許 偉，曾凡明，劉金林，李彥強

(1.海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033;2.海軍裝備技術(shù)研究所，北京 102442)

0 引言

隨著各種現(xiàn)代先進武器裝備的應用，現(xiàn)代海戰(zhàn)中的攻擊手段也呈現(xiàn)出立體化、多樣化的趨勢，海軍艦船戰(zhàn)損的概率加大，裝備的損傷現(xiàn)象和損傷機理將更加復雜，這些因素會導致裝備戰(zhàn)損信息量增大，搶修決策難度增加，且艦艇戰(zhàn)損搶修本身也具有時間緊迫、情況復雜的特點，因此戰(zhàn)場指揮人員快速、合理的做出決策并組織有效的搶修是恢復裝備戰(zhàn)斗力的重要措施［1］。

針對艦船裝備戰(zhàn)損搶修時間緊迫、情況復雜、信息量大的特點，為了提高海軍艦船戰(zhàn)損搶修決策水平，開發(fā)艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)具有十分重要的軍事意義和十分迫切的軍事需求［2］。搶修系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫建立艦船基本綜合信息，搶修資源綜合信息及戰(zhàn)場態(tài)勢信息;通過案例庫存儲和管理搶修預案和搶修案例;利用知識庫可對搶修決策知識進行修改、更新、刪除、添加，并根據(jù)獲得的艦船戰(zhàn)損信息通過知識處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析、利用推理機推理產(chǎn)生合理的決策信息。本系統(tǒng)的開發(fā)，能夠為艦船戰(zhàn)損搶修決策水平的提高奠定一定的基礎，同時也將為其它武器裝備戰(zhàn)損搶修決策的信息化提供一定的參考。

1 基于知識庫的艦船戰(zhàn)損搶修決策系統(tǒng)開發(fā)方案研究

1.1 系統(tǒng)功能方案設計

1)艦船系統(tǒng)綜合信息管理。

艦船系統(tǒng)綜合信息管理主要存儲和管理艦船基本信息、艦船維修資源信息、編隊情況信息、敵方兵力部署信息、協(xié)同兵力信息，為決策人員的決策提供決策依據(jù)。

2)艦船戰(zhàn)損搶修數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理。

艦船數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲大量的數(shù)據(jù)信息，主要包括型號數(shù)據(jù)庫、海區(qū)港區(qū)數(shù)據(jù)庫、維修資源數(shù)據(jù)庫、調(diào)用規(guī)則數(shù)據(jù)庫、搶修預案數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)庫、搶修案例數(shù)據(jù)庫、決策信息數(shù)據(jù)庫及用戶數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)信息是進行戰(zhàn)損搶修決策的基礎。

3)艦船戰(zhàn)損搶修知識庫系統(tǒng)。

艦船戰(zhàn)損搶修知識庫系統(tǒng)是艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)的核心。通過建立決策知識庫，將各類專家的知識存儲在數(shù)據(jù)庫中，并在決策過程中將專家知識通過一定的方法進行推送，為搶修決策過程提供依據(jù)。

4)戰(zhàn)場指揮輔助決策。

艦船戰(zhàn)損搶修決策方案主要根據(jù)艦船戰(zhàn)損信息，在綜合考慮戰(zhàn)場態(tài)勢、維修資源、協(xié)同兵力的基礎上，由決策人員經(jīng)過綜合信息分析，從而得到特定戰(zhàn)場環(huán)境下的搶修決策方案。

1.2 知識庫基本知識

知識庫是知識工程中結(jié)構(gòu)化，易操作，易利用，全面有組織的知識群，是針對某一領域問題求解的需要，采用某種知識表示方式在計算機存儲器中存儲、組織、管理和使用的相互聯(lián)系的知識片集合［3］，它是決策支持系統(tǒng)的一個新的發(fā)展方向，又稱為智能數(shù)據(jù)庫或人工智能數(shù)據(jù)庫。艦船知識庫系統(tǒng)是管理和維護艦船知識的系統(tǒng)，其主要功能是實現(xiàn)艦船知識的獲取，表達和戰(zhàn)損決策方案的推理生成等。艦船知識庫系統(tǒng)的設計思想是把戰(zhàn)場決策領域相關(guān)專家的艦船戰(zhàn)損搶修知識經(jīng)驗整理和組織收集到艦船知識庫中，同時建立一個學習型構(gòu)件，該學習構(gòu)件根據(jù)各項決策的實際效果，再結(jié)合戰(zhàn)場決策人員的經(jīng)驗，決策風格，得出合理的艦船戰(zhàn)損搶修決策方案。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)方案研究

