应用本体理论构建联合作战实验室

［摘 要］ 针对我军院校实验室建设存在的建设体系分散、互通性与互操作性差等问题，本文提出了一种基于本体理论构建联合作战实验室的思路，结合我军特点，从本体知识的角度对联合作战实验室的内容进行划分，能够有效地表现知识的层次结构和语义关系，实现了语义层次上相互之间的信息共享和交换，使得联合实验室的建设更加结构化和合理化。

［关键词］ 联合作战实验室； 本体； 信息共享； 构建

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 03. 042

［中图分类号］ G64 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1673 - 0194（2012）03- 0078- 04

０ 引 言

随着我军建设向信息化转型，实验室作为支撑军事院校完成教学训练和科研任务的主要支柱，在新军事变革中担当着越来越重要的角色。面对席卷全球的信息化改革浪潮，作为培养作战指挥人才的教学与科研平台，军队院校的实验室在培养作战指挥人才方面起着十分重要的作用。信息化战场空间逐步向陆、海、空、天、电多维领域扩展，作战样式也向多样化方向发展，这就要求加快新型专业实验室的建设步伐。在这个由单一走向综合的过程中，一味地寻求多样化建设，以各自的学科分别建立自己的实验室，往往会忽视学科实验室之间的内容衔接，由此产生了许多问题：训练科目比较单一，各学科实验室种类繁杂，体系分散，相对封闭，互通性、互操作性差，存在重复建设和矛盾建设的现象等。由于信息化战争的主要特征是在信息共享的基础上，参战各军兵种在统一的联合指挥下采取相应的行之有效的作战行动，而目前实验室之间很难实现学科知识的共享，产生了“各自为战”的局面，当然也就无法适应信息化战场的要求。

联合作战实验室，作为学习和研究信息化条件下联合作战的重要平台，可以较好地解决现阶段存在的主要问题［１］。针对一体化联合作战实验室的构建，本文引入本体理论，提出基于本体的联合作战实验室模型。本体可以对问题领域的知识、概念、术语及概念之间的关系进行描述，从而得到共享、明确、规范化的概念术语及框架，促进领域问题的知识共享和模型重用。通过从本体知识的角度对联合作战实验室的内容进行划分，能够有效地表现知识的层次结构和语义关系，实现了语义层次上相互之间的信息共享和交换，使得联合实验室的建设更加结构化和合理化，达到了统一管理、节省资源、结构合理、交流方便的目的。

１ 联合作战实验室本体逻辑分析与构造

１．１ 本体概念

本体（Ｏｎｔｏｌｏｇｙ）一词最早起源于哲学领域，被定义为“对世界上客观存在物质的系统性描述”，它描述的是事件、对象、过程之间的关系，是一个客观存在的现实产物。它通过捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇和词汇之间相互关系的明确定义，以便计算机的理解与推理。它揭示了共享概念明确的形式化规范说明，即反映4层含义：概念模型、明确、形式化和共享。本体的基本形式可以表述为如下的几个要点［２］：

（１） 类（ｃｌａｓｓ）指的是功能、策略、行为以及推理等事务。从语义角度来说，类指的是对象集合，包括概念的名称、对概念的描述以及概念之间的关系。一个类通常对应着现实中的一个实体，也可以是一些抽象概念。

（２） 实例（ｉｎｓｔａｎｃｅ）代表元素，相当于类的对象。

（３） 函数（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）是特殊的关系。其中前（ｎ － １）个元素可以决定第ｎ个元素。形式化的表现为Ｅ１ × Ｅ２ × … × Ｅｎ － １ → Ｅｎ。例如Ｓｏｎ＿ｏｆ （ｍ，ｎ） 为一个函数，表示ｍ是ｎ的孩子。

