知識圖譜技術在雷達情報處理與運用綜合實踐課程中的應用研究

劉立國

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

一、雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學的現實問題

雷達情報處理與運用綜合實踐課程是雷達工程專業首次任職類必修課程，主要開展戰術想定背景下的雷達情報處理與運用分析、處理、情況處置等實踐，對于雷達原理與技術、雷達指揮、雷達情報處理與運用分析與處理的綜合運用能力、理論聯系實際、實踐動手能力和創新意識的培養具有重要作用[1]。由于雷達情報處理與運用涉及的概念和原理復雜，而且其綜合實踐與實際應用數據的關聯性極強，涵蓋的數據類型多、數量大，使得傳統雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學面臨以下三個方面的現實問題：

1.教學內容與實際應用脫節。一方面，掌握雷達情報處理與運用實際應用數據的單位由于沒有教學訓練的使命任務，對于教學訓練的需求不急迫、不明確，欠缺推進實際應用數據在實踐課程教學中運用的動力；另一方面，傳統雷達情報處理與運用綜合教學訓練的內容側重于“知識本位”，對于雷達情報處理與運用分析所需的結構化思維和大數據分析視野的鍛煉不足，難以提升學生在面對實際應用場景時的應對能力。

2.課程內容結構不適應學習者學習。與雷達原理與技術等課程內容不同，雷達情報處理與運用綜合實踐課程作為一門操作性強、綜合性高的課程，涉及到的理論知識和實踐知識都非常多，而且知識之間關系復雜。由于當前沒有對課程內容所涉及的各方面知識統一做系統性的梳理，導致知識體系散亂，學生在學習過程中難以有效地、系統性地掌握教學內容。

3.欠缺有效的實踐教學內容管理工具。與普通的單一專業課程不同，雷達情報處理與運用綜合實踐課程的教學內容不但涵蓋了雷達原理與技術、雷達指揮以及情報分析與處理等多種課程的知識，且融合了實際系統操練和實際應用數據分析，導致傳統的教學工具難以有效呈現該課程龐大的知識體系和內在邏輯。因此，需要研發面向雷達情報處理與運用綜合實踐課程的教學內容管理工具，以幫助學生更好地掌握課程的核心內容。

二、基于知識圖譜的雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學內涵及其隱喻

知識圖譜技術開創了一種嶄新的信息檢索方法，給信息分析和推理難題帶來了全新的解法，為人類社會發展帶來了前所未有的變革[2]。實質上，知識圖譜是一個展示實體相互聯系的語義系統，由節點和邊組成，節點代表實體、邊代表實體之間的聯系。知識圖譜不僅提供了一種直觀、容易理解的方式來表示知識，并且為現代問答系統、語義生成系統、自適應學習等提供了基礎。

雷達情報處理與運用處理是指通過對雷達信號的收集、處理、分析和解釋，從而獲取有關目標對象的情報信息的過程。知識圖譜的重要應用場景之一是雷達情報處理與運用處理，它可以幫助軍事決策者更好地管理和掌握重要的雷達情報資源，進而提高決策的效率和準確性[3]。

本文提出基于知識圖譜的雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學方法。首先，結合雷達情報處理與運用的概念和特點，構建雷達情報處理與運用模型，探索雷達情報處理與運用知識圖譜的結構設計和構建方法，并闡述知識圖譜與雷達情報處理與運用之間的關系。其次，實現雷達情報處理與運用的網絡本體語言（OWL）本體模型[4]，利用知識圖譜本體開發工具Protégé內置的Onto-Graf 實現模型的可視化。最后，在雷達情報處理與運用綜合實踐課程中，將構建的雷達情報處理與運用本體模型和實際應用數據匯聚到知識圖譜中，形成實踐課程的內容管理工具。

通過研發雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學內容的知識圖譜，可以有效解決傳統雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學面臨的三個問題，提升課程教學的成效。（1）實現教學內容與實際應用的緊密融合：知識圖譜匯聚了雷達情報處理與運用本體模型和實際應用數據，提供了雷達情報處理與運用分析理論到實際應用的一條清晰路線。（2）實現課程內容的體系化梳理：雷達情報處理與運用綜合實踐教學內容的知識圖譜以結構化的方式組織了課程涉及到的理論知識和實際應用數據，通過知識圖譜可視化技術顯性表達了理論與實際應用數據的內在關聯。（3）提供了高效的實踐教學內容管理工具：在知識圖譜的構建過程中，設計了合理的應用框架，結合相關度高的實踐教學內容管理軟件，提供了高效的教學內容檢索方法。

