識圖譜的概念,并迅速應用于智能搜索、個性推薦和智能問答等領域。知識圖譜是一種使用圖模型來描述現實世界的語義網絡,將基本知識要素通過語義相關聯,自然地刻畫了萬物之間的復雜關系[13]。知識圖譜主要由節(jié)點和有向邊組成,節(jié)點可以表示概念、實體或屬性值,邊可以表示概念/實體之間的關系或概念/實體的屬性[14]。
知識圖譜偏重描述知識的靜態(tài)特征和確定性事實,難以滿足事理邏輯的動態(tài)描述和不確定性推理。為此,劉挺提出一種以事件為核心的動態(tài)知識圖譜——事理圖譜(Event Evolutionary Graph),其節(jié)點和有向邊分別表示事件及事件之間的演化關系,從而揭示了事件在時空域上的不確定性演化規(guī)律[15]。事理邏輯主要包括因果事理、條件事理、順承事理、并行事理、組成事理和上下位事理。
將作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素表示為作戰(zhàn)事理圖譜(Operational Event Evolutionary Graph)、任務威脅圖譜(Task-Threat Knowledge Graph)、戰(zhàn)場實體圖譜(Battlefield Entity Knowledge Graph)和單元能力圖譜(Unit Ability Knowledge Graph),并采用資源描述框架(Resource Description Framework,RDF)數據模型進行描述。
3.1.1 作戰(zhàn)事理圖譜及描述
以思維活動為主的指揮藝術是作戰(zhàn)決策的核心。指揮員憑借廣闊的視野和敏銳的洞察力,能夠將現實戰(zhàn)場映射在腦海中,通過想象完成作戰(zhàn)進程的粗略設計,類似于情景規(guī)劃(Scenario Planning)[15]。用“作戰(zhàn)事理圖譜”來形式化描述這種針對特定作戰(zhàn)場景的思維活動,為作戰(zhàn)任務規(guī)劃提供概略指導。
作戰(zhàn)事理圖譜是一種用于描述關于作戰(zhàn)過程演進路徑思維圖景的事理圖譜,其節(jié)點和有向邊分別表示各作戰(zhàn)階段的作戰(zhàn)目的及相互之間的演化關系。本質是形式化描述作戰(zhàn)目的的分解過程,展現了作戰(zhàn)目的之間的組成、順序、并行和條件等關系。當作戰(zhàn)目的不可再分解時,必須明確能夠達成作戰(zhàn)目的的作戰(zhàn)任務。
作戰(zhàn)事理圖譜可表示為以下形式:

作戰(zhàn)目的節(jié)點Eop的屬性,用以下元組進行描述:

式(2)中,Id用于唯一標識作戰(zhàn)目的;Name為作戰(zhàn)目的名稱;Targets為達成作戰(zhàn)目的過程中涉及的實體目標或地理區(qū)域等;Effects為達成作戰(zhàn)目的的效果。
作戰(zhàn)任務節(jié)點Eot的屬性,用以下元組進行描述:

式(3)中,Id用于唯一標識作戰(zhàn)任務;Name為作戰(zhàn)任務名稱;Time為任務的時間屬性;Targets為目標清單,明確了作戰(zhàn)任務涉及的實體目標或地理區(qū)域;Effects為任務完成時所需達成的指標;Capability為完成作戰(zhàn)任務所需的作戰(zhàn)能力類型及大小;Threats為執(zhí)行作戰(zhàn)任務時可能面臨的主要威脅;Constraint為作戰(zhàn)任務執(zhí)行的時間、空間和資源等約束條件。
有向邊Rpp描述了作戰(zhàn)目的之間的條件關系(Condition)、組成關系(Compose)、順序關系(Sequence)和并行關系(Parallel),而有向邊Rpt描述了作戰(zhàn)目的與作戰(zhàn)任務之間的因果關系(Result),兩類有向邊的屬性可共同用以下元組進行描述:

