應用本體理論構建聯合作戰實驗室

［摘 要］ 針對我軍院校實驗室建設存在的建設體系分散、互通性與互操作性差等問題，本文提出了一種基于本體理論構建聯合作戰實驗室的思路，結合我軍特點，從本體知識的角度對聯合作戰實驗室的內容進行劃分，能夠有效地表現知識的層次結構和語義關系，實現了語義層次上相互之間的信息共享和交換，使得聯合實驗室的建設更加結構化和合理化。

［關鍵詞］ 聯合作戰實驗室； 本體； 信息共享； 構建

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 03. 042

［中圖分類號］ G64 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1673 - 0194（2012）03- 0078- 04

０ 引 言

隨著我軍建設向信息化轉型，實驗室作為支撐軍事院校完成教學訓練和科研任務的主要支柱，在新軍事變革中擔當著越來越重要的角色。面對席卷全球的信息化改革浪潮，作為培養作戰指揮人才的教學與科研平臺，軍隊院校的實驗室在培養作戰指揮人才方面起著十分重要的作用。信息化戰場空間逐步向陸、海、空、天、電多維領域擴展，作戰樣式也向多樣化方向發展，這就要求加快新型專業實驗室的建設步伐。在這個由單一走向綜合的過程中，一味地尋求多樣化建設，以各自的學科分別建立自己的實驗室，往往會忽視學科實驗室之間的內容銜接，由此產生了許多問題：訓練科目比較單一，各學科實驗室種類繁雜，體系分散，相對封閉，互通性、互操作性差，存在重復建設和矛盾建設的現象等。由于信息化戰爭的主要特征是在信息共享的基礎上，參戰各軍兵種在統一的聯合指揮下采取相應的行之有效的作戰行動，而目前實驗室之間很難實現學科知識的共享，產生了“各自為戰”的局面，當然也就無法適應信息化戰場的要求。

聯合作戰實驗室，作為學習和研究信息化條件下聯合作戰的重要平臺，可以較好地解決現階段存在的主要問題［１］。針對一體化聯合作戰實驗室的構建，本文引入本體理論，提出基于本體的聯合作戰實驗室模型。本體可以對問題領域的知識、概念、術語及概念之間的關系進行描述，從而得到共享、明確、規范化的概念術語及框架，促進領域問題的知識共享和模型重用。通過從本體知識的角度對聯合作戰實驗室的內容進行劃分，能夠有效地表現知識的層次結構和語義關系，實現了語義層次上相互之間的信息共享和交換，使得聯合實驗室的建設更加結構化和合理化，達到了統一管理、節省資源、結構合理、交流方便的目的。

１ 聯合作戰實驗室本體邏輯分析與構造

１．１ 本體概念

本體（Ｏｎｔｏｌｏｇｙ）一詞最早起源于哲學領域，被定義為“對世界上客觀存在物質的系統性描述”，它描述的是事件、對象、過程之間的關系，是一個客觀存在的現實產物。它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詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯和詞匯之間相互關系的明確定義，以便計算機的理解與推理。它揭示了共享概念明確的形式化規范說明，即反映4層含義：概念模型、明確、形式化和共享。本體的基本形式可以表述為如下的幾個要點［２］：

（１） 類（ｃｌａｓｓ）指的是功能、策略、行為以及推理等事務。從語義角度來說，類指的是對象集合，包括概念的名稱、對概念的描述以及概念之間的關系。一個類通常對應著現實中的一個實體，也可以是一些抽象概念。

（２） 實例（ｉｎｓｔａｎｃｅ）代表元素，相當于類的對象。

（３） 函數（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）是特殊的關系。其中前（ｎ － １）個元素可以決定第ｎ個元素。形式化的表現為Ｅ１ × Ｅ２ × … × Ｅｎ － １ → Ｅｎ。例如Ｓｏｎ＿ｏｆ （ｍ，ｎ） 為一個函數，表示ｍ是ｎ的孩子。

（４） 公理（ａｘｉｏｍ）代表永真斷言，如“Ａ是Ｂ的子集”。

（５） 關系（ｒｅｌａｔｉｏｎ）代表概念之間的相互作用，表現為ｎ維笛卡兒乘積：Ｅ１ × Ｅ２ × … × Ｅｎ。實際建模中的關系是可以隨具體情況而增加的。一般關系有4種形式，如表１所示。

１．２ 聯合作戰實驗室本體的組成結構

聯合作戰實驗室本體是指在一體化聯合作戰實驗室領域內不同層次和不同應用方向上，信息概念的詳細內涵和層次關系，并給出概念的語義標識。構建聯合作戰實驗室本體首先要明確聯合作戰實驗室本體的邏輯結構，不僅要考慮實驗室建設中的基本概念，而且要考慮聯合作戰實驗室本體概念之間的縱向關系、橫向關系、屬性以及屬性約束等內容，只有完整地表述上述內容，才能更準確、全面地描述聯合作戰實驗室。

