基于專家推理系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別方法

姚傳明，陳悅峰，鄧 晶

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007;2.中國(guó)人民解放軍63963部隊(duì)，北京 100072;3.中國(guó)人民解放軍72465部隊(duì)，山東 濟(jì)南 250022)

古語云，兵貴神速。放眼現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，賦予其含義是取得對(duì)敵信息優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、先敵決策和先敵行動(dòng)，核心是取得對(duì)敵情報(bào)優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵是指揮信息系統(tǒng)需具備自動(dòng)分析處理敵情信息的能力，尤其是對(duì)敵目標(biāo)信息的自動(dòng)識(shí)別。目前，研究人員提出多種基于規(guī)則策略方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別方法［1］。前者很難由系統(tǒng)完全枚舉且缺乏靈活的規(guī)則擴(kuò)展能力，后者技術(shù)尚處于探索中，系統(tǒng)魯棒性無法有效保證。針對(duì)上述情況，本文提出一種基于專家推理系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別方法。專家推理技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，技術(shù)成熟度相對(duì)較高且對(duì)系統(tǒng)硬件資源要求不高，具有自動(dòng)化處理推斷能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別，同時(shí)，提出面向?qū)＜彝评硐到y(tǒng)自學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)知識(shí)庫的不斷擴(kuò)充，解決系統(tǒng)知識(shí)規(guī)則擴(kuò)展難的問題，為指揮信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別提供一種潛在的途徑。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別原理是通過構(gòu)建目標(biāo)特征級(jí)信息知識(shí)庫，利用專家推理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)類型及相關(guān)屬性的自動(dòng)識(shí)別。該目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)通過人機(jī)交互接口構(gòu)建知識(shí)庫和語義庫，利用情報(bào)接口將情報(bào)信息輸入至語義識(shí)別模塊，由語義識(shí)別模塊對(duì)情報(bào)信息進(jìn)行分析、處理后輸入至推理機(jī)，推理機(jī)利用知識(shí)庫對(duì)接收到的情報(bào)信息進(jìn)行推理，從而形成對(duì)目標(biāo)信息情報(bào)的識(shí)別。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建過程包括知識(shí)庫構(gòu)建、語義庫構(gòu)建、語義識(shí)別、知識(shí)庫擴(kuò)充、正向推理和識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)六個(gè)關(guān)鍵過程節(jié)點(diǎn)，具體如圖2所示。

步驟1:知識(shí)庫構(gòu)建。將已有可表征目標(biāo)類型及屬性的特征信息，利用產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行描述，形成由目標(biāo)特征信息構(gòu)成的前件和由目標(biāo)類型及屬性構(gòu)成的后件，按照優(yōu)先級(jí)順序排列后由前件和后件共同構(gòu)成目標(biāo)信息知識(shí)庫。

圖2 系統(tǒng)流程圖

步驟2:語義庫構(gòu)建。以軍用數(shù)據(jù)情報(bào)及軍語信息為基礎(chǔ)，提取出與目標(biāo)信息相關(guān)的特征詞，格式化特征詞將其形成結(jié)構(gòu)化排列的詞條，該詞條構(gòu)成語義庫的各實(shí)體單元。

步驟3:語義識(shí)別。指揮信息系統(tǒng)接收到情報(bào)信息并解析后，利用步驟2中形成的實(shí)體單元逐一與情報(bào)進(jìn)行匹配，若匹配成功，則表明存在目標(biāo)特征信息，則對(duì)該情報(bào)標(biāo)記處理，并利用步驟1的知識(shí)信息與之匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)情報(bào)的分詞處理，形成情報(bào)的特征詞組，若匹配不成功，則不對(duì)該情報(bào)進(jìn)行處理。

步驟4:知識(shí)庫擴(kuò)充。利用步驟3的方法，若情報(bào)同時(shí)含前件及后件信息，則將該信息增加至知識(shí)庫中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫的在線擴(kuò)充。

步驟5:正向推理。利用步驟3，若情報(bào)信息僅包含前件，則利用專家系統(tǒng)中正向推理技術(shù)，對(duì)前件信息進(jìn)行推理，直到匹配到后件為止。若由指控人員輸入目標(biāo)前件，系統(tǒng)則亦采用正向推理，匹配后件，以上若匹配不成功，則推理結(jié)果返回空值。

