基于知識圖譜的直升機飛行指揮模型研究

人工智能技術(shù)與咨詢 昨天

本文來自《無線電工程》，作者齊小謙

摘?要：?針對當前直升機飛行指揮效率低下、數(shù)據(jù)關(guān)系復雜和智能化層次低等問題，提出了基于知識圖譜的直升機飛行指揮模型研究方法。使用知識圖譜生成和展現(xiàn)等技術(shù)，對直升機飛行指揮專業(yè)領域的知識資源進行了深入分析與整合。將有價值的數(shù)據(jù)資源提煉成知識圖譜，以圖形化方式向用戶展示經(jīng)過分類整理的結(jié)構(gòu)化知識，支持知識檢索、知識可視化和知識推薦等應用服務。應用結(jié)果表明，該技術(shù)模型能夠使指揮員、參謀直觀準確定位和深度獲取專業(yè)知識，增強了系統(tǒng)思維能力，能夠促進直升機飛行指揮信息系統(tǒng)的革新。

關(guān)鍵詞：飛行指揮；知識圖譜；知識推薦；關(guān)聯(lián)分析

0 引言

直升機飛行指揮是借助無線通信，為保證機群、編隊按預定計劃飛行、完成任務要求而進行的對空指揮業(yè)務活動。該技術(shù)領域?qū)I(yè)性較強，覆蓋知識面廣泛，數(shù)據(jù)關(guān)系復雜。指揮機構(gòu)均已配備基礎的業(yè)務平臺等系統(tǒng)，能夠支持互聯(lián)互通級的基本信息交互，但是智能化程度普遍較低。相關(guān)的知識庫缺乏層次性和邏輯性，推理能力薄弱，語義表達不直觀，關(guān)聯(lián)關(guān)系不清晰，知識定位困難[1]。同時，有限的數(shù)據(jù)理解能力和不斷增長的數(shù)據(jù)規(guī)模之間形成鴻溝，不能適應信息流通快、反應時效高和節(jié)奏轉(zhuǎn)換頻繁的應用模式，成為制約直升機飛行指揮技術(shù)發(fā)展的瓶頸[2]。因此，亟需運用知識圖譜等智能化技術(shù)，通過知識抽取和知識融合等方式，建立新型數(shù)據(jù)服務機制，實現(xiàn)飛行指揮領域知識的關(guān)聯(lián)、整合與可視化，為指揮決策提供高效服務。

知識圖譜是結(jié)構(gòu)化的語義知識庫，將不同種類信息連接在一起而得到一個關(guān)系網(wǎng)絡，提供了從“關(guān)系”角度去分析問題的能力。現(xiàn)有的知識圖譜多為共用領域，在特定(語種、領域和主題等)數(shù)據(jù)集上取得較好效果，如百度知心、搜狗知立方等。專業(yè)性較強的領域尤其是直升機飛行指揮相關(guān)的知識圖譜并沒有構(gòu)建與展示，隱藏在分析處理過程和指揮或參謀人員頭腦中，沒有持久化存儲，資源深度利用還有很大潛力可挖[3]。構(gòu)建“資源可視可控、業(yè)務關(guān)聯(lián)推薦、方案快捷生成”的直升機飛行指揮知識圖譜，使指揮、參謀人員之間共享領域知識[4]，能夠遵循行為規(guī)律開展飛行指揮活動，發(fā)揮知識成果的價值。

本文從知識圖譜構(gòu)建的視角，對知識圖譜的內(nèi)涵與專業(yè)技術(shù)領域的知識資源整合進行了深入分析，研究了構(gòu)建直升機飛行指揮模型概念網(wǎng)絡的方法[5]，面向知識檢索和知識推理等應用，按照策略自動推理搜索特情處置方案、計算生成引導指令，并以“直升機飛行指揮應用系統(tǒng)”知識推薦能力的設計實現(xiàn)為例，給出了成果形態(tài)和運行場景，實現(xiàn)飛行指揮業(yè)務平臺由“功能型”向“知識型”轉(zhuǎn)變[6]。

1 總體設計

長期的飛行訓練、復盤總結(jié)積累了大量經(jīng)驗教訓，但是指揮決策方式、飛行活動過程不可能反復試驗，大規(guī)模的數(shù)據(jù)資源需要按照結(jié)構(gòu)化、層次化、模型化的要求進行組織和整理。面向跨時空、多域?qū)嶓w和多任務等不同維度的指揮信息表示和理解需求，將多方傳遞的指揮行動等信息進一步組織和抽象，符合指揮專業(yè)活動的語義和邏輯。將現(xiàn)有若干個功能點進行關(guān)聯(lián)組合，構(gòu)建面向任務全過程、全要素的以知識為中心的飛行指揮模型[7]。

