面向知識活動的指揮信息系統體系結構框架*

張兆晨，王俊，周光霞

(中國電科第28研究所 信息系統工程重點實驗室，江蘇 南京 210007)

0 引言

體系結構是對復雜系統一種較高層次的抽象。體系結構框架是體系結構設計的頂層架構和概念模型，是體系結構描述和集成的統一方法，它提供了開發和描述體系結構的規則、指南和產品模型[1]。以“適應環境”[2]為特征的第三次人工智能浪潮[3]，推動了指揮信息系統的自主學習、智能決策的能力生成，使其成為現代戰爭的“中樞神經”和“大腦”[4]，感知戰場情報、預測戰場態勢，洞察戰爭走向，主導戰爭演變。當前DoDAF2.0(department of defense architecture framework),MoDAF1.2(British ministry of defense architecture framework)等主流體系結構框架主要關注系統在物理域、信息域的組成和行為描述，而以智能化為特征的新一代指揮信息系統的構建要求體系結構描述上升到認知域和社會域，充分發揮系統智能決策與人機協作能力。

本文提出一套面向知識活動的指揮信息系統體系結構框架，聚焦知識在感知、決策、控制中涌現出的作用，形成描述知識能力需求，以及知識發現、融合、運用、演化活動過程和活動效果的統一方法，為智能處理、敏捷適變的指揮信息系統體系結構開發提供頂層指導規范。

1 體系結構框架構建理念

信息主導理論[5]認為，信息活動環驅動業務活動環，信息活動的效果產生能力。在信息主導機理的基礎上進一步提出知識活動作用機理,如圖1所示，即知識活動是驅動智能化業務活動的核心動力，是業務活動環的“加速度”，知識活動的效能發揮能夠提升業務活動的速度和精度。知識活動效果產生“智慧力”，即通過知識的提取、融合、運用等過程，涌現形成系統智能感知、決策、行動的能力，體現系統的“聰明”程度，而信息活動為知識活動效果的發揮提供信息匯聚、融合、更新等服務。知識活動將信息優勢轉化為決策優勢，最終推動智能化的OODA(observe orient decide act)業務活動，形成行動優勢。

(1) 偵察目標信息，進行信息分層聚類，挖掘信息內部的關聯、變化趨勢，提取與目標、行為、意圖相關的知識。

(2) 對知識進行關聯、推理，構建知識圖譜[6]，實現對環境的認知、對意圖的預測能力。

(3) 通過博弈推演，以知識服務的形式為趨勢研判、指揮決策提供可靠的輔助建議。

(4) 通過作戰行動反饋信息不斷試錯[7]，促進知識學習更新，以應對未來出現的類似情況。

2 體系結構框架視角組成

在知識活動作用機理的指導下，借鑒Zachman框架[8-9]的矩陣形式，參考統一體系結構框架UAF1.0(unified architecture framework)[10-11]，從構想、分類、活動、效果、協作、功能、性能等10個概念方面提出面向知識活動的體系結構框架,如表1所示。該框架以知識視角(knowledge viewpoint，KV)為核心，通過對知識活動及能力效果的描述，指導系統資源和技術標準分析，從而設計形成面向智能化作戰的指揮信息系統架構。

圖1 知識活動作用機理Fig.1 Mechanism of knowledge activity

全視角(all viewpoint，AV)和能力視角(capability viewpoint，CV)沿用了DoDAF2.0，其中能力視角(CV)主要描述業務相關能力，其他視角均在主流體系架構框架的基礎上進行了新增或改進。

(1) 業務視角(business viewpoint，BV)：基于平戰結合的思想，將DoDAF2.0作戰視角概念擴展為業務視角，描述戰時和訓練的業務活動過程、協作活動、組織職責等。

(2) 信息視角(information viewpoint，IV)：定義信息類型，著重描述信息活動過程、活動協作過程、信息活動產生的能力及效果度量等。

(3) 知識視角(knowledge viewpoint，KV)：不僅包含知識分類、關聯等靜態屬性的描述，還包含知識動態屬性的描述，關注知識發現、提取、融合、服務、演化等活動過程，以及活動產生的能力和對活動效果的度量等，并定義信息活動對知識活動的支撐作用、知識活動對業務活動的驅動作用。

表1 面向知識活動的體系結構框架視角矩陣Table 1 Knowledge activity-oriented architecture framework viewpoint matrix

(4) 人機視角(human machine viewpoint，HMV)：深化UAF[12],NAF[13](north atlantic treaty organization architecture framework)等體系結構框架的人因視角，描述滿足作戰任務和作戰能力的人機協作模式、人機權限分配、人機協作活動、活動效果以及協作接口標準等。

(5) 資源視角(resource niewpoint，RV)：擴展DoDAF2.0系統視角的設計范圍，描述信息系統、主戰裝備、保障裝備、基礎設施、人員力量的體系資源組成、功能、性能、演進等。