步驟6:識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)。指揮控制人員通過對(duì)目標(biāo)特征信息和步驟5形成的推理的過程分析并確認(rèn)后，形成目標(biāo)識(shí)別結(jié)果。

需要說明的是，知識(shí)庫和語義庫的構(gòu)建可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷學(xué)習(xí)完善，支持系統(tǒng)知識(shí)的自增長(zhǎng)和擴(kuò)充。

2 技術(shù)架構(gòu)

2.1 知識(shí)庫構(gòu)建

利用系統(tǒng)人機(jī)交互接口，將專家提供的目標(biāo)類型及屬性信息輸入至知識(shí)庫中，知識(shí)的描述方式采用產(chǎn)生式規(guī)則，部分如下:

規(guī)則一:A∧B→M

規(guī)則二:C∧M→N

規(guī)則三:A∧B∧C→N

A、B、C為目標(biāo)特征信息的前件，M、N為目標(biāo)的后件。如規(guī)則一，前件A和B同時(shí)存在，則可推理出后件M;規(guī)則二，前件C和后件M同時(shí)存在，可推理出后件N;規(guī)則三，前件A、B和C同時(shí)存在，則可推理出N。

信息的前件由目標(biāo)特征信息，如速度、外形特征等構(gòu)成，后件由目標(biāo)類型及屬性構(gòu)成，如裝甲類目標(biāo)、飛行類目標(biāo)等構(gòu)成。

目標(biāo)信息的前件和后件分開存儲(chǔ)，通過構(gòu)建前件和后件的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)兩者的信息關(guān)聯(lián)。對(duì)于前件向后件映射過程中，可能存在同一前件對(duì)應(yīng)多個(gè)不同的后件，對(duì)此沖突關(guān)系，采用優(yōu)先級(jí)策略，即先推理到的后件即為最優(yōu)后件，忽略后續(xù)映射關(guān)系。

2.2 語義庫構(gòu)建

語義庫的構(gòu)建旨在對(duì)情報(bào)信息預(yù)處理提供信息支撐。利用人機(jī)交互接口，將軍用數(shù)據(jù)報(bào)文及軍語信息中與目標(biāo)信息相關(guān)的特征詞格式化，并由格式化的特征詞按目標(biāo)特征類別構(gòu)建結(jié)構(gòu)化詞條，如圖3所示。

圖3 目標(biāo)語義庫構(gòu)成

語義庫中的各特征詞條CHAR成為目標(biāo)特征信息的實(shí)體單元，各實(shí)體單元可彼此互斥或互融，以保證信息表征的靈活性。

2.3 語義識(shí)別

通過系統(tǒng)的情報(bào)接口獲取情報(bào)信息后，對(duì)該信息進(jìn)行處理，具體如下:

1)將語義庫中的各實(shí)體單元與情報(bào)進(jìn)行匹配;

2)若1)匹配成功，則表明該條情報(bào)信息存在目標(biāo)信息，須對(duì)該條情報(bào)進(jìn)行標(biāo)記，并做分詞處理;

3)若1)匹配不成功，則表明該條情報(bào)不包含目標(biāo)信息，不處理;

4)對(duì)2)中分詞處理方法是:利用知識(shí)庫中的前件、后件信息與情報(bào)信息進(jìn)行匹配，若匹配結(jié)果同時(shí)包含前件信息和后件信息，則將該條信息作為目標(biāo)特征知識(shí)擴(kuò)充到知識(shí)庫中，并形成前件與后件的映射關(guān)系。若匹配結(jié)果僅包含前件信息，則表明該條情報(bào)信息需要專家系統(tǒng)進(jìn)一步推理得到后件(結(jié)果)。

語義識(shí)別的關(guān)鍵是對(duì)文本的快速匹配。指揮信息系統(tǒng)中，系統(tǒng)接收到的情報(bào)特點(diǎn)是單條情報(bào)字節(jié)數(shù)均不多。但是，語義庫和知識(shí)庫中均包含數(shù)目較多的詞條信息，為實(shí)現(xiàn)兩者間的快速匹配，采用字符串快速匹配算法以提高匹配效率。

算法思路:通過將特征詞分解成單字符，由該單字符與情報(bào)進(jìn)行比較，確定單字符在情報(bào)中的具體位置，再進(jìn)行其他字符間的匹配，確保在失配時(shí)，特征詞能跳過盡量大的距離，減少不必要的匹配。算法流程如下:

