欒瑞鵬

（91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

當(dāng)前，全面推動(dòng)軍事裝備大數(shù)據(jù)建設(shè)，已成為軍地各方的共識(shí)。裝備試驗(yàn)鑒定，是檢驗(yàn)武器裝備技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能進(jìn)行全面考核并獨(dú)立作出評(píng)價(jià)結(jié)論的綜合性活動(dòng)［1］。試驗(yàn)鑒定在裝備全壽命周期中處于承上啟下的關(guān)鍵地位，試驗(yàn)場(chǎng)在試驗(yàn)鑒定過程中產(chǎn)生了內(nèi)容豐富、體量龐大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；裝備列裝部隊(duì)后，以部隊(duì)為主體的各類訓(xùn)練工作，尤其是近年來的大型演訓(xùn)活動(dòng)，同樣產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)［2］。從數(shù)據(jù)體量和作用范圍看，裝備試驗(yàn)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)，是裝備全壽命周期的數(shù)據(jù)主體。試驗(yàn)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)整合，對(duì)在役考核等試驗(yàn)鑒定工作，對(duì)效能評(píng)估、戰(zhàn)法研究、作戰(zhàn)能力提升等演訓(xùn)相關(guān)工作，以及面向全壽命周期的裝備管理工作，都有著重要意義［3］。

本文從飛行器試驗(yàn)訓(xùn)練工作實(shí)踐出發(fā)，分析了當(dāng)前飛行器試驗(yàn)數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合的難點(diǎn)，將知識(shí)圖譜理論與技術(shù)引入關(guān)聯(lián)整合研究，針對(duì)性地提出了一種基于知識(shí)圖譜的飛行器試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合方法，為型號(hào)裝備試訓(xùn)數(shù)據(jù)融合提供了一條便捷有效的技術(shù)路徑。

2 試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合難點(diǎn)分析

飛行器試驗(yàn)數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合的難點(diǎn)，源自飛行器試驗(yàn)工作與結(jié)合飛行器的訓(xùn)練工作之間的差別。二者之間最為顯著的差別是試驗(yàn)與訓(xùn)練的目標(biāo)不同，裝備試驗(yàn)的目標(biāo)，是考核武器裝備相關(guān)性能、效能指標(biāo)，強(qiáng)調(diào)確定輸入、有限狀態(tài)；結(jié)合裝備的訓(xùn)練工作目標(biāo)，是鞏固和提升部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，發(fā)現(xiàn)作戰(zhàn)方面的問題短板，其作用范圍是“人+裝備”，強(qiáng)調(diào)體系、強(qiáng)調(diào)對(duì)抗、強(qiáng)調(diào)“背靠背”。不同工作目標(biāo)，帶來了環(huán)境構(gòu)設(shè)、組織實(shí)施、測(cè)試采集等一系列差別，這些差別最終都會(huì)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上，導(dǎo)致試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合困難。具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

一是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面。為開展相關(guān)型號(hào)飛行器試驗(yàn)工作，試驗(yàn)場(chǎng)通過多年建設(shè)，一般擁有以高精度測(cè)控系統(tǒng)為代表的試驗(yàn)條件體系，通過試驗(yàn)專用裝備獲取全面數(shù)據(jù)，歷來是試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)。由于試驗(yàn)專用裝備精密性、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)，飛行器試驗(yàn)數(shù)據(jù)多以觀測(cè)數(shù)據(jù)，即結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，附加一定的半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（如圖像等）。而飛行器訓(xùn)練數(shù)據(jù)，由于目標(biāo)、對(duì)象、范圍、采集裝備的不同，數(shù)據(jù)多為錄取數(shù)據(jù)，特別是一線部隊(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，多數(shù)要通過“采集表”完成采集，即飛行器訓(xùn)練數(shù)據(jù)的主體，是“數(shù)據(jù)采集表”為代表的非結(jié)構(gòu)化錄取數(shù)據(jù)。