根據(jù)上述的艦船戰(zhàn)損搶修決策系統(tǒng)的功能方案設計，本文設計了如圖1所示的系統(tǒng)開發(fā)方案:在艦船裝備系統(tǒng)受到敵方武器攻擊后，根據(jù)綜合評估系統(tǒng)得出艦船損傷信息，與知識庫中的搶修案例進行匹配，若有相似案例則得出案例庫中的搶修方案，若沒有則進行搶修資源需求分析，可采用艦船維修，編隊維修和后方維修方案。艦船維修由隨艦維修資源的滿足程度確定，編隊維修由戰(zhàn)場態(tài)勢、敵方部署、編隊狀況和編隊維修資源確定，后方維修由后方支援時間和應急狀況確定。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)方案流程圖

2 艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)知識庫構(gòu)建方法研究

知識庫系統(tǒng)是艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)智能化的核心部分，它管理知識庫中的所有信息，對信息進行更新、刪除、查詢。知識庫系統(tǒng)通過知識獲取得到艦船戰(zhàn)損信息，經(jīng)過知識管理和處理系統(tǒng)進行分析得出合理的搶修決策方案。

2.1 知識庫系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

根據(jù)本文研究對象的特點，參考文獻 ［4］關(guān)于小衛(wèi)星測試知識庫的構(gòu)成方法建立艦船戰(zhàn)損搶修決策知識庫結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該知識庫系統(tǒng)由知識庫、推理機、知識管理系統(tǒng)、知識獲取子系統(tǒng)和人機交互界面等5部分組成。

2.2 知識獲取

軟件的知識獲取采用自動獲取，事先從裝備專家處獲取裝備基本功能項目知識，從維修專家和使用人員處獲取基本功能項目檢修知識和損傷模式影響分析知識，從裝備維修專家和裝備后勤保障專家處獲取基本功能項目搶修知識，將這些知識經(jīng)過歸納整理轉(zhuǎn)換為計算機能識別的語言存入到知識庫中，由機器學習程序自動從信息源獲取知識并輸入進知識庫系統(tǒng)。

圖2 知識庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 知識表示

知識庫系統(tǒng)采用產(chǎn)生式表示法表示因果關(guān)系知識，產(chǎn)生式規(guī)則常用于表示具有因果關(guān)系的知識，基本形式是

A→B(可信度)

或者

IF A THEN B(可信度)

IF A1AND A2AND…AnTHEN B(可信度)

A表示產(chǎn)生式的一組前提或者條件，B是一組結(jié)論或者動作，A，B都可以用一個或者一組數(shù)學表達式或者自然語言來表示。產(chǎn)生式表示方法容易描述事實、規(guī)則以及它們的不確定度，具有清晰性、模塊化和自然性，具有不確定性因子，可以實施不確定性推理。

2.4 知識處理

知識庫系統(tǒng)對知識的處理主要包括知識庫對知識的維護和完善以及推理機對決策問題的處理。知識庫可以增加、修改、刪除、更新知識，比如在型號數(shù)據(jù)庫中，可以添加新的艦船型號。在搶修預案數(shù)據(jù)庫中可以更新已有的搶修預案，完善和豐富預案庫中的預案。在知識庫系統(tǒng)獲取戰(zhàn)損搶修信息后，通過系統(tǒng)接口將這些信息傳送給推理機，根據(jù)推理機決策方法得出決策方案。

3 基于知識庫的艦船戰(zhàn)損搶修決策研究

3.1 基于知識庫的艦船戰(zhàn)損維修資源分析

在艦船裝備發(fā)生戰(zhàn)損后，對艦船進行戰(zhàn)損搶修的前提是分析艦船戰(zhàn)損情況和維修戰(zhàn)損裝備需要的維修資源。把這些維修資源 (主要包括備件、人員、工具、技術(shù)資料等)看作一組維修資源表達模型，則待修裝備的維修特征屬性可以表示為:

Ca={Aa1，Aa2，Aa3，…，Aai}，i=1，2，…，n。

設知識庫中的艦船維修資源相應的表示為:

對Ca和 Cb，Cc，…，Cm進行相似度分析，Ca與Cb的相似度為Sab，Ca與Cc的相似度為Sac，…，Ca與Cm的相似度為Sam，取最大相似度San=Max{Sab，Sac，…，Sam}，n=b，c，…，m，得出所需維修資源Cn。