1)設(shè)特征詞為C，長(zhǎng)度為m，情報(bào)為B，長(zhǎng)度為n。令0≤i＜m，0≤j＜n;

2)若m＞n，則特征詞與情報(bào)不匹配;

3)若m=n，則C［i］和B［j］逐一比較，兩者相等則匹配，否則不匹配;

4)若m＜n，記錄C［m-1］在B［0］至B［n-m-1］中出現(xiàn)的所有位置，構(gòu)成位置序列P［k］;

5)分別將C［m-1］與B［P［k］］對(duì)齊后，對(duì)其余字符從左至右逐個(gè)匹配，若匹配成功，則返回True，若不成功則跳轉(zhuǎn)下一個(gè)P［k］位置，重復(fù)步驟5)。若始終無法完全匹配，則返回False。

6)返回值為True時(shí)，表明該特征詞在情報(bào)中;反之，則該情報(bào)不含該特征詞。

如上所述，情報(bào)信息不限于情報(bào)報(bào)文信息，亦包括經(jīng)過格式化轉(zhuǎn)換后的傳感器系統(tǒng)信息等。

2.4 知識(shí)庫擴(kuò)充

根據(jù)語義識(shí)別相關(guān)方法，若情報(bào)同時(shí)含前件及后件信息，利用語義識(shí)別將前件和后件信息提取出來，擴(kuò)充到知識(shí)庫中，并增加前件與后件的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)知識(shí)庫的不斷擴(kuò)充，使之更加貼近作戰(zhàn)應(yīng)用需要。

一般知識(shí)推理系統(tǒng)其知識(shí)結(jié)構(gòu)往往是固定的，不具備在線擴(kuò)充和自學(xué)習(xí)能力［2］，導(dǎo)致大量系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)無法有效轉(zhuǎn)換成作戰(zhàn)知識(shí)。而本目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)通過知識(shí)庫的自學(xué)習(xí)擴(kuò)充機(jī)制，可在一定程度上增加并完善系統(tǒng)的知識(shí)庫，減少系統(tǒng)使用維護(hù)人員手工構(gòu)建知識(shí)庫的工作量，從而增加系統(tǒng)推廣應(yīng)用的可能性。

2.5 正向推理

正向推理由專家系統(tǒng)推理機(jī)實(shí)現(xiàn)，該推理機(jī)作為系統(tǒng)一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，與知識(shí)庫是分開設(shè)計(jì)的。啟動(dòng)正向推理的觸發(fā)機(jī)制有如下2種。

1)若情報(bào)信息經(jīng)語義識(shí)別、分析，發(fā)現(xiàn)僅含有目標(biāo)前件信息時(shí)，則觸發(fā)推理機(jī)進(jìn)行正向推理，如圖2流程①;

2)若指揮控制人員人為輸入目標(biāo)信息前件時(shí)，則亦觸發(fā)推理機(jī)，如圖2流程②。

推理機(jī)運(yùn)行過程如圖4所示。

圖4 正向推理流程圖

1)讀入目標(biāo)特征信息事實(shí)facts=(F1，F(xiàn)2，…)，通過數(shù)據(jù)總線訪問目標(biāo)知識(shí)庫前件forwards，在知識(shí)庫規(guī)則rules=(R1，R2，…)中查找符合facts與forwards相匹配的規(guī)則R1，再把R1后件中不在facts中的后件結(jié)論M=(M1，M2，…)中與之匹配的M1添加到facts中，擴(kuò)充事實(shí)facts為facts=(F1，F(xiàn)2，…，M1)。若存在一條可用的知識(shí)庫規(guī)則Rx，且Rx的前件也在當(dāng)前的事實(shí)facts中，則采用沖突消解策略，如前文所述的優(yōu)先排列的規(guī)則，即同時(shí)有多條規(guī)則滿足匹配條件時(shí)，則在知識(shí)庫映射規(guī)則rules中選擇第一條作為匹配規(guī)則。