通過分析本體的基本形式，結合聯合作戰實驗室自身的特點，提出了聯合作戰實驗室本體的五元組結構：Ｏ ＝ （Ｃ， Ｒ， Ａ， ＡＲ， Ｉ）。Ｃ表示概念類，表示一組共享某些相同屬性的對象的集合。例如軟件平臺類，包括基礎平臺類、支撐平臺類以及應用平臺類等。Ｒ表示概念之間的語義關系，包括概念之間的兄弟關系、等價關系等橫向關系，以及父／子關系、整體／部分關系等縱向關系。Ａ表示屬性，屬性可分為數值類型屬性與對象類型屬性。數值類型屬性表示個體與數值之間的關系，例如，“計算機終端”的“臺數”屬性，非“保密電話”的“號碼”屬性等；對象類型屬性表示個體與個體之間的關系，比如（視頻監控，依賴，通信系統）表達中，“依賴”就是對象類型屬性，連接了“視頻監控”和“通信系統”兩個類。ＡＲ表示對屬性的限制，主要是對屬性取值的類型、范圍等的限定。Ｉ表示個體，也就是類的實例。

１．３ 聯合作戰實驗室本體的構建策略

建立本體是一件費時費力的工作，目前國際上還沒有一種通用的適合各領域的本體開發模式， 研究人員往往從不同的應用目的出發構建各自的領域本體。本文運用領域專家和數據挖掘相結合的混合方式，建立聯合作戰實驗室本體。如圖１所示，創建本體過程為：

１．３.１ 本體規劃

根據聯合作戰實驗室所涉及領域、任務和內容，確定該本體應用目標的范圍，并對知識進行收集。一般來說，目標和應用范圍越大，本體就越復雜。因此在初期階段應該盡量縮小應用范圍，降低本體復雜度。

１．３.２ 本體設計

該階段需要聯合作戰實驗室領域專家的參與，分析聯合作戰實驗室本體所有概念的含義及其關系得到共享屬性，并通過數據挖掘獲得概念的特征屬性。使用消解和融合的方法對共享屬性與特征屬性沖突的地方進行消解和融合，消除語義沖突，確定屬性集。本體設計大致分為以下4個部分：

（1） 識別聯合作戰實驗室領域基本構成要素及其屬性和關系。對每個分支領域進行分解，得到基本構成要素，并識別出其中的概念、屬性等，并用形式化的語言對上述概念和關系進行描述。

（2） 根據識別出的基本要素，定義相關概念、關系及實例，并用形式化的語言進行描述。

（3） 采用語義模型表示聯合作戰實驗室本體。

（4） 進行公理描述。將領域內的某些領域知識、常理、規則用形式化語言表達，可對屬性等進行約束。

１．３.３ 本體評價

用本體描述語言表達本體后，還需要對本體進行評價和確認。該本體必須滿足清晰性、一致性、完善性和可擴展性的要求。

１．３.４ 聯合作戰實驗室本體建立

通過評價的本體加入到本體庫中，并以文檔形式保存所建立的聯合作戰實驗室本體，否則轉到本體設計階段。

２ 聯合作戰實驗室本體模型分析

２．１ 本體集成策略

目前應用本體技術進行信息集成一般有3種方法［３］（如圖２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示）：單本體方法、多本體方法和混合方法。

（１） 單本體方法使用一個全局的本體來表示信息的含義。由于使用的是一個全局本體，涵蓋了信息源中的所有內容，而信息源中的任何一個細小的變化都會導致全局本體發生改變，需要隨時對整個本體進行修復。它的缺點是不靈活，修復本體時工作量大。

（２） 在混合方法中每個信息源用本地的本體描述。但是為了確保本體間的相互兼容，它們建立在一個共享的詞匯表上。這樣，新的信息源可以很容易地加入本體，同時，共享詞匯表的使用使得本體間兼容，避免了多本體方法的異構現象。但混合方法同樣存在缺陷：如果信息源中的術語和共享詞匯表的術語差異很大，則本地本體的創建將非常困難。

因此，根據我軍聯合作戰實驗室的特點，本文提出一種改進的混合方法，如圖２（ｄ）所示，首先在領域專家的指導下設計開發領域上層本體，構建出全局框架，然后各作戰實驗室根據自身特點和優勢，將各自數據源轉換成本地本體結構，并向上層本體嫁接，并調整形成完整的領域全局本體［４］。也就是說上層本體結構是所有實驗室共有結構，而下層本體結構是各實驗室特有結構。

本地本體向上層本體嫁接算法如下：

（１） 從本地本體Ｄ中選取類Ｃ，分析Ｃ同上層本體Ｐ的關系：

（ａ） 若Ｐ中只存在Ｃ的上位類Ｃ′，則為Ｃ′添加子類Ｃ，將Ｃ中和Ｃ′相同的屬性提取到 Ｃ′上；同時將Ｃ的所有子類添加到Ｐ中，子類的關系和屬性保持不變。

（ｂ） 如果Ｐ中只存在Ｃ的等價類Ｃ′，則為Ｃ′添加別名Ｃ，將Ｃ中和Ｃ′相同的屬性提取到Ｃ′上，將Ｃ上的關系轉移到Ｃ′上，再將Ｃ的所有子類添加到Ｐ中，子類的關系和屬性保持不變。

