田 鵬，李定主*，陳 勇，李天宇，莫瑞峰，喬沛昊

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.解放軍63850 部隊，吉林 白城 137000）

0 引言

在國防建設(shè)持續(xù)推進(jìn)的過程中，將新興技術(shù)應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)一直是研究熱點。作戰(zhàn)指揮作為作戰(zhàn)行動的組織領(lǐng)導(dǎo)活動，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。現(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題，而知識圖譜圖相關(guān)理論技術(shù)就能解決這些問題。知識圖譜技術(shù)在越來越多專業(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圖譜技術(shù)，構(gòu)建作戰(zhàn)指揮規(guī)則知識圖譜，達(dá)到作戰(zhàn)指揮輔助決策的目的。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 領(lǐng)域知識圖譜研究

知識圖譜本質(zhì)上是一種描述實體關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)圖，包含實體、概念及其之間的各種語義關(guān)系。隨著知識圖譜相關(guān)理論、技術(shù)的發(fā)展，知識圖譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、智能搜索、個性化推薦和決策支持領(lǐng)域。知識圖譜分為通用知識圖譜和領(lǐng)域知識圖譜，研究由通用轉(zhuǎn)向特定專業(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)域知識圖譜采取的是前者。即通過先確定數(shù)據(jù)模型層，然后添加實體數(shù)據(jù)到知識庫。很多學(xué)者將其應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并取得了很好的效果。如：水利信息知識圖譜實現(xiàn)了水利信息的智能檢索與推薦；軟件知識圖譜幫助了軟件開發(fā)人員進(jìn)行軟件知識的檢索與應(yīng)用；專家知識圖譜構(gòu)建研究擴(kuò)大了專家的影響力。在軍事上，針對如何將知識圖譜應(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，領(lǐng)域知識圖譜中圖數(shù)據(jù)模型完成了標(biāo)準(zhǔn)化定義。這些研究都說明了領(lǐng)域知識圖譜的可行性。

1.2 基于規(guī)則的作戰(zhàn)輔助決策方法研究

作戰(zhàn)指揮本身是作戰(zhàn)指揮活動，其通過總結(jié)作戰(zhàn)的實踐經(jīng)驗、基本規(guī)律，達(dá)到指導(dǎo)戰(zhàn)爭勝利的目的。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，如何結(jié)合高新技術(shù)來提高作戰(zhàn)指揮的能力和水平是研究的熱點。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，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，實現(xiàn)了作戰(zhàn)指揮實體的自主決策和實時決策；也有通過設(shè)定預(yù)定規(guī)則來實現(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)，實現(xiàn)了基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則的軍事指揮專家系統(tǒng)。

1.3 現(xiàn)有方法的缺點分析

通過上述的研究發(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性邏輯結(jié)構(gòu)。當(dāng)條件滿足，觸發(fā)對應(yīng)的規(guī)則節(jié)點，然后，特定的作戰(zhàn)部隊去執(zhí)行對應(yīng)的軍事作戰(zhàn)行動。如圖1 所示。

圖1 基于規(guī)則指揮邏輯結(jié)構(gòu)

事實上，條件、規(guī)則與作戰(zhàn)部隊，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)，作出的指揮決策沒有考慮各種關(guān)系因素。而利用圖數(shù)據(jù)模型來存儲作戰(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)因素來更加科學(xué)地輔助決策。同時，知識圖譜圖數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)，可以支持高效地查詢關(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。

2 知識圖譜數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

2.1 圖數(shù)據(jù)模型定義

屬性圖數(shù)據(jù)模型，是一種管理知識圖譜數(shù)據(jù)時常用的一種數(shù)據(jù)模型。它對于節(jié)點屬性和邊屬性具備內(nèi)在的支持，被圖數(shù)據(jù)庫業(yè)界廣泛使用。圖數(shù)據(jù)庫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（Linked Data Benchmark Council，簡稱LDBC），以屬性圖為基礎(chǔ)對圖數(shù)據(jù)模型和圖查詢語言進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。它的形式化定義如下：

