面向任務(wù)規(guī)劃的協(xié)同服務(wù)框架的研究與設(shè)計

劉光耀 楊慧 董文莉 郭弋

北約的航天研究與發(fā)展咨詢組在NO.296號報告中認為:任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是一種運用可獲得的相關(guān)信息,以一種理想的或近似理想的方法計劃一個任務(wù)以達到某種目標的信息系統(tǒng).

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)即利用先進的計算機技術(shù),采集、存儲的各種情報進行分析,輔助制定任務(wù)計劃的系統(tǒng)[1?2].任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求,采集作戰(zhàn)需要的各種情報信息,分析戰(zhàn)場威脅環(huán)境,為任務(wù)規(guī)劃人員制作并提供威脅分析、行動路徑規(guī)劃、地理環(huán)境、資源消耗、武器使用等決策依據(jù).

文獻[3?5]提出了任務(wù)規(guī)劃的協(xié)同的分層結(jié)構(gòu)、方法以及度量模型；文獻[6]提出任務(wù)規(guī)劃的高效協(xié)同技術(shù)；文獻[7]提出面向協(xié)作式網(wǎng)絡(luò)化的作戰(zhàn)計劃生成過程模型；文獻[8?9]提出協(xié)同設(shè)計環(huán)境體系結(jié)構(gòu)及沖突消解理論與方法.

人工智能的發(fā)展為任務(wù)規(guī)劃技術(shù)提供了飛速發(fā)展的基礎(chǔ).美國斯坦福大學(xué)計算機科學(xué)家費根鮑姆在第五屆國際人工智能聯(lián)合會議上提出知識工程的概念,認為“知識工程是人工智能的原理和方法,對那些需要專家知識才能決絕的應(yīng)用難題提供求解的手段恰當運用專家知識的獲取、表達和推理過程的構(gòu)成與解釋,是設(shè)計基于知識的系統(tǒng)的重要技術(shù)問題”.在知識工程的推動下涌現(xiàn)出了一批成功的專家系統(tǒng),如醫(yī)藥專家系統(tǒng)MYCIN和探礦專家系統(tǒng)PROSPECTOR等.隨著機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的興起,利用數(shù)學(xué)模型和大數(shù)據(jù)量的訓(xùn)練求解非確定解的問題開啟了第二次人工智能浪潮.例如IBM的深藍系統(tǒng)、谷歌的ALPHAGO系統(tǒng)等.但這種人工智能只能解決可建模、可學(xué)習(xí)的問題,在有限的目標中求解,而且得到的是可接受的解,但不保證是最優(yōu)解,并不適用于任務(wù)規(guī)劃協(xié)同多因素復(fù)雜問題.目前國內(nèi)還沒有開展智能規(guī)劃任務(wù)規(guī)劃知識圖譜的研究工作.

為此,我們提出一種智能協(xié)同規(guī)劃框架,充分利用各種資源和信息,將各種資源組成一個有機的整體,極大地提高網(wǎng)絡(luò)化的整體任務(wù)協(xié)同能力,同時可按照具體環(huán)境的變化智能地分配調(diào)整各任務(wù)主體的行為,從而更好地完成整個任務(wù).這些智能協(xié)同工作涉及大量的協(xié)同計算、協(xié)同行為和知識構(gòu)建工作,需要提供基于知識的智能協(xié)同規(guī)劃架構(gòu),為協(xié)同任務(wù)規(guī)劃提供基礎(chǔ)和前提.

1 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同需求

1.1 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同服務(wù)需求

協(xié)同是指不同的力量,圍繞一個共同的目標,在多級結(jié)構(gòu)之間進行交互、同步、計算的行動配合過程.

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同服務(wù)能力用于實現(xiàn)引導(dǎo)參與作戰(zhàn)行動的各專業(yè)在同一信息倉庫上進行交互式規(guī)劃,以迭代的方式同步推進任務(wù)規(guī)劃過程,滿足協(xié)同成員在規(guī)劃分析、計劃制定時缺少協(xié)同交互、信息共享等工具手段的需要.

