面向應(yīng)用需求的裝備需求論證模型組合方法

趙 凱，郭齊勝，樊延平，穆 歌

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

隨著建模與仿真技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的不斷成熟，人們發(fā)現(xiàn)解決新的問(wèn)題時(shí)并不需要重新構(gòu)建所有的模型，而可以在原有模型的基礎(chǔ)上采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段集成原有的模型，形成滿足問(wèn)題需求的模型，于是模型組合就成為解決這種需求的有效方法。

模型組合是指將多個(gè)模型按照一定的語(yǔ)法規(guī)則、語(yǔ)義要求組合形成功能更加強(qiáng)大模型的過(guò)程［1］。在裝備需求論證領(lǐng)域，由于裝備需求論證目標(biāo)、過(guò)程、方法的日趨復(fù)雜，以裝備需求論證簡(jiǎn)單模型為基礎(chǔ)，根據(jù)裝備需求論證實(shí)踐要求組合形成功能比較復(fù)雜的論證功能模型，也是當(dāng)前裝備需求論證功能建模領(lǐng)域面臨的重要問(wèn)題。裝備需求論證實(shí)踐是驅(qū)動(dòng)裝備需求論證模型組合的內(nèi)在動(dòng)因。多樣化的裝備需求論證實(shí)踐要求裝備需求論證支持系統(tǒng)具有不同的功能組合，不同的功能組合需要由不同的論證模型組合生成。筆者依據(jù)裝備需求論證模型組合主要影響因素，面向裝備需求論證應(yīng)用需求，提出融合規(guī)則推理和案例推理的裝備需求論證模型組合集成推理方法，為提高裝備需求論證模型組合推理的有效性提供方法支撐。

1 模型組合理論

1.1 組合原理

裝備需求論證元模型的構(gòu)建采用了分解和“抽象”迭代的方法，按照“事物-子類-分類-類-基類”的順序，將裝備需求論證的各類功能模型抽象成更加簡(jiǎn)單、一般的基類，并通過(guò)基類的規(guī)范化定義和描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備需求論證模型的規(guī)范［2］。模型組合可以認(rèn)為是“抽象”的逆向過(guò)程，就是按照裝備需求論證模型的組合要求，它以裝備需求論證基類、類、分類或子類模型為基礎(chǔ)，通過(guò)模型語(yǔ)法和語(yǔ)義層面的有效銜接，生成更高層次的論證模型。其基本原理如圖1所示。

圖1 裝備需求論證模型組合的基本原理

1.2 組合框架

裝備需求論證模型組合的基礎(chǔ)是可重用的模型。根據(jù)裝備需求論證模型的組合原理可知，裝備需求論證模型的組合具有層次化的特征，由簡(jiǎn)單模型組合形成復(fù)雜模型的過(guò)程，可以從語(yǔ)法、語(yǔ)義和模型構(gòu)建3個(gè)層次進(jìn)行研究。為此，可構(gòu)建如圖2所示的裝備需求論證模型組合框架。

圖2 裝備需求論證模型組合框架

1）語(yǔ)法組合。即根據(jù)裝備需求論證模型組合的語(yǔ)法要求，主要包括接口參數(shù)數(shù)量、類型、順序等，從裝備需求論證模型庫(kù)中選擇模型進(jìn)行接口檢測(cè)與匹配，并按照語(yǔ)法組合規(guī)則，生成新的模型。

2）語(yǔ)義組合。即在語(yǔ)法組合的基礎(chǔ)上，要研究裝備需求論證模型的語(yǔ)義要求，研究待組合的裝備需求論證模型是否符合特定的應(yīng)用要求，比如有些模型是面向特定領(lǐng)域的模型，即使在語(yǔ)法組合檢測(cè)成功時(shí)，也不允許應(yīng)用于其他領(lǐng)域，這就需要進(jìn)行語(yǔ)義組合檢測(cè)。

3）模型構(gòu)建。一方面可采用概念建模的方式，將裝備需求論證功能系統(tǒng)的建模需求和內(nèi)容描述清楚，另一方面，以概念模型為基礎(chǔ)，驗(yàn)證組合模型的功能和輸入、輸出結(jié)果。