知識圖譜是解決軍事數(shù)據(jù)分析利用的關(guān)鍵技術(shù)，知識圖譜本身是將大量具有多種屬性的實體通過關(guān)系鏈接而成的網(wǎng)狀知識庫，在本質(zhì)上是一種概念網(wǎng)絡，其中的節(jié)點表示物理世界的實體(或概念)，而實體間的各種語義關(guān)系則構(gòu)成網(wǎng)絡中的邊。本文通過“直升機飛行指揮領域本體”整合已有的數(shù)據(jù)資源，對專業(yè)數(shù)據(jù)的主體、場景、行為和層級等要素進行建模[8]，從而實現(xiàn)術(shù)語、標準和數(shù)據(jù)庫等相關(guān)資源的相互關(guān)聯(lián)和系統(tǒng)組織，形成以語義網(wǎng)絡為骨架的知識圖譜，支持可視化、智能化的知識服務。

在對直升機飛行指揮知識融合與圖譜構(gòu)建方法研究中，各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源知識庫中實體含義的不確定與關(guān)聯(lián)關(guān)系冗余等現(xiàn)象是關(guān)鍵問題，影響著知識圖譜構(gòu)建的整個過程[9]。本研究主要應用知識抽取、知識融合、知識推理和知識可視化等關(guān)鍵技術(shù)，把復雜的專業(yè)領域知識轉(zhuǎn)換為經(jīng)過分類整理的結(jié)構(gòu)化知識[10]，展現(xiàn)專業(yè)領域的動態(tài)發(fā)展規(guī)律，為技術(shù)創(chuàng)新提供切實、有價值的參考。

知識抽取：主要從多源飛行訓練與領航引導等大數(shù)據(jù)中抽取和識別知識單元，包括概念本體、對應關(guān)系以及屬性3個知識要素，并以此為基礎形成一系列高質(zhì)量的行為表達。知識抽取自動從結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的飛行訓練資源數(shù)據(jù)中抽取概念本體、屬性及關(guān)系。

知識融合：屬高層次知識組織方式，使來自不同知識源的信息在同一框架規(guī)范下進行異構(gòu)數(shù)據(jù)整合、消歧、加工和推理驗證等，達到數(shù)據(jù)、信息、方法、經(jīng)驗以及人的思維的融合，形成高質(zhì)量知識庫，主要包括實體配準和知識合并。實體配準主要對來自不同數(shù)據(jù)中不同標識實體的語義理解，關(guān)聯(lián)到同一概念上，實現(xiàn)對同名、多名和縮寫等多種實體語義的消歧和共指消解。知識合并主要對新抽取的知識與實體庫進行實體、關(guān)系和屬性關(guān)聯(lián)，排除概念實體和屬性等沖突，通過計算字符串相似度、詞典語義相似度等方法實現(xiàn)匹配和合并。

知識推理：采用基于圖或邏輯的推理方法，在已有概念知識庫和裝備參數(shù)庫的基礎上進一步挖掘隱含知識，應用關(guān)聯(lián)規(guī)則的支持，從而豐富和擴展知識庫。知識推理對象可以是本體、本體屬性、本體間關(guān)系和關(guān)聯(lián)本體庫中概念層次結(jié)構(gòu)等[11]。對于推理規(guī)則的挖掘，主要關(guān)注實體以及關(guān)系間的豐富同現(xiàn)情況。推理功能通過可擴展規(guī)則引擎實現(xiàn)，規(guī)則包括2大類：針對屬性的規(guī)則，即通過數(shù)值計算獲取其屬性值；針對關(guān)系的規(guī)則，即通過鏈式規(guī)則發(fā)現(xiàn)本體間隱含關(guān)系。

知識可視化：為了使指揮或參謀人員更有效地與數(shù)據(jù)交流，更好地理解和獲取數(shù)據(jù)背后的信息與知識，進行大規(guī)模知識圖譜的可視化工作是一種有效手段。專業(yè)領域知識圖譜數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，不能像以往一樣僅適用一個圖表就能獨立表達出所有信息，而是要讓用戶與數(shù)據(jù)交流，通過知識圖譜數(shù)據(jù)信息的傳遞、聯(lián)動，從多方面來交互式地分析和查看數(shù)據(jù)，從而方便用戶控制數(shù)據(jù)。本研究使用eChartGL等方式，實現(xiàn)快速專業(yè)的知識圖譜呈現(xiàn)效果。

