構建基于知識圖譜的空天一體智能仿真系統

劉昭

摘 要

本文在探討空天一體發展現狀的基礎上，基于知識圖譜技術體系提出了一種空天一體智能仿真系統總體架構，對基于知識本體的仿真系統元模型設計進行深入研究，為新一代空天一體作戰仿真系統構建提供參考。

關鍵詞

知識圖譜;空天一體;仿真

中圖分類號： TP391.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.050

0 引言

隨著航空航天技術的發展，空天力量發展深度融合，空天一體作戰成為決定信息化戰爭勝負、影響軍事強國戰爭博弈的重要戰爭樣式，也是世界軍事強國發動戰爭的重要手段[1]。從戰爭形態演變來看，陸、海、空、天、網多維一體已成為新的趨勢，信息化戰爭作戰重心開始從地面向空天轉移，空天已成為敵我雙方戰略爭奪的新高地，誰控制了空間，獲取了空天優勢，誰就會在戰爭中贏得主動，牢牢掌握戰爭主動權。

空天領域屬于快速發展的新興領域，涉及裝備種類多樣，作戰關系交織，特別是與指揮所、武器平臺、作戰人員的信息交互錯綜復雜，為仿真系統的構建帶來了極大挑戰。傳統的面向對象和基于組件化的仿真建模方法運用于空天裝備建模和空天作戰推演還存在很大的不足，特別是在復用性、可擴展性和智能性方面還有很大差距。因此，在仿真系統發展中亟需探尋新的方法路子。

繼神經網絡、深度學習之后，知識圖譜作為第三代人工智能的核心技術，已成為通用智能、可解釋智能、自主學習與進化智能等實現的主要手段，在解決知識查詢精度以及可擴展性方面展現出強大優勢[2]，特別是結合知識本體、知識推理、圖譜可視化等先進技術，已成為智能仿真系統發展的重要技術方向。

1 發展現狀研究

1.1 空天一體發展現狀研究

空天一體概念的提出最早可以追溯到20世紀中葉美蘇在外層空間航天領域的競爭。1959年，美國空軍條令首次以“航空航天力量”代替“航空力量”，把地球表面以上的整個空間稱為“航空航天空間”，即空天。1999年，美國提出聯合航空航天力量為主體的作戰理論新構想[3]。世紀之交，美軍又進一步提出航空航天力量一體化轉型的指導方針。21世紀初，美國發表了《航空航天部隊：保衛21世紀的美國》白皮書，再次強調以空中作戰為主的空軍，轉變為既能實施空中作戰，又能進行太空作戰的“空天一體化”空軍，以確保成為“全球警戒、全球到達”的作戰力量;《2020年聯合構想》中提出在未來建立10支“航空航天遠征部隊”。目前，美軍正以反介入/區域拒止作戰環境下的新型聯合作戰理論為指導，發展新型空天作戰理論，旨在實現靈活的空天一體化多域作戰能力。美軍“空天一體”作戰已在“海灣戰爭”、“科索沃戰爭”、“阿富汗戰爭”和“伊拉克戰爭”等大規模局部戰爭中證明了其正確性，但大多體現在信息支援層面，真正發生在太空和臨近空間領域的作戰尚處于起步階段。為此，美國已經開始擴大太空作戰資源部署，不斷增強空天作戰能力，同時出臺了《聯合太空作戰行動綱要》、《反太空作戰行動綱要》等法規。

俄羅斯自20世紀60年代以來，始終保持強大的戰略導彈部隊和航天力量。1995年，俄軍在《航天器的作戰運用》中全面論述了如何運用航天器以及對抗地方航天器的基本理論，認為“沒有制天權就沒有制空權和制海權”，強調“航天力量應由最高統帥部管理控制”[4]，2003年，俄軍開始制定建立俄羅斯空天防御體系的構想和原則。2005年，將空軍和戰略火箭軍合并成“空天軍”。近年來，俄軍提出了常規戰爭條件下的戰略性空天戰役理論，標志著空天一體發展戰略付諸實施。

1.2 空天一體模擬訓練發展現狀

隨著計算機仿真技術的發展，模擬訓練已成為當前各國軍事訓練的重要手段。針對空間作戰的大時空、高延遲、高成本等特點，與實兵、實裝訓練相比，模擬訓練在提高軍事訓練質量、降低訓練成本、縮短訓練周期、復盤推演等方面具有天然優勢。

