面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)研究

李大偉，張本輝，門(mén)金柱

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

艦載直升機(jī)具有搜索反應(yīng)速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、搜索效率高等非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)，在反潛反艦等任務(wù)中發(fā)揮著不可取代的作用。艦載直升機(jī)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮與作戰(zhàn)環(huán)境密切相關(guān)，然而現(xiàn)行艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障體制中，存在著經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)、專業(yè)知識(shí)要求高、智能化水平低等問(wèn)題，極大制約了艦載直升機(jī)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，難以滿足能打勝仗對(duì)艦載直升機(jī)作戰(zhàn)能力的迫切需求。

張本輝等[1]在對(duì)艦載直升機(jī)作戰(zhàn)使用研究進(jìn)行綜述時(shí)，提出了針對(duì)任務(wù)需求，分析海洋環(huán)境的影響情況，給出有利的搜、攻潛武器設(shè)備的使用方案或建議，提高了行動(dòng)的科學(xué)性。劉軍[2]提出了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境保障數(shù)據(jù)集成平臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)容相對(duì)全面，但針對(duì)艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的針對(duì)性不高，不能滿足艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的需求。姚科明等[3]借鑒產(chǎn)品配置設(shè)計(jì)的思想，利用Visual C#編程語(yǔ)言和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)初步開(kāi)發(fā)了艦載直升機(jī)的快速配置系統(tǒng)，但該系統(tǒng)針對(duì)于更高層次、更多兵力的配置規(guī)則庫(kù)的研究不夠深入，人機(jī)交互智能化程度也不高。專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家的決策過(guò)程來(lái)解決需要人類專家處理的復(fù)雜專業(yè)性問(wèn)題的程序系統(tǒng)，也是人工智能領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛、活躍的一個(gè)分支[4]。付舉磊[5]將專家系統(tǒng)的概念引入到城市消防輔助系統(tǒng)，提高輔助決策的準(zhǔn)確性。何祁陽(yáng)[6]提出了一種空中交通管制實(shí)時(shí)決策專家系統(tǒng)，基于專家系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)影響管制員決策的氣象參數(shù)作出警示并給出輔助建議，提高了管制員工作效率。

本文將專家系統(tǒng)概念引入到艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障領(lǐng)域，建立面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)，構(gòu)建艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)不同機(jī)型不同載荷不同作戰(zhàn)模塊下的專家系統(tǒng)事實(shí)規(guī)則的研究，提高輔助決策的精準(zhǔn)性，建立相應(yīng)的專家系統(tǒng)界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并將該系統(tǒng)在典型作戰(zhàn)場(chǎng)景下進(jìn)行應(yīng)用。

1 面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人工智能的發(fā)展提供了作戰(zhàn)環(huán)境保障的新路徑，摒棄了傳統(tǒng)保障方式的延遲性、單一性、分散性和對(duì)專業(yè)人員的依賴性，專家系統(tǒng)作為人工領(lǐng)域最活躍的一個(gè)分支，將專家系統(tǒng)引入艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障，可提升作戰(zhàn)環(huán)境的獲取及時(shí)性、全面性和以任務(wù)為牽引、兵力平臺(tái)為核心、著眼作戰(zhàn)方案、突出關(guān)鍵要素等為原則的分析的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、針對(duì)性；可以更好地保障艦載直升機(jī)的使用安全，更好地提升艦載直升機(jī)作戰(zhàn)效能。

專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取機(jī)和人機(jī)接口等部分組成。基于專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境知識(shí)庫(kù)：是專家對(duì)艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)與積累的邏輯化的結(jié)果，可將這些事實(shí)和規(guī)則經(jīng)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言創(chuàng)建知識(shí)庫(kù)。

艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)的表與表、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這些關(guān)系可以理解成是專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的邏輯性的體現(xiàn)。

數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，豐富數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)也起到對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的實(shí)時(shí)更新，起到知識(shí)獲取機(jī)的作用。

輔助決策系統(tǒng)：分析數(shù)據(jù)庫(kù)所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)分析得到合理方案，對(duì)指揮員決策提供輔助作用，可起到推理機(jī)的作用。

