基于本体建模的态势推理

基于本体建模的态势推理作者：李宝森王浩军穆仕博
来源：《航空科学技术》2021年第02期
摘要：為了克服传统推理方法在态势表示和态势推理方面的不足，本文针对态势推理问题，以本体建模储存态势推理所需要的规则知识，使得战场逻辑规则清晰化，易于扩展。

结合
态势本体逻辑，对基于关系数据库存储的战场数据进行识别、分类，完成态势信息从关系数据库到本体的转化，从而将态势推理问题转化为基于本体建模的战场态势推理。

该方法充分考虑到了真实战场情况下的多态势要素导致的多属性决策推理问题，使得推理结果更加贴近现实，具有较好的实用性。

关键词：态势推理；本体；关系数据库；多属性决策
中图分类号：V11文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.012
基金项目：航空科学基金（2016ZC12020）
传统的态势推理方法大多是建立在战场规则知识库基础上的属性匹配[1]，根据已有的态势知识库，将当前战场观测的情报数据与知识库逐一匹配搜索[2]，这种方式的态势推理在知识库规则严格完整时，处理单个目标时能够取得很好的效果[3]。

但是这种模板匹配都是对规则知识库的严格匹配，真实的战场情况中态势要素往往不能和模板规则严格匹配，这会导致对目标作战意图的态势推理没有结果。

而即使推导出相应的结果，也不能给决策者相应的置信度概率参考，从而并不能发挥出有效的作用。

除此以外，评估和推理目标作战意图和众多态势要素相关，为了能够实现模板的完全匹配，知识库规则需要考虑众多目标状态因素、目标属性因素、环境因素和政治背景因素等，这就使得模板匹配的规则知识库变得庞大而又复杂，所以传统的推理方法难以解决该问题[4]。

世界各国关于态势估计的系统已经有数十种，以专家系统、模板匹配、计划识别、概率推理等方法来实现[5-12]。

美国在态势估计系统的研究方面比较成熟，目前已经开发了多个态势估计系统。

美国利用品质因数技术开发的品质因素系统，该系统可以对战场不同实体单元进行识别，如战场中的武器、作战目标等。

该系统根据战场实体单元的特点进行层次划分，并建立了一个战场分层的系统结构。

战场情报准备（IPB）系统是美国军队专门开发的战场情报准备系统，该系统通过分析战场环境来描述敌人从过去到现在的行动，并对目标未来的意图进行预测。

态势估计在国内的研究起步比较晚，自20世纪80年代才有关于信息融合的报道。

1991年海湾战争以后，我国开始重视信息融合，对信息融合的研究逐渐兴起。

目前我国关于态势估计的研究主要以理论为主。

康耀红[13]从理论层面对态势估计的目标意图识别进行了分析，认为主要使用基于模板的技术和人工智能领域的相关技术来实现意图识别，但是没有就态势的具体应用进行详细说明。

姚春燕[14]从时间的角度实现态势推理，对敌意图识别看成分类问题并引入概率统计等方法来完成。

姚莉[15]建立了分布式的基于人工智能协作方法的知识模型，使用人工智能领域的智能技术建立分布式处理方式。

此外还有针对高层次的信息融合进行了研究，徐从富[16]从神经网络和黑板结构出发，建立关于通信数据的融合模型，使用如敌军装备水平及作战行动等来实现态势的简单描述，并建立分层的的态势模型。

空军工程大学王凤山[17]使用动力学来描述参战双方的作战力量，建立了防空作战背景的实战模型，并使用势函数来分析
态势规律。

中国电子科技集团28所针对空军研发的专家系统，可以对战场环境下的目标进行国籍、类型以及活动进行判断，并建立了1400余条的高质量知识库系统等。

本体是一种可以在语义和知识层次上描述知识层次的工具，提供了一种对信息和知识进行规范化描述和建立模型的方法，它完全能够接受并存储复杂的知识库规则，而且建立好的专家本体知识库使得规则可视化较强，逻辑描述精确且易扩充，最终形成一种网络状的推理规则模型[5]。

对于复杂战场数据处理方便，在结合对本体知识库中节点之间因果关系概率分配的基础上，最终可以得到一个数据化的推理结果，完成态势推理。

1本体知识建模
1.1本体的构建方法
为了构建能够体现战场态势推理的网络结构，需要首先完成对战场态势要素的提取以及分析，将其作为本体网络中的节点，然后分析节点之间的关系，对本体构建的逻辑进行专家检验，若合理则进一步检查逻辑的完整性，最终使用本体建模工具Protégé完成对本体的构建。

