楊婷婷,劉 忠,朱先強,黃金才
(國防科技大學信息系統(tǒng)工程重點實驗室,湖南 長沙 410073)
作戰(zhàn)體系是一個具有適應威脅環(huán)境的動態(tài)系統(tǒng)[1-2],是由幾十萬、幾百萬甚至幾千萬個作戰(zhàn)、指揮、通信、感知等實體相互關聯而形成的超大規(guī)模的復雜系統(tǒng)。這樣的兩個復雜系統(tǒng)之間的作戰(zhàn)就是軍事理論意義上的體系對抗。對敵我雙方作戰(zhàn)體系的研究是未來體系作戰(zhàn)中指導和打贏戰(zhàn)爭的基礎,是軍事領域的重要研究內容。
作戰(zhàn)體系運行機制是指支持作戰(zhàn)體系運行的原則、規(guī)則和流程等。運行機制的研究是作戰(zhàn)體系研究中的重要內容,是體系對抗中作戰(zhàn)體系對敵方意圖推理判斷、己方作戰(zhàn)規(guī)劃和作戰(zhàn)計劃生成等問題中的關鍵環(huán)節(jié)。
當前隨著信息和人工智能技術的不斷發(fā)展,戰(zhàn)場將面臨巨大的信息爆炸壓力,軍事領域的智能化發(fā)展要求迫在眉睫[3]。作戰(zhàn)體系機制描述方法的研究作為作戰(zhàn)體系語義分析和知識圖譜構建的重要步驟,是智能分析和智能判斷的基礎,具有重要的研究意義。
本文從作戰(zhàn)體系的概念模型出發(fā),基于本體理論[4-5]、OWL[6]和SWRL[7]規(guī)則語言,建立了作戰(zhàn)體系運行機制本體。以機制的本體描述為基礎,研究了規(guī)則驅動的機制描述和任務驅動的機制描述方法,分別描述了主動規(guī)則推理和任務驅動兩種模式的運行機制。作戰(zhàn)體系運行機制的描述方法研究為作戰(zhàn)體系運行規(guī)則的建立提供了方法支持,是作戰(zhàn)體系的運行和行為意圖推理中的關鍵環(huán)節(jié)。
作戰(zhàn)體系是一個完整的整體。在作戰(zhàn)體系面對使命任務時,體系內的實體元素通過實體之間的關系(如指控關系、通信關系、組織編成關系等)組織連通,并依據體系及其實體能力和體系的運作機制進行體系運行,在完成組織狀態(tài)之間的遷移的同時完成使命任務。因此,作戰(zhàn)體系的概念模型具體包含了體系的使命、實體、組織、能力、狀態(tài)、機制和環(huán)境等7個方面。
作戰(zhàn)體系的使命模型是關于作戰(zhàn)體系面向的使命模型,從作戰(zhàn)體系使命的目標客體、使命意圖的達成目標和使命所包含的任務等方面對作戰(zhàn)體系的使命進行抽象建模。
定義1 使命模型(Mission)對作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)使命的描述,包含了目標對象、達成目標和任務等,記為三元組:
Mission=
其中,
目標對象(Objective)描述的是使命的目標對象客體,包括了目標對象的類型、位置、狀態(tài)等。目標的類型根據劃分方法的不同有不同的類型,如按照空間位置可以分為地面目標、空中目標和海上目標;按照目標運動特性可以分為固定目標和移動目標;按照使命級別不同可以分為戰(zhàn)略目標、戰(zhàn)役目標和戰(zhàn)術目標等。目標的位置描述了目標的地理位置。目標的狀態(tài)描述了目標當前的活動狀態(tài)、防御狀態(tài)等。
達成目標(Goal)描述的是使命達成的目標,如使命要求在某個時限之內完成,要求對目標的毀傷程度的要求等。
任務(Task)描述的是使命的任務,任務根據其復雜程度的不同,分為原子任務和復合任務。原子任務(AtomTask)是任務的最小單元;復合任務(CompositeTask)由原子任務構成。
作戰(zhàn)體系實體模型是關于作戰(zhàn)體系中實體的模型,從作戰(zhàn)體系實體的類型、屬性、關系和活動方面對作戰(zhàn)體系的實體進行抽象建模。
定義2 實體(Entity)表示的是作戰(zhàn)體系中的實體,記為四元組:
