趙顏利，李連軍，余紅梅，史玉彬

（32179部隊，北京100012）

知識圖譜作為科技領(lǐng)域前沿技術(shù)，在解決數(shù)據(jù)組織管理、提供知識支撐與服務(wù)方面存在巨大優(yōu)勢。將知識圖譜引入戰(zhàn)例數(shù)據(jù)治理，具有以下5大優(yōu)勢：

1）數(shù)據(jù)融合[1]。知識圖譜從關(guān)系的角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)進行采集、提取、關(guān)聯(lián)，將海量多源、分散孤立的戰(zhàn)例數(shù)據(jù)進行融合與組織；

2）知識擴充。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫擴充新類型數(shù)據(jù)，須修改設(shè)計庫表結(jié)構(gòu)，耗費大量時間和精力。而知識圖譜可在不改變原有知識關(guān)系結(jié)構(gòu)的情況下，簡易方便地擴充新知識；

3）知識共享[2]。傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)，不同系統(tǒng)間沒有統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，相互間無法聯(lián)通，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和復(fù)用。知識圖譜基于本體模型實現(xiàn)了對知識的統(tǒng)一語義描述和規(guī)范，能夠?qū)崿F(xiàn)知識的共享；

4）智能應(yīng)用。知識圖譜通過本體對戰(zhàn)例數(shù)據(jù)賦予語義，實現(xiàn)了計算機與人、計算機與計算機之間的理解、交互，可為智能語義檢索、知識推理等應(yīng)用提供支撐，也可為上層各類業(yè)務(wù)決策提供輔助；

5）知識展示。知識圖譜采用基于圖的結(jié)構(gòu)表達知識，以直觀可視化的形式對知識及知識之間的關(guān)系進行展示，使得用戶對知識的理解更為容易。

本體是知識圖譜的核心內(nèi)容和重要基礎(chǔ)，更是構(gòu)建知識圖譜的關(guān)鍵。本文提出了一種面向領(lǐng)域知識圖譜的工程化本體構(gòu)建方法，基于該方法實現(xiàn)了戰(zhàn)例領(lǐng)域知識圖譜本體模型構(gòu)建，并研究建立了本體與實體知識的映射機制。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 本體概述

本體的概念起源于哲學(xué)領(lǐng)域，用于表示世界的本質(zhì)。20世紀(jì)80年代，本體被引入到信息科技領(lǐng)域，成為自然語言處理、信息集成、信息檢索、知識工程、人工智能等領(lǐng)域研究的重點[3-5]。1998年，Studer提出“本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”，成為廣泛接受的定義[6]。該定義包含以下4個層次含義：

1）概念化。表明本體是對客觀世界進行抽象描述得到的概念集模型；

2）共享性。表明本體概念集是被共同認(rèn)可的，具有通用性；3）形式化。表明本體是計算機可理解和處理的；4）明確性。表明本體的概念以及概念間關(guān)系被明確的定義，無歧義。

由本體的定義可知，本體是某領(lǐng)域概念及概念間的關(guān)系的模型，可實現(xiàn)該領(lǐng)域的形式化描述[7]。戰(zhàn)例本體則是戰(zhàn)例領(lǐng)域知識中的概念及其相互關(guān)系的形式化描述模型。戰(zhàn)例本體構(gòu)建了統(tǒng)一認(rèn)知的概念集，克服人、組織以及系統(tǒng)之間因不同背景、語言、技術(shù)之間的溝通障礙，使得領(lǐng)域知識得以共享和復(fù)用。

