軍 事 科 學(xué) 院 李曉松 彭欣然

軍委裝備發(fā)展部 肖振華

美國哈佛大學(xué)著名工業(yè)工程專家認為美國國防采辦需要大量的業(yè)務(wù)整合和有序的流程管理，是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)工程項目之一，而項目能力需求分析、能力缺口識別判斷與評估分析是國防采辦管理的難點和痛點。為此，美國建立了國防采辦決策支持系統(tǒng)、聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)（Joint Capabilities Integration and Development System，JCIDS），試圖通過識別和評估能力需求及其相關(guān)的績效標準來優(yōu)化采辦流程，提高采辦系統(tǒng)的效率[1]。美國麻省理工學(xué)院針對現(xiàn)有國防采辦信息系統(tǒng)文本數(shù)據(jù)利用不充分、基于文本需求關(guān)聯(lián)分析技術(shù)手段較弱、基于客觀數(shù)據(jù)的需求分析能力不足等問題，構(gòu)建了語義數(shù)據(jù)湖平臺，試圖通過對國防采辦信息系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)文本數(shù)據(jù)的對比分析、關(guān)聯(lián)檢索和綜合研判，自動發(fā)現(xiàn)和挖掘能力需求相互依賴關(guān)系，快速查找能力缺陷，為國防采辦管理決策提供參考借鑒。

一、語義數(shù)據(jù)湖介紹

語義數(shù)據(jù)湖最早由歐洲大數(shù)據(jù)平臺提出并實現(xiàn)[2]，融合了語義網(wǎng)和數(shù)據(jù)湖技術(shù)，將分布式和異構(gòu)數(shù)據(jù)使用通用語義模型或本體整合到一起，并通過軟件平臺為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。

（一）語義網(wǎng)

語義網(wǎng)是語義數(shù)據(jù)湖的基礎(chǔ)，可以對語義信息進行建模，將文本信息轉(zhuǎn)化為計算機系統(tǒng)可以理解的語義，使計算機可以直接讀取。語義網(wǎng)包含3個要素，即描述框架、描述語言和操作語言。描述框架代表概念之間的關(guān)系；描述語言能對語義信息進行具體的描述；操作語言能對語義信息進行操作[3]。這3個要素代表了語義網(wǎng)使用的3種技術(shù)，分別是資源描述框架（RDF）、網(wǎng)絡(luò)本體語言（OWL）和SPARQL（Simple Protocol and RDF Query Language）[4]。

（二）語義數(shù)據(jù)湖

大數(shù)據(jù)時代帶來的挑戰(zhàn)可以總結(jié)為3個V：容量（volume）、速度（velocity）和多樣性（variety）。其中，大數(shù)據(jù)框架能解決容量和速度問題，卻無法解決數(shù)據(jù)多樣性問題，無法高效率整合來自不同軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。多年來，語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)已經(jīng)通過實用的知識表示模型和基于本體的映射解決了數(shù)據(jù)集成難題，可以統(tǒng)一訪問大型異構(gòu)數(shù)據(jù)源，而不要求集中化[5]。語義數(shù)據(jù)湖的作用包括：（1）可將內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)鏈接集中在一起，方便分析評估以支持決策；（2）架構(gòu)不需要維護和更改，可以更快地適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求；（3）語義索引自帶的控制詞和分類法可消除信息孤島，對術(shù)語和詞匯進行一致化管理，提高檢索結(jié)果的準確性；（4）利用規(guī)則引擎理解決策者的決策邏輯，便于應(yīng)用開發(fā)者維護軟件程序，從而降低應(yīng)用程序的維護成本。

二、聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)介紹

2003年，美國首次發(fā)布了聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)，并于2015年1月23日發(fā)布了最新版本CJCSI 3170.01I。該系統(tǒng)是聯(lián)合需求監(jiān)督委員會（JROC）用于進行國防部的需求分析管理的重要工具，包括但不限于系統(tǒng)地識別、評估、驗證、確定聯(lián)合作戰(zhàn)能力的缺口及優(yōu)先級，并提出聯(lián)合能力需求[6，7]。

