田 鵬,李定主*,陳 勇,李天宇,莫瑞峰,喬沛昊
(1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所,太原 030006;2.解放軍63850 部隊(duì),吉林 白城 137000)
在國(guó)防建設(shè)持續(xù)推進(jìn)的過(guò)程中,將新興技術(shù)應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)一直是研究熱點(diǎn)。作戰(zhàn)指揮作為作戰(zhàn)行動(dòng)的組織領(lǐng)導(dǎo)活動(dòng),是否正確地進(jìn)行指揮,關(guān)系到最終作戰(zhàn)目標(biāo)的達(dá)成?,F(xiàn)有的基于規(guī)則的指揮方法,存在缺失關(guān)聯(lián)性,不能高效可視化和高效搜索多條輔助決策路徑等問(wèn)題,而知識(shí)圖譜圖相關(guān)理論技術(shù)就能解決這些問(wèn)題。知識(shí)圖譜技術(shù)在越來(lái)越多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用,并取得了顯著的效果。因此,本文研究如何基于知識(shí)圖譜技術(shù),構(gòu)建作戰(zhàn)指揮規(guī)則知識(shí)圖譜,達(dá)到作戰(zhàn)指揮輔助決策的目的。
知識(shí)圖譜本質(zhì)上是一種描述實(shí)體關(guān)系的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)圖,包含實(shí)體、概念及其之間的各種語(yǔ)義關(guān)系。隨著知識(shí)圖譜相關(guān)理論、技術(shù)的發(fā)展,知識(shí)圖譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、智能搜索、個(gè)性化推薦和決策支持領(lǐng)域。知識(shí)圖譜分為通用知識(shí)圖譜和領(lǐng)域知識(shí)圖譜,研究由通用轉(zhuǎn)向特定專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。其構(gòu)建分為兩種方式:自上而下的構(gòu)建和自下而上的構(gòu)建,領(lǐng)域知識(shí)圖譜采取的是前者。即通過(guò)先確定數(shù)據(jù)模型層,然后添加實(shí)體數(shù)據(jù)到知識(shí)庫(kù)。很多學(xué)者將其應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,并取得了很好的效果。如:水利信息知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)了水利信息的智能檢索與推薦;軟件知識(shí)圖譜幫助了軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行軟件知識(shí)的檢索與應(yīng)用;專(zhuān)家知識(shí)圖譜構(gòu)建研究擴(kuò)大了專(zhuān)家的影響力。在軍事上,針對(duì)如何將知識(shí)圖譜應(yīng)用于該領(lǐng)域,相關(guān)技術(shù)也得到了具體研究分析。同時(shí),領(lǐng)域知識(shí)圖譜中圖數(shù)據(jù)模型完成了標(biāo)準(zhǔn)化定義。這些研究都說(shuō)明了領(lǐng)域知識(shí)圖譜的可行性。
作戰(zhàn)指揮本身是作戰(zhàn)指揮活動(dòng),其通過(guò)總結(jié)作戰(zhàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、基本規(guī)律,達(dá)到指導(dǎo)戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的目的。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,如何結(jié)合高新技術(shù)來(lái)提高作戰(zhàn)指揮的能力和水平是研究的熱點(diǎn)。在指揮輔助決策研究中,有一大部分學(xué)者都將作戰(zhàn)指揮過(guò)程抽象為規(guī)則,進(jìn)行指揮輔助決策研究。如:空情預(yù)警作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)軍事規(guī)則設(shè)計(jì),為相關(guān)系統(tǒng)提供了參考;更有學(xué)者進(jìn)一步將案例推理與作戰(zhàn)指揮規(guī)則結(jié)合進(jìn)行建模,實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)指揮實(shí)體的自主決策和實(shí)時(shí)決策;也有通過(guò)設(shè)定預(yù)定規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)指揮輔助決策的方法;在應(yīng)用上,有利用面向?qū)ο蠹夹g(shù),實(shí)現(xiàn)了基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則的軍事指揮專(zhuān)家系統(tǒng)。
