語義網技術及其在軍事領域應用研究

李家良，宋文賓，劉炳磊

(1．海裝天津局，北京100073;2．中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

當今社會，在網絡技術和電子技術等新技術的發展影響下，人類每天產生大量數據，圖靈獎獲得者Jim Gray 提出了一個關于網絡環境下數據量的定律:網絡環境下每18 個月產生的數據量等于有史以來數據量之和［1］。如此海量的數據中蘊含著大量的知識和財富。

可是利用計算機進行簡單的數據查詢并不能有效地發掘知識，計算機如果能代替人對數據進行理解并在理解的基礎上進行處理分析，將會給使用者帶來極大便利。語義網技術正是為了解決這一問題。

1 語義網的技術體系

語義網技術通過將萬維網中的數據進行數據加工，并引入約束和邏輯關系等，使得計算機可以形式化描述數據，在此基礎上對數據進行理解和推理，從而實現人機的智能交互。數據加工的過程也就是數據表示和組織的過程，通常采用的方法是進行本體提取，在本體提取的基礎上，對本體進行約束限制和邏輯關系推理等。在應用中，針對不同應用的需求，往往引入安全技術以保證交互環境的可信。

1.1 語義網技術體系結構

語義網技術體系結構涉及語義網技術的實現基礎和語義網技術為上層應用的技術支撐。針對語義網技術的實現機制和其在應用中發揮的作用，Berners－Lee 于2000 年提出了語義網體系結構，這也就是為人熟知的語義網體系結構模型，如圖1所示［3］。

圖1 語義網體系結構Fig.1 Architecture of Semantic Web

語義網技術體系結構是實現語義網的技術體系，體系按照從最底層的編碼層到高層應用逐層構建。每一層為上一層實現提供接口或技術支持。該體系結構共有7 層，自下而上其各層功能逐漸增強。第1 層是字符集層，是整個語義網的基礎，負責資源的統一編碼和標識。第2 層是標記語言層，該層負責從語法上表示數據的內容和結構，通過使用標準的語言將網絡信息的表現形式、數據結構和內容分離。第3 層是資源描述框架層，該層主要是為元數據的描述提供標準的描述框架，對元數據的語義描述形成標準規范。第4 層是本體層，該層是在資源描述框架層的基礎上定義的概念及其關系的抽象描述，用于描述應用領域的知識，描述各類資源及資源之間的關系，實現對詞匯表的擴展。第5 層是邏輯層，負責提供公理和邏輯推理規則，用于對資源與資源之間的關系以及推理結果進行有效性驗證。第6 層是證明層，該層提供語義網可靠性和可用性等方面的技術。第7 層是可信層，它基于證明層和數字簽名等，確保語義網所提供服務的整體可信。

除了7 層結構，語義網體系結構中也引入了數字簽名和文檔等。數字簽名主要為滿足應用中對安全和可信的需求，結合從資源描述框架層到證明層的技術進行實現。體系結構中的文檔和數據指的是為各層技術提供支持的標準文檔、擴展文檔、相關數據等，例如在使用資源描述框架對專業領域的資源進行描述時，往往需要用到該領域專業的資源描述文件和以往的數據等。

1.2 語義網的關鍵技術

從技術角度出發，語義網體系結構每層所使用的技術主要用于在不同層面實現對數據和數據關系的表示和組織，為上層的使用提供支持。實現語義網的關鍵是要解決數據表示、數據和數據之間關系描述、機器理解以及安全保證等。作為通用標準，語義網體系結構采用廣泛使用的標準技術作為每層的實現技術。其關鍵技術主要是XML(S)、RDF(S)和本體技術等。

1.2.1 XML 和XML Schema

XML 技術基于標簽實現，與HTML 類似，但是XML 采用更加豐富的標簽描述數據的每一成分，并借助XML 嵌套結構定義各成分之間的關系。XML還將顯示與內容區分開來，這使得XML 不僅能夠被計算機理解，而且同樣的內容可以采用不同的風格顯示給用戶［4］。

XML Schema 是對XML 結構的擴展，它用于可替代文檔類型定義和對可擴展標記語言文檔的結構進行描述，是對XML 中組件的擴展，增強了XML的描述能力。

XML 和XML Schema 是語義網的技術基礎。用來對數據進行詞匯級別描述。它們的實現是基于統一編碼規則和統一資源定位符(URI)。

1.2.2 RDF 和RDF Schema

RDF 是現在廣泛流行的資源描述框架，一般采用三元組(＜資源，屬性，值＞)的形式對本體中的實體進行描述。RDF 是建立本體、執行邏輯推理和描述Web 服務以及其他語義網行為的基礎。RDF被設計為提供一種描述信息的通用方法，所描述的內容是以被計算機讀取和理解。