（1）战场关键态势要素的分析
为了达到对战场目的和行动的精准描述的目标，首先应该对战场相关的态势要素进行一定的归纳分析，态势要素就是战场中一些比较重要的数据类型的总结。

（2）态势要素间关系分析
在完成第一步对态势要素的分析之后，需要进一步考虑各态势要素之间的逻辑以及作用关系，使得战场层级推理的逻辑清晰化。

（3）本体逻辑及完整性检验
在态势要素之间关系确定的基础上，需要对关系的逻辑进行检查，确保其合乎专家经验，并且在合理的基础上尽可能完善逻辑。

这是战场态势推理的关键知识规则，也只是规则存储在本体中的重要体现。

1.2确定本体关键态势要素
对目标的态势推理需要考虑战场上复杂的环境，在使用基于本体推理的基础上，只需要根据专家经验选取能够影响目标态势推理的核心态势要素。

通常用于进行敌方目标意图推理的因素有以下几种。

（1）目标固态属性
目标固态属性主要考虑平台、目标类型等。

平台属性指对目标类型的判断，在能判断出目标飞机或者舰船的具体型号时，将具体型号作为目标属性，否则平台属性为飞机或者舰船。

（2）目标变化属性
目标变化属性主要考虑目标的高度、速度的状态以及经纬度、航向角以及持续时间，确定节点的速度状态（高速度、中速度和低速度）、高度状态（低、中和高）、离目标距离状态（远、中和近）、电磁行为状态等。

速度和高度是体现目标运动属性最重要的信息之一，同时也可以充分体现目标此时的机动性能，某一目标某时刻的意图往往是和它的速度、高度的运动信息密切相关，即使是目标的固态属性相同，也会因为速度高度信息的不同，推理出截然不同的结果。

而经纬度和航向角同样是重要的动态属性，以防空作战场景为例，敌方目标在与我方进行空战之前，必然会在航向角上朝向我方，因此航向角和经纬度相对于我们的程度会给态势推理提供重要的线索。

速度状态、高度状态则主要是对目标速度高度的模糊化处理，通过选定的隶属度函数和目标不同类型对应的速度范围，将目标的速度进行模糊化处理。

目标距离状态作为动态属性，考虑到敌方若要发动攻击，一定会先调整位置使得雷达能够探测到我方，因此双方之间的距离状态在一定程度上可以反映我们所要推理的目的。

电磁行为主要考虑电磁装备、武器装备、通信装备，确定节点为电磁开关状态（探察设备开关、保障设备开关以及武器装备开关）；电磁设备属性可以统称为辐射源属性，以飞机目标为例，在飞机从航母起飞、空中拦截、返航的过程中都有对应的辐射源开关，因此，辐射源属性也可以作为目标态势推理的重要来源。

（3）目标军事属性
目标军事属性首要判别的是在军事活动的活跃区域、重要的军事范围，确定节点为军事区域状态，以及目标的战场、历史、文化、经济和政治知识。

（4）战役级态势推理要素
战役级态势推理要素是态势推理的终点，也就是前面几种态势要素的逻辑组合会共同推理出这一级的态势推理要素，图1中列出了越界、攻击、巡逻、侦察、转场这几种态势推理结果。

本文主要考虑侦察、巡逻、攻击这三种态势要素。

1.3基于本体表示态势推理逻辑
通过构建的本体态势要素中的普通态势要素和最终的战役级态势推理要素，构建出侦察、巡逻和攻击这三种模式的本体推理逻辑判断，将三种本体逻辑连接起来就是最终的本体态势推理逻辑。

（1）侦察模式
这种模式是敌方为了收集我方的军事战斗数据所进行的侦察与探察。

在这种模式下，当目标被捕获之后，通过目标基础运动态势要素可以得到目标是否以固定航向在做非机动飞行，再根据目标的距离状态我们可以得到飞机是否再进行侦察或者是其他行状态。