通過(guò)上述的研究發(fā)現(xiàn),目前基于指揮規(guī)則的輔助決策方法,大多都是基于是一種線(xiàn)性邏輯結(jié)構(gòu)。當(dāng)條件滿(mǎn)足,觸發(fā)對(duì)應(yīng)的規(guī)則節(jié)點(diǎn),然后,特定的作戰(zhàn)部隊(duì)去執(zhí)行對(duì)應(yīng)的軍事作戰(zhàn)行動(dòng)。如圖1 所示。
圖1 基于規(guī)則指揮邏輯結(jié)構(gòu)
事實(shí)上,條件、規(guī)則與作戰(zhàn)部隊(duì),它們的關(guān)系為相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)狀關(guān)系。這樣的邏輯結(jié)構(gòu),作出的指揮決策沒(méi)有考慮各種關(guān)系因素。而利用圖數(shù)據(jù)模型來(lái)存儲(chǔ)作戰(zhàn)指揮規(guī)則,其除了符合規(guī)則相互關(guān)聯(lián)網(wǎng)狀的關(guān)系外,還可以找出所有關(guān)聯(lián)因素來(lái)更加科學(xué)地輔助決策。同時(shí),知識(shí)圖譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)技術(shù),可以支持高效地查詢(xún)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù),并清晰地展示關(guān)聯(lián)關(guān)系。這有利于更快速地搜索出合適的輔助指揮決策路徑,更加高效地進(jìn)行作戰(zhàn)指揮輔助決策。
屬性圖數(shù)據(jù)模型,是一種管理知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)時(shí)常用的一種數(shù)據(jù)模型。它對(duì)于節(jié)點(diǎn)屬性和邊屬性具備內(nèi)在的支持,被圖數(shù)據(jù)庫(kù)業(yè)界廣泛使用。圖數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4j 使用的就是該數(shù)據(jù)模型。由圖數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工業(yè)界成員共同組成的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)委員會(huì)(Linked Data Benchmark Council,簡(jiǎn)稱(chēng)LDBC),以屬性圖為基礎(chǔ)對(duì)圖數(shù)據(jù)模型和圖查詢(xún)語(yǔ)言進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。它的形式化定義如下:
該知識(shí)圖譜數(shù)據(jù)模型構(gòu)建如下頁(yè)圖2 所示:每一個(gè)頂點(diǎn)和邊都有唯一的id(如頂點(diǎn)v,邊e)。實(shí)體節(jié)點(diǎn)建立如下:v為作戰(zhàn)指揮的規(guī)則實(shí)體,該節(jié)點(diǎn)規(guī)則表示了作戰(zhàn)指揮的狀態(tài)和活動(dòng)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)的屬性有作戰(zhàn)規(guī)則名稱(chēng),對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)活動(dòng)描述。實(shí)例如指揮所“目標(biāo)分配,指對(duì)敵目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)分配等活動(dòng)”,火力連對(duì)敵進(jìn)行“火力打擊,火力連進(jìn)行火力打擊等活動(dòng)”,規(guī)則實(shí)體對(duì)于作戰(zhàn)部隊(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)應(yīng)著作戰(zhàn)行動(dòng)。v為條件實(shí)體,條件實(shí)體為對(duì)應(yīng)的多條規(guī)則觸發(fā)的觸發(fā)條件,屬性為觸發(fā)條件內(nèi)容,包括敵方目標(biāo)類(lèi)型、戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)、環(huán)境和該條件的具體描述。v為作戰(zhàn)樣式實(shí)體,其屬性即具體的作戰(zhàn)樣式類(lèi)別,如坦克戰(zhàn)、電子對(duì)抗戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)和精準(zhǔn)打擊戰(zhàn)等;其屬性主要是樣式對(duì)應(yīng)名稱(chēng),樣式的具體描述,對(duì)應(yīng)的兵種類(lèi)別。v為作戰(zhàn)部隊(duì)實(shí)體,即對(duì)應(yīng)具體的作戰(zhàn)單元,屬性為具體部隊(duì)簡(jiǎn)稱(chēng),部隊(duì)編號(hào)、裝備武器、彈藥、部隊(duì)狀態(tài)、部隊(duì)級(jí)別以及其他詳細(xì)信息。具體實(shí)例如“火箭炮3 連,231xx,122 mm 火箭炮9門(mén),殺傷爆破彈400 發(fā),士兵120 人,部隊(duì)一等好狀態(tài),連級(jí),詳細(xì)信息為第xx 集團(tuán)軍x 旅火力營(yíng)3連”。