2.2 作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

該知識圖譜數(shù)據(jù)模型構(gòu)建如下頁圖2 所示：每一個頂點和邊都有唯一的id（如頂點v，邊e）。實體節(jié)點建立如下：v為作戰(zhàn)指揮的規(guī)則實體，該節(jié)點規(guī)則表示了作戰(zhàn)指揮的狀態(tài)和活動節(jié)點，對應(yīng)的屬性有作戰(zhàn)規(guī)則名稱，對應(yīng)的作戰(zhàn)活動描述。實例如指揮所“目標(biāo)分配，指對敵目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)分配等活動”，火力連對敵進(jìn)行“火力打擊，火力連進(jìn)行火力打擊等活動”，規(guī)則實體對于作戰(zhàn)部隊來說對應(yīng)著作戰(zhàn)行動。v為條件實體，條件實體為對應(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)類型、戰(zhàn)場的態(tài)勢、環(huán)境和該條件的具體描述。v為作戰(zhàn)樣式實體，其屬性即具體的作戰(zhàn)樣式類別，如坦克戰(zhàn)、電子對抗戰(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應(yīng)名稱，樣式的具體描述，對應(yīng)的兵種類別。v為作戰(zhàn)部隊實體，即對應(yīng)具體的作戰(zhàn)單元，屬性為具體部隊簡稱，部隊編號、裝備武器、彈藥、部隊狀態(tài)、部隊級別以及其他詳細(xì)信息。具體實例如“火箭炮3 連，231xx，122 mm 火箭炮9門，殺傷爆破彈400 發(fā)，士兵120 人，部隊一等好狀態(tài)，連級，詳細(xì)信息為第xx 集團(tuán)軍x 旅火力營3連”。v即作戰(zhàn)指揮機(jī)構(gòu)實體，不同部隊、指揮機(jī)構(gòu)根據(jù)級別可分為師級、旅級和營級指揮所等。屬性即自己的指揮所編號，級別，類別和其他詳細(xì)信息，如某旅級下屬“基本指揮所，旅級，配置輕型6×6 通用指揮車”等。v為作戰(zhàn)行動實體，作為作戰(zhàn)部隊的作戰(zhàn)描述，表示對應(yīng)的作戰(zhàn)部隊可以進(jìn)行的作戰(zhàn)行動。具體實例如“炮兵射擊、坦克裝甲攻擊、部隊撤離、電子對抗偵察、電子進(jìn)攻、電子防御”等。實體對應(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)條件對不同的規(guī)則節(jié)點概率不同，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)行動對應(yīng)屬于專門的作戰(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，即下屬部隊能夠進(jìn)行的作戰(zhàn)形式。e為對應(yīng)關(guān)系，表示為作戰(zhàn)規(guī)則節(jié)點實體與作戰(zhàn)行動實體的相應(yīng)關(guān)系，即規(guī)則對應(yīng)相應(yīng)的作戰(zhàn)行動。實例如電子對抗作戰(zhàn)指揮規(guī)則實體對應(yīng)的作戰(zhàn)行動，就有“電子對抗偵察、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)部隊力量可以執(zhí)行與自身對應(yīng)的規(guī)則活動，而作戰(zhàn)部隊力量可以在指揮機(jī)構(gòu)指揮下執(zhí)行對應(yīng)的作戰(zhàn)行動。e為節(jié)點規(guī)則的連接關(guān)系，即表示作戰(zhàn)規(guī)則活動的流程和時序。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。e為指揮機(jī)構(gòu)之間的指揮關(guān)系，如直接指揮和越級指揮。

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)模型對應(yīng)定義出發(fā)，

通過對現(xiàn)有基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則與實際部隊的指揮進(jìn)行研究分析，總結(jié)得到基于作戰(zhàn)指揮規(guī)則的指揮活動考慮的指揮要素主要為：敵情態(tài)勢環(huán)境，部隊自身組成機(jī)構(gòu)，部隊作戰(zhàn)力量，作戰(zhàn)的樣式和應(yīng)采取作戰(zhàn)行動等，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：

3 輔助決策路徑搜索生成算法設(shè)計

在作戰(zhàn)指揮中，對應(yīng)的指揮所機(jī)構(gòu)和觸發(fā)條件，以及自身對應(yīng)的規(guī)則狀態(tài)是已經(jīng)知道的。對于該觸發(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，即已經(jīng)擁有的作戰(zhàn)經(jīng)驗，給與輔助建議。通過從現(xiàn)在已知對應(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)先級別排序，給予指揮所指揮員輔助建議。但是，簡單的全遍歷搜索，不能滿足實際的需求。需要設(shè)計特定的搜索算法。這里先進(jìn)行了該算法總體設(shè)計分析，設(shè)計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。

3.1 算法總體設(shè)計分析

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A 與規(guī)則D后，繼續(xù)檢索最優(yōu)路徑下的作戰(zhàn)部隊及該作戰(zhàn)部隊可以執(zhí)行的作戰(zhàn)行動，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 個觸發(fā)規(guī)則節(jié)點；2）規(guī)則節(jié)點下繼續(xù)檢索下一個規(guī)則節(jié)點；3）檢索到同類型作戰(zhàn)部隊時如何選擇。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)計分析示意圖