最终再以目标电磁设备属性作为辅助的态势要素，最终确定目标是否再进行侦察。

（2）巡逻模式
巡逻是指为了避免被攻击的警戒行为。

这种模式下的飞机一般会将火控雷达关闭，只开启用于巡逻的设备，而且在固定区域以固定航线进行飞行。

（3）攻击模式
攻击是敌方目标正式对我们发起进攻的行为模式，这种情况的飞机的辐射源会将指定型号的火控雷达打开，飞机进行战术机动行为，飞机速度和高度会因为攻击的飞机型号与飞机前一个状态发生明显变化。

2战场关系数据库到本体的转换
将知识规则存储到了本体中，但是只有本体中的推理逻辑不能进行战场态势推理。

因此需要对战场数据进行快速识别、组织和分类，将其转换为有关联的战场关系数据库，在此基础上，再结合我们的本体推理逻辑，实现实时数据库到本体模型的转化，从而拥有了进一步战场态势推理的基础。

2.1构建战场关系数据库
2.1.1战场数据库的预处理
原始的戰场数据比较复杂。

可以直接获取的数据，如静态数据目标型号、属性和动态数据目标经纬度、高度、速度等。

直接数据经过处理可以得到间接数据（如速度的加减速状态、高度的升降状态等）。

数据的分类结构如图2所示。

2.1.2建立战场关系数据库
在对原始战场数据进行了分类和预处理后，以本体中的目标固有属性为参考，对数据进行合理的组织描述，通过以下几步完成关系数据库的建立。

（1）明确目标的所有类型
在明确战场上所有目标类型基础上，可以建立出一张含有所有目标类型的总表（见表1）。

（2）明确所有目标的属性
对于目标类型的总表中列出的目标，需要对每个目标的属性进行确定（见表2）。

（3）最终目标表结构确定
完成了属性分析后，根据每个目标所拥有的属性，建立对应的目标表，以战斗机为例，其表结构，如行为属性目标表，包含类、属性、实例、关系等字段。

主要包含飞机标识号、型号、经度、纬度、高度、速度、升高状态、雷达工作模式、记录时间等字段。

（4）目标关联表
目标关联表表达目标之间的关系，对应于本体中概念及属性间的关系。

以飞机和机场间的关系为例，其表结构包含飞机标识号和机场标识号。

2.2数据库到本体的转换
在完成了基于态势要素的战场本体构建和基于数据分类的战场数据库构建后，需要将关系数据库实例化到态势估计领域本体。

根据数据库和专家本体知识库的特性，可以得到数据库到本体的语义映射和转换原则：（1）数据库目标表到本体的转换，将一个目标表名转换为一个本体类或一个本体关系；（2）数据库表中字段到本体的转换，将目标表中字段转换为本体属性或本体关系；（3）数据库表中记录到本体的转换，将目标表中记录转换为一个本体实例；（4）数据库表中外键到本体的转换，将目标表中外键转换为一个本体关系；（5）数据库表中主键到本体的转换，将目标表中主键转换为一个本体属性或与其他目标表之间的本体关系。

通过以上对战场关系数据库的实体识别，属性识别以及关系识别，将关系数据库转化为给具有语义信息的态势领域的本体模型。

而经纬度和航向角同样是重要的动态属性，以防空作战场景为例，敌方目标在与我方进行空战之前，必然会在航向角上朝向我方，因此航向角和经纬度相对于我们的程度会给态势推理提供重要的线索。

速度状态、高度状态则主要是對目标速度高度的模糊化处理，通过选定的隶属度函数和目标不同类型对应的速度范围，将目标的速度进行模糊化处理。

目标距离状态作为动态属性，考虑到敌方若要发动攻击，一定会先调整位置使得雷达能够探测到我方，因此双方之间的距离状态在一定程度上可以反映我们所要推理的目的。

电磁行为主要考虑电磁装备、武器装备、通信装备，确定节点为电磁开关状态（探察设备开关、保障设备开关以及武器装备开关）；电磁设备属性可以统称为辐射源属性，以飞机目标为例，在飞机从航母起飞、空中拦截、返航的过程中都有对应的辐射源开关，因此，辐射源属性也可以作为目标态势推理的重要来源。

（3）目标军事属性
目标军事属性首要判别的是在军事活动的活跃区域、重要的军事范围，确定节点为军事区域状态，以及目标的战场、历史、文化、经济和政治知识。

（4）战役级态势推理要素
战役级态势推理要素是态势推理的终点，也就是前面几种态势要素的逻辑组合会共同推理出这一级的态势推理要素，图1中列出了越界、攻击、巡逻、侦察、转场这几种态势推理结果。