v即作戰(zhàn)指揮機(jī)構(gòu)實(shí)體,不同部隊(duì)、指揮機(jī)構(gòu)根據(jù)級(jí)別可分為師級(jí)、旅級(jí)和營(yíng)級(jí)指揮所等。屬性即自己的指揮所編號(hào),級(jí)別,類(lèi)別和其他詳細(xì)信息,如某旅級(jí)下屬“基本指揮所,旅級(jí),配置輕型6×6 通用指揮車(chē)”等。v為作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)體,作為作戰(zhàn)部隊(duì)的作戰(zhàn)描述,表示對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)部隊(duì)可以進(jìn)行的作戰(zhàn)行動(dòng)。具體實(shí)例如“炮兵射擊、坦克裝甲攻擊、部隊(duì)撤離、電子對(duì)抗偵察、電子進(jìn)攻、電子防御”等。實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系邊為:e為觸發(fā)關(guān)系,表示該條件可以觸發(fā)對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)規(guī)則;該規(guī)則擁有觸發(fā)次數(shù)屬性,可以反應(yīng)條件對(duì)不同的規(guī)則節(jié)點(diǎn)概率不同,即次數(shù)越高概率越大。e和e為屬于關(guān)系,分別表示為觸發(fā)條件和作戰(zhàn)行動(dòng)對(duì)應(yīng)屬于專(zhuān)門(mén)的作戰(zhàn)樣式。e為擁有關(guān)系,表示為作戰(zhàn)指揮所下所擁有的作戰(zhàn)樣式,即下屬部隊(duì)能夠進(jìn)行的作戰(zhàn)形式。e為對(duì)應(yīng)關(guān)系,表示為作戰(zhàn)規(guī)則節(jié)點(diǎn)實(shí)體與作戰(zhàn)行動(dòng)實(shí)體的相應(yīng)關(guān)系,即規(guī)則對(duì)應(yīng)相應(yīng)的作戰(zhàn)行動(dòng)。實(shí)例如電子對(duì)抗作戰(zhàn)指揮規(guī)則實(shí)體對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)行動(dòng),就有“電子對(duì)抗偵察、電子進(jìn)攻、電子防御”等。e、e和e都為執(zhí)行關(guān)系,指揮機(jī)構(gòu)和作戰(zhàn)部隊(duì)力量可以執(zhí)行與自身對(duì)應(yīng)的規(guī)則活動(dòng),而作戰(zhàn)部隊(duì)力量可以在指揮機(jī)構(gòu)指揮下執(zhí)行對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)行動(dòng)。e為節(jié)點(diǎn)規(guī)則的連接關(guān)系,即表示作戰(zhàn)規(guī)則活動(dòng)的流程和時(shí)序。e為下屬關(guān)系,表示為作戰(zhàn)指揮所下所擁有的作戰(zhàn)力量部隊(duì)。e為指揮機(jī)構(gòu)之間的指揮關(guān)系,如直接指揮和越級(jí)指揮。
圖2 作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜數(shù)據(jù)模型
該模型的構(gòu)建,從圖數(shù)據(jù)模型對(duì)應(yīng)定義出發(fā),
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則與實(shí)際部隊(duì)的指揮進(jìn)行研究分析,總結(jié)得到基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則的指揮活動(dòng)考慮的指揮要素主要為:敵情態(tài)勢(shì)環(huán)境,部隊(duì)自身組成機(jī)構(gòu),部隊(duì)作戰(zhàn)力量,作戰(zhàn)的樣式和應(yīng)采取作戰(zhàn)行動(dòng)等,由此構(gòu)建出了作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜數(shù)據(jù)模型。主要定義示例如下:
在作戰(zhàn)指揮中,對(duì)應(yīng)的指揮所機(jī)構(gòu)和觸發(fā)條件,以及自身對(duì)應(yīng)的規(guī)則狀態(tài)是已經(jīng)知道的。對(duì)于該觸發(fā)條件的輔助決策規(guī)則路徑,可以從所建立的作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜中得到。根據(jù)已經(jīng)建立的規(guī)則知識(shí),即已經(jīng)擁有的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),給與輔助建議。通過(guò)從現(xiàn)在已知對(duì)應(yīng)的條件出發(fā),在該圖譜中搜索可能的所有規(guī)則路徑,并按優(yōu)先級(jí)別排序,給予指揮所指揮員輔助建議。但是,簡(jiǎn)單的全遍歷搜索,不能滿(mǎn)足實(shí)際的需求。需要設(shè)計(jì)特定的搜索算法。這里先進(jìn)行了該算法總體設(shè)計(jì)分析,設(shè)計(jì)了合適的搜索選擇策略函數(shù),再給出算法總體工作流程偽代碼。
