莫攀飛 李啟元

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

?

基于本體框架的海軍裝備保障計(jì)劃數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

莫攀飛 李啟元

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

為滿足海軍裝備保障計(jì)劃在保障單元間高效交流共享及自動化操作處理的要求,文章建立海軍裝備保障計(jì)劃本體框架,對行動功能關(guān)聯(lián)進(jìn)行形式化表達(dá),構(gòu)建行動功能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型,形式化的闡述資源、能力以及它們之間的關(guān)聯(lián),擴(kuò)展海軍裝備保障資源概念并構(gòu)建資源數(shù)據(jù)模型。案例表達(dá)表明:行動功能關(guān)聯(lián)和資源數(shù)據(jù)模型能夠很好地表述裝備保障行動序列、資源和能力。

海軍裝備保障計(jì)劃; 本體; 功能關(guān)聯(lián); 資源; 能力

Class Number TP391.9

1 引言

裝備保障計(jì)劃是裝備保障行動高效有序執(zhí)行的前提,保障計(jì)劃在各計(jì)劃執(zhí)行單元間高效的交流和共享是保障計(jì)劃必須滿足的現(xiàn)實(shí)要求。裝備保障計(jì)劃的研究工作始于作戰(zhàn)計(jì)劃的研究,當(dāng)前計(jì)劃的研究工作主要有基于本體的計(jì)劃表述[1～4]、計(jì)劃生成[5]以及計(jì)劃的一致性表達(dá)[6～7]等方向。基于本體的計(jì)劃表述可以實(shí)現(xiàn)人與人之間對于裝備保障計(jì)劃無歧義理解,在計(jì)算機(jī)自動化處理以及計(jì)劃的推理校驗(yàn)方面也有較大優(yōu)勢。當(dāng)前基于本體的計(jì)劃表述相關(guān)研究大多建立了領(lǐng)域本體[1～4]來表達(dá)計(jì)劃,海軍裝備保障計(jì)劃涉及的保障資源種類繁多、保障方式多樣以及功能型資源組合基礎(chǔ)上能力作用關(guān)系的復(fù)雜使得當(dāng)前已有的通用領(lǐng)域本體和其他領(lǐng)域本體不能最佳適用于海軍裝備保障計(jì)劃的表達(dá)和校驗(yàn)。

本文在海軍裝備保障行動概念分析基礎(chǔ)上,結(jié)合CPR本體模型[8]以及JC3IEDM數(shù)據(jù)模型[9～10]構(gòu)建海軍裝備保障計(jì)劃本體框架模型,給出了行動功能關(guān)聯(lián)、資源和能力的形式化定義,構(gòu)造了行動功能關(guān)聯(lián)和資源數(shù)據(jù)模型,為行動序列生成、資源編組、保障能力匹配和校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2 海軍裝備保障計(jì)劃本體框架模型

海軍裝備保障行動概念分析是構(gòu)建海軍裝備保障計(jì)劃本體框架的基礎(chǔ),目標(biāo)是提取計(jì)劃諸要素概念并理清其邏輯聯(lián)系。其根本目標(biāo)是解決“誰利用什么資源采取什么行動達(dá)成什么目標(biāo)”的問題,保障行動序列是海軍裝備保障計(jì)劃的主體,保障資源和保障能力通過資源需求與能力需求與行動序列相關(guān)聯(lián)。

如圖1所示,行動序列、資源和效能評估構(gòu)成海軍裝備保障計(jì)劃本體框架的三個(gè)主要部分。行動序列作為裝備保障計(jì)劃的主體,通過原子行動和行動關(guān)聯(lián)描述行動執(zhí)行的順序關(guān)系以及時(shí)間、空間約束;其能力需求和資源需求將行動序列和資源、能力有機(jī)聯(lián)系起來;資源和能力包為實(shí)現(xiàn)資源編組、資源分配以及校驗(yàn)匹配奠定了基礎(chǔ)。