（ｃ） 如果Ｐ中存在Ｃ的上位類Ｃ′、下位類Ｃ″而不存在等價類，則將Ｃ添加到Ｐ中，位于Ｃ′、Ｃ″之間，并與之構成父子類關系，將Ｃ中與Ｃ′相同的屬性提取到Ｃ′上，將Ｃ″中與Ｃ相同的屬性提取到Ｃ′上，同時將Ｃ的所有子類添加到Ｐ中，子類的關系和屬性保持不變。

（２） 重復步驟 １，直至所有類都處理完成。

（３） 檢查本體是否符合要求，必要時進行修正。

２．２ 聯合作戰實驗室本體結構劃分

描述聯合作戰實驗室本體之前，首先要明確聯合作戰實驗室所包括的基本概念以及概念之間的層次關系。

我們首先從聯合作戰實驗室的種類和內容兩方面創建上層公共本體結構。其中種類可以劃分為陸軍作戰實驗室、海軍作戰實驗室、空軍實驗室和二炮實驗室。按內容可劃分為訓練場地、硬件設施、軟件平臺、通信系統和保障人員。這樣，種類和內容構成了上層本體結構，各個作戰實驗室根據自身特點分別建立自己的局部本體，之后把該本體作為下層本體嫁接到此上層本體上。這種劃分方法使得本體結構更加清晰、明確。

由于作戰實驗室之間存在著差異，我們無法給出準確的本體結構，只能依據共享詞匯表給出了下層本體的參考結構，而具體到各個實驗室可以依據自身特點對下層本體進行擴充。在實驗室種類方面，可以進一步劃分為指揮實驗室、作戰保障實驗室、心理戰實驗室、情報實驗室、戰術實驗室、戰役實驗室、藍軍作戰實驗室、信息作戰實驗室和其他實驗室。而在內容方面，訓練場地可劃分為導調室、對抗模擬室和監控室等；硬件設施可劃分為計算機終端、投影、廣播擴音、視頻監控和網絡交換及其他；軟件平臺可分為基礎平臺層、支持平臺層、應用平臺層及其他；通信系統可劃分為多路通信、數字網和電話網及其他，同時電話網可進一步分為保密電話和非保密電話，而多路通信也可進一步劃分為電纜、無線電接力、衛星、電臺、傳真電報及其他（詳見圖3）。

２．３ 聯合作戰實驗室本體描述

應用本體描述語言（ＯＷＬ）對聯合實驗室本體進行描述。在圖３中，每一個概念都是一個類，類與類之間通過對象類型屬性相連接，同時也可以定義類的數據類型屬性以及實例等。

以定義“導調室”類，ＯＷＬ描述如下：

＜ｏｗｌ： Ｃｌａｓｓ ｒｄｆ： ＩＤ＝“導調室”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“訓練場地”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ＞

＜ｏｗｌ： Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ＞

＜ｏｗｌ： ｏｎＰｒｏｐｅｒｔｙ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“需要”／＞

＜／ｏｗｌ： Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ＞

＜ ／ｒｄｆｓ： ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ＞

＜／ｏｗｌ： Ｃｌａｓｓ＞

在上述代碼中，定義了“導調室”類，該類是“訓練場地”類的子類，同時該類也是一個匿名類的子類，該匿名類有一個“需要”的屬性。由于在ＯＷＬ中不能直接在類中定義屬性，所以需要通過匿名類定義這個屬性，并通過“ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ”這種子類關系來繼承該匿名類的屬性。

除了上述類的定義外，屬性要另外定義，并對屬性定義域和值域進行限定。屬性“需要”的ＯＷＬ描述如下：

＜ｏｗｌ： ＯｂｊｅｃｔＰｒｏｐｅｒｔｙ ｒｄｆ： ＩＤ＝“需要”＞

＜ｒｄｆｓ： ｔｙｐｅ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝ “ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅ３．ｏｒｇ／

２００２／０７／ｏｗｌ＃ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＰｒｏｐｅｒｔｙ”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｄｏｍａｉｎ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“＃導調室”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｒａｎｇｅ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“＃電話網”＞

＜／ｏｗｌ： ＯｂｊｅｃｔＰｒｏｐｅｒｔｙ ＞

在上述代碼中，規定了屬性“需要”的定義域取值為“導調室”類，而值域取值為“電話網”類。這樣就把兩個不相關的類聯系起來了，好處是可以增加語義的復雜度。

３ 結束語

為了彌補當前作戰實驗室存在的不足，本文提出使用本體建模元語來明確表示聯合作戰實驗室的概念模型。該方法很好地實現了語義層次上的信息共享，并且使得聯合作戰實驗室的建設更加結構化和合理化，為進一步研究聯合作戰實驗室提供了理論基礎。

主要參考文獻

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［４］ 宋佳，王盼卿，等． 基于本體的裝備領域信息集成方法研究［Ｊ］． 科學技術與工程， ２００９， ９（２）： ４５１－４５４．