1.3 組合方式

根據(jù)裝備需求論證功能模型的相互關(guān)系，其組合方式主要有并發(fā)組合、順序組合、選擇組合和混合組合4種方式。

1）并發(fā)組合。由多個(gè)并行執(zhí)行的模型組合形成新模型的方式稱為并發(fā)組合。例如在裝備需求方案評(píng)估過(guò)程中，在已知評(píng)估指標(biāo)體系的情況下，底層指標(biāo)數(shù)據(jù)處理、指標(biāo)權(quán)重分析這2項(xiàng)活動(dòng)即為并行開(kāi)展的工作。當(dāng)由底層指標(biāo)數(shù)據(jù)處理模型和指標(biāo)權(quán)重分析模型組合形成新的模型時(shí)，即為并發(fā)組合方式。

2）順序組合。由多個(gè)順序執(zhí)行的模型組合形成新模型的方式稱為順序組合。通常，前一模型的輸出為后一模型的輸入。例如，在作戰(zhàn)任務(wù)需求分析過(guò)程中，通常應(yīng)先進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)活動(dòng)分解，后進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)活動(dòng)流程分析，在由這2個(gè)模型組合形成新模型時(shí)遵循順序組合方式。

3）選擇組合。當(dāng)完成特定的功能可以有多種執(zhí)行路徑時(shí)，由相應(yīng)模型組合形成新模型的方式稱為選擇組合。比較典型的例子是當(dāng)某個(gè)功能模型有多種實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，當(dāng)包含該功能模型的多個(gè)模型組合形成新模型時(shí)，選擇該功能模型的哪種實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行模型組合，就面臨著選擇組合問(wèn)題。

4）混合組合。存在并發(fā)組合、順序組合和選擇組合中的兩種或兩種以上的組合方式的新模型生成過(guò)程稱為混合組合。

Before words come into context,their meanings are usually general and abstract and their inner semantic components are potential and stable.However,as long as a word enters its context,it is under the influence of the concrete environment.

1.4 主要影響因素

由裝備需求論證模型組合框架可知，通常模型構(gòu)建過(guò)程中的概念建模過(guò)程是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的抽象和規(guī)范化，目的是明確建模的目標(biāo)和主要內(nèi)容，是引導(dǎo)以元模型為基礎(chǔ)的各級(jí)功能模型的構(gòu)建。裝備需求論證模型組合的目的也是通過(guò)各級(jí)功能模型由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的組合，形成支撐現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能的復(fù)雜模型。就技術(shù)層面看，模型組合成功與否與模型構(gòu)建中的概念建模有關(guān)，但主要取決于語(yǔ)法定義和語(yǔ)義定義的情況［3］。

在語(yǔ)法層面，裝備需求論證模型的組合主要體現(xiàn)在模型接口的匹配，順序組合的前置模型的輸出應(yīng)與后置模型的輸出匹配、組合形成新模型的輸入與輸出應(yīng)與新模型的前置或后置模型的接口相匹配。模型接口匹配的根本是模型接口參數(shù)命名、參數(shù)數(shù)量、參數(shù)類型、參數(shù)順序等的匹配。

在語(yǔ)義層面，裝備需求論證模型的組合主要體現(xiàn)在論證模型能否滿足特定的功能要求，就是要在語(yǔ)法組合的基礎(chǔ)上判斷組合后的新模型是否與待解問(wèn)題的領(lǐng)域要求一致。否則，即使語(yǔ)法組合匹配成功，也不能有效支持特定領(lǐng)域待解問(wèn)題的功能要求。語(yǔ)義組合是以語(yǔ)法組合為基礎(chǔ)的。通常，在模型組合過(guò)程中，存在4種情況：一是語(yǔ)法、語(yǔ)義完全匹配的情況，是比較理想的組合現(xiàn)象；二是語(yǔ)法一致但語(yǔ)義不一致，這種情況即使匹配成功，也毫無(wú)用處；三是語(yǔ)法不一致，但語(yǔ)義一致，這種情況有可能存在有效的組合方法。

2 需求驅(qū)動(dòng)的組合策略設(shè)計(jì)