3.2 基于知識庫的戰(zhàn)損決策方法研究

基于知識庫的戰(zhàn)損決策是根據(jù)給定戰(zhàn)損決策問題的特征描述，從案例庫中查找與之最相似的案例，為問題解決方案的構(gòu)建奠定基礎。案例檢索的實質(zhì)是一個案例匹配過程，即案例相似性度量過程。不同的案例相似性度量方法對案例的匹配結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。本研究以最近鄰法為檢索策略，采用基于粗糙集的相似性算法，構(gòu)建適用于戰(zhàn)損搶修案例檢索的智能引擎。案例檢索引擎結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 案例檢索引擎結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 相似度的計算

構(gòu)建案例知識表達模型:

Cm= {At1，At2，…，Ati，…，Atn}，i=1，2，…，n。

該模型是一組特征屬性的集合。在計算案例相似度時，可將它們看作一對相似系統(tǒng)［5］?？紤]到每一個特征屬性對系統(tǒng)相似度的影響不等，分別對特征屬性 At1，At2，…，Atn取權(quán)重系數(shù) w1，w2，…，wn，則由特征值確定的系統(tǒng)相似度S為:

式中，0≤S≤1，0≤wi≤1。

本文默認兩個系統(tǒng)的特征屬性的個數(shù)是相同的，這一點可以通過構(gòu)建標準化的、格式化的案例庫得以保證。

3.2.2 權(quán)重系數(shù)的確定

在基于最鄰近法的檢索策略中，特征屬性的權(quán)重對于案例相似度計算結(jié)果影響非常大，必須認真考慮。目前，關(guān)于權(quán)重系數(shù)的確定方法主要有主觀賦權(quán)、客觀賦權(quán)和綜合賦權(quán)3類，常用算法如表1所示。

表1 常用權(quán)重系數(shù)算法

其中主觀賦權(quán)法評價結(jié)果具有較強的主觀隨意性，客觀性較差，具有一定局限性;客觀賦權(quán)法評估結(jié)果具有較強的數(shù)學理論依據(jù)，但沒有考慮設計的主觀意愿，并且依賴現(xiàn)實案例的問題域，通用性較差。為了真實反映案例特征屬性的權(quán)重比例，本文采用粗糙集法與專家評估結(jié)合的綜合賦權(quán)法。由粗集理論求得的權(quán)重系數(shù)作為客觀權(quán)重P;根據(jù)動力裝置研究領域?qū)＜覛v史經(jīng)驗得出的權(quán)重系數(shù)作為主觀權(quán)重Q。權(quán)重系數(shù)的確定公式為:

式中，α為經(jīng)驗因子，0≤α≤1，反映設計者對主觀經(jīng)驗的偏好程度。

4 基于知識庫的艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)開發(fā)

4.1 開發(fā)平臺

1)硬件平臺。

HP XW8000。

2)軟件平臺。

開發(fā)平臺，Visual Studio.Net 2005 C#;數(shù)據(jù)庫平臺，SQL Server2005 Express Management;地理信息平臺，ArcGis Engine SDK for .Net。

4.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

根據(jù)前文的研究，本文研究開發(fā)了基于知識庫的艦船戰(zhàn)損搶修決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、知識庫管理、系統(tǒng)用戶及權(quán)限管理、戰(zhàn)損搶修決策等方面的功能，能夠為艦船戰(zhàn)損搶修決策過程提供一定的支持。

5 結(jié)論

本文針對艦船戰(zhàn)損搶修的特點提出開展艦船戰(zhàn)損搶修決策技術(shù)研究，并重點研究了系統(tǒng)的開發(fā)方案，知識庫的構(gòu)建和基于知識庫的決策方法等開發(fā)過程的關(guān)鍵技術(shù)。通過本文的研究，將為艦船戰(zhàn)損搶修決策提供一定的支持，同時也將為艦船戰(zhàn)損搶修決策水平的提高奠定一定的基礎。

［1］王建勝，孫國林，李明友.美軍戰(zhàn)場搶修能力建設及其對我軍的啟示［J］.裝備指揮技術(shù)學院學報，2010，21(5):46－49.

［2］傅為忠.一種新型的知識庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系 ［J］.合肥工業(yè)大學學報 ，2003(S1):871－874.

［3］馮孝輝，王靜，楊海龍.基于知識推理的小衛(wèi)星綜合測試知識庫系統(tǒng)架構(gòu)設計與應用 ［J］.計算機測量與控制，2011，19(4):753－755.

［4］周美立.相似性科學 ［M］.北京:科學出版社，2004:197－201.

［5］魏曉燕.多維優(yōu)化案例推理檢索算法研究［D］.太原:太原理工大學，2008.