3.2 搜索策略函數(shù)設(shè)計

設(shè)E 為去集合函數(shù)，當(dāng)前的指揮所機(jī)構(gòu)節(jié)點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，為E={v，…，v}，其中，v為當(dāng)前規(guī)則節(jié)點相連的第k 個規(guī)則節(jié)點。則v規(guī)則節(jié)點對應(yīng)的部隊節(jié)點為v，對應(yīng)的指揮所節(jié)點為v，對應(yīng)的作戰(zhàn)部隊節(jié)點為v。而最后檢索出的規(guī)則節(jié)點對應(yīng)作戰(zhàn)部隊節(jié)點集合為E={v，…，v}。同時，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 中元素的個數(shù)。以頂點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V 的度為TD（V）=ID（V）+OD（V）。由總體設(shè)計思路出發(fā)，搜索策略函數(shù)設(shè)計主要為3 個部分，分別解決總體算法分析下對應(yīng)的問題，相應(yīng)的3 個主要的搜索函數(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，即需要對應(yīng)的規(guī)則節(jié)點優(yōu)先級。條件實體與對應(yīng)的作戰(zhàn)規(guī)則實體為概率關(guān)系，則條件實體與所關(guān)聯(lián)的規(guī)則節(jié)點關(guān)系的屬性觸發(fā)次數(shù)Trigger_count與總數(shù)比值越大，表示其對應(yīng)的概率越大，形式化定義如下：

2）在搜索路徑中，從一個已知規(guī)則節(jié)點得到下一個可能的作戰(zhàn)指揮規(guī)則節(jié)點，主要考慮該圖譜結(jié)構(gòu)中的實際作戰(zhàn)指揮邏輯規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)。設(shè)計如下所示：

①當(dāng)前欲選擇規(guī)則節(jié)點對應(yīng)的部隊與當(dāng)前指揮節(jié)點為關(guān)系為e；

②當(dāng)前欲選擇規(guī)則節(jié)點對應(yīng)的指揮節(jié)點與當(dāng)前指揮節(jié)點關(guān)系為e；

③下一規(guī)則節(jié)點與上一規(guī)則節(jié)點對應(yīng)的觸發(fā)條件更多；

④當(dāng)前規(guī)則節(jié)點所有觸發(fā)條件所屬的作戰(zhàn)樣式節(jié)點，與下一規(guī)則節(jié)點對應(yīng)指揮所、對應(yīng)作戰(zhàn)部隊的作戰(zhàn)行動的可執(zhí)行作戰(zhàn)樣式節(jié)點匹配更多；

⑤對于圖譜本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)入度與出度，如規(guī)則節(jié)點的出入度越高，所對應(yīng)的執(zhí)行該規(guī)則節(jié)點對應(yīng)活動的概率就越高。這里考慮對應(yīng)指揮所、作戰(zhàn)部隊、對應(yīng)作戰(zhàn)行動以及該規(guī)則的活動概率，由設(shè)計的圖數(shù)據(jù)模型得到：

3）針對檢索到最后作戰(zhàn)節(jié)點有相同類型的作戰(zhàn)部隊，如相同的火箭炮1 連與2 連，這里根據(jù)實際作戰(zhàn)指揮選擇部隊的經(jīng)驗，首先考慮部隊狀態(tài)，例如，部隊一等好優(yōu)于部隊二等好，然后考慮部隊武器裝備，彈藥數(shù)量與士兵數(shù)量。如下所示：

3.3 算法工作流程

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

4 實驗分析

基于某合成營公開軍事演習(xí)的作戰(zhàn)指揮規(guī)則，將其作戰(zhàn)過程中的作戰(zhàn)指揮規(guī)則進(jìn)行整理設(shè)計，存儲于所設(shè)計的圖數(shù)據(jù)模型中，得到了對應(yīng)的作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜，如下頁圖4 所示。將其作為實驗分析的數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)平臺是Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫。

圖4 某合成營作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜

通過Neo4j 的JAVA 嵌入式開發(fā)模式，使用IDE Eclipse Mars 4.5，基于JDK1.8，開發(fā)實現(xiàn)了設(shè)計的輔助決策路徑搜索算法，并在上述圖譜中得到應(yīng)用。主要實驗如下：1）當(dāng)輸入發(fā)現(xiàn)敵方黨政機(jī)關(guān)，距離約為40 km 時；2）當(dāng)發(fā)現(xiàn)受到電子干擾時，運行算法搜索得到了結(jié)果。這里，對其生成的最優(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)行射擊和電子對抗連進(jìn)行電子對抗。其結(jié)果符合實際的決策方案。同時也說明了，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，證實了其有效性。

圖5 火箭炮1 連火力打擊

圖6 電子對抗連進(jìn)行對抗

5 結(jié)論

本文通過對基于作戰(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，分析了領(lǐng)域知識圖譜技術(shù)的可行性。并且，利用領(lǐng)域知識圖譜相關(guān)理論和方法構(gòu)建了作戰(zhàn)指揮規(guī)則圖譜，通過該圖譜來達(dá)到作戰(zhàn)指揮的目的。設(shè)計了相應(yīng)的圖數(shù)據(jù)模型，輔助決策路徑搜索生成算法。并通過具體的實驗分析，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。