1.2 知識圖譜概述

知識圖譜概念由谷歌公司于2012年提出，并迅速成為學(xué)術(shù)界與業(yè)界研究的熱點。知識圖譜以結(jié)構(gòu)化的形式描述客觀世界中概念、實體及其關(guān)系，將互聯(lián)網(wǎng)的信息轉(zhuǎn)化為更接近人類認(rèn)知世界的形式，提供了一種更好地組織、管理和理解互聯(lián)網(wǎng)海量信息的能力[8]。知識圖譜本質(zhì)上是基于圖結(jié)構(gòu)的語義網(wǎng)絡(luò)知識庫[9]，知識圖譜中的知識用“節(jié)點—邊—節(jié)點”組成的“三元組”表示，其中“節(jié)點”表示現(xiàn)實世界中的概念、實體，“邊”表示實體、概念間的相互關(guān)系，具體表現(xiàn)為“概念—關(guān)系—概念”“實體—關(guān)系—實體”的“三元組”。知識圖譜邏輯上分為本體層和實體層。本體層建立在實體層之上，由一系列對領(lǐng)域知識形式化描述的概念集合庫組成；實體層是概念層的實例化，由一系列具體的實體知識庫組成。

知識圖譜包括2 類通用知識圖譜與領(lǐng)域知識圖譜[10-11]。通用知識圖譜基于通用的常識進行構(gòu)建，其知識面覆蓋大，知識深度及準(zhǔn)確性要求相對較低，一般面向廣大普通的用戶；領(lǐng)域知識圖譜基于專業(yè)的領(lǐng)域知識進行構(gòu)建，其知識面覆蓋較窄，知識深度及準(zhǔn)確性相要求相對較高，一般面向特定的領(lǐng)域用戶。知識圖譜構(gòu)建方法包括自頂向下和自底向上2種[12]。自頂向下的方法是先建立本體知識模型，而后依據(jù)模型實例化知識構(gòu)建實體庫，形成知識圖譜；自底向上的方法是先抽取實體知識，而后歸納概念模式形成本體模型。自頂向下的方法須要在專家的指導(dǎo)下建立本體模型，常用于領(lǐng)域知識圖譜構(gòu)建；自底向上的方法則主要對百科等開源數(shù)據(jù)集進行知識抽取，歸納出概念模型，常用于通用知識圖譜構(gòu)建。

戰(zhàn)例知識圖譜是軍事戰(zhàn)爭中具體戰(zhàn)爭行動、戰(zhàn)斗行動所涉及數(shù)據(jù)信息的知識描述與組織，屬于典型的領(lǐng)域知識圖譜。本文戰(zhàn)例知識圖譜的構(gòu)建采用自頂向下的方法，先建立戰(zhàn)例本體模型，而后本體實例化。

2 戰(zhàn)例領(lǐng)域本體構(gòu)建研究

2.1 領(lǐng)域本體構(gòu)建方法

目前，本體構(gòu)建尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有本體的構(gòu)建方法依據(jù)其涉及的領(lǐng)域和具體工程而不同。經(jīng)典的本體構(gòu)建方法，如，IDEF5[13]、TOVE 法[14]、骨架法[15]、METHONTOLOGY 法[16]、七步法[17]、五步循環(huán)法[18]等，都來自具體的應(yīng)用和實踐，國內(nèi)外學(xué)者對上述的經(jīng)典方法進行了系統(tǒng)的比較。為保證語義的完整性和正確性，本體構(gòu)建的過程須要領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c和指導(dǎo)。但由于本體的構(gòu)建過程復(fù)雜，形式化的描述等又須要工程技術(shù)人員參與。如何平衡領(lǐng)域?qū)＜遗c工程技術(shù)人員的合作是本體構(gòu)建的一個難題。為此，本文提出了一種面向領(lǐng)域知識圖譜的工程化本體構(gòu)建方法，由領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)業(yè)務(wù)需求明確領(lǐng)域范圍、列舉重要術(shù)語，指導(dǎo)工程技術(shù)人員確定概念分類體系，明確概念、關(guān)系，再通過校驗評價進行迭代進化修正，如圖1所示，具體操作如下。

1）確定本體的領(lǐng)域及應(yīng)用范圍。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，確定本體領(lǐng)域具體應(yīng)用范圍，劃定本體的數(shù)據(jù)邊界。

2）列舉領(lǐng)域中的重要術(shù)語。搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)，列舉領(lǐng)域內(nèi)重要的術(shù)語概念，為建立概念分類結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

3）定義概念類及分類層次體系。在領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)下，設(shè)計確定概念類，并建立概念類的分類層次，實現(xiàn)領(lǐng)域知識的概念化描述。