圖1 海軍裝備保障計(jì)劃本體框架

3 裝備保障行動序列表述

由圖1可知,裝備保障行動計(jì)劃主體是由行動/原子行動以及行動間執(zhí)行的邏輯關(guān)系構(gòu)成一張有向圖。行動間功能關(guān)聯(lián)是行動間執(zhí)行順序邏輯關(guān)系的描述,行動功能關(guān)聯(lián)全面的分類、準(zhǔn)確的形式化表達(dá)、有效的數(shù)據(jù)模型構(gòu)造是海軍裝備保障方案/計(jì)劃表述的基礎(chǔ)。

3.1 行動間功能關(guān)聯(lián)形式化表達(dá)

文獻(xiàn)[11]中將作戰(zhàn)行動執(zhí)行的邏輯關(guān)系分為七種,其形式化定義缺乏對于行動執(zhí)行邏輯順序本質(zhì)的描述,本文通過引入行動輸入、輸出將七種關(guān)聯(lián)關(guān)系簡化為順序、并發(fā)、條件和聚合關(guān)系四種基本關(guān)系。七種關(guān)系中同步關(guān)系可通過時(shí)間關(guān)聯(lián)表述,循環(huán)關(guān)系是條件關(guān)系的特殊情況,或關(guān)系并不適用于海軍裝備保障行動。四種基本關(guān)系可以有效表述海軍裝備保障行動中所有行動關(guān)系。

原子行動指不能分解為其他行動組合的行動。假設(shè)Actions={Act1,Act2,…,Actn}是所有原子行動Acti構(gòu)成的集合,1≤i≤n,η是行動Acti的輸入或輸出,Condi是執(zhí)行Acti后序行動的觸發(fā)條件,可為空。

順序關(guān)系SeqR表示行動間的直接相關(guān)關(guān)系,?Acti,Actj∈Actions,若滿足 1)Acti的輸出η是Actj的輸入; 2) 在Acti的輸出η流通連線上,Acti和Actj之間不存在其他原子行動; 3)Actj執(zhí)行不需要Condi的觸發(fā),則Acti、Actj符合順序關(guān)系SeqR(Acti,Actj)。

· 并發(fā)關(guān)系ConcR:假設(shè)Act?Actions,滿足 1)Act中任意兩個(gè)行動間無η輸入輸出關(guān)系; 2)Acti∈Actions,且Acti?Act,?Actm∈Act,Acti與Actm符合SeqR(Acti,Actm),則Acti、Act符合并發(fā)關(guān)系ConcR(Acti,Act),且Acti是Act的先序行動。

· 條件關(guān)系CndR:假設(shè)Act?Actions,?Actm∈Act,m∈[1,n],若滿足 1)Acti∈Actions且Acti?Act,Acti輸出η可以滿足Actm; 2)Acti輸出η由觸發(fā)條件Condi確定是否流向Actm,則Acti、Act滿足條件關(guān)系CndR(Acti,Act)。

· 聚合關(guān)系A(chǔ)ggR:假設(shè)Act?Actions,?Actm∈Act,m∈[1,n],若滿足 1)Act中任意兩個(gè)行動間無η輸入輸出關(guān)系; 2)Acti∈Actions,且Acti?Act,Actm與Acti符合SeqR(Actm,Acti); 3) 設(shè)Actm輸出ηm,集合Act中所有行動的輸出是Acti的輸入,則Act、Acti滿足聚合關(guān)系A(chǔ)ggR(Act,Acti)。