在已經(jīng)知道所在指揮所機(jī)構(gòu)和觸發(fā)條件下,按優(yōu)先級(jí)檢索可能的作戰(zhàn)指揮規(guī)則路徑,推薦給作戰(zhàn)指揮員。算法總體思路為采用深度優(yōu)先搜索和回溯法來(lái)檢索生成輔助決策路徑。以圖3 遍歷順序所示,作戰(zhàn)指揮規(guī)則優(yōu)先選擇規(guī)則節(jié)點(diǎn)A 與規(guī)則D后,繼續(xù)檢索最優(yōu)路徑下的作戰(zhàn)部隊(duì)及該作戰(zhàn)部隊(duì)可以執(zhí)行的作戰(zhàn)行動(dòng),得到該路徑相應(yīng)的最優(yōu)路徑。后繼續(xù)回溯進(jìn)行包含規(guī)則C 的路徑搜索,得到次優(yōu)的路徑,最后回溯進(jìn)行規(guī)則B。而這里需要先設(shè)計(jì)搜索選擇策略函數(shù),包括:1)已知觸發(fā)條件下選擇第1 個(gè)觸發(fā)規(guī)則節(jié)點(diǎn);2)規(guī)則節(jié)點(diǎn)下繼續(xù)檢索下一個(gè)規(guī)則節(jié)點(diǎn);3)檢索到同類(lèi)型作戰(zhàn)部隊(duì)時(shí)如何選擇。最后得到路徑搜索生成算法總體工作流程偽代碼。
圖3 算法總體設(shè)計(jì)分析示意圖
設(shè)E 為去集合函數(shù),當(dāng)前的指揮所機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)v,所處觸發(fā)條件集合E={v,…,v}已知??梢愿鶕?jù)關(guān)系e搜索出現(xiàn)在所有的連接節(jié)點(diǎn),為E={v,…,v},其中,v為當(dāng)前規(guī)則節(jié)點(diǎn)相連的第k 個(gè)規(guī)則節(jié)點(diǎn)。則v規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的部隊(duì)節(jié)點(diǎn)為v,對(duì)應(yīng)的指揮所節(jié)點(diǎn)為v,對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)部隊(duì)節(jié)點(diǎn)為v。而最后檢索出的規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)部隊(duì)節(jié)點(diǎn)集合為E={v,…,v}。同時(shí),設(shè)函數(shù)t(True)=1,t(False)=-1,函數(shù)f(集合A,集合B)=集合A 中元素在B 中元素的個(gè)數(shù)。以頂點(diǎn)V 為頭的弧的數(shù)目入度為ID(V),以V 為尾的弧的數(shù)目出度為OD(V),則頂點(diǎn)V 的度為T(mén)D(V)=ID(V)+OD(V)。由總體設(shè)計(jì)思路出發(fā),搜索策略函數(shù)設(shè)計(jì)主要為3 個(gè)部分,分別解決總體算法分析下對(duì)應(yīng)的問(wèn)題,相應(yīng)的3 個(gè)主要的搜索函數(shù)部分設(shè)為func1_condition,func2_rule,func3_forces 詳細(xì)的設(shè)計(jì)如下。
1)從已知條件出發(fā),需要考慮優(yōu)先檢索的規(guī)則節(jié)點(diǎn),即需要對(duì)應(yīng)的規(guī)則節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)。條件實(shí)體與對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)規(guī)則實(shí)體為概率關(guān)系,則條件實(shí)體與所關(guān)聯(lián)的規(guī)則節(jié)點(diǎn)關(guān)系的屬性觸發(fā)次數(shù)Trigger_count與總數(shù)比值越大,表示其對(duì)應(yīng)的概率越大,形式化定義如下:
2)在搜索路徑中,從一個(gè)已知規(guī)則節(jié)點(diǎn)得到下一個(gè)可能的作戰(zhàn)指揮規(guī)則節(jié)點(diǎn),主要考慮該圖譜結(jié)構(gòu)中的實(shí)際作戰(zhàn)指揮邏輯規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)如下所示:
①當(dāng)前欲選擇規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的部隊(duì)與當(dāng)前指揮節(jié)點(diǎn)為關(guān)系為e;
②當(dāng)前欲選擇規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指揮節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前指揮節(jié)點(diǎn)關(guān)系為e;
③下一規(guī)則節(jié)點(diǎn)與上一規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)條件更多;
④當(dāng)前規(guī)則節(jié)點(diǎn)所有觸發(fā)條件所屬的作戰(zhàn)樣式節(jié)點(diǎn),與下一規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)指揮所、對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)部隊(duì)的作戰(zhàn)行動(dòng)的可執(zhí)行作戰(zhàn)樣式節(jié)點(diǎn)匹配更多;
