李新明,　李　亢

(1. 裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416;　2. 63626部隊)

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語義視角下基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估研究

李新明1,李亢2

(1. 裝備學(xué)院 復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416;2. 63626部隊)

摘要針對傳統(tǒng)裝備體系評估方法在復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)建模、解析評估方法設(shè)計、大型模擬仿真計算等方面存在的問題，嘗試將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到裝備體系評估中。從語義角度研究了基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估，在設(shè)計評估框架的基礎(chǔ)上，分析裝備體系評估中的語義問題，提煉其中的關(guān)鍵技術(shù)，分析各關(guān)鍵技術(shù)路線；通過數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)等相關(guān)技術(shù)分析海量多源異構(gòu)的裝備數(shù)據(jù)，得出裝備體系能力及能力的度量，為實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)框架。

關(guān)鍵詞裝備體系評估；大數(shù)據(jù)分析；語義

System-of-systems Assessment of Equipment Based on Big Data Analysis in Semantic Perspective

LI Xinming1，LI Kang2

(1. Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. 63626 Troops, China)

AbstractTo tackle the issues existing in traditional equipment system evaluation method in the respects like complex system modeling, analytical evaluation methods design and large simulation computation, the paper tries to apply big data analysis to the assessment of equipment system. The paper makes the research on the equipment system evaluation based on big data analysis in semantic perspective and then analyzes the semantic problem in equipment system evaluation on the basis of evaluation framework design to extract key technologies and probe into key technology routes. By application of relevant techniques like data mining and knowledge discovery, the paper analyzes massive amounts of multi-source heterogeneous data and concludes the capability of equipment system and the measurement of the capability so as to provide a theoretic basis and a technical framework for equipment system evaluation based on big data analysis.

Keywordsequipment system-of-systems assessment; big data analysis; semantic

裝備體系是指在一定的戰(zhàn)略指導(dǎo)、作戰(zhàn)指揮和保障條件下，為滿足一定的戰(zhàn)略需求或作戰(zhàn)需要，由功能上互相聯(lián)系、互相作用的各類武器系統(tǒng)組成的有機整體[1]。裝備體系評估是對裝備體系進行總體性評價，發(fā)現(xiàn)裝備體系建設(shè)中的短板和不足，優(yōu)化裝備的配置和部署，最大化地發(fā)揮裝備體系的整體性能，是裝備體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[2]。隨著信息化戰(zhàn)爭模式的發(fā)展，基于能力的裝備體系評估得到了越來越多專家學(xué)者的關(guān)注和研究。所謂“能力”，是在特定的標準和條件下，通過組織運用各單位的人員、裝備、技術(shù)等武裝力量遂行某種特定的任務(wù)、達到某種效果的本領(lǐng)[3]。本文探索將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到裝備體系評估的研究中，從語義的角度設(shè)計評估框架，分析裝備體系評估中的語義問題，提煉分析其中的關(guān)鍵技術(shù)與方法途徑，為實現(xiàn)裝備體系評估研究的創(chuàng)新發(fā)展提供新的思路。

1問題的提出

常見的裝備體系評估方法主要有專家評估法、解析評估法、仿真評估法等[4]。專家評估法通過專家掌握的專業(yè)知識和經(jīng)驗對研究問題進行定性地評價，適用于缺少資料和數(shù)據(jù)的情況，但由于其判斷的主觀性較強，不能作為主要的評估方法。解析評估法通過建立評估指標與給定條件之間的函數(shù)關(guān)系計算體系效能，但其涉及的先驗知識和權(quán)重設(shè)置受人為因素的影響，而且對于作戰(zhàn)過程中對抗行為的考慮較少，難以滿足裝備體系評估的需求。仿真評估法通過將仿真數(shù)據(jù)輸入到體系仿真模型中，分析仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行裝備體系效能評估，其缺點是仿真模型的構(gòu)建過程十分復(fù)雜，而且難以校驗?zāi)Ｐ偷膬?yōu)劣程度。隨著裝備體系的結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的體系評估方法在復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建、解析評估方法設(shè)計、大型模擬仿真計算等問題上的瓶頸難以克服，越來越難以滿足當(dāng)前信息化戰(zhàn)爭條件下裝備體系評估的需要。