（一）發(fā)展歷程

在聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)之前，美國國防部主要通過需求生成系統(tǒng)（RGS）完成需求分析工作。需求生成系統(tǒng)和聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的區(qū)別如圖1所示。需求生成系統(tǒng)是自下而上地開展需求分析工作，無法充分考慮及分析聯(lián)合能力需求和集成能力需求?！?11”事件后，美國國防部的戰(zhàn)略從“基于威脅”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎谀芰Α保雨P(guān)注發(fā)現(xiàn)、識別、評估能力缺口，提出能力需求?；诖耍绹鴩啦块_發(fā)了聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)，提供了一種基于能力的方法來識別和評估需求，采用以能力為導(dǎo)向的方式，自上而下地分析美國國防部需求[8]。

（二）總體框架

圖1 需求生成系統(tǒng)和聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)

聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的主要目標是消除能力冗余，進行有效的能力開發(fā)，以滿足美國所有軍事部門的能力需求，并確保在投入資金和資源之前，對能力需求進行驗證和評估。該系統(tǒng)的戰(zhàn)略目標包括：（1）評估確定，并驗證聯(lián)合能力需求；（2）平衡各方需求，輔助決策，支持教學(xué)，并完成DOTmLPF-P（即組織、培訓(xùn)、物資、領(lǐng)導(dǎo)、教育、人員、設(shè)施和政策）；（3）為國防采辦系統(tǒng)（DAS），以及規(guī)劃、計劃、預(yù)算和執(zhí)行系統(tǒng)（PPBES）提供信息支持。該系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。基于當(dāng)前作戰(zhàn)能力，以聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)略需求為牽引，提出未來作戰(zhàn)能力，并為規(guī)劃、計劃、預(yù)算和執(zhí)行系統(tǒng)，以及國會和采辦部門提供服務(wù)，同時與作戰(zhàn)人員需求進行迭代反饋。

圖2 聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的總體框架

（三）輔助決策的過程

聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)輔助決策的過程包括4個主要步驟：基于能力分析階段、初始需求文件階段、能力開發(fā)文件階段、能力生產(chǎn)文件階段[9]。（1）基于能力分析階段的重點工作包含定義任務(wù)、確定能力需求、確定能力的屬性和標準、發(fā)現(xiàn)能力缺口、評估缺口風(fēng)險等；（2）初始需求文件階段的主要工作是發(fā)現(xiàn)并最終審批確定具體的能力缺口；（3）能力開發(fā)文件階段的主要工作是將能力轉(zhuǎn)化為采辦任務(wù)，并細化提出關(guān)鍵績效參數(shù)、生命周期成本和總成本等，用于指導(dǎo)工程與制造開發(fā)；（4）能力生產(chǎn)文件階段是全面生產(chǎn)并交付系統(tǒng)的準備階段，包含能力生成、測試和部署等活動所需的信息，用于審查承包商的交付情況。

（四）關(guān)聯(lián)系統(tǒng)

聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)主要包括知識管理/決策支持系統(tǒng)和能力任務(wù)格系統(tǒng)等，為能力需求的確定、分析評估和全程追溯提供支持。美國麻省理工學(xué)院語義數(shù)據(jù)湖平臺利用了上述系統(tǒng)的概念框架[10]，其中，知識管理/決策支持系統(tǒng)是存儲聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)生成文檔的平臺，對文檔進行版本劃分和適當(dāng)注釋，提供與標記和檢索有關(guān)的服務(wù)。當(dāng)前，研究人員正在利用新技術(shù)將元數(shù)據(jù)引入知識管理/決策支持系統(tǒng)中，以提高文檔檢索效率。能力任務(wù)格系統(tǒng)主要實現(xiàn)對能力需求及缺口所有關(guān)聯(lián)因素的綜合分析。

（五）聯(lián)合能力體系結(jié)構(gòu)