4）定義概念類之間的關(guān)系。定義概念類之間的關(guān)系，實現(xiàn)領(lǐng)域知識關(guān)聯(lián)的關(guān)系描述。

5）定義概念類的屬性。定義概念類的屬性，實現(xiàn)信息的進一步描述。

6）本體校驗。通過專家鑒定、用戶檢驗等方法對本體校驗、評價，并持續(xù)迭代優(yōu)化完善。

圖1 本體構(gòu)建流程Fig.1 Ontology construction process

2.2 戰(zhàn)例本體構(gòu)建實現(xiàn)

2.2.1確定戰(zhàn)例本體的領(lǐng)域及應(yīng)用范圍

由于知識存在相關(guān)性，領(lǐng)域知識圖譜在構(gòu)建過程中往往會出現(xiàn)知識超出領(lǐng)域范圍，邊界失控，導(dǎo)致難度與復(fù)雜度增大，產(chǎn)生大量冗余知識等問題。為此，構(gòu)建領(lǐng)域知識圖譜本體須正確理解業(yè)務(wù)需求，確定本體具體應(yīng)用范圍，劃定本體的數(shù)據(jù)邊界。

戰(zhàn)例本體的構(gòu)建目的主要是實現(xiàn)戰(zhàn)例領(lǐng)域知識的描述，為戰(zhàn)例領(lǐng)域知識獲取、組織和管理提供模型支撐。軍事戰(zhàn)例所涉及的數(shù)據(jù)比較廣泛、復(fù)雜，對戰(zhàn)例領(lǐng)域數(shù)據(jù)資料進行分析，涵蓋以下數(shù)據(jù)：①作戰(zhàn)對象數(shù)據(jù)，包括組織編制、人員編配、崗位編配等；②武器裝備數(shù)據(jù)，包括參與作戰(zhàn)的各類武器裝備；③戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，包括作戰(zhàn)地域的電磁、交通、地形、氣象、水文等；④戰(zhàn)例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括作戰(zhàn)時間、背景、過程、樣式、視頻、音頻、圖像等基本信息；⑤資料報告數(shù)據(jù)，包括戰(zhàn)例研究的各類論文、研究等；⑥軍事理論數(shù)據(jù)，包括作戰(zhàn)條令、作戰(zhàn)想定、任務(wù)清單等。

2.2.2列舉戰(zhàn)例領(lǐng)域中的重要術(shù)語

在明確戰(zhàn)例領(lǐng)域知識范圍的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)收集整理，依據(jù)《中國人民解放軍軍語》《國防科學(xué)技術(shù)敘詞表》、作戰(zhàn)條令等軍事領(lǐng)域?qū)I(yè)文獻資料列舉該領(lǐng)域相關(guān)術(shù)語，為后續(xù)建立概念分類體系奠定基礎(chǔ)。

2.2.3定義戰(zhàn)例領(lǐng)域的概念類及分類層次體系

以列舉的術(shù)語集為基礎(chǔ)，在領(lǐng)域業(yè)務(wù)專家和技術(shù)專家的共同參與下，歸納出戰(zhàn)例領(lǐng)域知識的頂層最寬泛的概念，而后進行細(xì)化，實現(xiàn)整個戰(zhàn)例知識體系框架描述。

1）定義頂層概念類。設(shè)置組織、裝備、人員、時間、地域、環(huán)境、戰(zhàn)例事件、文獻資料為頂層概念類，代表戰(zhàn)例領(lǐng)域知識體系的頂層描述。

2）細(xì)化建立概念分類等級層次。頂層概念類確立后，繼續(xù)細(xì)化分類，實現(xiàn)對戰(zhàn)例領(lǐng)域知識的進一步詳細(xì)描述。概念層級分類，可采用2種方法：一是復(fù)用已有的本體概念分類，即借鑒已有的本體分類，在戰(zhàn)例領(lǐng)域中復(fù)用該本體；二是以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)進行分類，參照遵循行業(yè)的各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，借助專家指導(dǎo)意見進行分類。目前軍事領(lǐng)域已構(gòu)建的本體較少，難以查找和復(fù)用。故此，以《中國人民解放軍軍語》、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)文件等為指導(dǎo)，結(jié)合軍事領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，進行戰(zhàn)例本體概念分類體系細(xì)化。