3.2 行動間功能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

由行動功能關(guān)聯(lián)形式化定義可知:順序關(guān)系是對行動執(zhí)行先后順序的表述;并發(fā)關(guān)系是對先序行動和后序行動集執(zhí)行順序的表述,可看作多個(gè)順序關(guān)系的并行表述;條件關(guān)系是對條件約束下后序行動選擇表述,多項(xiàng)條件可轉(zhuǎn)化為單個(gè)的條件集合;聚合關(guān)系中后序行動需要先序行動集中所有行動的輸出,可以將后序行動的觸發(fā)條件設(shè)置為Condj,滿足Condj表明后序行動已經(jīng)具備所有輸入可以執(zhí)行,它是對滿足此特性的行動關(guān)系的描述;由此可知順序、并發(fā)可以看作條件關(guān)系Cond為空的特例,而聚合關(guān)系可以看作條件關(guān)系“滿足Condj就執(zhí)行后序行動,不滿足就等待”的特例。因此可將行動功能關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為統(tǒng)一形式,如圖2(a)所示。順序關(guān)系Cond為空,后序行動集為單個(gè)元素,指向下一原子行動,如圖2(b)所示;并發(fā)關(guān)系Cond為空,后續(xù)行動集為鏈表形式,指向Act中原子行動,如圖2(c)所示;條件關(guān)系中將多個(gè)條件轉(zhuǎn)化為單個(gè)的條件集合,后續(xù)行動集中為兩個(gè)元素,分別指向條件判斷后不同執(zhí)行路線,通過在null行動中合理設(shè)置Cond實(shí)現(xiàn)行動選擇,如圖2(d);聚合關(guān)系先序行動集中行動結(jié)點(diǎn)的條件存放后序行動執(zhí)行的觸發(fā)條件Condj,以此判定先序行動集合各個(gè)行動是否完成,行動結(jié)點(diǎn)的后續(xù)行動集中為指向后序行動的單個(gè)元素,如圖2(e)所示。

圖2 功能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型

3.3 行動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表述

圖3是一個(gè)計(jì)劃網(wǎng)絡(luò),結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2滿足順序關(guān)系,結(jié)點(diǎn)4在條件Condk下循環(huán)執(zhí)行;結(jié)點(diǎn)3、結(jié)點(diǎn)5和結(jié)點(diǎn)6構(gòu)成選擇關(guān)系,結(jié)點(diǎn)3執(zhí)行完成之后在Cond1條件下執(zhí)行結(jié)點(diǎn)5,在Cond2條件下執(zhí)行結(jié)點(diǎn)6;結(jié)點(diǎn)4、結(jié)點(diǎn)6和結(jié)點(diǎn)7構(gòu)成聚合關(guān)系,結(jié)點(diǎn)7為后序結(jié)點(diǎn);結(jié)點(diǎn)5、結(jié)點(diǎn)7和結(jié)點(diǎn)8構(gòu)成聚合關(guān)系,結(jié)點(diǎn)8是后序結(jié)點(diǎn)。這是一個(gè)典型的行動計(jì)劃網(wǎng)絡(luò),其中包含了順序、并發(fā)、選擇、聚合和循環(huán)五種行動邏輯關(guān)系,圖4用定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示該行動網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間、位置約束可以通過對結(jié)點(diǎn)添加屬性實(shí)現(xiàn),不再表述。

圖3 計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)

圖4 計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

結(jié)點(diǎn)4的特殊性在于自身構(gòu)成循環(huán)關(guān)系并與結(jié)點(diǎn)6、7構(gòu)成聚合關(guān)系,結(jié)點(diǎn)4執(zhí)行后判斷循環(huán)條件Condk,滿足條件則調(diào)用后續(xù)行動集中指向行動自身的指針實(shí)現(xiàn)循環(huán),否則跳出循環(huán),執(zhí)行結(jié)點(diǎn)NULL,NULL結(jié)點(diǎn)的作用是對是否執(zhí)行結(jié)點(diǎn)7進(jìn)行判斷。由圖4可知該數(shù)據(jù)模型可以較好地表述計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的行動關(guān)系。