美國能力需求管理的痛點是解決作戰(zhàn)人員和采辦部門的溝通協(xié)調(diào)，其核心是讓作戰(zhàn)人員和采辦人員能夠快速理解對方的“語義”，從而提高能力需求分析的質(zhì)量效率。當(dāng)前聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)存儲了國防采辦業(yè)務(wù)流程中產(chǎn)生的海量官方文檔，而該系統(tǒng)無法識別和理解文檔語義，也無法實現(xiàn)能力文檔之間的關(guān)聯(lián)分析和深度搜索。針對上述問題，美國麻省理工學(xué)院應(yīng)用語義數(shù)據(jù)湖工具提出了聯(lián)合能力體系結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)使用語義工具將數(shù)據(jù)從文檔中釋放出來，將文檔分解為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，理解為“語義”，并通過搜索和分析發(fā)現(xiàn)文檔間的聯(lián)系，從而得到能力間的相互關(guān)系，為管理部門的科學(xué)決策者提供參考。

三、利用語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)解決聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題分析

W.Fast[11]和A.Moulton[12]分析了影響聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)效率的因素，總結(jié)得到了聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)存在的主要問題，包括決策不及時及信息范圍有限，過程復(fù)雜繁瑣且過于以文檔為中心，缺乏項目多維審查機制，缺乏發(fā)現(xiàn)及彌補能力缺口的全過程追蹤機制。

（一）解決決策不及時及信息范圍有限的問題

語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)海量不同來源信息的分解與結(jié)構(gòu)化，從而完成聯(lián)合能力需求的挖掘、比較和分析，消除決策過程中的信息孤島。該技術(shù)與其他技術(shù)相比，較好地實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的快速匯聚和關(guān)聯(lián)分析，能夠高效率支撐國防部采辦人員開展基于數(shù)據(jù)的管理決策。

（二）解決過程復(fù)雜繁瑣且過于以文檔為中心的問題

語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)的任務(wù)是將體系結(jié)構(gòu)完全不同的系統(tǒng)整合在一起，以賦予決策者全局眼光。語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)可以將聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的文檔信息轉(zhuǎn)化為可直接獲取的細?；瘮?shù)據(jù)、概念和數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)了過去以文檔為主的檢索系統(tǒng)，轉(zhuǎn)型為以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為中心的檢索系統(tǒng)，簡化了文檔整理的工作，并且能夠為分析人員溯源初始文檔。

（三）解決項目多維審查的問題

項目多維審查既是管理問題，也是技術(shù)問題。語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)能夠建立聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)與聯(lián)合能力體系結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)了統(tǒng)一框架下不同系統(tǒng)文檔的集中管理和多維度多視角關(guān)聯(lián)分析，為開展項目多維審查提供了技術(shù)手段。例如，利用語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)能夠為決策者從聯(lián)合能力領(lǐng)域和通用聯(lián)合任務(wù)的全局視角開展項目多維審查。

（四）解決缺乏發(fā)現(xiàn)及彌補能力缺口追蹤機制的問題

能力需求分析過程將在聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)中產(chǎn)生大量文檔，追蹤缺口產(chǎn)生的最初階段需要調(diào)閱大量的文檔資源，往往缺乏系統(tǒng)性和可靠性。利用語義數(shù)據(jù)湖技術(shù)可將文檔的關(guān)鍵語義轉(zhuǎn)移到語義數(shù)據(jù)湖，建立數(shù)據(jù)對象的鏈接，使能力和對應(yīng)的需求在數(shù)據(jù)湖平臺上進行關(guān)聯(lián)，在發(fā)現(xiàn)能力缺口時，自動追蹤能力評估、能力開發(fā)、能力生產(chǎn)等過程環(huán)節(jié)，快速定位能力缺口產(chǎn)生的階段，實現(xiàn)“從搖籃到墳?zāi)埂弊粉櫮芰π枨蟮倪^程。

四、利用語義數(shù)據(jù)湖平臺優(yōu)化聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的方案介紹