總之，本文借助知識圖譜完成對雷達情報處理與運用綜合實踐課程前序知識的梳理和總結，解決了學生知識點難以記憶和學習知識不夠體系化的問題，達到了在綜合實踐類課程中快速應用以往知識的目的。

三、雷達情報處理與運用綜合實踐課程的知識圖譜構建

為了面向實際應用場景開展基于知識圖譜的雷達情報處理與運用綜合實踐教學，需要構建基于實裝雷達情報處理與運用數據的知識圖譜，形成課程的教學內容管理工具。本文采用的方法是雷達情報處理與運用知識圖譜的本體建模，其中需要滿足所構建模型的基本要求，包括整體上邏輯嚴密、結構完整、無明顯錯誤以及可以實現可視化。因此，本體建模過程中需要對其內容結構進行精簡，以確保其能實現上述要求。

對于雷達情報處理與運用，主要考慮三個方面。（1）地理環境方面，雷達情報處理與運用收集到的數據包含地理位置等信息，可以通過分析實體的分布和移動軌跡，在地圖上展示實體所處的位置和移動軌跡。（2）點航跡方面，通過實時監測目標的點跡，并根據點跡變化推斷出目標的行動和意圖，如識別出目標的速度、加速度、轉彎半徑等，以便分析目標的規律和特征。（3）目標方面，知識圖譜可以描述不同物體、船只或飛機的特征和屬性，例如大小、方向、速度、制造商等，這些屬性可以用來幫助分析人員更好地理解目標，并向分析人員通知目標潛在的意圖或目的，以便在必要時采取行動或使用相關情報預警。

要建立適合的模型，首先要充分了解建模的需求。雷達情報處理與運用作為重要的軍事情報，具有高度機密性、及時性、復雜性、數據量大、信息碎片化、裝備依賴性等特點[5]。基于上述特點，要系統構建雷達情報處理與運用的模型，應采取“關聯型”思維方式，由點及面才能做到獲得相對完整的模型。

“由點及面”是雷達情報處理與運用分析中的一種方法，是指通過收集、分析點航跡數據來推斷目標位置、速度等信息，并在此基礎上構建出目標的全貌形象。在進行“由點及面”處理的過程中，首先需要獲取雷達目標的點航跡數據。然后，采用各種分析方法，從這些點的軌跡中提取目標的相關信息，例如位置、速度、加速度等，進而將這些點連接起來，繪制出目標的軌跡線。最后，通過聯想周圍環境來確定目標的類型、規模和特征等，構建出目標的全貌形象。

在雷達情報處理與運用知識圖譜構建過程中，可以借鑒OWL本體建模采用的{C、D、C、O、R}思路：第一個C 代表Classes 類設置；D 代表Data properties 數據屬性設置；第二個C 代表Cellfie 批量導入數據模塊；O 代表Object properties 對象屬性（關系）設置；R代表Restriction 條件約束。基于該思路，雷達情報處理與運用模型構建步驟如下：（1）雷達情報處理與運用建模需求分析：明確構建雷達情報處理與運用模型所需的因素。（2）類建立：明確所需的父類和相應的子類，并設置相應的類別。（3）雷達情報處理與運用數據屬性設置：設置雷達情報處理與運用數據中存在的屬性，以便順利導入后續數據。（4）雷達情報處理與運用數據獲取及導入：通過爬蟲軟件等工具，獲取相關數據并轉換成Excel表格形式，通過Protégé軟件中自帶的Cellfie 模塊將Excel 表格數據導入模型中。（5）對象屬性的設置：定義實體之間的關系和屬性之間的關系。（6）雷達情報處理與運用模型檢查：對建立的雷達情報處理與運用模型進行檢查和測試，確保其符合需求和規范。（7）雷達情報處理與運用模型輸出：將構建的雷達情報處理與運用模型輸出到相應的OWL格式，以滿足后續進行格式轉換以及模型導入操作。