2 知識圖譜構(gòu)建

本文將知識圖譜設計成一張大圖，如圖1所示，節(jié)點表示領域本體，邊則代表本體之間的語義關(guān)系。將各種瑣碎、零散的知識片段組織起來，呈現(xiàn)領域概念之間錯綜復雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，支持知識檢索、知識問答、知識推薦和知識可視化等多種應用[12]。

圖1 知識圖譜規(guī)劃

領域本體主要規(guī)劃了“應用本體”和“基礎詞庫”兩大部分。應用本體對領域概念和知識資源進行合理分類，并準確定義領域概念之間的相關(guān)關(guān)系，使不同實體之間的語義關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系一目了然，規(guī)范了行為活動自動關(guān)聯(lián)、推理預測方式，實現(xiàn)特定領域知識圖譜的智能查詢、關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)、關(guān)系全息和行為分析等各種應用[13]。基礎詞庫對領域的定義、元素和術(shù)語等進行廣泛采集和系統(tǒng)梳理，以兵種專業(yè)知識、信息基礎知識和作戰(zhàn)指揮知識理論為主體，以運籌模擬、戰(zhàn)場仿真和作戰(zhàn)評估等技術(shù)理論為輔，形成一個結(jié)構(gòu)嚴謹、內(nèi)容完整的專業(yè)詞庫[14]。

直升機飛行指揮領域的實體屬性較多，且具有嚴格與豐富的數(shù)據(jù)模式，具有要素關(guān)聯(lián)性、突變性等復雜特性，對準確度要求比較高。目標對象需要考慮各種級別的人員，不同人員對應的操作和業(yè)務場景不同。領域本體主要涉及飛行監(jiān)控、任務分配、領航解算、編隊控制、威脅分析、飛行引導和行動采報等典型應用本體的建模[15]。

飛行監(jiān)控模型(AAFMS_Ontology)：主要包括空中位置參數(shù)、剩余油量和設備工作狀態(tài)。基于GPS、北斗等導航定位系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)提取，在二維、三維圖形平臺上實現(xiàn)直升機飛行實時狀態(tài)監(jiān)控，包含時刻、位置、航向、航速、高度、俯仰和剩余油量等工作參數(shù)信息。

領航解算模型(ALEAD_Ontology)：基于飛行計劃和實時飛行參數(shù)，為保證按時到達指定地點所進行的飛行解算，實現(xiàn)偏航和迷航的自動識別以及應飛諸元的自動計算，包括計算飛行航線、起降方式、航路點、預達時刻、飛行時間和飛行距離，依據(jù)應飛航向、航速和高度，設置檢查點和迷航處置措施。航路數(shù)據(jù)格式包括起飛機場、起飛時間、航線起點位置、轉(zhuǎn)彎點位置、轉(zhuǎn)彎方式、飛行高度、飛行航向、飛行速度、飛行時間、飛行距離和到達時刻要求，目前采用純文本、DOC或XML文件格式。

威脅分析模型(ATHRA_Ontology)：對各種影響空中飛行安全的威脅源進行建模，生成和分發(fā)告警提示、威脅警報等信息，向飛行監(jiān)控、編隊控制提供威脅告警支持，威脅源主要包括地理情況(如山峰、高壓線)、惡劣天氣、輻射源及鳥群干擾等。

行動采報模型(AACTR_Ontology)：包括計劃進度、任務執(zhí)行狀態(tài)、目標查明情況、續(xù)航能力和物資損耗分析。依據(jù)當前時間、平臺狀態(tài)和所處階段分析任務執(zhí)行狀態(tài)，結(jié)合計劃節(jié)點要求、物資損耗情況及剩余航路等，分析行動進程狀態(tài)。

任務分配模型(ATASK_Ontology)：包括查明情況、空中運輸、加油、搜救、避讓、空中巡邏、盤旋、返回基地、禁飛通告、空投和空降等，基于專用數(shù)據(jù)交換標準，依據(jù)空域分布、目標情況及被指揮平臺實力，自動進行平臺裝備選擇與任務分配。

飛行引導模型(AFLYG_Ontology)：基于任務要求，快速響應動態(tài)情況變化，進行自動分析計算，生成指揮命令，包括出航、空中集合、進入空域、請求登機、起飛降落、到達位置及返航著陸等，輔助動態(tài)調(diào)整任務和計劃。

編隊控制模型(AFORM_Ontology)：基于無線組網(wǎng)模式要求，實現(xiàn)飛行編隊的長僚控制，支持按照飛行方向進行指揮引導，包括長僚機信息共享規(guī)則與控制編隊之間隊形、次序、位置、航向和航速等。