系統(tǒng)操作界面：設(shè)計(jì)出便于用戶操作的軟件界面，提高工作效率，起到人機(jī)接口的作用。

本系統(tǒng)通過(guò)各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間的配合，實(shí)現(xiàn)將專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)邏輯化、數(shù)字化，根據(jù)用戶的需求，快速準(zhǔn)確地處理，并提供給用戶合理的數(shù)據(jù)與輔助決策，相較于傳統(tǒng)的保障方式提高了艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障工作中的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、針對(duì)性。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)研究

知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心組成部分，知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)源于專家的長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)，知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的質(zhì)量和體量決定了專家系統(tǒng)的推理能力，同時(shí)對(duì)知識(shí)庫(kù)的維護(hù)和更新提高了專家系統(tǒng)的性能。而在知識(shí)庫(kù)建立的過(guò)程，艦載直升機(jī)所需保障的作戰(zhàn)環(huán)境影響因素與機(jī)型、執(zhí)行任務(wù)的類型以及平臺(tái)裝備密切相關(guān)，當(dāng)指揮員關(guān)注的任務(wù)類型和裝備發(fā)生變化時(shí)，知識(shí)庫(kù)應(yīng)該能夠快速精準(zhǔn)的響應(yīng)。

2.1.1 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)模塊劃分

對(duì)于艦載直升機(jī)而言，需要考慮的作戰(zhàn)環(huán)境因素不同，即使執(zhí)行同一作戰(zhàn)任務(wù)，在不同的作戰(zhàn)階段，環(huán)境因素的重要性也不相同。張本輝等[7]提出將艦載直升機(jī)作戰(zhàn)流程細(xì)化分為起降模塊、飛行模塊、指揮引導(dǎo)模塊、探測(cè)模塊、攻擊模塊等5個(gè)模塊。通過(guò)對(duì)艦載直升機(jī)作戰(zhàn)流程進(jìn)行模塊化，并對(duì)各模塊的環(huán)境影響因素進(jìn)行劃分，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，提高專家系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確性。

2.1.2 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)模塊影響因素分析

對(duì)于不同的機(jī)型、不同的作戰(zhàn)模塊，所涉及的平臺(tái)與裝備不盡相同。針對(duì)不同模塊的所屬平臺(tái)或裝備對(duì)各個(gè)模塊的環(huán)境需求即影響因素進(jìn)行分析，例如探測(cè)模塊其影響因素分析，如圖2所示。給定機(jī)型條件下，探測(cè)模塊所對(duì)應(yīng)的平臺(tái)裝備有吊放聲納、聲納浮標(biāo)、磁探儀。對(duì)吊放聲納影響較大的環(huán)境因素主要有聲速剖面、海流、海洋噪聲、海洋地形等，而對(duì)聲吶浮標(biāo)影響較大的環(huán)境因素有聲速剖面、海流、海洋噪聲、海洋地形及風(fēng)。雖然吊放聲納和聲納浮標(biāo)的影響因素里有部分是相同的，但是，2個(gè)裝備對(duì)影響因素的要求是不一樣的。

圖2 探測(cè)模塊影響因素分析圖

2.1.3 面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

作戰(zhàn)環(huán)境影響知識(shí)庫(kù)是對(duì)各機(jī)型、各模塊、各裝備影響的集合、管理與查詢。同時(shí)指揮員現(xiàn)場(chǎng)決策所對(duì)應(yīng)的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)作為新的知識(shí)更新到知識(shí)庫(kù)中，提高專家系統(tǒng)的推理能力，從而提高作戰(zhàn)環(huán)境保障的效率和準(zhǔn)確性。

知識(shí)庫(kù)所要實(shí)現(xiàn)需求有以下5點(diǎn)。

由作戰(zhàn)任務(wù)確定機(jī)型：艦載直升機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)主要包括運(yùn)輸、反潛、反艦及預(yù)警，每個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)所選擇的執(zhí)飛機(jī)型必定不同，因此針對(duì)該機(jī)型提供的保障方案必定是不同的。