（４） 公理（ａｘｉｏｍ）代表永真断言，如“Ａ是Ｂ的子集”。

（５） 关系（ｒｅｌａｔｉｏｎ）代表概念之间的相互作用，表现为ｎ维笛卡儿乘积：Ｅ１ × Ｅ２ × … × Ｅｎ。实际建模中的关系是可以随具体情况而增加的。一般关系有4种形式，如表１所示。

１．２ 联合作战实验室本体的组成结构

联合作战实验室本体是指在一体化联合作战实验室领域内不同层次和不同应用方向上，信息概念的详细内涵和层次关系，并给出概念的语义标识。构建联合作战实验室本体首先要明确联合作战实验室本体的逻辑结构，不仅要考虑实验室建设中的基本概念，而且要考虑联合作战实验室本体概念之间的纵向关系、横向关系、属性以及属性约束等内容，只有完整地表述上述内容，才能更准确、全面地描述联合作战实验室。

通过分析本体的基本形式，结合联合作战实验室自身的特点，提出了联合作战实验室本体的五元组结构：Ｏ ＝ （Ｃ， Ｒ， Ａ， ＡＲ， Ｉ）。Ｃ表示概念类，表示一组共享某些相同属性的对象的集合。例如软件平台类，包括基础平台类、支撑平台类以及应用平台类等。Ｒ表示概念之间的语义关系，包括概念之间的兄弟关系、等价关系等横向关系，以及父／子关系、整体／部分关系等纵向关系。Ａ表示属性，属性可分为数值类型属性与对象类型属性。数值类型属性表示个体与数值之间的关系，例如，“计算机终端”的“台数”属性，非“保密电话”的“号码”属性等；对象类型属性表示个体与个体之间的关系，比如（视频监控，依赖，通信系统）表达中，“依赖”就是对象类型属性，连接了“视频监控”和“通信系统”两个类。ＡＲ表示对属性的限制，主要是对属性取值的类型、范围等的限定。Ｉ表示个体，也就是类的实例。

１．３ 联合作战实验室本体的构建策略

建立本体是一件费时费力的工作，目前国际上还没有一种通用的适合各领域的本体开发模式， 研究人员往往从不同的应用目的出发构建各自的领域本体。本文运用领域专家和数据挖掘相结合的混合方式，建立联合作战实验室本体。如图１所示，创建本体过程为：

１．３.１ 本体规划

根据联合作战实验室所涉及领域、任务和内容，确定该本体应用目标的范围，并对知识进行收集。一般来说，目标和应用范围越大，本体就越复杂。因此在初期阶段应该尽量缩小应用范围，降低本体复杂度。

１．３.２ 本体设计

该阶段需要联合作战实验室领域专家的参与，分析联合作战实验室本体所有概念的含义及其关系得到共享属性，并通过数据挖掘获得概念的特征属性。使用消解和融合的方法对共享属性与特征属性冲突的地方进行消解和融合，消除语义冲突，确定属性集。本体设计大致分为以下4个部分：

（1） 识别联合作战实验室领域基本构成要素及其属性和关系。对每个分支领域进行分解，得到基本构成要素，并识别出其中的概念、属性等，并用形式化的语言对上述概念和关系进行描述。

（2） 根据识别出的基本要素，定义相关概念、关系及实例，并用形式化的语言进行描述。

（3） 采用语义模型表示联合作战实验室本体。

（4） 进行公理描述。将领域内的某些领域知识、常理、规则用形式化语言表达，可对属性等进行约束。

１．３.３ 本体评价

用本体描述语言表达本体后，还需要对本体进行评价和确认。该本体必须满足清晰性、一致性、完善性和可扩展性的要求。

１．３.４ 联合作战实验室本体建立

通过评价的本体加入到本体库中，并以文档形式保存所建立的联合作战实验室本体，否则转到本体设计阶段。

２ 联合作战实验室本体模型分析

２．１ 本体集成策略

目前应用本体技术进行信息集成一般有3种方法［３］（如图２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示）：单本体方法、多本体方法和混合方法。