式(4)中,Id用于唯一標識有向邊;Label為有向邊所表示的關系類型;StartE和EndE分別為有向邊的起始和終止節(jié)點。當有向邊描述條件關系時,Pro表示“在StartE實現條件下EndE的實現概率”;當有向邊描述因果關系時,Pro表示“若想實現StartE則需執(zhí)行EndE的概率”;其余情況下,Pro無意義。
3.1.2 任務威脅圖譜及描述
貼近軍事對抗博弈實際,需面向威脅分析進行作戰(zhàn)任務規(guī)劃。在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時,敵方會采取相應措施阻礙我方行動;而我方為保證作戰(zhàn)任務順利實施,必然會在前期充分考慮敵方威脅,從而制定應對措施,完善作戰(zhàn)方案。用“任務威脅圖譜” 來描述“作戰(zhàn)任務—敵方威脅”和“敵方威脅—作戰(zhàn)任務” 之間的因果條件關系,從而將隱性推理過程以顯性經驗知識展現出來。
任務威脅圖譜是一種用于描述作戰(zhàn)任務、敵方威脅及相互之間威脅和處置關系的知識圖譜。節(jié)點表示作戰(zhàn)任務或敵方威脅;由作戰(zhàn)任務指向敵方威脅的有向邊,表示作戰(zhàn)任務對敵方威脅的處置關系;由敵方威脅指向作戰(zhàn)任務的有向邊,表示敵方威脅對作戰(zhàn)任務的威脅關系。
任務威脅圖譜可表示為以下形式:

敵方威脅節(jié)點Eht的屬性,用以下元組進行描述:

式(6)中,Id用于唯一標識敵方威脅;Name為威脅名稱;Targets為威脅對象清單;Effects為威脅效果,根據對己方作戰(zhàn)任務執(zhí)行的影響程度進行量化;Capability明確了敵方威脅行動所具有的作戰(zhàn)能力。
有向邊集合Rtt描述了作戰(zhàn)任務對敵方威脅的處置關系(Disposition)和敵方威脅對作戰(zhàn)任務的威脅關系(Threaten),有向邊的屬性用以下元組表示:

式(7)中,Id用于唯一標識有向邊;Label為有向邊的類型;StartE和EndE分別為有向邊的起始和終止節(jié)點。當有向邊描述處置關系時,Pro表示“在作戰(zhàn)威脅出現條件下采取作戰(zhàn)任務能夠處置威脅的概率”;當有向邊描述威脅關系時Pro =1,表示“凡是能預測到的敵方威脅,都會對所執(zhí)行的作戰(zhàn)任務產生影響”。若通過評估決定不對敵方威脅采取措施,則設立空任務節(jié)點與威脅節(jié)點建立連接。
3.1.3 戰(zhàn)場實體圖譜及描述
戰(zhàn)場實體圖譜是一種用于描述戰(zhàn)場中與作戰(zhàn)活動密切相關的客觀實體及其相互之間關系的知識圖譜。節(jié)點表示地形地貌、建筑橋梁、武器平臺和部隊單元等戰(zhàn)場實體,有向邊表示實體之間的空間拓撲關系、時間演化關系和語義邏輯關系等。對戰(zhàn)場實體的分析,實質是分析其內在屬性、邏輯關系和時空分布等特征對作戰(zhàn)行動的影響。
戰(zhàn)場實體圖譜可表示為以下形式:

式(8)中,E ={e1,e2,…}是戰(zhàn)場實體集合;Rbe={r1,r2,…} 用于描述戰(zhàn)場實體之間的關系;函數Fbe∶(E ×E)→Rbe將兩個戰(zhàn)場實體關聯到相應類型有向邊。
戰(zhàn)場實體節(jié)點的屬性,用以下元組進行描述:

式(9)中,Id用于唯一標識戰(zhàn)場實體;Label為戰(zhàn)場實體的類型標記;Name為戰(zhàn)場實體名稱;Attribute為戰(zhàn)場實體屬性,不同類型的戰(zhàn)場實體具有不同屬性。
有向邊的屬性,用以下元組表示:

式(10)中,Id用于唯一標識有向邊;StartE和EndE分別為有向邊的起始和終止節(jié)點(戰(zhàn)場實體);Label為有向邊的類型標記。戰(zhàn)場實體之間的關系可分為空間拓撲關系、時間演化關系和語義邏輯關系。
3.1.4 單元能力圖譜及描述
作戰(zhàn)單元因擁有各類型作戰(zhàn)資源而具有作戰(zhàn)能力,當作戰(zhàn)資源因戰(zhàn)損、故障、消耗或補給發(fā)生變化時,相應的作戰(zhàn)能力隨之變化。
單元能力圖譜是一種用于描述作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)資源、作戰(zhàn)能力及相互之間關系的知識圖譜。節(jié)點表示作戰(zhàn)單元或作戰(zhàn)能力,有向邊表示作戰(zhàn)單元對作戰(zhàn)能力的擁有關系。作戰(zhàn)資源不直接構建為節(jié)點,而是作為作戰(zhàn)單元的屬性,以便于作戰(zhàn)能力數值量化計算。
單元能力圖譜可表示為以下形式:

作戰(zhàn)單元節(jié)點Eou的屬性,用以下元組進行描述:

