程建博, 劉德生
(裝備學(xué)院, 北京 101416)
基于本體的指揮信息系統(tǒng)建模
程建博, 劉德生
(裝備學(xué)院, 北京 101416)
利用本體規(guī)范、可重用、形式化的特點(diǎn),提出基于本體的指揮信息系統(tǒng)建模方法框架,從指揮信息系統(tǒng)單元和實(shí)體間關(guān)系兩個方面構(gòu)建指揮信息系統(tǒng)本體模型,并以天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)為例對提出的方法進(jìn)行檢驗(yàn),可為系統(tǒng)的設(shè)計與分析提供規(guī)范的模型描述手段。
指揮信息系統(tǒng); 本體建模; 形式化描述; 可重用; 反導(dǎo)作戰(zhàn)
指揮信息系統(tǒng)的建模和規(guī)范化的模型描述是指揮信息系統(tǒng)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是系統(tǒng)分析和評估的基礎(chǔ)。目前關(guān)于指揮信息系統(tǒng)建模與描述的方法包括基于DoDAF結(jié)構(gòu)框架的多視圖方法、基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的建模方法等。本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明[1],它具有規(guī)范、可重用、形式化的特點(diǎn)。本體用形式化的方法對領(lǐng)域內(nèi)的概念及概念間的關(guān)系進(jìn)行規(guī)范化描述,實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域知識的共享和重用,在軍事、醫(yī)學(xué)、情報檢索等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。本文借鑒本體在知識建模方面具有規(guī)范化、共享重用的特點(diǎn),提出基于本體的指揮信息系統(tǒng)建模方法,對指揮信息系統(tǒng)從單元和實(shí)體間關(guān)系兩個層面進(jìn)行本體建模和描述,提供了規(guī)范的模型描述手段。
指揮信息系統(tǒng)本體模型是對指揮信息系統(tǒng)組成及關(guān)系的描述,通過建立指揮信息系統(tǒng)本體模型,可以提供對系統(tǒng)的統(tǒng)一理解和規(guī)范,實(shí)現(xiàn)不同評估目標(biāo)的信息共享和重用。本體依照領(lǐng)域依賴程度,可以細(xì)分為頂級本體、領(lǐng)域本體、任務(wù)本體和應(yīng)用本體4類[3]。其中領(lǐng)域本體是指描述特定領(lǐng)域中的概念及概念之間的關(guān)系。對指揮信息系統(tǒng)的本體建模屬于領(lǐng)域本體建模的范疇。
1)建模原則及建模工具
本體構(gòu)建是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要領(lǐng)域分析人員按照一定的原則、方法,采用合適的本體構(gòu)建工具對領(lǐng)域本體進(jìn)行建模。T.R. Gruber提出了指導(dǎo)本體構(gòu)建的五條原則,分別是清晰、一致、可擴(kuò)展性、編碼偏好程度最小和本體約定最小[4]。本文結(jié)合指揮信息系統(tǒng)建模領(lǐng)域特點(diǎn),在以上五條原則的基礎(chǔ)上提出三條指揮信息系統(tǒng)本體建模的原則:
①規(guī)范性。指揮信息系統(tǒng)建模的概念和關(guān)系規(guī)范明確,對指揮信息系統(tǒng)建模所涉及的概念和關(guān)系具有明確規(guī)范的定義或者以權(quán)威的資料為參考,保證概念、關(guān)系的前后一致,無二意;
②可擴(kuò)展性。指揮信息系統(tǒng)建模是動態(tài)、可擴(kuò)展的,基于本體的系統(tǒng)建??蚣軕?yīng)該支持在已有概念和關(guān)系的基礎(chǔ)上添加新的概念和關(guān)系,而對已有概念關(guān)系的定義沒有影響;
③本體約束最小。在對關(guān)系的約束中,只要能滿足系統(tǒng)分析人員知識共享的需求即可,從而使系統(tǒng)建模者可以自由地按照他們的需求去實(shí)例化本體。
Protégé是斯坦福大學(xué)開發(fā)的一款開源本體構(gòu)建工具,其支持領(lǐng)域本體的可視化建模,具有良好的本體編輯界面,便于對本體的概念類、關(guān)系、屬性、實(shí)例進(jìn)行編輯操作,能夠直觀地展示概念層次結(jié)構(gòu)關(guān)系,便于領(lǐng)域分析設(shè)計人員進(jìn)行領(lǐng)域本體建模,且其支持中文語言的特點(diǎn),使得protégé成為目前最受歡迎的本體建模工具。