Entity=
其中,EntType表示實體的類型;EntAttribute表示實體的屬性;Relation表示實體之間的關系,作戰(zhàn)體系中實體與實體之間具有多種相互關系,包括具有指控含義的指控關系、具有通信含義的通信關系、實體與實體之間的組織和構成關系等。
Action表示實體的活動,如飛機的起飛、航行、攻擊、返航、降落、躲避等;巡洋艦的活動包括駐泊、航渡、巡邏、攻擊等。作戰(zhàn)體系中的實體根據其類型的不同具有各自不同種類的活動,這些活動在實際使用中根據其目標的不同表現為不同的行動(Activity),行動及行動的組合是作戰(zhàn)體系完成任務或者使命的基本途徑。
體系組織模型是關于作戰(zhàn)體系的組織和結構的模型,是從體系的組織編成、體系指控結構和體系通信網絡等方面對體系組織的抽象建模。
定義3 組織(Organization)表示的是體系的組織和結構,記為三元組:
Organization=
其中,組織編成(Formation)表示體系中實體的組織編成,由體系實體及其編成關系構成;指控結構(C2Structure)表示體系中的指揮控制結構,由體系實體及其指控關系構成;通信網絡(CommuNetwork)表示體系中的通信網絡結構,由體系實體及其通信關系構成。
體系能力模型是關于作戰(zhàn)體系所具備的能力的模型,是從作戰(zhàn)體系及其實體的基本能力的類型和能力的屬性等方面對體系能力的抽象建模。
定義4 能力(Ability)表示作戰(zhàn)體系及其實體的基本功能,記為二元組:
Ability=
其中,AType表示能力的類型。作戰(zhàn)體系的能力根據分類角度的不同而具有多種不同的能力。例如,作戰(zhàn)體系能力按照目標對象類型可以分為反導能力、反潛能力、防空能力、反艦能力等;按照軍事行動類型劃分可以分為機動能力、運動能力、防御能力、進攻能力、后勤支援能力等。
AAttribut表示能力的屬性。每一種能力都有相應的屬性,例如反導能力包含了導彈的攔截高度、攔截的有效范圍、攔截概率等。
實體的能力與實體活動相關,不同的實體活動具備不同的實體能力。例如,實體的運動活動與實體的運動、機動能力相關。這種關聯關系是作戰(zhàn)體系任務分解的基礎,也是體系運作機制中計劃方案制定的基礎。
體系狀態(tài)模型是關于作戰(zhàn)體系瞬時狀態(tài)的模型,從作戰(zhàn)體系的實體狀態(tài)、組織狀態(tài)兩方面進行抽象建模。
定義5狀態(tài)(State)表示某一時刻作戰(zhàn)體系的狀態(tài),記為二元組:
State=
其中,EntState表示某一時刻作戰(zhàn)體系實體狀態(tài),OrgState表示某一時刻作戰(zhàn)體系組織狀態(tài)。
作戰(zhàn)體系的狀態(tài)隨著時間的變化而不斷地變化,這一時刻的狀態(tài)既是上一狀態(tài)的延續(xù),也是下一狀態(tài)的開始,通過對作戰(zhàn)體系歷史狀態(tài)及其變化的分析,可以對下一時刻的狀態(tài)進行推斷。
作戰(zhàn)體系的運行過程是體系狀態(tài)遷移(StateTransfer)的過程。體系狀態(tài)遷移的形式化表示為:
StateTransfer:CurrentState→NewState
其中,CurrentState表示當下的狀態(tài),NewState表示下一時刻的新狀態(tài)。狀態(tài)的遷移表示作戰(zhàn)體系的組織和實體的狀態(tài)的遷移。
對狀態(tài)的遷移變化是作戰(zhàn)體系及其中實體的行動意圖判斷的主要依據之一。
體系機制模型是關于作戰(zhàn)體系運行規(guī)則和流程的模型,是從體系運行的條件、規(guī)則、流程等方面對作戰(zhàn)體系運行機制的抽象建模。
定義6 機制(Mechanism)表示的是作戰(zhàn)體系運行遵循的基本機制,記為三元組:
Mechanism=