式(12)中,Id用于唯一標識作戰(zhàn)單元;Label為作戰(zhàn)單元類型;Name為作戰(zhàn)單元名稱;Location為作戰(zhàn)單元的空間位置;Resourses為作戰(zhàn)單元所擁有的作戰(zhàn)資源。
作戰(zhàn)能力節(jié)點Eoc的屬性,用以下元組進行描述:

式(13)中,Id用于唯一標識作戰(zhàn)能力,同時也區(qū)分了不同作戰(zhàn)能力類型;Name為作戰(zhàn)能力名稱;Tasks ={task1,task2,…}為作戰(zhàn)能力可支撐完成哪些作戰(zhàn)任務。
有向邊的屬性,用以下元組表示:

式(14)中,Id用于唯一標識有向邊;StartE和EndE分別為有向邊的起始節(jié)點(作戰(zhàn)單元)和終止節(jié)點(作戰(zhàn)能力);Methods為作戰(zhàn)單元具備作戰(zhàn)能力大小的計算方法,作戰(zhàn)能力的大小與作戰(zhàn)單元擁有相應作戰(zhàn)資源的多少有關。
作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜的構建,需基于專家經驗知識、作戰(zhàn)案例數據庫、作戰(zhàn)規(guī)則手冊和作戰(zhàn)數據庫,如圖2 所示。

圖2 要素圖譜構建過程
作戰(zhàn)目的、作戰(zhàn)任務和敵方威脅節(jié)點及相互之間的關系,通過對作戰(zhàn)案例中敵我雙方交戰(zhàn)行動的聚合和抽象進行構建,也可由軍事專家針對某一作戰(zhàn)場景進行人工構建;戰(zhàn)場實體、作戰(zhàn)單元和作戰(zhàn)能力節(jié)點及相互之間的關系是對客觀事實的描述,主要通過從作戰(zhàn)規(guī)則手冊和作戰(zhàn)數據庫中構建實體字典和規(guī)則特征來進行抽取。所有要素圖譜,基于專業(yè)級數據庫Neo4j 進行管理、查詢和展示。
不同要素圖譜,可通過節(jié)點之間的關聯融合形成新的圖譜。作戰(zhàn)事理圖譜,通過作戰(zhàn)任務節(jié)點與任務威脅圖譜進行關聯,通過作戰(zhàn)目的節(jié)點的目標屬性與戰(zhàn)場實體圖譜進行關聯;任務威脅圖譜,通過作戰(zhàn)任務節(jié)點的目標屬性與戰(zhàn)場實體圖譜進行關聯,通過作戰(zhàn)能力屬性與單元能力圖譜進行關聯;作戰(zhàn)實體圖譜,通過戰(zhàn)場實體的類型屬性與單元能力圖譜進行關聯。
例如,“作戰(zhàn)事理圖譜”和“任務威脅圖譜”的融合過程為:
(1)遍歷作戰(zhàn)事理圖譜中所有節(jié)點并判斷其類型,若是作戰(zhàn)任務節(jié)點,則將其與任務威脅圖譜中相應的作戰(zhàn)任務節(jié)點進行連接。
(2)提取作戰(zhàn)事理圖譜中所有以“順序”關系連接的作戰(zhàn)目的節(jié)點。
(3)尋找上述節(jié)點中具有最長路徑的“作戰(zhàn)目的”鏈,組成新圖譜的第一層具有順序關系的節(jié)點主線。
(4)節(jié)點進行關聯,節(jié)點關聯過程如圖3 所示。