4 裝備保障資源和保障能力

海軍裝備保障資源是指保障海軍作戰(zhàn)需要的彈藥、裝備以及為作戰(zhàn)提供技術(shù)保障所需要的器材、設(shè)備、人員和設(shè)施[12]。裝備保障資源按其運(yùn)用可以分為消耗型資源和功能型資源:消耗型資源隨著資源的運(yùn)用數(shù)量逐漸減少,需依靠補(bǔ)充來獲取的資源類型;功能型資源具有可重復(fù)使用特性,且可與其他資源編組形成新的功能型資源。傳統(tǒng)意義上將保障資源物化為具體的人員、器材等,本文將保障資源概念擴(kuò)展為由資源要素、要素間結(jié)構(gòu)和資源對輸入和輸出響應(yīng)所構(gòu)成的資源系統(tǒng),資源對輸入產(chǎn)生的響應(yīng)輸出稱為資源所具備的保障能力,這是保障資源的內(nèi)在屬性,是由資源要素和要素間結(jié)構(gòu)所決定的。在此基礎(chǔ)上裝備保障行動可以理解為要實(shí)現(xiàn)原子行動對資源的需求,或者說原子行動對保障能力的需求。

4.1 形式化定義

原子能力是相互獨(dú)立、不可分割裝備保障能力,可以表征為輸入和輸出之間的映射關(guān)系:Atomfi=f(Inputi,Outputi),Inputi是形成原子能力所必須信息流和物質(zhì)流的描述,Outputi經(jīng)過原子能力處理后產(chǎn)生的信息流和物質(zhì)流描述。原子能力集合表示為F={Atomf1,Atomf2,…,AtomfN}。

裝備保障能力Cap是由多項(xiàng)能力聚合或組合形成的模塊化能力,設(shè)Cap形成能力集合M,則F?M,Cap可表示為Cap=G(U,Struct),其中U是能力集且U?M,Struct是U集中能力的相互作用關(guān)系,函數(shù)關(guān)系G既可反映消耗型資源聚合所產(chǎn)生的疊加關(guān)系,又可表述功能型資源組合產(chǎn)生新的功能關(guān)系。

原子資源是不可分割裝備保障要素,AtomResi可由資源屬性和資源能力進(jìn)行表述AtomResi=〈ResAttri,Capi〉,ResAttri是原子資源固有屬性的表達(dá),Capi對應(yīng)于原子資源所具備的保障能力,表達(dá)為Capi=Gi(Ui,Structi),Ui是構(gòu)成Capi的能力集合且滿足Ui?M。原子資源集合表示為ER={AtomRes1,AtomRes2,…,AtomResm},m為原子資源種類;原子資源具備的保障能力組成集合EC={Cap1,Cap2,…,Capm}。

保障資源概念擴(kuò)展后,可由資源構(gòu)成要素、結(jié)構(gòu)和生成的能力表述,表征為:Res={R,ResStruct,Cap},設(shè)所有Res構(gòu)成集合N,其中R是資源編組且R?N,既可是原子資源的AR的子集合又可是保障編組資源的集合;ResStruct是R的結(jié)構(gòu)表述;Cap是保障資源所具備的保障能力,可表示為Cap=G(C′,ResStruct),C′滿足C′?M。資源編組形成的能力實(shí)際上可以看作資源要素及要素能力、結(jié)構(gòu)決定的,在資源要素一定的情況下,資源的能力由結(jié)構(gòu)ResStruct決定,能力本身又由C′和映射函數(shù)G表達(dá),這說明在資源要素確定情況下對資源編組而言資源編組的結(jié)構(gòu)ResStruct與C′到Cap的映射函數(shù)G本質(zhì)上是一致的。

4.2 數(shù)據(jù)模型

原子資源是保障資源的子集,可采用同一數(shù)據(jù)模型表述原子資源和保障資源編組,如圖5(a)所示資源的數(shù)據(jù)模型主要由資源屬性、資源編組要素及編組結(jié)構(gòu)、資源能力的表述構(gòu)成。各類資源編組主要有兩種結(jié)構(gòu),一是聚合、二是組合,聚合主要面向消耗型資源的編組,組合主要面向功能型資源的編組。如圖5(b)所示為利用該數(shù)據(jù)模型對資源的各要素進(jìn)行表述。由能力形式化定義,原子能力與編組能力在定義上是一致的,如圖5(c)所示原子能力可采用過程/函數(shù)形式實(shí)現(xiàn),資源編組的能力同樣可采用過程/函數(shù)形式實(shí)現(xiàn),函數(shù)輸入為資源編組要素所具備的能力,執(zhí)行過程為能力相互作用的結(jié)構(gòu),輸出為資源的能力。