四、基于知識圖譜的雷達情報處理與運用綜合實踐課程實踐路徑

基于知識圖譜的雷達情報處理與運用綜合實踐課程教學將實際應用數據引入課程的實戰化施訓中：通過某實際裝備的數據采集與處理系統，與雷達情報處理與運用綜合實踐課程培養大綱相結合；將緊貼雷達情報處理與運用分析一線需求的軟件系統進行適當的改進提高后，設計能夠用于課堂實戰化教學的知識框架，構建實踐教學的專業體系和知識結構，提高學生的實踐素養，培養學生應用實踐的思維方法[5，6]。

課程實踐過程按照雷達情報處理與運用分析流程劃分實踐單元，再按知識圖譜調試、數據回放、基于知識圖譜的情報分析劃分實踐層次，逐步練習熟悉基于知識圖譜的雷達情報處理與運用分析、處理和決策。本文以“某海域目標行為分析實踐任務”為例，介紹基于知識圖譜的雷達情報處理與運用綜合實踐教學實施路徑。本次實踐任務采用的實裝數據為某型號雷達掌握的目標飛行高度、速度特征等綜合航跡數據，相比傳統教學方案中的模擬數據更有可信度。對訓練后積累的實際數據進行回放，在回放過程中形成案例報告，同時提取高價值目標進行分析處理，判斷當前海域的態勢及疑似異常的目標。

在知識圖譜調試階段，以掌握知識圖譜軟件的原理和操作為實踐任務，所涉及的操作包括雷達情報處理與運用數據導入、綜合航跡查詢、高度異常值檢測、高度特征統計、分析結果顯示等。這些操作可以組合成一個具有雷達情報處理與運用獲取與分析的簡單完整分析流程，其中理解知識圖譜技術的原理為實踐重點。具體實施過程是：（1）示例準備，教師在課前需要準備基于知識圖譜的雷達情報處理與運用分析流程說明，以及協調有關單位獲取實裝的某海域雷達情報處理與運用數據。（2）基于知識圖譜的雷達情報處理與運用分析理解，教師課前將實踐任務發布到教學平臺供學生下載自學，課中抽查學生是否理解知識圖譜的基本原理，是否熟悉基于知識圖譜的雷達情報處理與運用分析流程；學生課前下載相關資源并熟悉知識圖譜軟件工具的功能與接口，課中根據要求練習基本操作。（3）知識圖譜調試，課中教師發布實裝的某海域雷達情報處理與運用數據，學生基于對基于知識圖譜的雷達情報處理與運用模型的理解，調用相應的軟件接口，將情報數據導入知識圖譜，自主調試雷達情報處理與運用模型、排除錯誤直到運行結果正確。

在數據回放階段，以形成案例報告為實踐任務，利用知識圖譜軟件等工具描繪場景中各類目標的情況是重難點。具體實施過程是：（1）理解數據回放任務，課前，學生在教學平臺上下載教師發布的實踐任務和相關教學資源，繪制任務實現流程圖；課中，教師抽查學生繪制的任務流程以確保其可行性。（2）目標情況描繪，學生根據教師確認后的任務流程回放按時空順序采集到的雷達數據，拆解各個目標的基本數據，利用軟件工具分別繪制各目標的活動航跡圖和目標三維飛行圖，教師檢查學生繪制的目標情況是否正確。（3）初步案例報告生成。課前，教師結合案例情景給出案例報告大綱；課中，將案例報告大綱發布給學生，學生結合繪制的目標情況，自主編寫初步案例報告，教師檢查學生編寫的初步案例報告。

在基于知識圖譜的情報分析階段，以實際雷達情報處理與運用分析為實踐任務，結合知識圖譜分析情報是實踐的重難點。具體實施過程：（1）情景理解，課前學生根據自己的能力從教學平臺中選擇并下載教師發布的實踐任務和教學資源，了解案例的背景，編寫案例情景流程概要；課中教師抽查學生編寫的案例情景流程概要，確保學生正確理解案例背景。（2）情報篩選，教師發布一個具有簡單完整功能的特定類型目標分析需求，學生針對此需求，借助知識圖譜軟件工具查的情報篩選功能，查找重點關注的信息。（3）目標行為分析，學生基于篩選出的重點信息，并結合案例背景信息，運用情報分析理論分析研判目標的意圖，找出高價值目標，完善案例報告。

在各個實踐階段，學生課后都要反饋實踐體會，供教師了解學生的學習情況。教師全程答疑解惑并同時記錄學生的表現和任務完成度，根據學生課堂表現和實踐體會進行反思調整。