概念分類體系中，各概念類的層級深度根據(jù)實際情況確定，分至不同層級。圖2 為戰(zhàn)例領(lǐng)域本體分類層次體系部分展示。以裝備概念類為例，“戰(zhàn)例本體―裝備―主戰(zhàn)裝備―單兵班組武器―手槍”經(jīng)5 級結(jié)構(gòu)完成層次分類；“戰(zhàn)例本體―裝備―電子信息裝備―陸基信息裝備―情報偵察裝備―電子信號偵察裝備―無線通信偵察裝備”經(jīng)7級結(jié)構(gòu)完成層次分類。

圖2 戰(zhàn)例領(lǐng)域本體分類層次體系Fig.2 Ontology classification hierarchical system of battle field

2.2.4確定概念間關(guān)系

概念間的關(guān)系分為等級關(guān)系和非等級關(guān)系。等級關(guān)系用于規(guī)定自頂級概念開始至各級概念間的樹狀層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，每個概念與其他概念構(gòu)成上下位的關(guān)系；非等級關(guān)系用于規(guī)定不同概念類間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。等級關(guān)系在第3步驟建立分類層次體系時已經(jīng)完成，該步驟主要確定非等級關(guān)系。本體概念類之間部分關(guān)系示例，見表1。

表1 戰(zhàn)例本體概念類之間部分關(guān)系Tab.1 Some relations between concept classes of combat case ontology

2.2.5確定概念屬性

確定概念分類層次體系后，尚無法對領(lǐng)域知識進行完整表示，還須要描述概念的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即對概念的屬性描述，實現(xiàn)對知識的深層描述。首先，確定頂層概念類的屬性；而后，逐級確定下級子類概念的屬性。子類可以繼承上級父類的屬性，同時可以擴充自身屬性。戰(zhàn)例本體概念類的部分概念類屬性示例如表2所示。

表2 戰(zhàn)例本體部分概念類屬性Tab.2 Attributes of some conceptual classes of battle case ontology

2.3 戰(zhàn)例本體的實例化映射

知識圖譜由本體庫與實體庫構(gòu)成，本體庫、實體庫由節(jié)點與關(guān)系形成的三元組進行表示，記為

G=（Node A，Relation，Node B），

其中：G 表示三元組；Node 表示節(jié)點；Relation 表示節(jié)點間的關(guān)系。

由此，戰(zhàn)例知識圖譜可表示為

KG={OG，EG}，

其中：OG表示本體庫集合，由一系列概念節(jié)點及關(guān)系三元組組成，如，（主戰(zhàn)裝備，子類，直升機）；EG 表示實體庫集合，由一系列實體節(jié)點及關(guān)系三元組組成，如，（阿帕奇直升機，火力支援，B連戰(zhàn)斗分隊）。

上述表示中，本體庫OG是對實體庫EG的規(guī)范和約束，實體庫EG是本體庫OG的實例化。構(gòu)建戰(zhàn)例知識圖譜，須建立本體庫到實體庫的映射機制，實現(xiàn)本體到實體的三元組實例化映射。

將戰(zhàn)例本體層級結(jié)構(gòu)當(dāng)作樹結(jié)構(gòu)，各層級結(jié)構(gòu)的概念類作為樹節(jié)點，節(jié)點間的關(guān)系用連線表示；戰(zhàn)例實體間結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)狀圖結(jié)構(gòu)，實體節(jié)點為圖的節(jié)點，實體間關(guān)系用連線表示。由此，本體庫與實體庫之間的映射可以記為樹與圖之間的映射關(guān)系，如圖3所示。