其中,條件(Condition)表示作戰(zhàn)體系運行的狀態(tài)條件,包含了作戰(zhàn)體系的狀態(tài)條件(包括組織狀態(tài)和實體狀態(tài)條件),體系使命的目標的狀態(tài)條件(包括目標的類型、位置和狀態(tài)等目標對象條件),體系運行的環(huán)境條件(包括地理、氣象、電磁和海洋等環(huán)境條件)。
約束(Constrain)表示對體系運行的影響的約束,包括了能夠對作戰(zhàn)體系運行進行影響的體系使命的達成目標產生的約束、體系實體的能力的約束,以及作戰(zhàn)體系的行動模式、戰(zhàn)術條例和原則等運行規(guī)則帶來的約束。
計劃(Plan)表示作戰(zhàn)體系的行動計劃方案,包括了計劃分解中包含的作戰(zhàn)體系或其實體的行動、計劃片段,以及計劃中這些行動或者計劃片段按照時間、依賴等關聯關系構成的運行流程。計劃與計劃片段最終都可以分解為行動。
行動與實體活動之間具有關聯關系,實體或者體系的行動是通過實體的活動來完成的。實體活動是客觀的,而實體行動是具有某種指向和含義的實體活動。例如,實體可以進行航行活動,實體向某個目標位置進行航渡是實體的行動。
體系環(huán)境模型是關于作戰(zhàn)體系運行環(huán)境的模型,分別從環(huán)境的類型和屬性兩方面對環(huán)境進行抽象建模。
定義7 環(huán)境(Environment)表示作戰(zhàn)體系運行的環(huán)境,記為二元組:
Enviroment=
其中,EnvType表示環(huán)境的類型,EnvAttribute表示該環(huán)境類型的屬性。
作戰(zhàn)體系的運行環(huán)境包含了地理環(huán)境、海洋環(huán)境、氣象環(huán)境和電磁環(huán)境等。
在作戰(zhàn)體系概念模型的基礎上,從運行機制的語義、過程、目標和不確定性處理等方面研究作戰(zhàn)體系運行機制,建立的本體描述、規(guī)則驅動的機制描述和任務驅動的機制描述。
在作戰(zhàn)體系概念模型的基礎上,基于本體理論、OWL和SWRL語言建立作戰(zhàn)體系運行機制(Mechanism)的本體描述方法。
作戰(zhàn)體系的運行機制本體描述中,機制概念包含了條件(Condition)、約束(Constrain)和計劃(Plan)子概念,如圖1所示。
圖1 機制
條件描述了作戰(zhàn)體系運作的條件,如體系狀態(tài)條件、目標對象條件和環(huán)境條件等。
約束描述作戰(zhàn)體系運作的約束,包括:目標約束(GoalConstrain)表示能夠對作戰(zhàn)體系運行進行影響的體系使命的達成目標產生的約束;能力約束(Ability-Constrain)表示體系實體的能力的約束;規(guī)則約束(RuleConstrain)表示作戰(zhàn)體系的行動模式、戰(zhàn)術條例和原則等運行規(guī)則帶來的約束。
計劃描述作戰(zhàn)體系的計劃方案,包括:行動(Activity)表示計劃分解中包含的作戰(zhàn)體系或其實體的行動;計劃片段(Planfragment)表示計劃的片段;流程(Process)表示計劃中這些行動或者計劃片段按照時間、依賴等關聯關系構成的運行流程結構。
行動包含對象屬性:hasObjective表示行動有目標對象,hasAction表示行動包含的活動,hasSubActivity表示子行動,hasAbilityDemand表示行動有能力需求,has-RelativeActivity表示行動有關聯行動,hasRelativePlanfragment表示行動有關聯的計劃片段。
計劃片段包含對象屬性:hasActivity表示計劃片段包含的行動,hasSubPlanfragment表示計劃片段有子計劃片段,hasRelativePlanfragment表示計劃片段有關聯的計劃片段,hasAbilityDemand表示計劃片段有能力需求。