本文主要考虑侦察、巡逻、攻击这三种态势要素。

1.3基于本体表示态势推理逻辑
通过构建的本体态势要素中的普通态势要素和最终的战役级态势推理要素，构建出侦察、巡逻和攻击这三种模式的本体推理逻辑判断，将三种本体逻辑连接起来就是最终的本体态势推理逻辑。

（1）侦察模式
这种模式是敌方为了收集我方的军事战斗数据所进行的侦察与探察。

在这种模式下，当目标被捕获之后，通过目标基础运动态势要素可以得到目标是否以固定航向在做非机动飞行，再根据目标的距离状态我们可以得到飞机是否再进行侦察或者是其他行状态。

最终再以目标电磁设备属性作为辅助的态势要素，最终确定目标是否再进行侦察。

（2）巡逻模式
巡逻是指为了避免被攻击的警戒行为。

这种模式下的飞机一般会将火控雷达关闭，只开启用于巡逻的设备，而且在固定区域以固定航线进行飞行。

（3）攻击模式
攻击是敌方目标正式对我们发起进攻的行为模式，这种情况的飞机的辐射源会将指定型号的火控雷达打开，飞机进行战术机动行为，飞机速度和高度会因为攻击的飞机型号与飞机前一个状态发生明显变化。

2战场关系数据库到本体的转换
将知识规则存储到了本体中，但是只有本体中的推理逻辑不能进行战场态势推理。

因此需要对战场数据进行快速识别、组织和分类，将其转换为有关联的战场关系数据库，在此基础上，再结合我们的本体推理逻辑，实现实时数据库到本体模型的转化，从而拥有了进一步战场态势推理的基础。

2.1构建战场关系数据库
2.1.1战场数据库的预处理
原始的战场数据比较复杂。

可以直接获取的数据，如静态数据目标型号、属性和动态数据目标经纬度、高度、速度等。

直接数据经过处理可以得到间接数据（如速度的加减速状态、高度的升降状态等）。

数据的分类结构如图2所示。

2.1.2建立战场关系数据库
在对原始战场数据进行了分类和预处理后，以本体中的目标固有属性为参考，对数据进行合理的组织描述，通过以下几步完成关系数据库的建立。

（1）明确目标的所有类型
在明确战场上所有目标类型基础上，可以建立出一张含有所有目标类型的总表（见表1）。

（2）明确所有目标的属性
对于目标类型的总表中列出的目标，需要对每个目标的属性进行确定（见表2）。

（3）最终目标表结构确定
完成了属性分析后，根据每个目标所拥有的属性，建立对应的目标表，以战斗机为例，其表结构，如行为属性目标表，包含类、属性、实例、关系等字段。

主要包含飞机标识号、型号、经度、纬度、高度、速度、升高状态、雷达工作模式、记录时间等字段。

（4）目标关联表
目标关联表表达目标之间的关系，对应于本体中概念及属性间的关系。

以飞机和机场间的关系为例，其表结构包含飞机标识号和机场标识号。

2.2数据库到本体的转换
在完成了基于态势要素的战场本体构建和基于数据分类的战场数据库构建后，需要将关系数据库实例化到态势估计领域本体。

根据数据库和专家本体知识库的特性，可以得到数据库到
本体的语义映射和转换原则：（1）数据库目标表到本体的转换，将一个目标表名转换为一个本体类或一个本体关系；（2）数据库表中字段到本体的转换，将目标表中字段转换为本体属性或本体关系；（3）数据库表中记录到本体的转换，将目标表中记录转换为一个本体实例；（4）数据库表中外键到本体的转换，将目标表中外键转换为一个本体关系；（5）数据库表中主键到本体的转换，将目标表中主键转换为一个本体属性或与其他目标表之间的本体关系。

通过以上对战场关系数据库的实体识别，属性识别以及关系识别，将关系数据库转化为给具有语义信息的态势领域的本体模型。

而经纬度和航向角同样是重要的动态属性，以防空作战场景为例，敌方目标在与我方进行空战之前，必然会在航向角上朝向我方，因此航向角和经纬度相对于我们的程度会给态势推理提供重要的线索。