2)構(gòu)建方法步驟
Perez[5]等人認(rèn)為本體可以按分類法來組織,他歸納出本體包含5個基本的建模元語。這些元語分別為:類(classes)、關(guān)系(relations)、函數(shù)(functions)、公理(axioms)和實(shí)例(instances)。概念之間的關(guān)系主要有4種:part-of(表達(dá)概念之間部分與整體的關(guān)系),kind-of(表達(dá)概念之間的繼承關(guān)系),instance-of(表達(dá)概念的實(shí)例和概念之間的關(guān)系),attribute-of(表達(dá)某個概念是另外一個概念的屬性)。其實(shí),本體就是通過對于概念、術(shù)語及其相互關(guān)系的規(guī)范化描述,勾畫出某一領(lǐng)域的基本知識體系和描述語言。在實(shí)際的應(yīng)用中,不一定要嚴(yán)格地按照上述5類元語來構(gòu)造本體,同時概念之間的關(guān)系也不僅限于上面列出的4種基本關(guān)系,可以根據(jù)特定領(lǐng)域的具體情況來定義相應(yīng)的關(guān)系,以滿足應(yīng)用的需要[6]。
目前領(lǐng)域本體構(gòu)建針對具體的領(lǐng)域背景產(chǎn)生了不同的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法。國外主要的構(gòu)建方法有IDEF5法、骨架法、TOVE法、METHONLOGY法、KACTUS法、七步法和SENSUS法等,其中七步法具有較強(qiáng)的通用性,也是目前成熟度比較高的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法。七步法是斯坦福大學(xué)基于Protégé本體構(gòu)建工具提出的一種領(lǐng)域本體構(gòu)建方法,包括確定領(lǐng)域范圍、考慮復(fù)用已有領(lǐng)域本體、列出重要術(shù)語、定義類和類的層次關(guān)系、定義類的屬性、定義屬性的約束、創(chuàng)建實(shí)例七個步驟[7]。結(jié)合指揮信息系統(tǒng)建模領(lǐng)域特點(diǎn),基于Protégé本體構(gòu)建工具,在七步法的基礎(chǔ)上提出指揮信息系統(tǒng)本體建模步驟:
a.抽取具有共同屬性的實(shí)體為系統(tǒng)單元類,定義系統(tǒng)單元類和類之間的層次關(guān)系;
b.定義系統(tǒng)單元類的能力指標(biāo)屬性,并用數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行建模描述;
c.定義實(shí)體間組織關(guān)系和信息關(guān)系,并用對象屬性進(jìn)行建模描述;
d.針對具體指揮信息系統(tǒng),對單元類和實(shí)體關(guān)系進(jìn)行實(shí)例化。
指揮信息系統(tǒng)是軍事信息系統(tǒng)的核心,它是由多個分系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。結(jié)合指揮信息系統(tǒng)信息域特點(diǎn),本文從信息層面將指揮信息系統(tǒng)抽象為信息獲取單元、信息處理單元、信息傳輸單元和指揮決策單元共四類基本單元,各單元根據(jù)不同的分類準(zhǔn)則又可進(jìn)一步劃分為各子單元。而火力打擊單元是武器系統(tǒng)根據(jù)指揮決策信息對目標(biāo)進(jìn)行打擊,傳遞的是能量流,不屬于整個作戰(zhàn)中信息流的范疇,故在此不考慮火力打擊單元,而主要根據(jù)指揮信息系統(tǒng)信息域的特點(diǎn)將其抽象歸納為以上四個基本單元。本節(jié)基于本體的建模方法,分別從系統(tǒng)單元和實(shí)體關(guān)系兩個方面對指揮信息系統(tǒng)進(jìn)行建模。
1)信息獲取單元本體建模