基于RDF 的擴展RDFS (RDF Schema)是對RDF 數據模型中所使用的詞匯的擴展。RDF 是允許用戶使用自己的詞匯描述資源的通用語言，用戶使用RDFS 定義專業領域的語義［5］。

RDF 是領域無關的，采用RDFS 對其詞匯擴展可以表示專業領域的資源，這種描述技術對所描述資源的約束少，這擴展了RDF 的使用范圍。但是在本體知識層面，存在一定的局限性，例如屬性基數約束困難，一個人有一個父親和一個母親，一門課至少由一個教授講授等［6］。為實現對本體更全面地描述，語義網體系結構引入本體技術。

1.2.3 本體技術

本體由實體描述集、實體屬性集、實體關系集、函數、限制、規則和公理等組成。本體目的是數據概念化、關系明確化、描述形式化和結果可共享。

本體提供語義交換的橋梁，能夠在不同知識之間達成有關術語概念的共識，為概念共享和統一理解提供支持，是構建語義網的關鍵。本體層在體系結構中更接近上層應用，它為邏輯層直接提供支持，為進一步的推理提供子集。

2 在軍事領域應用

2.1 軍事信息系統中的語義網技術

語義網技術在軍事領域的應用主要在資源描述、數據融合、信息共享等方面，重點應用于軍事信息基礎設施中網絡化信息服務設施。網絡化信息服務設施是支持信息按需共享和系統柔性重組，實現軍事信息系統由以平臺為中心系向網絡為中心轉變，提供“網絡中心、面向服務、按需分發、柔性重組”等支持能力的核心基礎設施［7］。語義網技術的應用，從信息表示，資源描述、理解和使用，服務組合、可信等方面有效提升了網絡化信息服務設施能力，如圖2 所示。

圖2 語義網技術在信息服務設施中作用Fig.2 Semantic Web in information infrastructure

隨著應用的不斷深入和相關技術的發展，語義網技術將在智能輔助決策、預警偵察等方面發揮更大作用。

2.2 應用

2.2.1 軍事領域“XML 數據戰略”

當今軍事領域中，隨著各種傳感器和雷達等信息獲取設備的發展和網絡中大量數據的發布，軍事活動中所需要處理的數據量暴增。快速分析數據并從中提取重要信息的能力對奪取信息優勢來說極其重要。

XML 數據戰略是美軍提出的信息化戰爭的數據戰略的一部分。它的涵義是指導信息化戰爭在軍事信息網格——新一代軍事信息網絡環境下實現數據共享的計劃和策略。美軍在信息化戰爭《聯合構想2020》中指出，只有信息被決策者轉化為相關知識乃至智慧，并及時正確地做出合理決策，才能真正奪取信息優勢，贏得聯合作戰勝利。實現知識的可理解性及計算機自動智能化推理是知識智能化共享的關鍵［8］。

XML 數據戰略的目標是實現數據的共享，作為“獲取—共享—協作”信息鏈中的關鍵一步，采用XML 作為統一的標準進行數據標識，不僅能夠為獲取的數據提供統一形式的表示和組織，而且在信息資源的整合和管控中起到重要作用。語義網技術在軍事領域中的應用為解決復雜戰場環境中資源的管控、資源按需重組和網絡信息安全等提供途徑。

2.2.2 戰場環境中增強的態勢感知

AKTiveSA 工程在模擬國際人道主義援助方案中利用語義網技術支持信息融合和增強態勢察覺。語義網技術為收獲來自大量的、不同的信息源的信息提供新的機會，并能更好地支持復雜的知識融合。對越來越多的知識資源來說，通過綜合考慮資源傳播、環境情報等，以及采用語義網技術，能夠實現態勢察覺，即:在一定空間和時間的環境中對元素的察覺，對其意義的理解和在近期對其狀態的投影。目前，要過濾并聚集大量的資源以找到最有關聯性的信息較為困難。研究人員通過分析語義網初始和發展趨勢，面向解決信息超載問題，研究為信息過濾和分類提供一個更具表達性的、結合上下文的方法。

