面向語義的C2領域本體構建研究

岳 磊，馬亞平，徐俊強

（國防大學，北京 100091）

聯合作戰已成為現代戰爭的主要樣式，如何在多軍兵種指揮控制系統之間實現方便、及時、靈活、有效的信息共享，要求指揮控制（C2）系統在一個互操作能力的高層次上交換信息。為了達到這種互操作的層次，不僅信息被交換，而且隱含在信息后面的語義也需要被交換[1]。本體技術的發展為解決這一問題帶來了新的途徑。

本體通過捕獲相關領域的知識，提供對該領域知識的共同理解，確定該領域內共同認可的術語，從不同層次的形式化模式給出這些術語和術語之間相互關系的明確定義，通過概念之間的關系來描述概念語義[2]。C2領域本體不僅給出了這一領域和與其相關COIs（利益共同體）共同認可的術語，更重要的是提供了一種更好的結構，來說明C2是什么，不是什么[3]，并且用一種明確的格式提供所有的已經知道的C2領域知識。這種知識可以被自動的語義處理過程所利用。

國外關于C2領域本體構建研究的總體狀況是:研究項目多、研究范圍廣泛、研究成果豐富、有較多的成果可以借鑒。美國已經建成了一個戰略C2本體知識庫[4]。其C2核心本體也正在發展之中。國內針對C2領域本體構建方面的研究開展得較晚，但已引起廣泛的重視。

討論C2領域本體的構建就要討論本體描述語言、領域本體的構建方法和構建工具這三方面的問題。本文主要討論C2領域本體的構建方法。關于本體描述語言可參見文獻[5]，關于本體構建工具可參見文獻[6-7]。

1 C2領域本體定義

1.1 C2的概念及其過程

對于 C2的定義，各國有不同的理解，如美軍將其定義為指揮控制是在完成任務時指揮員對所屬部隊的權力使用與指導。它通過指揮員在完成任務中的計劃,管理,協調和控制部隊和行動中利用安排人員、裝備、通信、設施和程序履行[8]。我軍認為指揮是為達到一定目的而組織、協調人員行動的組織活動，包含有統御、領導、命令等含意[9]；控制是指揮者為實現決策、計劃的要求，以命令、指示等形式對被指揮者的行動進行的駕馭與支配，是軍隊指揮中的一種活動。在具體的內容上，包括控制部隊行動的目標、控制部隊行動的方法、控制部隊行動的時間、控制部隊行動的范圍和控制部隊行動的轉換等幾個方面[10]。對于C2，在我軍的權威詞典里（如軍語、條令、軍事詞典等）沒有給出一個嚴格的定義，但 C2過程可以通過作戰過程充分描述出來。

雖然各國對C2的定義理解不同，但C2的過程卻大體相似。C2的整個過程是為完成特定的任務，通過收集情報，分析判斷情況、做出決策，然后根據決策制定作戰計劃，下達命令，監督執行，在執行的過程中分析任務完成情況，與預定目標做出比較，根據情況調整計劃、命令，最終達到一個預期目標的一個閉環的過程。見圖1。

圖1 C2組織過程流程圖

1.2 本體及其與C2的關系

本體是相對于一個共享概念的、正式的和明確的表達[11]，是在一個領域中對概念、對象和關系的描述。它包含每一個概念的相關屬性（包括屬性的限制條件）。

為了在聯合作戰中有效地共享和充分利用信息，C2信息系統將不得不考慮互操作問題。一個解決辦法是利用代理間的通信構建一個表達 C2領域的共享模型的通用本體。基于C2領域本體，可以在C2系統、參與的人員之間更方便地實現信息交換，并能夠提供一個共享的情況理解的機制。

1.3 C2領域本體的定義

參考Leslie Winters和Andreas Tolk的定義[3]，本文給出C2領域本體的定義如下:

C2領域本體是一個針對C2領域可共享的概念形式化、明確的規范，是一個綜合的表示性的人造物。C2領域本體包含分類法作為其中的一部分，表示性的單元指明C2一般概念、定義的類和它們之間的關系。C2領域本體可以作為參考來對C2領域知識進行描述和推理。

其中，概念是對領域中的真實實體和事件及其相互之間關系的描述；形式化是指本體能通過本體語言編碼，使得計算機可讀，所包含的內容能被計算機所理解，并可以被計算機處理；明確的意思是在本體規范中所使用的概念、約束都必須明確地定義；共享是指本體在領域內被群體所能共同理解。C2領域本體是C2領域知識表示、共享、重用、互操作和集成的基礎。

2 C2領域本體構建方法

盡管C2領域本體的功能作用已經被認識，并逐漸得到應用，但由于目前本體工程學相對不成熟，本體構建的方法學還沒有成熟的理論作指導，加之C2基于過程的特征和易受人的因素影響，使得建模非常困難，導致現在C2領域本體的構建還缺乏系統的、工程化的方法。