2.1 裝備需求論證典型應(yīng)用需求

由于武器裝備體系的復(fù)雜性，裝備體系、裝備型號(hào)的論證目標(biāo)并不一致，所要求的論證流程也存在較大的差異。同時(shí)，由于裝備需求論證目標(biāo)的多樣性，不同論證目標(biāo)的功能要求也存在較大的差異。這些差異性是引起裝備需求論證模型組合的重要原因。從裝備需求論證應(yīng)用實(shí)踐情況看，驅(qū)動(dòng)裝備需求論證模型組合方式與裝備需求論證的典型應(yīng)用模式具有較高的一致性。裝備需求論證典型應(yīng)用模式如圖3所示。

圖3 裝備需求論證典型應(yīng)用模式

從裝備需求論證典型應(yīng)用模式看，主要包括裝備體系論證與裝備型號(hào)論證兩類論證對(duì)象；同時(shí)，針對(duì)每類論證對(duì)象，主要包括全流程論證模式、按需組合論證模式和專題式論證模式3種。其中，全流程論證模式是指針對(duì)裝備體系或裝備型號(hào)需求論證目標(biāo)，提供的全流程、全功能的論證模式，功能最為齊全、完備。專題式論證模式通常是按照裝備需求論證的領(lǐng)域組成，分為作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、作戰(zhàn)任務(wù)需求分析、作戰(zhàn)能力需求分析、裝備體系需求方案分析、裝備型號(hào)需求方案分析、需求方案評(píng)估6種專題，分別進(jìn)行論證。按需組合論證模式，是指根據(jù)靈活的裝備需求論證來(lái)籌措，由5種論證領(lǐng)域的部分功能組合形成的功能流程，在此過(guò)程中要求組成功能流程的功能模塊具有較高的通用性和可組合性。

每一種裝備需求論證應(yīng)用模式，均是一種裝備需求論證模型的組合需求。從裝備需求論證應(yīng)用模式看，模型之間具有一定的層次性；全流程模式的功能包含了按需組合模式和專題模式的功能，或者說(shuō)，全流程模式的功能模塊可以組合形成按需組合模式和專題模式的功能流程。

因此，在裝備需求論證模型組合過(guò)程中，應(yīng)緊緊圍繞多樣化裝備需求論證應(yīng)用需求的變化，以裝備需求論證典型應(yīng)用模式的功能要求為牽引，開(kāi)展裝備需求論證模型組合研究。

2.2 需求驅(qū)動(dòng)的模型組合框架

基于元建模的裝備需求論證模型構(gòu)建，是根據(jù)裝備需求論證活動(dòng)功能采用逐層分解的方法，獲得功能更加簡(jiǎn)單的低層模型。在由低層模型組合生成高層模型時(shí)，應(yīng)以裝備需求論證典型應(yīng)用模式功能需求為牽引，在一定的規(guī)則指導(dǎo)下，采用自底向上的策略，逐層組合形成滿足特定應(yīng)用需求的功能模型。需求驅(qū)動(dòng)的裝備需求論證模型組合框架如圖4所示。

圖4 需求驅(qū)動(dòng)的裝備需求論證模型組合框架

1）應(yīng)用模式功能需求。根據(jù)裝備需求論證應(yīng)用模式的目標(biāo)要求，提出裝備需求論證應(yīng)用模式的功能需求。

2）功能方案集。采用功能分解方法或者工作結(jié)構(gòu)分解方法，將裝備需求論證應(yīng)用模式的功能需求進(jìn)一步分解為一系列相互聯(lián)系的功能單元，形成功能方案集。

3）模型需求。定義功能方案集中每個(gè)功能單元的模型需求，包括模型功能、模型輸入、輸出及其參數(shù)要求。

4）模型發(fā)現(xiàn)。采用多種方法，從裝備需求論證模型庫(kù)中選擇滿足模型需求的裝備需求論證模型，形成模型候選集。

5）模型組合。按照裝備需求論證應(yīng)用模式的功能需求，在一定的模型組合規(guī)則（語(yǔ)法組合規(guī)則、語(yǔ)義組合規(guī)則2個(gè)方面）指導(dǎo)下，進(jìn)行候選模型的組合。

6）組合模型輸出。將組合形成的功能模型輸出，并存儲(chǔ)于裝備需求論證模型庫(kù)。

3 模型組合方法

3.1 基于規(guī)則推理的模型組合方法

裝備需求論證模型的語(yǔ)法組合規(guī)則和語(yǔ)義組合規(guī)則，為開(kāi)展裝備需求論證模型組合和檢測(cè)提供了基本依據(jù)。根據(jù)裝備需求論證模型的語(yǔ)法、語(yǔ)義組合規(guī)則，可利用規(guī)則推理（Rule-Based Reasoning，RBR）方法進(jìn)行模型組合。