（１） 单本体方法使用一个全局的本体来表示信息的含义。由于使用的是一个全局本体，涵盖了信息源中的所有内容，而信息源中的任何一个细小的变化都会导致全局本体发生改变，需要随时对整个本体进行修复。它的缺点是不灵活，修复本体时工作量大。

（２） 在混合方法中每个信息源用本地的本体描述。但是为了确保本体间的相互兼容，它们建立在一个共享的词汇表上。这样，新的信息源可以很容易地加入本体，同时，共享词汇表的使用使得本体间兼容，避免了多本体方法的异构现象。但混合方法同样存在缺陷：如果信息源中的术语和共享词汇表的术语差异很大，则本地本体的创建将非常困难。

因此，根据我军联合作战实验室的特点，本文提出一种改进的混合方法，如图２（ｄ）所示，首先在领域专家的指导下设计开发领域上层本体，构建出全局框架，然后各作战实验室根据自身特点和优势，将各自数据源转换成本地本体结构，并向上层本体嫁接，并调整形成完整的领域全局本体［４］。也就是说上层本体结构是所有实验室共有结构，而下层本体结构是各实验室特有结构。

本地本体向上层本体嫁接算法如下：

（１） 从本地本体Ｄ中选取类Ｃ，分析Ｃ同上层本体Ｐ的关系：

（ａ） 若Ｐ中只存在Ｃ的上位类Ｃ′，则为Ｃ′添加子类Ｃ，将Ｃ中和Ｃ′相同的属性提取到 Ｃ′上；同时将Ｃ的所有子类添加到Ｐ中，子类的关系和属性保持不变。

（ｂ） 如果Ｐ中只存在Ｃ的等价类Ｃ′，则为Ｃ′添加别名Ｃ，将Ｃ中和Ｃ′相同的属性提取到Ｃ′上，将Ｃ上的关系转移到Ｃ′上，再将Ｃ的所有子类添加到Ｐ中，子类的关系和属性保持不变。

（ｃ） 如果Ｐ中存在Ｃ的上位类Ｃ′、下位类Ｃ″而不存在等价类，则将Ｃ添加到Ｐ中，位于Ｃ′、Ｃ″之间，并与之构成父子类关系，将Ｃ中与Ｃ′相同的属性提取到Ｃ′上，将Ｃ″中与Ｃ相同的属性提取到Ｃ′上，同时将Ｃ的所有子类添加到Ｐ中，子类的关系和属性保持不变。

（２） 重复步骤 １，直至所有类都处理完成。

（３） 检查本体是否符合要求，必要时进行修正。

２．２ 联合作战实验室本体结构划分

描述联合作战实验室本体之前，首先要明确联合作战实验室所包括的基本概念以及概念之间的层次关系。

我们首先从联合作战实验室的种类和内容两方面创建上层公共本体结构。其中种类可以划分为陆军作战实验室、海军作战实验室、空军实验室和二炮实验室。按内容可划分为训练场地、硬件设施、软件平台、通信系统和保障人员。这样，种类和内容构成了上层本体结构，各个作战实验室根据自身特点分别建立自己的局部本体，之后把该本体作为下层本体嫁接到此上层本体上。这种划分方法使得本体结构更加清晰、明确。

由于作战实验室之间存在着差异，我们无法给出准确的本体结构，只能依据共享词汇表给出了下层本体的参考结构，而具体到各个实验室可以依据自身特点对下层本体进行扩充。在实验室种类方面，可以进一步划分为指挥实验室、作战保障实验室、心理战实验室、情报实验室、战术实验室、战役实验室、蓝军作战实验室、信息作战实验室和其他实验室。而在内容方面，训练场地可划分为导调室、对抗模拟室和监控室等；硬件设施可划分为计算机终端、投影、广播扩音、视频监控和网络交换及其他；软件平台可分为基础平台层、支持平台层、应用平台层及其他；通信系统可划分为多路通信、数字网和电话网及其他，同时电话网可进一步分为保密电话和非保密电话，而多路通信也可进一步划分为电缆、无线电接力、卫星、电台、传真电报及其他（详见图3）。