2.1 三種典型的C2領域本體構建方法

2.1.1 簡單的C2領域本體構建法（SC2M）

SC2M（a simple command &control ontology）法[12]是構建簡單的C2領域本體的一種方法，建立在七步法[13]的基礎之上，目標是創建一個C2領域里的邏輯框架、一個理論基礎研究、一種分類，提供一個對C2領域基礎理解的本體。通過SC2M法可以使用我們盡快地掌握C2領域本體構建的方法、特點，有助于我們對C2領域本體構建一個清晰的、直觀的認識。

SC2M的過程如圖2所示。

圖2 SC2M法的基本過程

SC2M法分為七步:第一步是確定C2領域本體的領域與范圍，這一步可以通過對一些基本問題的回答來完成，如本體涵蓋的領域是什么？該本體的用途是什么？也就是說我們希望這種本體回答什么類型的問題等。這些問題的答案可以在本體的設計過程中有改變，主要的作用是在特定的時間內幫助我們限制模型的范圍。除此之外，還可以通過一系列能力問題來確定研究本體范圍；第二步是考慮重用已存在的本體或本體片斷，選擇并評估存在的本體，找出與項目相關的本體或本體片斷重用；第三步是列出本體中重要的術語，列出與C2相關的概念、術語；第四步是定義類和類分級，定義C2領域的概念，根據概念創建類，并進行分級；第五步定義類的性質—屬性，包括類的內部、外部屬性以及與其它成員的關系；第六步是定義屬性的特征；最后一步創建實例，創建分級中類的獨立的實例。

SC2M法基本上是七步法在構建C2領域本體中的應用，雖然提供了較詳細的方法步驟，易于掌握，但SC2M法沒有充分考慮C2領域的特殊性和復雜性，不適用于構建C2領域中一個用來支持正式的邏輯論點和論據的本體[12]，但作為一種通用的方法，我們可以借鑒其中的一些步驟，來形成針對具體項目的方法。

2.1.2 核心C2本體構建法(CC2OM)

CC2OM法[4]是在條令模型和現實主義觀點的基礎上提出的一個構建簡明的、組合式的、可擴展的核心C2本體的方法。核心C2本體應該包含在任何C2環境中需要被交換的詞，其內容與結構可應用于聯合作戰，陸軍、海軍，空軍，太空與網絡作戰。本體中的術語必須能應用于從維和作戰到小沖突和高強度的沖突的所有的沖突范圍。這些術語必須能從戰略層的戰爭擴展到戰術層的戰爭。這一方法從分析核心C2本體的內容與可擴展性入手，通過分析條令的模型和領域（現實的）來完成C2領域本體的構建。核心C2本體作為通用上層本體的擴展，可以被擴展到各種C2相關的子領域本體。

CC2OM法的主要過程是:分析核心C2本體的內容與可擴展性，明確核心C2本體的內容、范圍與作用，定義C2核心領域，識別它的邊界；通過分析條令的模型和領域（現實的）來構建C2本體。首先根據C2的6個部分分析條令模型，然后進一步分析三個條令模型:空軍OODA環（the Air Force OODA Loop）, 海軍陸戰隊C2模型（the Marine Corps C2 Model）和目標處理過程（the Targeting Process），識別出C2領域高頻率出現的詞，并根據它們之間的關系進行分類分層；在核心C2本體的基礎上進行擴展，圍繞C2環對C2核心本體進行語義擴展，不斷發展完善，最終擴展到各種C2相關的子領域本體。圖3展示了核心C2本體與其它本體的關系。

圖3 C2領域本體與其它本體的關系

CC2OM法是一種專門針對核心C2本體構建的方法，與一些已經實際使用的本體構建方法相比，只是一個方法原型，缺乏一些具體的方法步驟，離實用還有很大的差距。但給我們的啟示是可以首先建立核心C2本體，然后在此基礎上不斷地擴展完善，最終構建出滿足我們需要的C2領域本體。

2.1.3 九步法

九步法[14]是美軍卓越軟件中心和 C2核心作戰電子信息工作小組(U.S. Army Center for Software Excellence and C2 Core Operational Content Working Group)開發的一種構建C2核心本體的方法。C2核心[3]是由美軍聯合部隊司令部和國防部負責網絡與信息集成的國防部助理秘書辦公室共同領導來完成的成果。目的是把 C2數據詞匯的一個子集標準化，提供一個基于 XML的消息可理解和互操作的、通用的結構化的和語義的基礎，使在 C2領域達到更高層次的信息交互能力。根據九步法2009年6月完成“測試基礎”（初步的可重用的組件,過程, 適應性規則, 文檔），同年9月經過C2產品組合數據與服務指導委員會批準，2010年第4季度完成了適合早期的采用者和控制/測試事件的 1.0版，適合執行假設的連續測試的 2.0版將于2011年第4季度完成。圖4展示了九步法的基本原理。