當(dāng)且僅當(dāng)需要組合的兩個(gè)模型同時(shí)滿足語(yǔ)法組合規(guī)則和語(yǔ)義組合規(guī)則時(shí)，兩個(gè)模型方能組合成功。

在基于規(guī)則推理的模型組合中，應(yīng)分別建立語(yǔ)法模型組合規(guī)則庫(kù)和語(yǔ)義組合規(guī)則庫(kù)，其推理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于規(guī)則推理的裝備需求論證模型組合推理過(guò)程

3.2 融合規(guī)則推理與案例推理的模型組合方法

盡管規(guī)則推理能夠解決裝備需求論證模型的組合問(wèn)題，但其完備性要求其受推理?xiàng)l件的約束，會(huì)對(duì)推理的有效開(kāi)展造成一定限制。同時(shí)，裝備需求論證模型和成熟的組合模型，也是裝備需求論證模型庫(kù)的寶貴資源，可為后續(xù)的模型組合提供有效的參考和借鑒。為此，在裝備需求論證模型組合時(shí)，提出融合規(guī)則推理優(yōu)勢(shì)和案例推理（Case-Based Reasoning，CBR）特征的組合推理方法，能夠有效提高裝備需求論證模型組合的效率和有效性［4］。

1）基本思路。案例推理是指通過(guò)若干個(gè)已有組合案例的相似性檢測(cè)，根據(jù)已知組合案例的事實(shí)知識(shí)，推論出具有相似特征的其他組合的過(guò)程，具有人類思維方式中的“類比”思維［5］，既是對(duì)已有模型組合成果與經(jīng)驗(yàn)的有效繼承，也是應(yīng)對(duì)信息不完全和不確定時(shí)而采取的一種有效方法。特別是隨著案例庫(kù)的增長(zhǎng)，模型組合的“經(jīng)驗(yàn)”將更加豐富，基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模型組合測(cè)試的成功概率越來(lái)越大。而規(guī)則推理則是人類思維方式中的演繹思維，擅長(zhǎng)解決領(lǐng)域知識(shí)豐富、知識(shí)結(jié)構(gòu)完整的邏輯推理問(wèn)題，要求能夠按照一定的規(guī)則，從已知的事實(shí)推算出未來(lái)的知識(shí)，當(dāng)知識(shí)描述不完備、推理算法不確定時(shí)，往往難以得到正確的結(jié)果。因此，可在基于規(guī)則推理的模型組合方法的基礎(chǔ)上，以模型組合案例為依據(jù)，開(kāi)展融合規(guī)則推理與案例推理的模型組合方法。

2）推理框架。規(guī)則推理與案例推理適應(yīng)解決問(wèn)題的領(lǐng)域明顯不同，有效融合規(guī)則推理和案例推理就需要解決好規(guī)則推理與案例推理的順序問(wèn)題，以及規(guī)則推理結(jié)果與案例推理結(jié)果的融合問(wèn)題。就使用順序而言，通常有RBR為前導(dǎo)CBR后置補(bǔ)充、CBR為前導(dǎo)RBR后置補(bǔ)充兩種方式［6］。其中，前者比較適用于案例庫(kù)結(jié)構(gòu)完整、案例豐富，而領(lǐng)域知識(shí)不充分、不完備的推理；而后者比較適用于案例知識(shí)比較匱乏，而領(lǐng)域知識(shí)相對(duì)比較完整的推理，這時(shí)往往由于推理對(duì)象的特點(diǎn)、運(yùn)行規(guī)律和功能相對(duì)比較明確，基于規(guī)則的條件比較充分，有力發(fā)揮規(guī)則推理的嚴(yán)密邏輯，同時(shí)可以利用案例推理彌補(bǔ)案例推理中的不確定性。