圖3 以部分戰(zhàn)例的本體概念與實體知識為代表，展示了2者之間的映射。圖中上半部分為戰(zhàn)例本體庫的樹狀結(jié)構(gòu)圖，節(jié)點代表概念類，節(jié)點間連線代表子類繼承關(guān)系；下半部分為戰(zhàn)例實體庫的網(wǎng)狀關(guān)系圖，節(jié)點代表實體知識節(jié)點，節(jié)點間連線代表實體知識間的相互關(guān)系；圖中的虛線代表本體中的概念類節(jié)點到實體類節(jié)點映射，每個知識實體節(jié)點都有本體庫中的概念類映射。

圖3 戰(zhàn)例本體的實例化映射Fig.3 Instantiation mapping of battle case ontology

3 檢驗實證

為檢驗本體構(gòu)建方法的有效性，構(gòu)建戰(zhàn)例本體的合理性，依據(jù)上述戰(zhàn)例本體和映射機制作為規(guī)范和指導(dǎo)，構(gòu)建戰(zhàn)例領(lǐng)域知識圖譜。通過對戰(zhàn)例領(lǐng)域所涉及的組織編制、作戰(zhàn)編成、裝備運用、作戰(zhàn)地域、作戰(zhàn)環(huán)境等數(shù)據(jù)進行采集、提取、融合，最終實現(xiàn)知識實例化，形成關(guān)系縱橫交織的知識網(wǎng)狀圖譜，同時設(shè)計原型系統(tǒng)進行知識服務(wù)。

圖4 展示了“落錘行動”戰(zhàn)例的基本情況查詢，圖中左側(cè)展示了該戰(zhàn)例的全部知識關(guān)聯(lián)圖譜，右側(cè)是對具體知識節(jié)點選擇后的信息查詢展示。

圖5 展示了“落錘行動”戰(zhàn)例中裝備運用情況，圖中左側(cè)顯示了以裝備運用為中心的知識關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，右側(cè)為選擇具體裝備的性能指標(biāo)展示。

圖6 展示了“落錘行動”戰(zhàn)例中兵力運用情況，圖中左側(cè)展示了參戰(zhàn)力量的編制編成情況，右側(cè)為選擇組織節(jié)點具體信息。

圖4 戰(zhàn)例基本情況查詢Fig.4 Basic information query of battle case

圖5 裝備作戰(zhàn)運用查詢Fig.5 Query of equipment operational application

圖6 兵力運用查詢Fig.6 Query of force utilization

4 結(jié)論

為構(gòu)建合理可用的戰(zhàn)例知識圖譜，以解決戰(zhàn)例數(shù)據(jù)組織、管理、共享及重用等難題，本文主要完成了以下工作：①提出了一種面向領(lǐng)域知識圖譜的工程化本體構(gòu)建方法；②基于該方法構(gòu)建實現(xiàn)了戰(zhàn)例本體模型；③研究建立了戰(zhàn)例本體與知識實體間的映射機制；④構(gòu)建知識圖譜及設(shè)計原型系統(tǒng)，對戰(zhàn)例本體進行了檢驗驗證。

檢驗實證，基于本文方法建立的戰(zhàn)例本體合理有效，能夠規(guī)范和指導(dǎo)戰(zhàn)例知識實體的實例化，建立的知識圖譜可為科研人員、軍事專家開展相關(guān)理論研究、教學(xué)實踐、實驗評估等提供智能化的知識支撐與服務(wù)，能夠?qū)ξ臆娦伦鲬?zhàn)思想產(chǎn)生、新戰(zhàn)法形成、作戰(zhàn)力量建設(shè)、新型裝備研制等過程起到推動作用。

本文主要對領(lǐng)域知識圖譜的核心基礎(chǔ)本體模型進行研究和實踐，領(lǐng)域知識圖譜的其他重要內(nèi)容，如知識獲取、知識融合等，則通過人工手段實現(xiàn)，未進行研究和探討。大數(shù)據(jù)環(huán)境下，構(gòu)建大規(guī)模的領(lǐng)域知識圖譜，手工方式已無法滿足需求，人機結(jié)合的自動化、半自動化知識獲取與融合成為領(lǐng)域知識圖譜構(gòu)建的難點，也是后續(xù)研究的重點。