定義1信息獲取(Information Obtainer,O)單元:信息獲取單元定義為一類能夠根據(jù)各類傳感器獲取戰(zhàn)場目標(biāo)信息的功能實(shí)體??蛇M(jìn)一步劃分為情報偵察單元、預(yù)警探測單元、綜合保障單元。將信息獲取單元看作類,則情報偵察單元、預(yù)警探測單元和綜合保障單元為信息獲取單元的子類。在面向具體指揮信息系統(tǒng)評估時,只需對所屬類進(jìn)行實(shí)例化。如情報偵察單元可實(shí)例化為電子偵察衛(wèi)星、光學(xué)成像衛(wèi)星、偵察機(jī)等;預(yù)警探測單元可實(shí)例化為預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)、預(yù)警雷達(dá)等;綜合保障單元可實(shí)例化為導(dǎo)航定位衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、測繪衛(wèi)星等。定義信息獲取單元能力指標(biāo)包括:信息獲取范圍、信息獲取精度、信息獲取概率、信息獲取分辨率。利用本體數(shù)據(jù)屬性對信息獲取單元能力指標(biāo)進(jìn)行描述。
2)信息傳輸單元本體建模
定義2信息傳輸(Information Transfer,T)單元:信息傳輸單元定義為一類能夠?qū)⑿畔⑻幚韱卧幚砗笏们閳笮畔鬏斀o指揮決策單元的功能實(shí)體。可實(shí)例化為地面骨干網(wǎng),通信衛(wèi)星,數(shù)據(jù)鏈等。定義信息傳輸單元能力指標(biāo)包括:信息容量、刷新頻率、信息傳輸時延。同樣利用本體數(shù)據(jù)屬性對信息傳輸單元能力指標(biāo)進(jìn)行描述。
3)信息處理單元本體建模
定義3信息處理(Information Processor,P)單元:信息處理單元定義為一類能夠?qū)π畔@取單元所得目標(biāo)信息進(jìn)行處理的功能實(shí)體。是對各級各類信息處理系統(tǒng)的統(tǒng)稱,可實(shí)例化為信息融合中心和地面站。定義信息處理單元能力指標(biāo)包括:吞吐率、精確度、系統(tǒng)響應(yīng)時間。其中吞吐率指指控系統(tǒng)單位時間內(nèi)處理的信息量;精確度指信息獲取單元探測到目標(biāo)信息處理的精確程度;系統(tǒng)響應(yīng)時間指指控系統(tǒng)從信息獲取單元接受目標(biāo)信息,進(jìn)行分析和處理至得到目標(biāo)具體信息所用的時間。同樣利用本體數(shù)據(jù)屬性對信息處理單元能力指標(biāo)進(jìn)行描述。
4)指揮決策單元本體建模
定義4指揮決策(Decision Maker,D)單元:指揮決策單元定義為一類能夠根據(jù)戰(zhàn)場情報信息形成決策方案并對作戰(zhàn)單元實(shí)施指揮控制的功能實(shí)體,是對各級各類指揮控制系統(tǒng)的統(tǒng)稱,可實(shí)例化為聯(lián)合指控中心、反導(dǎo)指控中心等。定義指揮決策單元能力指標(biāo)包括:準(zhǔn)確性、完整性和時效性。同樣利用本體數(shù)據(jù)屬性對信息傳輸單元能力指標(biāo)進(jìn)行描述。
以上關(guān)于單元類的建模過程可以在Protégé的Class模塊里完成,可以進(jìn)行類的編輯,建立類的層級結(jié)構(gòu);對類的實(shí)例化可以在Protégé的Individuals模塊里完成;對能力指標(biāo)的建模過程可以在Protégé的Data properties模塊里完成,如圖1所示。
圖1 基于本體的指揮信息系統(tǒng)單元建模
對指揮信息系統(tǒng)建模,除對各單元類及其屬性進(jìn)行建模外,還應(yīng)該考慮實(shí)體間關(guān)系的建模。本文將指揮信息系統(tǒng)實(shí)體間關(guān)系劃分為組織關(guān)系和信息關(guān)系兩大類,利用本體的對象屬性分別建立hasOrganizationRelation組織關(guān)系屬性和hasInformationRelation信息關(guān)系屬性。
其中組織關(guān)系屬性包括子類is-part-of關(guān)系,hasComponent關(guān)系,hasCoUnit關(guān)系,hasSubUnit關(guān)系和hasUpUnit關(guān)系。其中is-part-of關(guān)系和hasComponent關(guān)系具有傳遞性,同時又互為逆關(guān)聯(lián);hasSubUnit關(guān)系和hasUpUnit關(guān)系也同時具有逆關(guān)聯(lián)。通過組織關(guān)系屬性可以對各單元之間及實(shí)體間的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述。各組織關(guān)系屬性含義如下表1所示。
表1 組織關(guān)系屬性