在裝備需求論證模型組合過(guò)程中，語(yǔ)法組合和語(yǔ)義組合的規(guī)則相對(duì)比較明確，模型接口在本體庫(kù)中也得到了明確的定義，規(guī)則推理往往能夠較好地解決一般模型組合的推理問(wèn)題。但是隨著模型組合案例的不斷豐富，裝備需求論證模型庫(kù)資源的不斷補(bǔ)充完善，部分模型接口及其屬性可能發(fā)生改變，導(dǎo)致難以完全保持規(guī)則推理?xiàng)l件與規(guī)則條件之間的一致性，往往會(huì)導(dǎo)致規(guī)則推理失敗。因此，在裝備需求論證模型組合過(guò)程中，應(yīng)采用“RBR為前導(dǎo)CBR后置補(bǔ)充”的推理模式，即主要發(fā)揮規(guī)則推理在模型組合中的作用，驗(yàn)證語(yǔ)法與語(yǔ)義規(guī)則的約束作用；若推理失敗，則著重發(fā)揮模型組合經(jīng)驗(yàn)在模型組合中的主要作用，通過(guò)案例的匹配給出模型組合的結(jié)論。

融合CBR和RBR的裝備需求論證模型組合集成推理框架如圖6所示。

3.3 案例的表示

案例是基于案例推理的模型組合的根基。模型組合案例，能夠以結(jié)構(gòu)化的形式體現(xiàn)裝備需求論證模型領(lǐng)域所具有的特性及問(wèn)題，也能以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式識(shí)別、存儲(chǔ)裝備需求論證模型組合問(wèn)題的描述、組合方案及實(shí)施過(guò)程。對(duì)模型組合條件與目標(biāo)的進(jìn)行綜合分析，可將模型組合案例的特征屬性信息歸納總結(jié)，如表1所示。

圖6 融合CBR和RBR的裝備需求論證模型組合集成推理框架

表1 裝備需求論證模型組合案例特征信息

3.4 案例檢索與匹配

根據(jù)案例特征信息從案例中檢索匹配相似的案例，是案例推理的關(guān)鍵?；诎咐哪Ｐ徒M合推理的依據(jù)是模型組合問(wèn)題與案例目標(biāo)的一致性，可以根據(jù)案例的源組合模型特征及其組合方式，推理出待解問(wèn)題的模型組合方案。案例檢索主要是對(duì)案例庫(kù)的候選案例以及待解決問(wèn)題的兩方面特征值進(jìn)行比較，區(qū)分兩者的相似度與差異。通常，較高的相似度意味著匹配成功的概率越大，解決問(wèn)題的可能性越高。因此，計(jì)算待解問(wèn)題與目標(biāo)案例之間的匹配程度，是基于案例的模型組合推理的核心所在，一般而言，由于案例檢索過(guò)程中可能檢索到多個(gè)有效的案例，應(yīng)根據(jù)案例匹配相似度的高低，優(yōu)選相似度高的案例，作為案例推理的依據(jù)。

模型組合的案例檢索采用“fish-and-shrink”［7-9］算法，來(lái)計(jì)算待解問(wèn)題與案例之間的相似度。由于案例中不同的特征向量的重要程度不同，需引入特征向量，滿足。利用兩個(gè)案例之間的特征距離來(lái)表示案例之間的相似程度，其中si（X，Y）表示X和Y兩者的特征屬性i上的距離，在［0，1］這個(gè)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行取值，如果X和Y這兩者中，有一個(gè)共同的特征屬性，那么1便是其取值。由此可知，特征距離越大，則相似度越大，案例匹配成功的概率越高。

4 結(jié)論

模型組合理論為裝備需求論證模型組合問(wèn)題提供了頂層指導(dǎo)和理論基礎(chǔ)，同時(shí)界定了影響模型組合語(yǔ)法和語(yǔ)義兩個(gè)層面因素；需求驅(qū)動(dòng)的裝備需求論證模型組合框架進(jìn)一步增強(qiáng)了模型組合的針對(duì)性，提高了模型組合成果與實(shí)踐應(yīng)用的貼近度；以規(guī)則推理方法為基礎(chǔ)，融合規(guī)則推理和案例推理的裝備需求論證模型組合集成推理方法，能夠?qū)⒛Ｐ徒M合語(yǔ)法和語(yǔ)義匹配規(guī)則與裝備需求論證應(yīng)用需求有機(jī)結(jié)合，提高了裝備需求論證模型組合推理的有效性。該方法已成功應(yīng)用于裝備需求論證模型體系構(gòu)建及建模仿真，具有較高的可信度。