近年來，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的興起為眾多行業(yè)領(lǐng)域的研究提供了新的解決方法和手段，它的創(chuàng)新應(yīng)用極大地影響了人們生活的各個方面。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是科學(xué)研究在實驗實證、理論分析、計算模擬3種研究模式基礎(chǔ)上誕生的第四種研究模式——數(shù)據(jù)密集型(Data Intensive)研究模式，即不再從已知的規(guī)則中計算推理，而是從數(shù)據(jù)中尋找問題的答案，獲得理論上的突破。谷歌公司的技術(shù)總監(jiān)Peter Norvig曾在新信息技術(shù)峰會中提出了“All models are wrong, and increasingly you can succeed without them”的觀點[5]，指出區(qū)別于基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)研究方式，大數(shù)據(jù)分析不再關(guān)注于構(gòu)建數(shù)據(jù)模型中的因果關(guān)系，而是通過大量分析數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)現(xiàn)其中蘊含的新知識、新規(guī)律。

大數(shù)據(jù)分析的發(fā)展為裝備體系評估提供了嶄新的思路，通過對構(gòu)成裝備體系的裝備進行大數(shù)據(jù)分析得出裝備體系的能力水平，是一種開創(chuàng)性研究思路[6]。這種研究思路運用了信息技術(shù)的最新研究成果，通過采用人工智能方法深度分析海量的裝備數(shù)據(jù)，客觀地評價裝備體系的能力水平，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

2基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估框架研究

基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估將弱化評估的過程，通過分析海量多源異構(gòu)的裝備數(shù)據(jù)集，得出裝備體系的能力及能力的度量，然后通過分析不同裝備體系的輸入及其能力的評估結(jié)果，得出特定裝備組合對于裝備體系能力的影響，發(fā)現(xiàn)制約裝備體系能力的制約性因素。大數(shù)據(jù)分析的實現(xiàn)過程通常包括數(shù)據(jù)獲取、架構(gòu)選擇、數(shù)據(jù)裝入、編碼分析、知識發(fā)現(xiàn)等步驟[7-8]，本文結(jié)合裝備體系評估的應(yīng)用實際，提出基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估框架，主要包括以下5個部分。

2.1裝備體系評估基礎(chǔ)設(shè)施

基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估處理的對象是海量多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)集，因此需要構(gòu)建相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，具備多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)處理需求的存儲管理能力和分布式高性能計算能力。

裝備數(shù)據(jù)的存儲管理需要解決裝備數(shù)據(jù)海量異構(gòu)的問題，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，有利于實現(xiàn)高效地讀取操作和處理分析。對于半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用NoSQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以支持異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲與管理。裝備數(shù)據(jù)的分布式高性能計算能力需要高性能計算服務(wù)器和Hadoop生態(tài)系統(tǒng)搭建的分布式計算集群，從而形成面向大數(shù)據(jù)的存儲能力和計算能力。

2.2裝備體系海量數(shù)據(jù)資源

裝備體系海量數(shù)據(jù)資源包括了關(guān)系數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)等多種類型的數(shù)據(jù)。按照數(shù)據(jù)在體系評估中的作用可以將其劃分為裝備實體數(shù)據(jù)、體系基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和裝備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

裝備實體數(shù)據(jù)是評估系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，廣泛集成了可獲取的裝備數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)來源主要有裝備部門和相關(guān)業(yè)務(wù)單位管理的裝備數(shù)據(jù)庫等。裝備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是裝備在運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括各類傳感器裝備獲取的圖像、視頻數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)等，從這些數(shù)據(jù)中可以分析得出裝備作戰(zhàn)過程中的運用表現(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果是體系評估的重要參考依據(jù)。

2.3多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)集成

多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)集成是對裝備體系海量數(shù)據(jù)資源的有機整合，涉及了數(shù)據(jù)集成管理、領(lǐng)域標準構(gòu)建、概念映射、關(guān)系學(xué)習(xí)等多種數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法的運用。