對于指揮信息系統(tǒng)除組織關(guān)系外,還包括組分單元之間的信息交互關(guān)系。在作戰(zhàn)流程中,單元之間的信息交互通過信息流的方式體現(xiàn)。信息流包括指控流、狀態(tài)流和情報流(態(tài)勢流)。因此本文將信息關(guān)系歸納為commandTo關(guān)系、reprortTo關(guān)系和shareWith關(guān)系,三者均為信息關(guān)系的子類,通過信息關(guān)系屬性可以表達(dá)不同單元及實(shí)體之間的信息交互關(guān)系。各信息關(guān)系屬性含義如表2所示。
表2 信息關(guān)系屬性
在Protégé的Object properties模塊里可以進(jìn)行組分關(guān)系的定義編輯操作,同時可以展示關(guān)系的層級結(jié)構(gòu)。如圖2所示。
圖2 基于本體的指揮信息系統(tǒng)關(guān)系建模
現(xiàn)代反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)(Anti-missile Command Information System,AMCIS)是針對導(dǎo)彈目標(biāo),涵蓋天基、空基、地基、?;饔蛭淦餮b備的一體化綜合反導(dǎo)系統(tǒng),而本節(jié)考慮在天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)流程[8],建立天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)本體模型。
天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖中實(shí)線代表組織間信息關(guān)系,箭頭代表信息傳遞方向。虛線代表能量流的傳遞,不屬于本文考慮范圍。圖中只對系統(tǒng)的樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述,不考慮其縱向越級指揮關(guān)系和橫向協(xié)同信息交互關(guān)系。
結(jié)合天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)流程和組織結(jié)構(gòu)關(guān)系,基于本體對其進(jìn)行建模,只需在前文建立指揮信息系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)例化。
圖3 天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)
1)單元實(shí)例化
a.以評估為目的,天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)可以看作評估對象類EO的一個實(shí)例。
b.對信息獲取單元下的子類預(yù)警探測單元進(jìn)行實(shí)例化:預(yù)警衛(wèi)星O1、O2,地基預(yù)警雷達(dá)O3、O4、O5、O6,地基精密跟蹤雷達(dá)O7、O8、O9、O10。
c.對信息傳輸單元實(shí)例化:衛(wèi)星通信系統(tǒng)T1、T2。
d.對信息處理單元實(shí)例化:地面站P1、P2,地基預(yù)警雷達(dá)情報處理單元P3、P4,地基精密跟蹤雷達(dá)情報處理單元P5、P6,信息融合中心P7、P8。
e.對指揮決策單元實(shí)例化:反導(dǎo)指控中心D1,反導(dǎo)指控中心D2,聯(lián)合反導(dǎo)指控中心D3。
基于Protégé工具進(jìn)行單元實(shí)例化如圖4所示。
基于本體描述語言RDF語言對實(shí)例化后的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)形式化描述如下所示:
圖4 天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)單元實(shí)例化
2)關(guān)系實(shí)例化
信息化作戰(zhàn)背景下,指揮信息系統(tǒng)呈現(xiàn)扁平化的結(jié)構(gòu)關(guān)系。此處對于關(guān)系的實(shí)例化包括除樹狀結(jié)構(gòu)關(guān)系以外的組織關(guān)系和信息關(guān)系,以更符合實(shí)際作戰(zhàn)要求。