⑤對(duì)于圖譜本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入度與出度,如規(guī)則節(jié)點(diǎn)的出入度越高,所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行該規(guī)則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)活動(dòng)的概率就越高。這里考慮對(duì)應(yīng)指揮所、作戰(zhàn)部隊(duì)、對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)行動(dòng)以及該規(guī)則的活動(dòng)概率,由設(shè)計(jì)的圖數(shù)據(jù)模型得到:
3)針對(duì)檢索到最后作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)有相同類(lèi)型的作戰(zhàn)部隊(duì),如相同的火箭炮1 連與2 連,這里根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)指揮選擇部隊(duì)的經(jīng)驗(yàn),首先考慮部隊(duì)狀態(tài),例如,部隊(duì)一等好優(yōu)于部隊(duì)二等好,然后考慮部隊(duì)武器裝備,彈藥數(shù)量與士兵數(shù)量。如下所示:
算法函數(shù)名為func_decision_support,一次完整的搜索路徑為Path,算法總體工作流程偽代碼如表1 所示。
表1 輔助決策路徑搜索生成算法工作流程表
基于某合成營(yíng)公開(kāi)軍事演習(xí)的作戰(zhàn)指揮規(guī)則,將其作戰(zhàn)過(guò)程中的作戰(zhàn)指揮規(guī)則進(jìn)行整理設(shè)計(jì),存儲(chǔ)于所設(shè)計(jì)的圖數(shù)據(jù)模型中,得到了對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜,如下頁(yè)圖4 所示。將其作為實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)。其中,數(shù)據(jù)平臺(tái)是Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫(kù)。
圖4 某合成營(yíng)作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜
通過(guò)Neo4j 的JAVA 嵌入式開(kāi)發(fā)模式,使用IDE Eclipse Mars 4.5,基于JDK1.8,開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的輔助決策路徑搜索算法,并在上述圖譜中得到應(yīng)用。主要實(shí)驗(yàn)如下:1)當(dāng)輸入發(fā)現(xiàn)敵方黨政機(jī)關(guān),距離約為40 km 時(shí);2)當(dāng)發(fā)現(xiàn)受到電子干擾時(shí),運(yùn)行算法搜索得到了結(jié)果。這里,對(duì)其生成的最優(yōu)輔助決策路徑進(jìn)行展示,結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示。其分別為更適合的火箭炮1 連進(jìn)行射擊和電子對(duì)抗連進(jìn)行電子對(duì)抗。其結(jié)果符合實(shí)際的決策方案。同時(shí)也說(shuō)明了,基于本文圖譜的輔助決策除了具有可以快速檢索正確輔助決策路徑外,還考慮了其相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)狀關(guān)系,更加科學(xué)合理。另外,其還具有可以高效可視化的優(yōu)點(diǎn),證實(shí)了其有效性。
圖5 火箭炮1 連火力打擊
圖6 電子對(duì)抗連進(jìn)行對(duì)抗
本文通過(guò)對(duì)基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則的輔助決策研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了目前基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則的輔助決策方法的不足。同時(shí),分析了領(lǐng)域知識(shí)圖譜技術(shù)的可行性。并且,利用領(lǐng)域知識(shí)圖譜相關(guān)理論和方法構(gòu)建了作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜,通過(guò)該圖譜來(lái)達(dá)到作戰(zhàn)指揮的目的。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的圖數(shù)據(jù)模型,輔助決策路徑搜索生成算法。并通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)分析,證明了該方法的有效性,可為相關(guān)作戰(zhàn)指揮研究提供參考。