行動和計劃片段均包含數據類型屬性:時間屬性(hasTime)、概率(hasProbability)、先驗概率(hasPrior-Probability)、條件概率(hasConditionProbability)等。概率屬性表達了體系運行中的不確定性。
流程包含了含有(Includes)對象屬性,表示流程中含有的行動或者計劃片段。
機制概念域中的主要對象屬性和數據類型屬性如表1所示。
表1 機制概念域屬性
注:F是函數性,T是傳遞性、S是對稱性。
其中,機制概念域包含的兩個對象屬性hasRelativeActivity、hasRelativePlanfragment表明,行動和計劃片段在流程中具有時間相關性,可以用區(qū)間代數描述。
Allen提出了區(qū)間代數學[3],將區(qū)間作為時態(tài)基元,定義了區(qū)間之間13種互不相交且聯合完備的二元關系,包括before,equal,meets,overlap,during,starts,finishes及其反運算after,metBy,overlappedBy,contain,startedBy,finishedBy,如圖2所示。并將區(qū)間代數定義為這種二元關系任意可能的析取共213種可能。
另外,對于機制概念域的定義包含一些自然的約束,這些類似的自然約束可以用描述邏輯表示為公理。如行動至少包含了一個活動,描述為
基于機制概念域本體的定義,通過SWRL規(guī)則可以對關于機制的一些約束進行表示,如某項行動的先驗概率是0.8,描述為
Activity?(≥1)hasAction
基于機制概念域本體的定義,通過SWRL規(guī)則可以對關于機制的一些約束進行表示,如某項行動的先驗概率是0.8,描述為
Activity(?a)∧hasPrioProbalility(?a,0.8)
圖2 時間相關性二元關系
作戰(zhàn)體系運行過程是作戰(zhàn)體系及其實體從當前狀態(tài)向下一狀態(tài)轉換的過程。作戰(zhàn)體系的狀態(tài)包括體系包含的實體、體系編成、指控結構和通信結構,以及相應的數據類型屬性和對象屬性狀態(tài);實體的狀態(tài)包括是實體的數據類型屬性和對象屬性的狀態(tài),如實體的活動狀態(tài)。這些狀態(tài)之間的變遷遵循的規(guī)則即為規(guī)則驅動的作戰(zhàn)體系運行機制。
規(guī)則驅動的作戰(zhàn)體系運行機制可以通過ECA規(guī)則描述。ECA(Event-Condition-Action)規(guī)則,即事件-條件-活動規(guī)則是公認的主動規(guī)則,包括了事件、條件和活動三個部分[9]。事件表示引發(fā)規(guī)則執(zhí)行的原因,條件表示規(guī)則執(zhí)行要滿足的約束,活動是規(guī)則被觸發(fā)且條件為滿足時要執(zhí)行的行動。
ECA規(guī)則表示的是:當事件(Event)發(fā)生,且滿足條件(Condition)時,則執(zhí)行活動(Action)可以描述為:
其中,ECA規(guī)則描述了觸發(fā)活動的事件、條件和活動,當觸發(fā)事件(Event)出現并滿足相應的條件(condition)時執(zhí)行特定的活動(Action)。在作戰(zhàn)體系運行時,這個活動代表體系相應的狀態(tài)變遷。即當某個情況出現并滿足某些條件時,體系將從當前狀態(tài),變遷到下一狀態(tài)。
在作戰(zhàn)體系的本體描述基礎上,用ECA規(guī)則描述作戰(zhàn)體系運行機制時,機制本體與ECA規(guī)則的映射關系是:
事件(Event)表示觸發(fā)體系運行的事件,包含了機制本體描述中的條件概念及其包含的體系狀態(tài)、目標狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等子概念;