a.組織關(guān)系實(shí)例化:天基信息支援下的反導(dǎo)裝備體系組成可用hasComponent關(guān)系或者is-part-of關(guān)系來表示;聯(lián)合反導(dǎo)指控中心和反導(dǎo)指控中心是上下級關(guān)系,信息融合中心和地基預(yù)警雷達(dá)情報處理單元、地基精密跟蹤雷達(dá)情報處理單元也是上下級關(guān)系,可用hasUpUnit關(guān)系或者h(yuǎn)asSubUnit關(guān)系來表示;地基預(yù)警雷達(dá)之間,地基精密跟蹤雷達(dá)之間,地基預(yù)警雷達(dá)情報處理單元和地基精密跟蹤雷達(dá)情報處理單元之間,信息融合中心之間以及反導(dǎo)指控中心之間均存在協(xié)同關(guān)系,可用hasCoUnit關(guān)系表示。組織關(guān)系實(shí)例化如表3所示:
b.信息關(guān)系實(shí)例化:聯(lián)合反導(dǎo)指控中心和其下屬的反導(dǎo)指控中心之間,反導(dǎo)指控中心和信息融合中心之間,雷達(dá)情報處理單元和雷達(dá)之間,以及信息融合中心和雷達(dá)情報處理單元之間具有指控關(guān)系,可用commandTo關(guān)系表示;雷達(dá)將自己的工作狀態(tài)信息反饋給雷達(dá)情報處理單元,信息融合中心將自己的狀態(tài)信息反饋給反導(dǎo)指控中心,這種狀態(tài)反饋關(guān)系可用reportTo關(guān)系來表示;預(yù)警衛(wèi)星和地面站之間的情報信息傳遞關(guān)系,雷達(dá)和雷達(dá)情報處理單元之間的情報傳遞關(guān)系,信息融合中心和反導(dǎo)指控中心之間的情報信息傳遞關(guān)系,雷達(dá)情報處理單元之間的情報傳遞關(guān)系,反導(dǎo)指控中心之間的情報信息傳遞關(guān)系可用shareWith關(guān)系來表示;同時雷達(dá)單元之間,信息融合中心之間以及反導(dǎo)指控中心之間的信息協(xié)同共享關(guān)系也可以用shareWith關(guān)系來表示。信息關(guān)系實(shí)例化如表4所示:
表3 組織關(guān)系實(shí)例化
表4 信息關(guān)系實(shí)例化
以反導(dǎo)指控中心D1為例,對于其組織關(guān)系它是天基信息支援下的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的一個組成部分,可用is-part-of關(guān)系表示,同時反導(dǎo)指控中心D1和聯(lián)合反導(dǎo)指控中心D3有上下級hasUpUnit關(guān)系,和反導(dǎo)指控中心D2有協(xié)同hasCoUnit關(guān)系;而對于其信息關(guān)系,反導(dǎo)指控中心D1對信息融合中心P7傳遞指控命令消息,用commandTog關(guān)系表示,將其態(tài)勢綜合信息發(fā)送給聯(lián)合反導(dǎo)指控中心D3,用shareWith關(guān)系表示,將其作戰(zhàn)計劃或命令發(fā)送給具有協(xié)同關(guān)系的反導(dǎo)指控中心D2,也可用shareWith關(guān)系表示。利用Protégé工具對其進(jìn)行組織關(guān)系和信息關(guān)系實(shí)例化如下圖5所示。
基于本體描述語言RDF語言對實(shí)例化后的反導(dǎo)指控中心D1的組織關(guān)系和信息關(guān)系形式化描述如下所示:
圖5 反導(dǎo)指控中心D1關(guān)系實(shí)例化
利用本體的類、屬性、實(shí)例元素對系統(tǒng)進(jìn)行建模,具有規(guī)范、可重用、形式化的特點(diǎn),可方便地添加實(shí)體,并對實(shí)體間的組織關(guān)系和信息關(guān)系進(jìn)行建模描述,具有可擴(kuò)展性,通過上述實(shí)例驗(yàn)證了本文方法的可行性。
指揮信息系統(tǒng)本體建模是針對指揮信息系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展,通過基于本體的規(guī)范化描述方法對系統(tǒng)進(jìn)行建模,為系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)人員和領(lǐng)域評估人員等提供了一個完整的、規(guī)范的、可修改的、可跟蹤的模型,是指導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)的一項(xiàng)重要工作。本文在指揮信息系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上,基于本體對其進(jìn)行形式化建模,具有規(guī)范、可重用、形式化的特點(diǎn)。下一步研究工作:在形式化建模的基礎(chǔ)上,對指揮信息系統(tǒng)單元和結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對指揮信息系統(tǒng)能力的評估,指引指揮信息系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)。