圖4 九步法基本原理框圖

構建 C2核心是一個混合由頂向下和由下向上方法的過程。主要步驟包括:初步的領域分析、識別領域邊界、識別類和子類、盯著實例（戰術）層、對象領域專家輸入；識別條令資源，在各種條令中選擇與C2相關的條令；選取高頻率術語和定義，在已選擇出的各種條令（如JP 5-0 Joint Operation Planning聯合作戰計劃、JP 1-02 DoD Dictionary of Military and Related Terms國防部軍事和相關術語詞典、JP 3-13.1 Joint Doctrine for Command and Control聯合指揮控制條令、JP 3-0 Joint Operations聯合作戰、FM 3-0 Operations等），C2模型（如 JC3IEDM[15]Joint Consultation Command and Control Information Exchange Data Model聯合參考、指揮與控制信息交互數據模型），以及其它的一些相關成果（如DoDAF 美國國防部體系結構框架和北約體系結構框架 NATO Architectural Framework (NAF)中的作戰視圖Operational Views等）中。按照10/90原則，在C2領域專家的參與下，選取高頻率 C2術語和定義；開發分類和關系，把上一步中選出來的術語和定義放置到一個分級的分類中，并確定它們的關系；映射到UCore[3]2.0分類，把上一步中的類映射到UCore 2.0分類；擴展到實例層術語（詞匯表）；要求對象領域專家的反饋，征求 C2領域專家的意見；修改并對構建的本體進行完善；對本體做現場實驗。

與前兩種方法相比，九步法更加成熟，充分利用了各種條令資源，為我們構建 C2領域本體提供了很好的參考作用，但這一方法適用于美國、北約這種有大量條令資源可以利用的國家、組織，對于其它缺乏這方面成果的國家和地區不適用，不適用于從頭開始的構建。

2.2 各種方法的比較

本文總結了以上各種本體構建方法的優、缺點,并對它們進行比較，如表1所示。

表1 C2領域本體構建方法比較表

SC2M法與CC2OM法僅僅是方法模型，沒有根據它們構建出實際可應用的C2本體，當面對具體的項目構建真正的可應用的本體時，這些方法的有效性難以保證。九步法是結合具體的項目提出的C2本體構建方法，已經有經過實際驗證的本體成果，是相對成熟的方法，在C2領域本體構建方面起著重要的作用。

通過上述領域本體構建方法的分析，要達到對C2領域本體構建研究的目的, 應針對C2的特點，根據現存的方法及其適用范圍選擇適合這一領域的本體構建方法；或借鑒這些方法的框架和步驟，綜合使用不同的構建方法，發揮各自的優勢，總結出適合自己的方法。

3 C2領域本體構建方法存在的問題

總的來說，由于C2過程復雜，加之本體構建方法本身還不成熟，C2領域本體構建方法存在著以下主要問題:

一是由于C2領域的復雜性，C2領域本體的構建必須要C2領域專家參與，而這些專家不是所使用的本體語言的專家，常不能很好地利用表達它們的語言結構，不能準確地捕獲關于這個領域的豐富的知識。

二是為了構造高質量的本體，各種方法實際上都需要使用一種本體設計工具，而現存的本體構建工具大都是國外開發者開發的，對中文的支持有限[16]。這就導致我們在用中文開發C2本體時，需要在不同的語言之間轉換，很容易產生本體映射的問題。

三是本體的評估需要明確的可測量的質量標準及工具與方法的支持[17]，尤其在選擇重用相關本體和對構建的本體進行評估時，對于C2領域本體的評估缺乏相應的質量標準和專門的工具與方法。

四是由于本體集成是關于語義的集成，是一個非常復雜的過程，集成過程中會產生各種問題。到目前為止，仍沒有理想的本體集成方法和工具[18]。在C2本體構建中，需要集成不同的本體創建者和使用本體建模方法的不同開發者的本體，導致了C2本體集成的復雜性和困難性。

此外，由于國外對C2本體領域研究時間長，除了一些C2相關的本體可以直接用于重用外，許多C2的體系結構、數據和建模的成果都可以考慮用來形成C2領域本體，至少可以作為構建C2領域本體的參考[3,19-20]，國外的許多方法都應用到了這些成果，如JC3IEDM，C2核心等，而我們缺乏相應的成果，因此構建起來更加困難。

未來C2領域本體構建方法應從C2核心的構建入手，從實際應用的角度出發，在C2領域專家和技術專家的共同努力下，對現有本體構建方法進行完善發展，重點是制定C2領域本體的質量評價標準以及開發相應的配套評估方法與工具。

4 結束語

本體技術的發展為在 C2領域實現語義層次的互操作能力提供了一個新的途徑。但由于 C2所涉及的范圍巨大，過程之間相互關系復雜，C2本體應用目的的不同，加之現代戰爭中 C2的邊界變得越來越不明確（戰略、戰役和戰術 C2之間的劃分）。此外，當前 C2依賴的其它作戰領域（如部隊管理、后勤、情報）也缺乏成熟的本體以及戰爭不斷發展的特性等都造成C2領域本體的構建充滿了復雜性和艱巨性[3]。本文首先給出了 C2領域本體的定義，接著介紹了三種典型的 C2領域本體構建方法，并對三種方法的優缺點進行了總結，最后對現在 C2領域本體構建方法存在的問題進行了分析，提出了建議。

像其它領域本體構建面臨的挑戰一樣，C2領域本體的開發和完善是一個反復迭代的過程，不會一蹴而就。隨著本體技術的發展，以及我們不斷的努力，最終會成功地構建滿足各種應用需求的C2領域本體。

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