條件(Condition)表示對體系運行的約束,包含了機制本體描述中的約束概念及其包含的達成目標約束、能力約束,以及描述作戰(zhàn)體系的行動模式、戰(zhàn)術條例和原則的規(guī)則等子概念;
活動(Action)表示將進行的計劃或行動,包含了機制本體描述中的計劃或計劃包含的計劃片段、行動和流程等子概念。
例如,在體系作戰(zhàn)中,當目標對象出現事件發(fā)生,在目標達成約束、作戰(zhàn)體系能力和作戰(zhàn)規(guī)則等的條件滿足時,制定并執(zhí)行一系列作戰(zhàn)計劃。
用SWRL規(guī)則描述為:
其中,計劃(Plan)包含了由觸發(fā)的作戰(zhàn)體系實體行動(Activity)、計劃片段(Planfragment),以及這些行動和計劃片段的執(zhí)行流程(Process)。
例如,在海上作戰(zhàn),當目標導彈進入作戰(zhàn)海域,需要執(zhí)行攔截任務時。根據作戰(zhàn)規(guī)則,首先,應當跟蹤并確認目標導彈的狀態(tài)(包括地理位置、運動狀態(tài)等);其次,是根據各個作戰(zhàn)體系中平臺的導彈攔截能力,部署和計劃導彈攔截階段和相應的攔截任務。如圖3所示。
圖3 導彈攔截規(guī)則
其中,有背景色的橢圓表示的是條件或約束;海上作戰(zhàn)的導彈攔截的作戰(zhàn)計劃包含了兩個計劃片段,即目標跟蹤和目標攔截。當目標進入作戰(zhàn)區(qū),并且目標進入偵察探測設備的有效跟蹤范圍時,進行目標跟蹤;當作戰(zhàn)體系中的衛(wèi)星處于作戰(zhàn)區(qū)時,衛(wèi)星實施跟蹤行動;當作戰(zhàn)體系中的雷達處于開機狀態(tài)時,雷達實施跟蹤行動;當目標進入有效攔截范圍時,進行目標攔截;當艦艇處于作戰(zhàn)區(qū)時,艦艇實施攔截行動;當作戰(zhàn)體系中飛機處于值班狀態(tài)時,飛機實施攔截行動。
用SWRL規(guī)則描述如下:
Rule1:當目標進入作戰(zhàn)區(qū),并且目標進入偵察探測設備的有效跟蹤范圍時,進行目標跟蹤
Rule2:當作戰(zhàn)體系中的衛(wèi)星處于作戰(zhàn)區(qū)時,衛(wèi)星實施跟蹤行動
Rule3:……
基于以上方法,可以對規(guī)則驅動的作戰(zhàn)體系運行機制進行描述。
作戰(zhàn)體系運行的目標是完成使命任務。任務驅動的作戰(zhàn)體系運行機制描述研究的是作戰(zhàn)體系依據使命任務規(guī)劃方法產生的任務網絡而運行的機制。
例如,通過層次任務網絡(Hierarchical Task Network,HTN)規(guī)劃方法[10]對作戰(zhàn)體系面對的使命分析規(guī)劃,得到關于使命的層次任務網絡。其中包含了任務(原子任務和復合任務)、任務之間的時序和依賴關系、任務對能力的需求,以及實體與能力的對應關系,如圖4所示。
圖4 任務分解
其中,T表示作戰(zhàn)體系面對的使命經HTN的規(guī)劃獲得的分解任務,包含了原子任務和復合任務兩種;E表示作戰(zhàn)體系中的實體,A表示任務對能力的需求,在HTN規(guī)劃中實體和能力的組合被表示為方法;另外,黑色箭頭表示任務之間的時序和依賴關系,紅色箭頭表示任務對實體及其能力的需求關系。
圖5 任務的實體需求沖突
可以看到網絡中存在多處不同任務同時對同一實體的能力的需求??梢?,通過任務分析在建立實際的計劃方案時,需考慮實體及其能力是否可以同時使用,即是否會造成實體使用時間或空間域的沖突問題。如圖5所示。其中,虛線表示被不同任務需求的實體及其能力的沖突。
由此可見,在作戰(zhàn)體系運行時,實體是否能夠在計劃中執(zhí)行相應的任務是不確定的。如本例中,實體E1執(zhí)行任務T1,則有可能不能同時執(zhí)行T3。事實上,在常見的任務規(guī)劃中,由哪個實體執(zhí)行任務、實體執(zhí)行任務的時機和實體行動的成功與否都包含了不確定性。