二是數(shù)據(jù)場(chǎng)景方面。飛行器是飛行器試驗(yàn)工作的核心，由于其考核性特點(diǎn)，其輸入往往采用預(yù)先裝訂的方式，強(qiáng)調(diào)確定環(huán)境、有限狀態(tài)，作戰(zhàn)平臺(tái)直接參與較少，同時(shí)，試驗(yàn)有階段性，同步伴隨著飛行器技術(shù)狀態(tài)的變更，需要恢復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)場(chǎng)景，數(shù)據(jù)才具備關(guān)聯(lián)的可能性。結(jié)合飛行器的訓(xùn)練工作，特別是演訓(xùn)工作，是偵察預(yù)警、作戰(zhàn)平臺(tái)、飛行器等多種類裝備在指揮鏈路下的體系運(yùn)用，飛行器只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，其與訓(xùn)練的體系運(yùn)用之間，是“部分”和“整體”的關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)景恢復(fù)的要求更高，如果不能恢復(fù)從指揮所到發(fā)射臺(tái)的整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路，而單獨(dú)提取飛行器數(shù)據(jù)，如同脫離“整體”描述“部分”，往往導(dǎo)致只見樹木不見森林，數(shù)據(jù)本身也容易“碎片化”，很難發(fā)揮應(yīng)有作用。

綜上，飛行器試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合難點(diǎn)，在于非結(jié)構(gòu)為主體的混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)場(chǎng)景的恢復(fù)。傳統(tǒng)的基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫開發(fā)管理系統(tǒng)的方式，處理優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，難以在非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)場(chǎng)景恢復(fù)方面發(fā)揮作用。需要新技術(shù)手段的支持。

3 知識(shí)圖譜技術(shù)概述

知識(shí)圖譜是結(jié)構(gòu)化的語義知識(shí)庫，用于以符號(hào)形式描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系［4］。其基本組成單位是“實(shí)體－關(guān)系－實(shí)體”三元組，以及“實(shí)體－屬性”值對(duì)，實(shí)體間通過關(guān)系相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀的知識(shí)結(jié)構(gòu)［5］。知識(shí)圖譜技術(shù)廣泛應(yīng)用于搜索引擎、智能問答、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域，涌現(xiàn)出DB-pedia［6］、Freebase［7］等著名通用領(lǐng)域知識(shí)庫，以及中醫(yī)［8］、金融［9］等垂直領(lǐng)域知識(shí)圖譜，并在故障分析［10］、公安警務(wù)［11］等方面發(fā)揮了實(shí)際作用，是公認(rèn)的人工智能技術(shù)重要基石［12］。由于試驗(yàn)鑒定領(lǐng)域的特殊性，知識(shí)圖譜服務(wù)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理的相關(guān)研究較為匱乏。

知識(shí)圖譜技術(shù)源自語義網(wǎng)，以實(shí)體和關(guān)系描述語義，語義本身就是非結(jié)構(gòu)的，故知識(shí)圖譜在非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的描述方面，有著天然優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，知識(shí)圖譜的底層是圖結(jié)構(gòu)，圖結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)追溯、鏈路關(guān)聯(lián)等方面，得到廣泛研究和大量應(yīng)用［13］。

知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，常采用Neo4j數(shù)據(jù)庫［14］。Neo4j是一款基于Java開發(fā)的開源NoSQL圖數(shù)據(jù)庫，Neo4j完全支持ACID事務(wù)，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，由于其Java內(nèi)核，可以部署在多種平臺(tái)上，具有高性能、可定制、可視化、易于開發(fā)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，自2007年發(fā)布至今，已在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是目前最流行的圖數(shù)據(jù)庫。

知識(shí)圖譜的上述特點(diǎn)，使其特別適用于非結(jié)構(gòu)為主體的混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理以及總體數(shù)據(jù)場(chǎng)景的恢復(fù)工作，可為試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合工作提供有力技術(shù)支持。

4 基于知識(shí)圖譜的試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合方法

4.1 方法概述

傳統(tǒng)的知識(shí)圖譜建模方式，包括本體構(gòu)建、信息抽取、知識(shí)融合等過程［5］。飛行器試驗(yàn)與訓(xùn)練具有高度復(fù)雜性，覆蓋試驗(yàn)訓(xùn)練的本體構(gòu)建，在成本和時(shí)間方面代價(jià)太大；同時(shí)，飛行器試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本方法的功能定位，是數(shù)據(jù)的頂層引導(dǎo)，故簡化了構(gòu)建流程，采用屬性圖模式的知識(shí)圖譜描述方式，由領(lǐng)域?qū)＜胰斯ざx實(shí)體集與關(guān)系集，以自動(dòng)抽取加人工干預(yù)的方式構(gòu)建，方法流程如下。

Step1：對(duì)飛行器試驗(yàn)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行全面解析，解析粒度均為數(shù)據(jù)文件級(jí)；