由機(jī)型確定作戰(zhàn)模塊：由于機(jī)型之間作戰(zhàn)模塊存在差異，如預(yù)警直升機(jī)沒(méi)有攻擊模塊，可由機(jī)型選擇執(zhí)行任務(wù)流程中包括的模塊，而起降、飛行、指揮引導(dǎo)3個(gè)模塊是任何機(jī)型均具有的，所以機(jī)型之間的差異存在于探測(cè)和攻擊模塊之間。

根據(jù)作戰(zhàn)模塊確定裝備：各個(gè)作戰(zhàn)模塊所涉及的裝備不同，但一旦擁有該模塊便具有其完成模塊使命的必要裝備。

根據(jù)裝備確定影響因素：每個(gè)裝備擁有多個(gè)影響因素，且必須擁有至少一個(gè)影響因素。

影響因素映射數(shù)據(jù)：影響因素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)影響因素映射到裝備上。

2.2 專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)研究

2.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

知識(shí)庫(kù)需求分析確定作戰(zhàn)環(huán)境影響數(shù)據(jù)庫(kù)的概念數(shù)據(jù)模型的主要實(shí)體有機(jī)型、任務(wù)模塊、裝備、影響因素、影響因素?cái)?shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)思路為：由機(jī)型對(duì)作戰(zhàn)模塊作出了選擇，確定執(zhí)行過(guò)程中作戰(zhàn)流程所包括的作戰(zhàn)模塊；再根據(jù)作戰(zhàn)模塊確定每個(gè)模塊所包含的裝備類型，而裝備又受到機(jī)型的限制；最后根據(jù)裝備確定機(jī)型在任務(wù)過(guò)程中所受到的影響因素。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

利用Power Designer建立數(shù)據(jù)庫(kù)的一般過(guò)程先建立概念數(shù)據(jù)模型，然后生成相應(yīng)的邏輯數(shù)據(jù)模型，接著生成物理數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)物理數(shù)據(jù)模型生成多種可以在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)的腳本的全過(guò)程。

概念數(shù)據(jù)模型（CMD）簡(jiǎn)稱概念模型，主要是用以描述現(xiàn)實(shí)世界的概念化的結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)特征的一種抽象化表示。

物理數(shù)據(jù)模型（PDM）是將概念模型被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫(kù)腳本的中間過(guò)程，是對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的描述，其將概念模型的進(jìn)一步抽象，根據(jù)概念模型對(duì)應(yīng)到具體數(shù)據(jù)模型的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。物理數(shù)據(jù)模型（PDM）主要包括表、字段、數(shù)據(jù)類型等，與概念模型有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

在生成物理數(shù)據(jù)模型（PDM）之后，利用Check Model檢查物理數(shù)據(jù)模型（PDM）是否正確，確定無(wú)誤后便可進(jìn)入生成數(shù)據(jù)庫(kù)腳本。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)生成

數(shù)據(jù)庫(kù)腳本生成后使用可視化軟件Navicat for MYSQL進(jìn)行生成數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障專家系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障專家系統(tǒng)界面

該界面可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和人的簡(jiǎn)單交互，其主要實(shí)現(xiàn)的功能有環(huán)境數(shù)據(jù)查詢與預(yù)報(bào)、海圖要素界面可視化、輔助決策。該系統(tǒng)界面可使艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障更加簡(jiǎn)便、易操作。

4 總結(jié)

本文初步構(gòu)建了面向艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障的專家系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)不同作戰(zhàn)任務(wù)、不同機(jī)型、不同載荷、不同作戰(zhàn)模塊下的專家系統(tǒng)事實(shí)規(guī)則的研究，在一定程度上提高了輔助決策的精準(zhǔn)性和效率，有效提升艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境保障水平。當(dāng)然，該系統(tǒng)還存在諸多不足，如功能較為簡(jiǎn)單、界面還不夠美觀等，還有待進(jìn)一步完善。可考慮使用知識(shí)圖譜等更加先進(jìn)技術(shù)，使艦載直升機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境輔助決策更加智能。