麻省理工學(xué)院通過概念驗證實驗證明了利用語義數(shù)據(jù)湖平臺可以優(yōu)化聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)。概念驗證實驗的目標是建立語義知識庫，以發(fā)現(xiàn)能力開發(fā)初期的能力需求和能力缺口。知識庫由本體和國防部架構(gòu)框架（DoDAF）構(gòu)成，本體有效關(guān)聯(lián)了軍事知識和采辦知識，通過機器對人員知識進行理解學(xué)習(xí)，并存儲在語義知識庫中，實現(xiàn)了知識與人員的“剝離”。此外，概念驗證實驗在語義知識庫的基礎(chǔ)上，建立了支持聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的語義數(shù)據(jù)湖平臺，分析人員可以將不同來源的多樣化信息上傳到數(shù)據(jù)湖平臺，增強平臺的數(shù)據(jù)規(guī)模和知識理解深度，有利于實現(xiàn)多焦點多角度對不同能力需求的評估，從而為最終用戶提供高質(zhì)量的關(guān)于能力需求和項目管理等的決策支持信息。

（一）語義數(shù)據(jù)湖平臺原型設(shè)計

概念驗證實驗中語義數(shù)據(jù)湖平臺的設(shè)計利用了上文介紹的三大標準語義網(wǎng)技術(shù)：資源描述框架、網(wǎng)絡(luò)本體語言和SPARQL。語義數(shù)據(jù)湖平臺原型設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示[1，12]。

圖3 語義數(shù)據(jù)湖平臺原型設(shè)計體系結(jié)構(gòu)

（1）語義數(shù)據(jù)湖平臺的本體來源于聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)手冊、國防部架構(gòu)框架和聯(lián)合能力體系結(jié)構(gòu)等，并從各種來源中抽取文檔數(shù)據(jù)加載到語義數(shù)據(jù)湖平臺，通過資源描述框架對數(shù)據(jù)進行主語、謂語和賓語的標準化描述。

（2）語義數(shù)據(jù)湖平臺建立了基于SPARQL語言的語義查詢系統(tǒng)，用戶可編寫SPARQL語句進行查詢，并且可了解更深層次的關(guān)聯(lián)關(guān)系及相似度較高的數(shù)據(jù)。該平臺支持數(shù)據(jù)以多種格式導(dǎo)出，以便外部數(shù)據(jù)庫和其他軟件系統(tǒng)使用，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換共享。

（3）語義數(shù)據(jù)湖平臺具有較強的可擴展性，可將國防部相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過本體鏈接的方式進行多維度表達。同時，該平臺還具有很強的適應(yīng)性，無需根據(jù)新來源數(shù)據(jù)大幅度更改原數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)。

（二）語義數(shù)據(jù)湖平臺的構(gòu)建

語義數(shù)據(jù)湖平臺的構(gòu)建過程如圖4所示。大致可分為5個步驟：（1）首先清洗來源于初始需求文件本體文檔的原始數(shù)據(jù)；（2）將各類型的文檔（如初始需求文檔、聯(lián)合能力領(lǐng)域文檔）加載到用JavaScript和Node.js服務(wù)器編碼的網(wǎng)絡(luò)本體語言軟件中；（3）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入JavaScript應(yīng)用程序，用于生成與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)本體語言文件；（4）將網(wǎng)絡(luò)本體語言文件導(dǎo)入語義數(shù)據(jù)湖平臺中；（5）將與每個本體對應(yīng)的數(shù)據(jù)加載到平臺中進行分析。

圖4 語義數(shù)據(jù)湖平臺的構(gòu)建過程

（三）案例分析

語義數(shù)據(jù)湖平臺可以幫助分析人員精準地、有針對性地獲取聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)的文檔和數(shù)據(jù)，以幫助決策者作出正確決策。例如，在提出新的能力需求時檢查是否有能力重疊，是否與項目需求相關(guān)，以及是否考慮了與其他需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系。文獻[1]利用聯(lián)合通用導(dǎo)彈和聯(lián)合地空導(dǎo)彈項目，驗證了語義數(shù)據(jù)湖平臺的數(shù)據(jù)獲取和決策支持能力。