近年來，美國開始涉足以空天一體為背景的模擬訓練，典型項目包括：“施里弗”演習、“全球哨兵”、“戰備太空機組”、“太空旗”演習等。以“施里弗”演習為代表，美軍綜合運用各種手段，調動各軍兵種進行模擬演練，來檢驗美國空軍航天司令部的作戰指揮系統、航天系統的運行狀況以及航天系統與地面系統的配合能力，其深層次的目的則是加強美軍的太空戰威懾能力，奪取制天權。從2001年至今，美國已陸續完成了10余次“施里弗”演習。通過演習，不斷豐富和完善美軍空天威懾戰略、作戰條令與裝備力量運用、發展策略。

仿真系統是模擬訓練的核心支撐平臺。當前，支持空天一體模擬訓練的系統有Xsim、Maxsim、Command、oneSAF、STAGE、VR-Force等國內外產品，已有的仿真系統多以面向對象和組件化建模或Multi-Agent方式，結合并行離散事件仿真技術實現，一定程度上滿足了不同軍兵種的訓練需求。但是，隨著聯合作戰和智能仿真需求的發展，現有的基于組件化的仿真系統急需進一步提供智能化水平。基于知識本體的建模方法，可以實現更精細力度和更加精確的仿真系統建模，在此基礎上，基于知識推理的智能仿真系統被認為是下一代智能仿真系統的重要發展方向。

2 基于知識圖譜的仿真系統總體架構設計

如圖1所示，空天一體智能仿真系統是著眼研究空天一體作戰樣式，開展作戰研討、想定推演、人在回路模擬訓練等功能的模擬仿真系統。系統基于知識圖譜智能技術體系構建，系統架構由資源層、知識實體與數據模型層、引擎驅動層、知識推理與服務層、應用層5層結構組成，具有層級功能界面劃分清晰、接口互操作性強的特點，支持國產平臺和windows平臺運行。

資源層基于“一切皆資源”的思想，在共用網絡基礎設施之上，基于軟件定義和虛擬化的手段，將仿真系統所需要的計算、存儲、網絡、通信、安全等資源“云化”，實現資源的共享共用。

知識實體與數據模型層基于“本體”思想，運用知識圖譜的實體定義與抽取方法，結合基于模型的系統工程（MBDE）設計方法，實現從知識元數據、知識數據庫到業務數據庫的映射。其中知識元數據以資源描述框架（Resource Description Framework，簡稱RDF）和網絡本體語言（Ontology Web language，簡稱OWL）為主要手段，使用XML語法來描述資源特性及資源之間的關系，定義仿真所用到的實體對象的概念、屬性等元數據規范。知識數據庫是共享概念模型的明確的形式化規范說明[6]，為仿真系統構建提供一定程度的邏輯描述，使得不同的本體描述在框架上形成一個有機整體。業務數據庫是目前已有的信息系統所積累的數據庫，以關系型數據庫為典型代表，包括XML、文本、語音、視頻等半結構化和非結構化數據。

引擎驅動層是仿真系統運行的內核，主要實現軟件調用、資源分配、多線程、分布式工作、基礎信息服務信息驅動等，包括分布式仿真驅動引擎、地理空間基礎數據服務引擎、角色協同管控引擎、可視化素材訪問引擎等。

知識推理與服務層包括知識生產與服務提供層、服務映射層兩部分。其中知識生產與服務提供層是智能的核心，通過知識實體抽取、知識推理、知識圖譜生成、知識檢索算法、知識規則表示等智能方法，對仿真系統的數據進行分類、聚類、關聯分析和情報挖掘等。服務映射層主要實現知識服務與業務邏輯的銜接，從任務、活動、角色、組織、裝備等各方面為仿真應用提供接口。

應用層著眼空天一體作戰重點方向和典型作戰任務，按照空天態勢一張圖、空天一體智能籌劃、空天指揮決策、空天一體協同控制、空天一體支援保障等業務域，為想定編輯、編程配置、任務規劃、角色分配、態勢綜合、效能評估、系統管理等仿真系統應用提供用戶接口和界面。