Step2：定義關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型Ga=｛Es，Ex，Ra｝；

Step3：定義試驗(yàn)實(shí)體類型集Es=｛Es1，Es2，…Esn｝，n為實(shí)體類型數(shù)量；

Step4：定義訓(xùn)練實(shí)體類型集Ex=｛Ex1，Ex2，…Esm｝，m為實(shí)體類型數(shù)量；

Step5：定義關(guān)系集Ra=｛R1，R2，…Rt｝，t為關(guān)系類型數(shù)量；

Step6：以自動(dòng)抽取加人工干預(yù)的方式，對(duì)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型Gs=｛Es，Ex，Ra｝進(jìn)行實(shí)例化；

Step7：將實(shí)例化后的三元組列表，導(dǎo)入Neo4j數(shù)據(jù)庫。

4.2 實(shí)體描述

根據(jù)飛行器試驗(yàn)與訓(xùn)練的工作特點(diǎn)，以及試驗(yàn)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)特點(diǎn)，由領(lǐng)域?qū)＜以O(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)訓(xùn)練實(shí)體類型。由于篇幅限制，這里僅列出六類試驗(yàn)實(shí)體，“數(shù)據(jù)文件、試驗(yàn)情況、被試裝備、發(fā)射情況、試驗(yàn)條件”，組成試驗(yàn)實(shí)體類型集，Es=｛Esjwj，Esyqk，Ebszb，Efsqk，Edytnl，Esytj｝；七類訓(xùn)練實(shí)體，即“訓(xùn)練數(shù)據(jù)文件、任務(wù)情況、環(huán)境條件、飛行器情況、平臺(tái)、指控武控系統(tǒng)、戰(zhàn)果情況”，組成訓(xùn)練實(shí)體類型集，Ex=｛Exlsjwj，Erwqk，Ehjtj，Ewqxtqk，Ehjtj，Ept，Ezkwkqk，Ezgqk｝。通過實(shí)體類型指導(dǎo)具體實(shí)體的實(shí)例化，不同試驗(yàn)、訓(xùn)練實(shí)體類型與對(duì)應(yīng)屬性如表1、表2所示。

表1 試驗(yàn)實(shí)體類型與屬性表

表2 訓(xùn)練實(shí)體類型與屬性表

4.3 關(guān)系描述

實(shí)體間的關(guān)系是知識(shí)圖譜模型結(jié)構(gòu)的重要組成，在圖譜功能發(fā)揮方面起到關(guān)鍵作用，關(guān)系由頭實(shí)體、尾實(shí)體、關(guān)系屬性組成，是有方向的邊，可描述為ri=｛ehead，eend，ratrr1，rattr2，…｝，如圖1所示。

圖1 關(guān)系示例

關(guān)系將飛行器試驗(yàn)實(shí)體集與訓(xùn)練實(shí)體集“鏈接”為一個(gè)整體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)整合。根據(jù)飛行器試驗(yàn)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)“輸入、輸出、包含、鄰進(jìn)（鄰接遞進(jìn)）、鄰接、時(shí)序、調(diào)用、演變、關(guān)聯(lián)、依據(jù)、記錄”十一類關(guān)系（由于篇幅限制，暫不列出相關(guān)屬性）。

下面以Neo4j數(shù)據(jù)庫為存儲(chǔ)環(huán)境，結(jié)合簡單示例，說明知識(shí)圖譜的“實(shí)體與關(guān)系”結(jié)構(gòu)，對(duì)試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的支撐作用。如圖2所示，某型飛行器執(zhí)行xx試驗(yàn)任務(wù)，發(fā)射“xx01”、“xx02”兩飛行器，武控系統(tǒng)產(chǎn)生“發(fā)射參數(shù)”裝訂文件，通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算獲得兩飛行器的“軌跡數(shù)據(jù)”文件；該型飛行器在xx訓(xùn)練任務(wù)中發(fā)射“xs08”、“xs09”兩飛行器，武控系統(tǒng)生成“發(fā)射參數(shù)”文件，并獲得兩枚彈的軌跡數(shù)據(jù)文件。四飛行器屬于相同“技術(shù)狀態(tài)”，故軌跡數(shù)據(jù)之間，通過“xx技術(shù)狀態(tài)”實(shí)體實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，而該型號(hào)其他試驗(yàn)中如“xx03”飛行器，屬于不同技術(shù)狀態(tài)，與訓(xùn)練沒有關(guān)聯(lián)關(guān)系，在圖譜中呈現(xiàn)不聯(lián)通狀態(tài)；“xx01”、“xx02”飛行器屬于雙發(fā)齊射，故其“發(fā)射參數(shù)”文件存在相互關(guān)聯(lián)，試驗(yàn)中的“xx02”發(fā)射參數(shù)中“xx參數(shù)”與訓(xùn)練中的“xs09”發(fā)射參數(shù)一致，故二者存在關(guān)聯(lián)（“xx參數(shù)”為關(guān)聯(lián)屬性）。