圖3 不同要素圖譜節(jié)點關聯過程
以主線中各節(jié)點為起始節(jié)點進行以下判斷和操作。
步驟1:判斷起始節(jié)點類型。若為作戰(zhàn)目的節(jié)點,則判斷其子節(jié)點的數目,若數目為1 則以子節(jié)點為起始節(jié)點重新進入步驟1,否則進入步驟2;若為作戰(zhàn)任務節(jié)點,則進入步驟3;若為敵方威脅節(jié)點,則進入步驟4。
步驟2:判斷子節(jié)點類型。若為作戰(zhàn)任務節(jié)點,則將起始節(jié)點轉化為“選擇節(jié)點”,所有子節(jié)點以選擇關系連接到該節(jié)點,遍歷各子節(jié)點并以其作為起始節(jié)點返回步驟1。若為作戰(zhàn)目的節(jié)點,則判斷子節(jié)點中是否具有最長作戰(zhàn)目的鏈。如果存在,則將起始節(jié)點轉化為“并行節(jié)點”,所有子節(jié)點以并行關系連接到該節(jié)點;否則轉化為“順序節(jié)點”,所有子節(jié)點以順序關系連接到該節(jié)點。而后,遍歷各子節(jié)點并以其作為起始節(jié)點返回步驟1。
步驟3:判斷起始節(jié)點是否有子節(jié)點。如果有則創(chuàng)建新的“并行節(jié)點”,將起始節(jié)點和所有子節(jié)點以并行關系連接到該節(jié)點;否則,將起始節(jié)點以因果關系連接到原始父節(jié)點,本次判斷結束。
步驟4:判斷子節(jié)點數目。若數目為1,則以子節(jié)點為起始節(jié)點返回步驟1;否則將起始節(jié)點轉化為“選擇節(jié)點”,所有子節(jié)點以選擇關系連接到該節(jié)點。遍歷各子節(jié)點并以其作為起始節(jié)點返回步驟1。
(5)遍歷結束后,輸出新圖譜。
作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜可為軍事智能化搜索、分析和決策提供支撐。
(1)軍事信息管理。作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜以其特殊的圖結構,可以從“實體-關系”角度將不同類型作戰(zhàn)數據進行關聯融合,從而形成一個完整龐大且條理清晰的軍事知識體系。利用通用的“圖”語言,以較高的“保真”性表達軍事活動中的各種要素及其復雜關系,具有自然直觀、高效直接的優(yōu)勢。這種不需要中間轉換過程的信息處理方式,避免了問題復雜化和高價值信息丟失的可能性。
(2)軍事數據分析。作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜一經建立,便可重復為作戰(zhàn)任務規(guī)劃、案例復盤分析等不同軍事應用提供支撐。知識圖譜及其衍生技術涵蓋了知識的建模、抽取、融合、存儲、計算、推理和可視化等方方面面,為軍事數據分析提供了技術支撐。圖數據存儲方式,具有比傳統(tǒng)存儲方式更快的數據存取速度,可為大規(guī)模復雜關系數據計算提供高速響應。從語義角度將各類作戰(zhàn)數據進行連接,建立起統(tǒng)一的數據存儲與知識表示框架,有利于挖掘戰(zhàn)場實體、作戰(zhàn)態(tài)勢、作戰(zhàn)行動以及戰(zhàn)場事件之間的復雜關聯關系。
(3)軍事智能決策。作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜采用人類可識別的字符串來標識節(jié)點、邊和屬性,其通用的圖數據結構又可友好地被機器識別和處理,適用于人機混合決策。圖譜的構建過程,正是讓機器形成對軍事領域的認知和理解;而基于知識圖譜蘊含的語義和自定義規(guī)則,可進行類腦的探索式分析,以模擬人類思考過程去發(fā)現、推理和求證未知的軍事知識;通過反復標注和糾錯進行交互式學習,不斷積累知識邏輯,發(fā)揮軍事專家的作用。
以文獻[5]中的“聯合渡海登陸作戰(zhàn)”為例,闡述作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜的生成與應用過程。
案例中,本級聯合部隊的任務為:奪取機場和港口,為后續(xù)部隊登陸創(chuàng)造條件。根據當前態(tài)勢和使命任務,聯合部隊指揮員及參謀機構確定了“開辟水際灘頭→跨海兵力輸送→奪占岸灘→開辟陸上通道→炸橋阻援→奪占陸上重要目標”的基本作戰(zhàn)進程,并初步制定了各作戰(zhàn)階段的作戰(zhàn)目的和主要作戰(zhàn)任務。同時,根據經驗知識,分析相關作戰(zhàn)任務及其可能遭遇的敵方威脅、應對敵方威脅可采取的行動措施,分別生成作戰(zhàn)事理圖譜和任務威脅圖譜,如圖4 所示。

圖4 圖譜生成
采用3.2 節(jié)中所提出的圖譜融合方法,將作戰(zhàn)事理圖譜和任務威脅圖譜融合生成作戰(zhàn)任務網絡。
作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素的合理化描述是作戰(zhàn)任務規(guī)劃的前提。知識圖譜作為一種語義網絡擁有極強的表達能力,通過構建作戰(zhàn)事理圖譜、任務威脅圖譜、戰(zhàn)場實體圖譜和單元能力圖譜,形式化描述了指揮員頭腦中的作戰(zhàn)演進過程、任務與威脅之間的隱性推理以及戰(zhàn)場中的各類實體和部隊單位,從而為機器理解和技術方法融入奠定了基礎。應用示例表明,作戰(zhàn)任務規(guī)劃要素圖譜化表示方法能夠形象且全面地描述所需知識,可直接為作戰(zhàn)任務規(guī)劃活動提供支撐。