3 基于知識本體的空天一體仿真系統元模型設計

系統模型的組織機制是仿真系統構建的關鍵，它不但關乎系統設計知識的重用，而且關乎模型結構的組織形式。設計良好的模型組織結構，可以避免模型工程文件過于龐大、模型元素數量爆炸、難以對模型進行有效的管理和使用等問題。傳統的數據建模是以具體系統為核心的，方法上一般采用實體-關系建模方法進行關系數據建模，而基于知識本體的空天一體仿真系統元模型設計以實體或稱之為客觀物理對象為中心，它是空天一體仿真系統構建的基礎，是實現智能的知識推理機制構建的關鍵。

在計算機科學與信息科學領域，本體被定義為一種“形式化的，對于共享概念體系的明確而又詳細的說明”，是本質一種共享詞表，也就是特定領域之中那些存在著的對象類型或概念及其屬性和相互關系。常見的本體構成要素包括：個體（實例），指基礎的或者說“底層的”對象;類，指集合、概念、對象類型或者說事物的種類;屬性指對象（和類）所可能具有的屬性、特征、特性、特點和參數;關系指類與個體之間的彼此關聯所可能具有的方式;函數術語，指在聲明語句當中，可用來代替具體術語的特定關系所構成的復雜結構。約束（限制），指采取形式化方式所聲明的，關于接受某項斷言作為輸入而必須成立的情況的描述。規則，指用于描述可以依據特定形式的某項斷言所能夠得出的邏輯推論的語句形式的聲明;公理，指采取特定邏輯形式的斷言（包括規則在內）所共同構成的就是其本體在相應應用領域當中所描述的整個理論;事件，指屬性或關系的變化。

基于知識本體的空天一體仿真系統元模型設計，是指通過對空天戰場內物理或虛擬的、對軍事活動產生影響的對象進行抽象，對空天裝備或空天作戰活動對象的基本情況、能力狀態、功能性能、編配標準等信息進行分類、本體屬性定義和數據字典抽取，形成數字化的實體元模型描述，如衛星基本信息、軌道數據信息、衛星健康狀態信息、平臺管理任務等本體信息等，它是構成更高級系統的“原子對象”。具體可以分為靜態本體、活動本體和能力本體，其中靜態本體是指不隨時間變化的本體，又可分為人員本體和對象本體，如指揮所的類型、裝備的發射時間、國別等。活動本體誰對空天作戰活動的客觀描述，它會隨時間和空間的變化而變化，如裝備的戰備狀態、位置情況等。能力本體是對事物所具有的能力的描述，比如衛星通信裝備的波束覆蓋范圍、傳輸帶寬等。對于本體元模型的抽象，要盡可能的原子化，同時屬性的定義應該無二義性。一個典型的軌道根數元模型可以從表1所示的屬性來描述。根據所述信息，可以用本體描述的概念、關系、函數、公理和實例等基本的建模元語描述。

本體元模型反應了現實世界中相對穩定的概念及其關系和規則，在此基礎上，仿真系統可以進行知識推理，實現系統智能。基于知識圖譜的知識推理是智能仿真系統實現的關鍵。早期知識推理缺乏平行語料庫，因此多采用基于概率圖的隨機游走和路徑排序（path ranking） 等手段，從已有語義網絡中挖掘和發現未知知識。隨著深度學習的興起，內嵌（embedding）表示成為目前的主流方法。在這種方法中，通過神經語言模型將語義網絡中符號化的實體、關系和屬性映射到連續向量空間，在保持其圖結構前提下得到實體、關系和屬性的分布式向量表達。在此基礎上，學習得到能夠衡量每一條三元組知識是否成立的推理函數。

4 結論

本文在研究空天一體發展現狀的基礎上，對基于知識圖譜的空天一體仿真系統總體架構進行設計，對基于知識本體的仿真系統元模型設計進行深入研討，為新一代空天一體作戰仿真系統構建提供參考。

參考文獻

[1]許其亮上將：中國空軍將發展空天一體作戰能力.中國網.2009.11.6.

[2]李濤，王次臣等，知識圖譜的發展與構建[J].南京理工大學學報（自然科學版），2017，41（1）：23-24.

[3]空天一體：百度百科.

[4]薛東風，張建安.空天一體化作戰的認識與思考[J].空軍工程大學學報（軍事科學版），2012，9（3）：5-7.

[5]周麗娜，馬志強.基于知識圖譜的網絡信息體系智能參考架構設計[J].中國電子科學研究院學報，2018，8（4）：378-383.

[6]劉嶠，李楊等.知識圖譜構建技術綜述[J].計算機研究與發展，2016，53（3）：582-600.