2)對(duì)擴(kuò)充后的事實(shí)facts在知識(shí)庫rules中查找可用規(guī)則，當(dāng)找到規(guī)則R1時(shí)，由于R1的后件結(jié)論M1已在facts中，故此時(shí)忽略規(guī)則R1，繼續(xù)查找符合要求的規(guī)則R。當(dāng)遍歷到規(guī)則Rx符合要求時(shí)，判斷Rx的后件結(jié)論M是否在當(dāng)前facts中，若在，則忽略，若不在，則將其后件結(jié)論M2添加到facts中，擴(kuò)充當(dāng)前facts為facts=(Fx，F(xiàn)y，…M1，M2)。

3)在知識(shí)庫rules中查找符合當(dāng)前擴(kuò)充后facts的規(guī)則，若規(guī)則Ry的前件在facts中，則表明Ry是可用規(guī)則。當(dāng)Ry的后件結(jié)論在facts中時(shí)，則忽略該規(guī)則，若Ry的后件結(jié)論H1不在當(dāng)前擴(kuò)充后的facts中時(shí)，則將規(guī)則結(jié)論H1擴(kuò)充到facts中，使得facts=(Fx，F(xiàn)y，…M1，M2，H1)。

4)不斷在知識(shí)庫rules中查找符合當(dāng)前要求的facts規(guī)則，直到找不到規(guī)則的前件forwards所包含的全部條件與facts相匹配，且rules中的后件結(jié)論亦不在facts中。至此，正向推理結(jié)束。

5)目標(biāo)信息推理的結(jié)果為rules的后件結(jié)論。該結(jié)論包括目標(biāo)類型或目標(biāo)屬性信息。

如圖5所示，正向推理功能模塊由面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化編程語言C++編寫，主要包括七個(gè)功能函數(shù):1個(gè)推理函數(shù)，1個(gè)調(diào)用函數(shù)和5個(gè)判斷函數(shù)，各函數(shù)功能定義如圖5所述。

圖5 正向推理各實(shí)現(xiàn)模塊功能圖

2.6 識(shí)別確認(rèn)目標(biāo)

通過上述5個(gè)步驟，目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在后臺(tái)基本完成了針對(duì)某個(gè)或多個(gè)目標(biāo)特征信息的推理，并生成目標(biāo)類型和相應(yīng)的屬性信息，為確保目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，必要時(shí)可采用人件服務(wù)的理念［3］，由指揮人員對(duì)推理過程進(jìn)行核查確認(rèn)，最終確定目標(biāo)類型。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，目標(biāo)推理結(jié)果可以和情報(bào)信息關(guān)聯(lián)，當(dāng)打開情報(bào)信息時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)給出推理結(jié)果，輔助于指揮控制人員對(duì)目標(biāo)信息的處理，提高知悉信息的能力，為輔助決策提供支撐。

3 應(yīng)用情況

在ReWorks系統(tǒng)上，利用ReDe開發(fā)工具，編寫多目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)軟件，其中，目標(biāo)特征庫、知識(shí)庫和語義庫預(yù)先由SQLite數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編寫，使用過程中可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。測(cè)試用例:將50組待測(cè)固定目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征信息輸入至專家推理系統(tǒng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致，正確識(shí)別率為100%，且單次推理時(shí)間均不超過2 ms，系統(tǒng)推理速度快、魯棒性較好。部分測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 部分系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

具體推理過程如下:

1)地面^有履帶或四輪以上^有炮塔=＞自行武器系統(tǒng)

2)自行武器系統(tǒng)^(炮塔位于車體中央或前部|炮塔可360度旋轉(zhuǎn)|履帶有裙板)=＞坦克或步戰(zhàn)車

3)自行武器系統(tǒng)^(炮塔位于車體后部|炮塔高大|有炮口制退器)=＞自行火炮

4)坦克或步戰(zhàn)車^(車體高大|有射擊孔)=＞步戰(zhàn)車

(5)坦克或步戰(zhàn)車^(車體低矮|炮塔較大而低矮|無尾門)=＞坦克

6)空中^快速^可懸停=＞直升機(jī)

4 結(jié)束語

目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別是現(xiàn)代指揮信息系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化最為典型的特征之一，通過采用專家推理系統(tǒng)并進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，結(jié)合知識(shí)庫、語義庫構(gòu)建和語義識(shí)別等系列手段實(shí)現(xiàn)了基于目標(biāo)特征信息的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫擴(kuò)充系統(tǒng)，可支撐系統(tǒng)知識(shí)的不斷擴(kuò)充，貼近實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。