速度状态、高度状态则主要是对目标速度高度的模糊化处理，通过选定的隶属度函数和目标不同类型对应的速度范围，将目标的速度进行模糊化处理。

目标距离状态作为动态属性，考虑到敌方若要发动攻击，一定会先调整位置使得雷达能够探测到我方，因此双方之间的距离状态在一定程度上可以反映我们所要推理的目的。

电磁行为主要考虑电磁装备、武器装备、通信装备，确定节点为电磁开关状态（探察设备开关、保障设备开关以及武器装备开关）；电磁设备属性可以统称为辐射源属性，以飞机目标为例，在飞机从航母起飞、空中拦截、返航的过程中都有对应的辐射源开关，因此，辐射源属性也可以作为目标态势推理的重要来源。

（3）目标军事属性
目标军事屬性首要判别的是在军事活动的活跃区域、重要的军事范围，确定节点为军事区域状态，以及目标的战场、历史、文化、经济和政治知识。

（4）战役级态势推理要素
战役级态势推理要素是态势推理的终点，也就是前面几种态势要素的逻辑组合会共同推理出这一级的态势推理要素，图1中列出了越界、攻击、巡逻、侦察、转场这几种态势推理结果。

本文主要考虑侦察、巡逻、攻击这三种态势要素。

1.3基于本体表示态势推理逻辑
通过构建的本体态势要素中的普通态势要素和最终的战役级态势推理要素，构建出侦察、巡逻和攻击这三种模式的本体推理逻辑判断，将三种本体逻辑连接起来就是最终的本体态势推理逻辑。

（1）侦察模式
这种模式是敌方为了收集我方的军事战斗数据所进行的侦察与探察。

在这种模式下，当目标被捕获之后，通过目标基础运动态势要素可以得到目标是否以固定航向在做非机动飞行，再根据目标的距离状态我们可以得到飞机是否再进行侦察或者是其他行状态。

最终再以目标电磁设备属性作为辅助的态势要素，最终确定目标是否再进行侦察。

（2）巡逻模式
巡逻是指为了避免被攻击的警戒行为。

这种模式下的飞机一般会将火控雷达关闭，只开启用于巡逻的设备，而且在固定区域以固定航线进行飞行。

（3）攻击模式
攻击是敌方目标正式对我们发起进攻的行为模式，这种情况的飞机的辐射源会将指定型号的火控雷达打开，飞机进行战术机动行为，飞机速度和高度会因为攻击的飞机型号与飞机前一个状态发生明显变化。

2战场关系数据库到本体的转换
将知识规则存储到了本体中，但是只有本体中的推理逻辑不能进行战场态势推理。

因此需要对战场数据进行快速识别、组织和分类，将其转换为有关联的战场关系数据库，在此基础上，再结合我们的本体推理逻辑，实现实时数据库到本体模型的转化，从而拥有了进一步战场态势推理的基础。

2.1构建战场关系数据库
2.1.1战场数据库的预处理
原始的战场数据比较复杂。

可以直接获取的数据，如静态数据目标型号、属性和动态数据目标经纬度、高度、速度等。

直接数据经过处理可以得到间接数据（如速度的加减速状态、高度的升降状态等）。

数据的分类结构如图2所示。

2.1.2建立战场关系数据库
在对原始战场数据进行了分类和预处理后，以本体中的目标固有属性为参考，对数据进行合理的组织描述，通过以下几步完成关系数据库的建立。

（1）明确目标的所有类型
在明确战场上所有目标类型基础上，可以建立出一张含有所有目标类型的总表（见表1）。

（2）明确所有目标的属性
对于目标类型的总表中列出的目标，需要对每个目标的属性进行确定（见表2）。

（3）最终目标表结构确定
完成了属性分析后，根据每个目标所拥有的属性，建立对应的目标表，以战斗机为例，其表结构，如行为属性目标表，包含类、属性、实例、关系等字段。

主要包含飞机标识号、型号、经度、纬度、高度、速度、升高状态、雷达工作模式、记录时间等字段。

（4）目标关联表
目标关联表表达目标之间的关系，对应于本体中概念及属性间的关系。

以飞机和机场间的关系为例，其表结构包含飞机标识号和机场标识号。

2.2数据库到本体的转换
在完成了基于态势要素的战场本体构建和基于数据分类的战场数据库构建后，需要将关系数据库实例化到态势估计领域本体。

根据数据库和专家本体知识库的特性，可以得到数据库到。