圖5 資源及能力數(shù)據(jù)模型

能力作為資源的內(nèi)在屬性,與資源編組要素的能力以及這些能力間相互作用的結(jié)構(gòu)密切相關(guān),能力的函數(shù)化表達(dá)使得資源能力的實(shí)現(xiàn)可以脫離于具體的資源及具體的能力,從而將能力的實(shí)現(xiàn)與能力間相互作用的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來,這與在形式化定義中資源要素確定情況下資源編組的結(jié)構(gòu)ResStruct與映射函數(shù)G本質(zhì)上是一致的結(jié)論是一脈相承的。

5 結(jié)語

海軍裝備保障計(jì)劃本體框架實(shí)現(xiàn)了對領(lǐng)域概念的全面分類,表達(dá)概念之間的關(guān)聯(lián),為基于本體的海軍裝備保障計(jì)劃的表述與生成奠定了良好的基礎(chǔ);案例表明構(gòu)建的功能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型能夠很好地表達(dá)行動序列間執(zhí)行邏輯關(guān)系,資源數(shù)據(jù)模型能夠有效的表述資源的要素、結(jié)構(gòu)和能力。

[1] 王德鑫.以網(wǎng)絡(luò)為中心的聯(lián)合作戰(zhàn)計(jì)劃描述與生成系統(tǒng)研究[D].長沙:國防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[2] 唐攀.基于HTN規(guī)劃的應(yīng)急行動方案制定方法及技術(shù)[D].武漢:華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[3] 胡欣.基于本體的聯(lián)合作戰(zhàn)計(jì)劃表示與校驗(yàn)研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[4] 劉匡宇.面向HTN規(guī)劃的應(yīng)急領(lǐng)域知識建模[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[5] 郜越,汪敏,閆晶晶.面向服務(wù)的作戰(zhàn)計(jì)劃生成[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2011,2(6):10-14,22.

[6] 錢猛,劉忠,姚莉,張維明.一種使用本體和SWRL的作戰(zhàn)計(jì)劃驗(yàn)證方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(8):208-212,245.

[7] 劉忠,錢猛,黃金才,等.基于語義推理的作戰(zhàn)計(jì)劃驗(yàn)證方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2010,32(5):988-993.

[8] Pease A. Core Plan Representation[J]. Object Model Working Group,1998-11-06:11-20.

[9] 李曉亮,方家騏.戰(zhàn)場信息交換本體模型研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009,30(6):1468-1472.

[10] PMG. JC3IEDM[EB/OL].https://mipsite.lsec.dnd.ca/,2012-03-24.

[11] 李建軍,劉翔,任彥,等.作戰(zhàn)任務(wù)高層本體描述與規(guī)劃[J].火力與指揮控制,2008,33(1):53-55,60.

[12] 朱小冬,劉廣宇,等.信息化作戰(zhàn)裝備保障[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:50-56.

Data Model Construction of the Naval Equipment Support Plan Based on Ontology Frame

MO Panfei LI Qiyuan

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In order to satisfy efficient sharing of the naval equipment support plans between security units and automatic processing with computers, an ontology frame of the naval equipment support plan is established, and functional relationship of action sequences is addressed formally. Data structure of actions’ functional relationship is constructed, and the concept of resource, capability and the association of them based on formal expressions and extend the concept of naval equipment support resource is shown, then data model of resource is constructed. The case expression shows that the data models of actions’ functional relationship and resource are able to describe action sequences, resource and capability efficiently.

naval equipment support plan, ontology, functional relationship, resource, capability

2015年1月11日,

2015年3月7日 作者簡介:莫攀飛,男,碩士研究生,研究方向:作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)。李啟元,男,博士,副教授,研究方向:指揮信息系統(tǒng)仿真。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.040