數(shù)據(jù)集成能夠?qū)⒍嘣吹难b備數(shù)據(jù)復(fù)制或映射到中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲和管理。集成過程是異構(gòu)到同構(gòu)的映射過程，使應(yīng)用程序能夠進行統(tǒng)一地分析與處理。裝備數(shù)據(jù)中存在語義異構(gòu)的問題，通過語義集成將裝備數(shù)據(jù)的語義內(nèi)涵統(tǒng)一到同一語義規(guī)范上，通過概念映射和關(guān)系學(xué)習(xí)的方法將異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)映射相互關(guān)聯(lián)的語義數(shù)據(jù)集，并采用統(tǒng)一的語言對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化描述。

2.4裝備體系評估模型構(gòu)建

裝備體系評估模型給出了作戰(zhàn)想定、體系結(jié)構(gòu)建模、體系視圖產(chǎn)品的開發(fā)、體系能力生成規(guī)則等信息的描述。

作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)描述作戰(zhàn)的意圖、兵力的配置、作戰(zhàn)協(xié)同計劃、作戰(zhàn)原則與規(guī)律等信息，明確了體系評估的任務(wù)背景，是開展體系評估的綱領(lǐng)性說明。體系結(jié)構(gòu)建模和體系視圖產(chǎn)品開發(fā)是對裝備體系進行刻畫和描述的必要步驟，在裝備體系結(jié)構(gòu)元模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建整個體系的多視圖模型，能夠確保裝備體系結(jié)構(gòu)建模的規(guī)范性。體系能力生成規(guī)則描述了裝備體系規(guī)模結(jié)構(gòu)、配比組合、規(guī)劃部署等要素對體系能力的影響，是開展裝備體系能力評估的規(guī)則標準。

2.5裝備體系評估應(yīng)用

裝備體系評估應(yīng)用是在上述工作基礎(chǔ)上開展的應(yīng)用性研究，包括基于能力的裝備體系評估、裝備體系的大數(shù)據(jù)分析、輔助決策支持等內(nèi)容。

基于能力的裝備體系評估是通過分析作戰(zhàn)想定條件下的裝備數(shù)據(jù)集，得出裝備體系所蘊含的能力及能力的度量。裝備體系的大數(shù)據(jù)分析是通過人工智能等技術(shù)方法對海量裝備數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)影響裝備體系能力的制約性因素。輔助決策支持是指采用可視化的方法將裝備體系評估中的體系結(jié)構(gòu)、裝備性能、能力指標的關(guān)系用圖形的方式展現(xiàn)出來，有助于發(fā)現(xiàn)其中內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，為決策者提供輔助決策支持。

3基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估語義分析

從以上論述中可以看出，裝備數(shù)據(jù)貫穿了基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估的整個過程，它不僅是評估的對象，還是裝備體系結(jié)構(gòu)的存在形式，同時也是能力評價結(jié)果的表現(xiàn)。然而，數(shù)據(jù)在進行存儲、集成、處理、分析、評估的過程中，會根據(jù)不同的需要轉(zhuǎn)換為不同的表現(xiàn)形式，而數(shù)據(jù)的內(nèi)涵并沒有因此改變，這個不因應(yīng)用環(huán)境而發(fā)生改變的數(shù)據(jù)內(nèi)涵，稱之為語義(Semantic)。語義具有明顯的領(lǐng)域性特征，如何將不同來源的數(shù)據(jù)在語義層面有機地關(guān)聯(lián)起來，是研究語義的目標。下面結(jié)合本文的研究內(nèi)容給出裝備體系評估領(lǐng)域的語義分析及實例說明。

定義1裝備的語義：裝備根據(jù)其自身的性能特點在特定裝備體系中所發(fā)揮的作用。

例1以REL-6B裝備數(shù)據(jù)為例，從創(chuàng)建者A的角度描述裝備功能為對空偵察，工作頻段為L，最大探測距離為360 km，覆蓋高度為18 km，仰角范圍0~30°。從創(chuàng)建者B的角度描述裝備特性為對空，雷達頻段為L，作用距離為360 km，覆蓋高度為18 km，俯仰角0~30°。雖然兩者對該裝備數(shù)據(jù)在字段設(shè)置、術(shù)語名稱、計量單位方面的描述方式不同，但雷達根據(jù)其自身性能在特定裝備體系中發(fā)揮的作用是不變的。這種不因數(shù)據(jù)的描述方式而改變的“意義”，即是裝備的語義。