同時,實體的能力(Ability)是通過行動(Activity)體現的,選擇哪個行動實現該能力也是不確定的。例如,在作戰(zhàn)體系的艦艇執(zhí)行航渡任務時,如若遇到海峽,是選擇經由海峽快速到達既定位置,抑或是選擇繞過海峽經由較為安全的寬闊海域到達既定位置。這種選擇概率可以由經驗得到,即為先驗概率;亦可根據當時的狀態(tài)選擇,即為條件概率。
因此,任務驅動的作戰(zhàn)體系的運行機制可以用貝葉斯網絡來描述。貝葉斯網絡(BN)又稱為信任網絡、概率網絡或因果網絡,是一種用于表示軍事領域不確定性的概率論方法,主要由兩部分構成:網絡結構和條件概率表[11]。
用貝葉斯網絡來描述作戰(zhàn)體系運行機制時,通過對作戰(zhàn)體系中的概念附加概率的方式,描述體系運行中的不確定性?;谧鲬?zhàn)體系運作機制的本體描述和貝葉斯網絡理論,對運作機制轉換到貝葉斯網絡進行如下映射轉換:
1)網絡的結點對應于作戰(zhàn)體系運行機制本體描述中的條件和約束,以及計劃中涉及的計劃片段和作戰(zhàn)體系實體的行動等概念。其中,這些概念均附加了基于經驗、統(tǒng)計或者主觀判斷得到的先驗概率P(C),C表示網絡中的概念或類結點。
2)網絡的邊對應于這些結點所代表的概念之間的邏輯關系,包含作戰(zhàn)體系運行機制本體描述中的計劃及其子概念對其他行動、計劃片段、條件和約束的依賴關系;運作機制本體描述中計劃片段對實體及行動包含關系、行動和子行動之間的關系,以及計劃中的時序關系等。這些關系的存在提供了條件概率 P(C| SupC),SupC表示結點C的上級結點。
以導彈攔截任務為例,描述為貝葉斯網絡結構如圖6所示。
其中,結點包含:目標進入作戰(zhàn)范圍是狀態(tài)條件;導彈攔截計劃片段有兩個可選實體及行動,即艦艇實施攔截行動和飛機實施攔截行動;艦艇攔截的行動包括雷達鎖定目標和發(fā)射導彈等子行動;飛機攔截的行動包括起飛、鎖定目標和發(fā)射導彈等子行動。
先驗概率表如表2所示。
圖6 導彈攔截的貝葉斯網絡結構
其中,結點包含:目標進入作戰(zhàn)范圍是狀態(tài)條件;導彈攔截計劃片段有兩個可選實體及行動,即艦艇實施攔截行動和飛機實施攔截行動;艦艇攔截的行動包括雷達鎖定目標和發(fā)射導彈等子行動;飛機攔截的行動包括起飛、鎖定目標和發(fā)射導彈等子行動。
先驗概率表如表2所示。
表2 先驗概率表
條件概率如表3所示。
表3 條件概率表
導彈攔截艦艇攔截飛機攔截TureFalseTureFalseTrue0.40.40.40.4False0.10.10.10.1
艦艇攔截艦載雷達鎖定目標艦艇發(fā)射導彈TureFalseTureFalseTrue0.40.40.30.3False0.10.10.20.2
飛機攔截艦載雷達鎖定目標艦艇發(fā)射導彈飛機鎖定目標TureFalseTureFalseTureFalseTrue0.450.450.40.40.350.35False0.050.050.10.10.150.15
將條件概率附加到網絡結點上,建立作戰(zhàn)體系運行的貝葉斯網絡,將本體概念與概率相結合,描述任務驅動的作戰(zhàn)體系運行機制及其中的不確定性表示。
作戰(zhàn)體系運行機制作為作戰(zhàn)體系研究中的重要組成部分,描述的是支持作戰(zhàn)體系運行的原則、規(guī)則和流程等。本文從作戰(zhàn)體系的概念模型出發(fā),基于本體理論,通過對關于作戰(zhàn)體系的大量信息和知識的文本分析,建立作戰(zhàn)體系運行機制本體描述。同時,針對作戰(zhàn)體系運行機制的主動規(guī)則推理和任務驅動兩種模式的運行機制,分別提出了規(guī)則驅動和任務驅動的機制描述方法。作戰(zhàn)體系運行機制描述的研究為作戰(zhàn)體系的運行、推理提供了關鍵的方法支持,對作戰(zhàn)體系研究具有重要意義。
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