(6) 技術視角(technology viewpoint，TV)：描述體系資源的接口標準，約束業務活動、信息活動和知識活動的規則，以及支撐系統運行的技術體系。

3 知識視角描述與設計過程

面向知識活動的體系結構框架聚焦于描述知識活動過程及其能力效果，以指導智能化指揮信息系統要素靈活協同，發揮智能決策能力。下面重點介紹知識視角及其設計過程。

3.1 知識視角描述

(1) 知識活動過程(KV-1)：將知識的提取、服務、運用、演化等活動連接，按照一定的邏輯順序進行組合，形成對知識活動過程的描述，包含活動、連接關系、輸入、輸出等要素。

(2) 知識活動效果(KV-2)：描述知識活動產生的效果，將活動與能力關聯，提出效果屬性的度量標準，并以增量的方式展現對不同階段能力效果的要求，包含能力、活動、能力活動關聯、效果屬性、度量標準等。

(3) 知識協作活動(KV-3)：描述跨領域、軍種、部門、系統等單元之間的知識活動的協作過程，包含單元、知識活動、連接關系等要素。

(4) 知識能力分解(KV-4)：由業務概念和業務能力推導生成，提出支撐任務完成所需具備的知識處理運用能力，包含能力名稱、標識、層次等要素。

(5) 知識能力關系(KV-5)：包含單向依賴、雙向依賴、正向影響、反向影響等關系，包含能力、關聯關系等要素。

(6) 知識分類(KV-6)：可分為概念性知識、規則性知識、歷史性知識，以及支撐知識生成的計算、訓練模型等，包含類型、名稱、描述、關聯的知識活動、作用等要素。

(7) 知識活動-信息活動關系描述(KV-7)：識別既有信息加工處理又有知識運用的活動，將它們關聯映射，包括知識活動、信息活動、映射關系等要素。

(8) 知識活動-業務活動關系描述(KV-8)：識別知識活動對業務活動的支撐關系，通常業務活動是覆蓋作戰全過程的，知識活動則在業務活動的重要決策環節進行知識處理運用，提升智能作戰能力，包括知識活動、業務活動、支撐關系等要素。

(9) 知識活動清單(KV-9)：收集KV-1中的所有活動，并直觀地展現活動間的層級關系，包含知識活動名稱、標識、層次等要素。

3.2 設計過程

(1) 知識能力分析：由業務概念和業務能力推導對知識處理、運用的能力需求，解析知識能力之間的關系，形成知識能力分解(KV-4)和知識能力關系(KV-5)。

(2) 知識活動設計：設計支撐業務活動和知識能力實現的知識活動過程(KV-1)；知識活動的邏輯關系可以驗證知識能力關系(KV-5)；在知識活動過程中提取與協作相關的活動，形成知識協作活動(KV-3)；推導知識活動所需的知識分類(KV-6)，識別各類知識在活動中的作用；知識活動清單(KV-9)由知識活動過程(KV-1)自動導出。

(3) 活動效果度量：列出知識活動與知識能力的關聯，提出知識活動的能力效果度量，形成知識活動效果(KV-2)。

(4) 活動映射關系生成：分析知識活動與信息活動的映射關系，以及知識活動對業務活動的支撐作用，形成知識活動-信息活動關系描述(KV-7)和知識活動-業務活動關系描述(KV-8)。

知識視角設計過程如圖2所示。

4 應用實例

以反導作戰籌劃系統[14-15]為例進行知識視角設計，以驗證知識視角的可行性和有效性。

4.1 知識能力分析

(1) 知識能力分解(KV-4)

業務概念可描述為紅方預警雷達探測發現藍方來襲導彈，籌劃系統識別目標，指揮員下達導彈攔截指令，籌劃系統進行導彈攔截方案生成，指揮員選擇攔截方案，導彈發射進行攔截。這里不考慮對攔截效果評估以及二次攔截決策?；I劃系統的業務能力包括導彈識別與行為預測能力、方案制定與推演能力。由此分析得到籌劃系統為完成攔截任務所需具備的判定、推理、預測、關聯、學習等知識處理與運用能力，建立第1層次知識能力分解樹，如圖3所示。

圖2 知識視角設計過程Fig.2 Design process of knowledge viewpoint

圖3 第1層知識能力分解樹Fig.3 First level knowledge capability decomposition tree

(2) 知識能力關系(KV-5)

分析第1層次知識能力之間的依賴、影響關系，形成知識能力關系矩陣如表2所示?？梢钥闯?，依賴目標特征深度學習能力(Cp1)的能力數量最多，表明該能力為關鍵能力，其缺失對其他能力的影響最大，因此，在系統研制過程中應當重點關注并首先開展該能力的建設。