定義2裝備體系的語義：裝備體系在特定視角下所呈現(xiàn)出的特定視圖。

例2由若干種裝備組成的某裝備體系ZZTX-1，從作戰(zhàn)視圖的角度，ZZTX-1代表了使命任務(wù)描述O1、作戰(zhàn)過程O2、作戰(zhàn)要素描述O3等作戰(zhàn)信息；從系統(tǒng)視圖的角度，ZZTX-1代表了裝備Z1、Z2等，以及裝備系統(tǒng)S1、S2等體系要素構(gòu)成；從能力視圖的角度，ZZTX-1代表了體系能力C1、C2、C3等裝備體系能力。這種不因視角不同而改變的裝備體系的“意義”，即為裝備體系的“語義”。

定義3裝備體系能力的語義： 裝備體系在特定的背景條件下完成特定任務(wù)的本領(lǐng)。

例3由若干種裝備組成的某裝備體系ZZTX-2，在任務(wù)背景X1下，其表現(xiàn)出的能力為體系能力C1-β1、C2-β2、C3-β3；在任務(wù)背景X2下，其表現(xiàn)出的能力為體系能力C4-β4、C5-β5、C6-β6；在任務(wù)背景X3下，其表現(xiàn)出的能力為體系能力C7-β7、C8-β8、C9-β9，其中{βi|i=1,2,3,…,9}為相應(yīng)能力的量度。這種不因任務(wù)背景不同而改變的裝備體系能力的“意義”，即為裝備體系能力的“語義”。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，裝備的語義、裝備體系的語義或是裝備體系能力的語義，在不同表現(xiàn)方式、不同的視角或是不同的任務(wù)背景中，會表現(xiàn)出不同的“樣子”。然而，不管是裝備、裝備體系或是裝備體系能力，它們本身都是一種靜態(tài)的存在，其本質(zhì)的“意義”并沒有發(fā)生變化，這種“意義”就是我們所定義的“語義”。

數(shù)據(jù)是語義的載體，為了對數(shù)據(jù)中的語義進行提取和分析，需要建立在規(guī)范化的形式描述、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、明確的邏輯規(guī)則等基礎(chǔ)之上。本體以其在概念模型、明確化、形式化、共享方面的特點，對于語義的描述有天生的優(yōu)勢[9]，根據(jù)不同的應(yīng)用層次，可以劃分為領(lǐng)域級本體(Domain Ontology)、應(yīng)用級本體(Application Ontology)、數(shù)據(jù)級本體(Data Ontology)。因此，采用本體作為語義的描述方式，用本體來描述評估對象、體系結(jié)構(gòu)、規(guī)則模型和評估結(jié)果。

4關(guān)鍵技術(shù)分析與方法途徑

圖1　基于語義的各關(guān)鍵技術(shù)研究思路及技術(shù)路線

以基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估框架為基礎(chǔ)，提煉出裝備體系結(jié)構(gòu)語義模型構(gòu)建、裝備數(shù)據(jù)領(lǐng)域本體構(gòu)建、多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)本體學(xué)習(xí)、裝備體系能力語義聚合共4個需要重點研究的內(nèi)容，下面給出各關(guān)鍵技術(shù)的研究思路與方法途徑，如圖1所示。1) 基于語義元模型的裝備體系結(jié)構(gòu)建模方法研究。裝備體系結(jié)構(gòu)建模是開展體系評估的基礎(chǔ)，需要將裝備體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建在共同語義的基礎(chǔ)上，以滿足語義集成的需求，因此開展基于語義元模型的裝備體系結(jié)構(gòu)建模方法的研究。該方法首先提出語義裝備體系的概念，在語義元模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建概念數(shù)據(jù)模型，定義裝備實體、性能指標、作戰(zhàn)活動、行動規(guī)則、裝備系統(tǒng)、系統(tǒng)功能、能力元素和能力規(guī)劃8個核心組成要素及要素之間的關(guān)系；其次構(gòu)建邏輯數(shù)據(jù)模型，定義以類、關(guān)系、屬性、實例四元組的本體描述框架，并給出本體描述?；谡Z義元模型構(gòu)建作戰(zhàn)視圖本體模型、系統(tǒng)視圖本體模型、能力視圖本體模型，給出各要素屬性、關(guān)系的類型及定義域和值域的形式化描述。