圖2 基于知識(shí)圖譜的試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)示例

5 試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的計(jì)算效率分析

飛行器試、訓(xùn)數(shù)據(jù)體量龐大，試訓(xùn)數(shù)據(jù)之間的廣域關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)場(chǎng)景的恢復(fù)，往往會(huì)產(chǎn)生大量的關(guān)聯(lián)計(jì)算操作，這是試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合必須考慮并解決的問題。而知識(shí)圖譜在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方面的計(jì)算效率，相比關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有著非常強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。知識(shí)圖譜存儲(chǔ)于Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中，圖數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)與它相臨節(jié)點(diǎn)的引用，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相當(dāng)于與其相鄰節(jié)點(diǎn)的微索引，這種方式的顯著優(yōu)點(diǎn)是，查詢時(shí)間和圖的整體規(guī)模無關(guān)，只與它附近節(jié)點(diǎn)的數(shù)量成正比。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，使用全局索引連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些索引對(duì)每個(gè)遍歷都會(huì)增加中間層，因此會(huì)導(dǎo)致非常大的計(jì)算成本。

以如下場(chǎng)景為例，比較說明知識(shí)圖譜的關(guān)聯(lián)計(jì)算效率?！澳筹w行器試驗(yàn)中的雙發(fā)齊射任務(wù)，在演訓(xùn)中哪些平臺(tái)也執(zhí)行了該飛行器的雙發(fā)齊射？進(jìn)一步關(guān)聯(lián)，執(zhí)行了雙發(fā)齊射的某平臺(tái)，還執(zhí)行了哪些任務(wù)？”對(duì)于該關(guān)聯(lián)場(chǎng)景，如果在關(guān)系數(shù)據(jù)庫下實(shí)現(xiàn)，如關(guān)聯(lián)訓(xùn)練中執(zhí)行雙發(fā)任務(wù)的平臺(tái)，要執(zhí)行鄰接表的索引查詢，時(shí)間成本為O（log（n）），n為索引表長度。該復(fù)雜度還是可以接受的，但若繼續(xù)關(guān)聯(lián)執(zhí)行了雙發(fā)齊射的某平臺(tái)，還執(zhí)行了哪些任務(wù)，則需要遍歷整個(gè)索引，時(shí)間復(fù)雜度為O（n），如果平臺(tái)數(shù)量為m（m遠(yuǎn)小于n），則總的時(shí)間復(fù)雜度為O（mnlog（n））。

圖3 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫計(jì)算效率示例

同樣場(chǎng)景下使用知識(shí)圖譜進(jìn)行關(guān)聯(lián)。知識(shí)圖譜中每個(gè)實(shí)體節(jié)點(diǎn)都直接或間接指向其相鄰節(jié)點(diǎn)的指針。要關(guān)聯(lián)訓(xùn)練中執(zhí)行雙發(fā)任務(wù)的平臺(tái)，只需要在關(guān)系鏈表中遍歷，每次的遍歷成本僅為O（1）。若繼續(xù)關(guān)聯(lián)執(zhí)行了雙發(fā)齊射的某平臺(tái)，還執(zhí)行了哪些任務(wù)，時(shí)間復(fù)雜度也僅為O（m），其中m遠(yuǎn)小于n，相比于關(guān)系數(shù)據(jù)模型，知識(shí)圖譜在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)追溯的計(jì)算效率方面，占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

圖4 基于Neo4j的知識(shí)圖譜計(jì)算效率示例

6 結(jié)語

本文提出了一種基于知識(shí)圖譜的飛行器試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合方法，該方法通過實(shí)體、關(guān)系描述與提取，建立了覆蓋飛行器試訓(xùn)數(shù)據(jù)的知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的管理以及數(shù)據(jù)場(chǎng)景恢復(fù)，在廣域數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的計(jì)算效率方面，相比關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型具有明顯優(yōu)勢(shì)。需要指出的是，飛行器試訓(xùn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任何一種技術(shù)方法，都不可能完成全部任務(wù)，本文提出的方法，適用于“數(shù)據(jù)文件”這種粗粒度的關(guān)聯(lián)與場(chǎng)景恢復(fù)，數(shù)據(jù)元素粒度的關(guān)聯(lián)整合，是未來的研究重點(diǎn)。