1.項目背景

1990年開始服役的AGM-114地獄火導(dǎo)彈是美軍陸用導(dǎo)彈及美國導(dǎo)彈外銷市場的主力，該導(dǎo)彈可裝備于飛機、直升機及各種船艦和車輛上。為取代地獄火導(dǎo)彈，2002年美國陸軍開始研發(fā)AGM-169聯(lián)合通用導(dǎo)彈，用于裝備快速噴氣機及直升機和無人機。然而，由于導(dǎo)彈研發(fā)周期長、成本高，以及導(dǎo)彈功能與先前導(dǎo)彈重疊，該項目自啟動以來經(jīng)歷了多次暫停和預(yù)算削減[13]。2007年，AGM-179聯(lián)合地空導(dǎo)彈項目替代了聯(lián)合通用導(dǎo)彈，旨在為多發(fā)射平臺提供統(tǒng)一導(dǎo)彈配置，為美國陸軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊等部門的裝備提供支持。

2.基于語義數(shù)據(jù)湖平臺的優(yōu)化方案

聯(lián)合地空導(dǎo)彈項目作為聯(lián)合通用導(dǎo)彈項目的繼任者，需要在先前項目的基礎(chǔ)上重新進行項目規(guī)劃，即根據(jù)情況新增和刪改能力需求（如搜尋器類型、彈頭類型、關(guān)鍵性能參數(shù)的變化），而項目之間知識的表達與傳遞是決定項目規(guī)劃和決策準確性和及時性的重要基礎(chǔ)。

首先，語義數(shù)據(jù)湖平臺實現(xiàn)了項目信息的實時更新與分類要素的添加。例如，聯(lián)合通用導(dǎo)彈項目信息可存儲在語義數(shù)據(jù)湖平臺上，并根據(jù)項目狀態(tài)變化實時添加新的數(shù)據(jù)，便于分析人員進行項目信息檢索與分析。另外，該平臺能夠靈活添加聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)中的框架和分類（如聯(lián)合能力領(lǐng)域分類）。例如，該平臺在原有美軍導(dǎo)彈彈頭類型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，添加了基于聯(lián)合能力領(lǐng)域分類的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

其次，語義數(shù)據(jù)湖實現(xiàn)了項目數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。分析人員利用該平臺獲取了先前聯(lián)合通用導(dǎo)彈項目的信息，并通過與地獄火導(dǎo)彈項目信息的語義關(guān)聯(lián)分析，快速了解地獄火導(dǎo)彈與聯(lián)合通用導(dǎo)彈的能力重疊情況，為新立項的聯(lián)合地空導(dǎo)彈項目的論證提供了支撐。

圖5 基于聯(lián)合能力領(lǐng)域分類法的導(dǎo)彈彈頭分類

五、結(jié)束語

本文重點研究了美國麻省理工學(xué)院語義數(shù)據(jù)湖平臺的整體架構(gòu)、功能組成和主要作用。我軍應(yīng)借鑒美國構(gòu)建語義數(shù)據(jù)湖的主要做法，在持續(xù)做好做強業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)建設(shè)、語義理解、數(shù)據(jù)支撐決策等方面持續(xù)發(fā)力，最大化地激發(fā)數(shù)據(jù)對國防和軍隊現(xiàn)代化建設(shè)的支撐作用。一是制定統(tǒng)一的軍事數(shù)據(jù)標準，按照數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)剝離的原則，加強作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)和裝備數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的共享共建，形成一體化的數(shù)據(jù)池；二是構(gòu)建軍事數(shù)據(jù)知識庫，利用自然語言處理技術(shù)，加強對裝備數(shù)據(jù)與作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)等的關(guān)聯(lián)分析和知識化理解，便于分析人員快速理解相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯；三是面向國防和軍隊建設(shè)管理決策的現(xiàn)實需求，構(gòu)建通用與專用相結(jié)合的數(shù)據(jù)分析模型，重點開展作戰(zhàn)能力牽引的裝備需求分析、裝備項目聯(lián)合審查、裝備全壽命周 期管理等方面的數(shù)據(jù)分析工作，提升基于數(shù)據(jù)的管理決策效能。