3 發展和對軍事領域影響

3.1 技術發展方向

語義網技術憑借互聯網浪潮帶來的數據處理需求快速發展，正應用到電子商務、電子政府、醫療、語音識別等多個領域，技術的發展日新月異［9］。

語義網技術發展至今，主要的幾個研究方向是:關聯數據［10］、本體抽取、查詢語言、推理、縱向應用等［11］。

網絡中數據量的膨脹和數據的松散組織關系使得數據之間關系變得更加復雜。關聯數據技術借助語義網對數據之間關系進行發掘。未來，在電子商務領域、教育、軍事情報等領域，必將成為一種關鍵技術，發揮重要作用;本體的抽取能擴展數據所表示的意義，使得數據蘊含的意義更加豐富，隨著語義網技術應用范圍變得更加廣泛，領域內智能本體發現、領域間本體描述等技術將會成為關鍵;如果將采用語義網技術組織的所有數據看作是一個大型的數據集合，對這些數據的查詢必不可少，查詢語言將至關重要，實現快速、便捷、高效的查詢仍然是智能檢索等領域的關鍵技術;語義網技術通過制定規則，按照規則推理獲得數據，在不同系統和語言之間通過規則的轉化，實現推理過程;隨著語義網技術的發展不斷深入，不同領域之間、不同應用之間、不同數據之間如何實現語義網技術才能夠屏蔽底層技術、內容等方面的不同，是縱向應用技術要面對的問題。

3.2 對軍事領域的影響

科技是第一生產力，軍事領域中，科技同樣發揮極其重要的作用。伴隨科技的發展，軍事作戰活動的樣式、空間、時間等都發生了深刻變化，信息戰成為戰爭最重要組成部分。信息戰不僅是體系與體系的對抗，系統對系統的攻防，更是信息處理能力的較量。

以海戰場為例，近年來我國海軍的技術和實力得到了長足的發展，海戰場中網絡、傳感器等共性信息基礎設施等得到長足發展，數據從匱乏到豐富。但是新舊系統兼容性、技術體制不統一、缺乏總體設計等矛盾依然突出，海戰場作戰的元素多樣性和環境多變性等決定了海戰場作戰中信息的多樣化和處理的復雜化，數據處理能力的不足導致無法形成信息優勢，嚴重制約了我國海軍體系化協同作戰的能力。

語義網技術起源于互聯網，推動了網絡中資源的描述和表示方式，并由此衍生出的數據挖掘、推理等都成為知識產生的重要途徑。語義網技術在其他領域的應用證明了其進行可用性，為在軍事領域中的應用奠定了基礎，在作戰資源描述等方面的應用為軍事領域中資源標識提供了一種手段，伴隨語義網技術的發展和在軍事領域應用的深入，其必將成為推動電子信息戰到知識信息戰轉變的關鍵技術。

4 結 語

語義網技術是伴隨大數據時代人們對于數據內容處理能力的需求而提出的一項技術，它的使用為計算機理解數據以及智能發現和處理數據提供支持。語義網技術的發展必然會帶來計算機對數據處理能力的提升，創造人與計算機交互的新局面。隨著語義網技術的發展和在軍事領域的應用，逐漸形成以數據為基礎，以信息為主體，以知識為能力的信息時代軍事戰爭發展的一個新方向。

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［3］Tim Berners-Lee．Semantic Web － XML2000 ［EB/OL］．［2014 －6 －21］．http://www．w3．org/2000/Talks/1206－xml2k－tbl/slide10 －0．html．

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［5］RDF Working Group．RDF Schema 1．1［S］．W3C，2014．

［6］Grigoris Antonios，Frankvan Harmelen:A Sematic Web Primer (Cooperative Information Systems ) ［M］．Cambridge:The MIT Press．2008．

［7］藍羽石，丁峰，王珩．信息時代的軍事信息基礎設施［M］．北京:軍事科學出版社，2011:43 －65．

［8］段榮婷．國際軍事領域信息化條件下聯合作戰的戰略創新——“XML 數據戰略”的體系結構與應用研究［J］．國防科技，2009，30(6):85 －90．DUAN Rong-ting．The innovative development of joint operation strategy under the condition of informatization in the international military domain:study on the architecture and application of XML data strategy［J］．National Defense Science ＆ Technology，2009，30(6):85 －90．

［9］周靜怡，黃國彬．2007 －2008 年國外語義網研究與應用進展［J］．圖書館建設，2009(1):19 －23．ZHOU Jing-yi，HUANG Guo-bin．Review of the theory and application of semantic web abroad from 2007 to 2008［J］．Library Development，2009(1):19 －23．

［10］Archer P．LOD－2014［R/OL］．［2014 －6 －20］．http://www．w3．org/2014/Talks/0220_phila_lod2014/#(1)．

［11］W3C．Semantic Web［S/OL］．［2014 －6 －20］．http://www．w3．org/standards/semanticweb/．