[1] Studer R, Benjamins V R, Fensel D. Knowledge engineering: Principles and methods[J]. Data & Knowledge Engineering, 1998, 25(1):161-197.
[2] 胡谷雨,袁偉偉,端義鋒,等. 一種基于本體的衛(wèi)星通信網(wǎng)評估自適應(yīng)技術(shù)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,14(3):257-264.
[3] Guarino N. Semantic Matching: Formal Ontological Distinctions for Information Organization, Extration and Integration[C].In: Information Extraction: A Multidisciplinary Approach to an Emerging Information Technology USA: Springer Varlag, 1997:139-170.
[4] 樊小輝,石晨光. 本體構(gòu)建研究綜述[J].艦船電子工程,2011,31(6):15-18,53.
[5] 甘健侯,姜躍,夏幼明. 本體方法及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011.
[6] 鄧志鴻,唐世渭,張銘,等. Ontology研究綜述[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,38(5):730-738.
[7] 李勇,張志剛. 領(lǐng)域本體構(gòu)建方法研究[J].計算機(jī)工程與科學(xué),2008,30(5):129-131.
[8] 姚勇,李智. 基于DoDAF的反導(dǎo)指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2011,39(5):87-95.
Modeling of Command Information System Based on Ontology
CHENG Jian-bo, LIU De-sheng
(Academy of Equipment, Beijing 101416, China)
Using ontology specification, reusable, and the characteristics of formal, proposes a framework of command information system modeling method based on ontology, the ontology model of command information system is constructed from two aspects of command information system unit and the relationship between entities, and the space-based information support of the anti-missile combat command information system as an example to verify the method proposed in this paper, can provide a standardized model description means for system design and analysis.
command information system; ontology modeling; formal description; reusable; anti-missile operation
1673-3819(2017)06-0082-07
E94
A
10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.018
2017-07-10
2017-07-20
程建博(1992-),男,河南濮陽人,碩士研究生,研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)建模與評估。劉德生(1976-),男,博士,副研究員,碩士生導(dǎo)師。