2) 基于概念格的裝備領(lǐng)域本體構(gòu)建方法研究。裝備數(shù)據(jù)語義集成面臨的首要挑戰(zhàn)即是構(gòu)建一個合理的全局視圖，明確裝備領(lǐng)域內(nèi)的概念內(nèi)涵及概念之間的關(guān)系。因此需要構(gòu)建符合標準規(guī)范的裝備領(lǐng)域本體構(gòu)建方法的研究。針對裝備領(lǐng)域的概念及關(guān)系描述不規(guī)范、難以實現(xiàn)知識共享和重用的問題，以軍語、軍事百科等標準規(guī)范為依據(jù)，提取裝備領(lǐng)域中核心的概念和分類，并通過建立《裝備屬性主題詞表》對裝備屬性的語義內(nèi)涵給出清晰地描述，對裝備領(lǐng)域中概念、屬性及其之間的關(guān)系進行規(guī)范化的描述從而生成頂層領(lǐng)域本體，然后采用本體映射的方法完成全面、細粒度的裝備領(lǐng)域本體的構(gòu)建，為裝備體系結(jié)構(gòu)的概念數(shù)據(jù)模型的定義提供參考標準。

3) 多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)本體學(xué)習(xí)方法研究。由于裝備數(shù)據(jù)存在結(jié)構(gòu)異構(gòu)、語義異構(gòu)等問題，無法進行統(tǒng)一的分析和處理，因此開展本體學(xué)習(xí)方法的研究，將多源異構(gòu)裝備數(shù)據(jù)以自動化的方式映射為語義數(shù)據(jù)。針對現(xiàn)有語義相似度計算方法適用性單一的問題，研究自適應(yīng)領(lǐng)域的語義相似度計算公式ADSim，并基于ADSim計算公式提出概念映射算法，得出該背景條件下最優(yōu)的閾值，建立符合條件的概念映射。研究的復(fù)雜語義關(guān)系學(xué)習(xí)算法，經(jīng)過自底向上地不斷更新能夠覆蓋原有的子句，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的發(fā)現(xiàn)。通過本體學(xué)習(xí)將裝備數(shù)據(jù)映射為裝備本體，使之成為構(gòu)成體系的基本單元，為下一步的體系評估提供數(shù)據(jù)支撐。

4) 面向體系評估的裝備數(shù)據(jù)語義聚合方法研究。通過分析裝備數(shù)據(jù)得出裝備體系能力是基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估的目標，針對現(xiàn)有研究中沒有考慮數(shù)據(jù)對知識支持程度的不確定性的問題，開展基于證據(jù)推理的語義聚合方法研究。針對語義數(shù)據(jù)處理中存在的邏輯關(guān)系單一、知識規(guī)則簡單的問題，研究基于證據(jù)推理的語義聚合方法，定義語義數(shù)據(jù)的屬性對知識的聚合關(guān)系，闡明證據(jù)到知識的聚合關(guān)系、知識與知識之間的聚合關(guān)系；提出基于Tableau的語義聚合算法，用于判斷知識成立的可滿足性，從定性和定量的角度分析出語義數(shù)據(jù)中隱含的知識和知識的度量。研究基于SWRL構(gòu)建裝備體系能力語義聚合規(guī)則，實現(xiàn)基于語義聚合的裝備體系能力評估。

5結(jié) 束 語

將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到裝備體系評估是一種創(chuàng)新性研究思路，本文從語義視角對基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估開展探索性研究。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)特點以及裝備體系評估的一般流程，提出了基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估框架，從語義的角度對裝備體系評估進行分析，提出了4個核心關(guān)鍵技術(shù)與方法途徑，為實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的裝備體系評估提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)框架，推動裝備體系評估研究的創(chuàng)新發(fā)展。

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(編輯：李江濤)

中圖分類號TP182

文章編號2095-3828(2016)01-0001-05

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.001

作者簡介李新明(1965-), 男, 研究員, 博士生導(dǎo)師,主要研究方向為裝備體系、大數(shù)據(jù)。

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目(60904082)

收稿日期2015-05-08