２．３ 联合作战实验室本体描述

应用本体描述语言（ＯＷＬ）对联合实验室本体进行描述。在图３中，每一个概念都是一个类，类与类之间通过对象类型属性相连接，同时也可以定义类的数据类型属性以及实例等。

以定义“导调室”类，ＯＷＬ描述如下：

＜ｏｗｌ： Ｃｌａｓｓ ｒｄｆ： ＩＤ＝“导调室”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“训练场地”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ＞

＜ｏｗｌ： Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ＞

＜ｏｗｌ： ｏｎＰｒｏｐｅｒｔｙ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“需要”／＞

＜／ｏｗｌ： Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ＞

＜ ／ｒｄｆｓ： ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ＞

＜／ｏｗｌ： Ｃｌａｓｓ＞

在上述代码中，定义了“导调室”类，该类是“训练场地”类的子类，同时该类也是一个匿名类的子类，该匿名类有一个“需要”的属性。由于在ＯＷＬ中不能直接在类中定义属性，所以需要通过匿名类定义这个属性，并通过“ｓｕｂＣｌａｓｓＯｆ”这种子类关系来继承该匿名类的属性。

除了上述类的定义外，属性要另外定义，并对属性定义域和值域进行限定。属性“需要”的ＯＷＬ描述如下：

＜ｏｗｌ： ＯｂｊｅｃｔＰｒｏｐｅｒｔｙ ｒｄｆ： ＩＤ＝“需要”＞

＜ｒｄｆｓ： ｔｙｐｅ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝ “ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅ３．ｏｒｇ／

２００２／０７／ｏｗｌ＃ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＰｒｏｐｅｒｔｙ”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｄｏｍａｉｎ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“＃导调室”＞

＜ ｒｄｆｓ： ｒａｎｇｅ ｒｄｆ： ｒｅｓｏｕｒｃｅ＝“＃电话网”＞

＜／ｏｗｌ： ＯｂｊｅｃｔＰｒｏｐｅｒｔｙ ＞

在上述代码中，规定了属性“需要”的定义域取值为“导调室”类，而值域取值为“电话网”类。这样就把两个不相关的类联系起来了，好处是可以增加语义的复杂度。

３ 结束语

为了弥补当前作战实验室存在的不足，本文提出使用本体建模元语来明确表示联合作战实验室的概念模型。该方法很好地实现了语义层次上的信息共享，并且使得联合作战实验室的建设更加结构化和合理化，为进一步研究联合作战实验室提供了理论基础。

主要参考文献

［１］ 刘海江． 一体化联合实验室建设构想［Ｊ］． 军队院校实验室工作研究， ２００６， ６（３）：３９－４１．

［２］ Ａ Ｇｏｍｅｚ－Ｐｅｒｅｚ． Ｏｎｔｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ： Ａ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ［J］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｔ Ｕｐｄａｔｅ，１９９９， ２（３）： ３３－４３．

［３］ Ｗａｃｈｅ Ｈ， Ｖｏｇｅｌｅ Ｔ， Ｖｉｓｓｅｒ Ｕ． Ｏｎｔｏｌｏｇｙ－Ｂａｓｅｄ Ｉｎｔｅｇｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ：Ａ Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ［C］// Pｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＬＩＣＡ０１ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ： Ｏｎｔｏｌｇｏｉｅｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｈａｒｉｎｇ， Ｓｅａｔｔｌｅ， ＷＡ，２００１： １０８－１１７．

［４］ 宋佳，王盼卿，等． 基于本体的装备领域信息集成方法研究［Ｊ］． 科学技术与工程， ２００９， ９（２）： ４５１－４５４．

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