4.2 知識活動設計

(1) 知識活動過程(KV-1)

業務活動包括探測跟蹤來襲導彈(Ba1)、預警信息綜合處理(Ba2)、來襲導彈識別預測(Ba3)、攔截方案生成評估(Ba4)、攔截方案選擇(Ba5)、下達攔截指令(Ba6)、導彈發射攔截(Ba7)。其中，知識活動支持智能化的來襲導彈識別預測與攔截方案生成評估。因此，籌劃系統需要進行來襲導彈識別(Ka1)、來襲導彈軌跡預測(Ka2)、攔截方案生成(Ka3)、攔截方案推演評估(Ka4)4個知識活動,如圖4所示，以保證業務活動開展，形成知識能力。需要說明的是，知識提取是在籌劃前期完成，形成各種類型的知識庫；知識運用是基于輸入知識的決策過程，可能發現新的知識，并將新知識不斷更新到知識庫中，因此存在知識反饋演化的過程。

表2 知識能力關系矩陣Table 2 Knowledge capability relationship matrix

注：“→”表示縱向能力依賴于橫向能力；“+”表示能力正向影響關系，“-”表示能力反向影響關系。

可以看出，來襲導彈識別(Ka1)是后續知識活動的基礎，因此，KV-5中將支撐該活動的目標特征深度學習能力(Cp1)作為關鍵能力是合理的。此外，能力之間的依賴關系也與業務活動的邏輯關系相符。

(2) 知識協作活動(KV-3)

KV-3不需要描述完整的知識活動，可采用泳道的形式表現跨系統之間的知識協作活動。提取跨來襲導彈識別系統和導彈攔截方案制定系統之間的協作活動，形成知識協作過程，如圖5所示。協作活動的提取有利于合理規劃部署各分系統的建設順序，并為保證協作接口的互操作性提供基礎，有效避免煙囪式的系統建設。

圖4 知識活動過程Fig.4 Knowledge activity process

圖5 知識協作過程Fig.5 Knowledge cooperation activity

(3) 知識分類(KV-6)

分析系統為實現智能化籌劃作業需要具備的概念性、規則性和歷史性知識，以及知識計算模型，給出各類知識的描述，明確其支撐的知識活動以及在知識活動中發揮的作用，如表3所示。KV-6識別各知識活動的知識需求，能夠有效指導特征庫、規則庫、模型庫等基礎知識資源的建設。

KV-9可以由KV-1自動導出，以列表的形式展現，在這里不再贅述。

4.3 活動效果度量

將KV-1中的知識活動與KV-4中的能力關聯，提出知識活動產生的能力效果的屬性和能力效果的度量標準，并展現近期和長期2個階段的度量標準的增量。本文以目標特征深度學習能力(Cp1)與來襲導彈識別(Ka1)為例，建立活動效果度量，如表4所示?；顒有Ч攘靠勺鳛轶w系能力水平、體系成熟度[16]評估的依據。

表3 知識分類表Table 3 Knowledge classification list

表4 活動效果度量Table 4 Activity effect measurement

4.4 活動映射關系生成

信息活動包括收集來襲導彈信息(Ia1)、預警信息綜合處理(Ia2)、來襲導彈識別預測(Ia3)、攔截方案生成評估(Ia4)、攔截方案選擇(Ia5)、下達攔截指令(Ia6)，其中來襲導彈識別預測(Ia3)和攔截方案生成評估(Ia4)與知識活動關聯，生成KV-7矩陣如表5所示。KV-7有助于識別信息活動中知識處理運用的過程，指出信息系統智能化建設重點。

知識活動支撐業務活動中來襲導彈識別預測(Ba3)和攔截方案生成評估(Ba4)的智能化知識處理運用，建立KV-8矩陣如表6所示。KV-8驗證了知識活動能夠保證業務活動完成。

表5 知識活動-信息活動關系描述Table 5 Knowledge activity-information activity relationship description

注：“√”表示知識活動和信息活動存在映射關系。

表6 知識活動-業務活動關系描述Table 6 Knowledge activity-operation activity relationship description

注：“√”表示知識活動支撐業務活動。

5 結束語

本文充分考慮了智能化作戰條件下，指揮信息系統體系結構設計對知識運用過程的描述需求，創新地提出一套面向知識活動的指揮信息系統體系結構框架，揭示了知識活動在作戰活動中的“加速”和“增效”作用，展現了知識視角中對知識活動、效果、能力等描述規范，并以實例驗證其合理性和有效性，彌補了傳統體系結構框架對智能化指揮信息系統體系結構設計支撐力度不足的問題。后續將關注人機視角優化描述以及更好地與知識視角鉸鏈，共同展現指揮信息系統的自主決策、智能協同等過程，進一步指導以知識為中心的指揮信息系統頂層設計。