3 知識圖譜應用

在知識圖譜建成之后，進一步研發(fā)了基于知識圖譜的檢索、瀏覽和可視化技術(shù)，并將知識圖譜嵌入“直升機飛行指揮應用系統(tǒng)”之中發(fā)揮作用[16]，提供系統(tǒng)性、準確性和全面性的知識推薦，逐步推動專業(yè)知識應用生態(tài)進化。

3.1 知識可視化

開發(fā)了面向飛行指揮領域的概念知識導圖工具，形象展示概念本體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)復雜知識體系的可視化。知識可視化如圖2所示，該工具能在不同的知識庫、數(shù)據(jù)標準之間建立關(guān)聯(lián)，增強專業(yè)應用知識資源的聯(lián)通性[17]。通過圖形交互的方式，在概念層次上瀏覽飛行指揮知識，發(fā)現(xiàn)概念或知識點之間的潛在聯(lián)系，比較形象地表現(xiàn)了飛行指揮知識體系。

圖2 知識圖譜應用工具

3.2 知識檢索

知識圖譜使知識檢索模式從“以術(shù)語為中心”過渡到“以知識為中心”，使其更加實體化、語義化和智能化。基于知識圖譜，可在檢索模塊中嵌入“應用主題”，將用戶所查實體的相關(guān)知識綜合呈現(xiàn)出來。基于知識圖譜，還能實現(xiàn)知識分類導航，協(xié)助用戶迅速發(fā)現(xiàn)所關(guān)注的知識，使系統(tǒng)理解用戶的查詢意圖并直接返回精確合理的指揮命令[18]。

3.3 知識推薦

通過全局概念構(gòu)建、基于規(guī)則的約束關(guān)系生成，設置直升機飛行指揮知識推薦模式[19]，建立【事件類型】、【涉及人員】、【時間要求】、【位置精度】等業(yè)務類型與領域本體之間的關(guān)聯(lián)。例如，在“特情處置”和“搜索營救”之間建立“功能相關(guān)”關(guān)系；在“空域飛行”和“領航解算”之間建立“飛行管理”關(guān)系；在“飛行控制”和“起飛、集合、機動、解散、疏開、脫離”之間建立“行為序列”關(guān)系等。根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系以及直升機平臺類型(如教練機、巡邏機、通信機、武裝機、運輸機和電抗機等)，可進行個性化知識應用推薦。如果選擇運輸機，則主要推薦空中運輸、起飛降落等相關(guān)知識；如果選擇教練機，則主要推薦編隊控制、編隊飛行等相關(guān)知識。

以上應用表明，基于知識圖譜的直升機飛行指揮模型技術(shù)實現(xiàn)了飛行指揮行為、事件和關(guān)系等要素的相互銜接，能夠?qū)碗s的業(yè)務關(guān)系以比較豐富、比較全面的形式進行可視化呈現(xiàn)，為指揮或參謀人員深入了解、掌握直升機飛行指揮領域知識提供了有效手段，達到應急處置快捷和指揮決策高效的運用效果。

4 結(jié)束語

知識圖譜的重要性不僅在于它是一個全局知識庫，更是支撐知識推薦和知識關(guān)聯(lián)等應用的基礎，為許多專業(yè)領域提供了新型功能展示方法。直升機飛行指揮業(yè)務系統(tǒng)應用知識圖譜技術(shù)進行資源整合、因果推理和規(guī)律探尋，創(chuàng)新了專業(yè)知識的內(nèi)容組織方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[20]。

在充分關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)標準、行為條例等知識資源的基礎上，對目標行為或關(guān)鍵事件的前因后果、關(guān)聯(lián)關(guān)系、特點規(guī)律進行建模，改進了專業(yè)知識產(chǎn)品表現(xiàn)樣式，能夠高效提供有用信息并快速向指揮員呈現(xiàn)，進一步推動知識服務的升級與飛行指揮應用互操作、業(yè)務共享平臺的完善。

研究成果表明，利用知識圖譜實現(xiàn)行業(yè)或領域知識管理和知識推薦是可行的，而且具有十分重要的應用價值。知識圖譜可以根據(jù)具體需求提供不同的知識服務，通過將直升機飛行指揮知識圖譜構(gòu)建方法進行抽象和擴展，能夠應用到多個專業(yè)領域，例如：無人平臺指揮能夠很好地解決當前專業(yè)領域行為模型構(gòu)建中的一些突出問題，值得進一步深入研究和探討。

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編輯：fqj