1.2 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)協(xié)同服務(wù)的特征

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同服務(wù)主要體現(xiàn)以下特征:

1)統(tǒng)一性.協(xié)同規(guī)劃需要提供共享、統(tǒng)一的規(guī)劃數(shù)據(jù)模型,并按照權(quán)限管理各成員對規(guī)劃數(shù)據(jù)進行的操作,維護數(shù)據(jù)的一致性、完整性、正確性.

2)開放性.在協(xié)同規(guī)劃過程中,不斷有新的資源或應(yīng)用加入或已有應(yīng)用系統(tǒng)及資源的退出,這種異構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)集成和互操作性要求系統(tǒng)具有良好的開放性.

3)動態(tài)性.協(xié)同規(guī)劃過程是一個動態(tài)的過程,在規(guī)劃過程中不斷有人員動態(tài)參與和離去,需要協(xié)調(diào)成員之間的工作,并管理成員的進入和退出.

4)層次性.首先,任務(wù)分配具有層次性,任務(wù)可以分解成子任務(wù)直至原子任務(wù),最終形成任務(wù)樹.再次,規(guī)劃產(chǎn)品由概要計劃至詳細計劃也具有層次性.

1.3 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)協(xié)同過程建模

借鑒美軍聯(lián)合作戰(zhàn)計劃制定流程[10],提出任務(wù)規(guī)劃協(xié)同過程模型.任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃用于設(shè)計各力量間協(xié)同方法,細化得到平臺、武器/傳感器/通信/電子戰(zhàn)使用的時間、空間要求,支持各分隊以任務(wù)協(xié)同需求為基礎(chǔ),綜合考慮任務(wù)執(zhí)行時間、態(tài)勢、氣象條件等因素,進行概要規(guī)劃和詳細計劃,從時間、空間等方面確定協(xié)同關(guān)系及要求.

協(xié)同規(guī)劃過程主要包括任務(wù)分解、協(xié)同需求分析、協(xié)同約束檢查、概要和詳細計劃制定以及計劃合成幾個階段.

任務(wù)分解階段,將出動兵力劃分為多個分隊,并確定主攻擊分隊和協(xié)同任務(wù)分隊.

協(xié)同需求分析階段,以主攻擊分隊為核心,向其他協(xié)同分隊提出協(xié)同需求,包括武器使用需求等,并對需求進行量化,最后,把需求分析成具體的指標參數(shù).

協(xié)同約束檢查階段,是在各協(xié)同任務(wù)分隊完成單分隊協(xié)同需求約束檢查并提交檢查結(jié)果后,統(tǒng)一檢查分隊之間是否存在時間和空間的沖突,若有沖突則返回協(xié)同需求分析階段,否則進入概要計劃制定階段,生成概要計劃并輸出.

計劃合成階段,根據(jù)概要計劃完成詳細計劃制定后,對詳細計劃進行合成.

圖1 協(xié)同過程模型

1.4 協(xié)同規(guī)劃智能性需求

面向任務(wù)規(guī)劃的協(xié)同需要按照環(huán)境和資源的變化智能地分配調(diào)整任務(wù)實體的任務(wù),從而更好地完成整個任務(wù).協(xié)同工作涉及大量的協(xié)同計算、協(xié)同行為、人員管理和知識構(gòu)建工作,需要提供基于知識層的聯(lián)合智能協(xié)同規(guī)劃架構(gòu),為智能協(xié)同規(guī)劃提供基礎(chǔ)和前提.

因此,需要對基于知識的智能協(xié)同規(guī)劃架構(gòu)進行研究,為智能協(xié)同規(guī)劃提供知識支撐,提供任務(wù)規(guī)劃的知識圖譜[11],針對任務(wù)規(guī)劃決策知識匱乏等制約任務(wù)協(xié)同水平的問題,利用全域數(shù)據(jù)、廣泛關(guān)聯(lián)、深度融合的知識圖譜思維,充分挖掘大數(shù)據(jù)潛能,實現(xiàn)任務(wù)協(xié)同規(guī)劃知識自動獲取和智能檢索能力的提升.

2 面向任務(wù)規(guī)劃的協(xié)同模型

在這里,作者提出了一種基于任務(wù)空間的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同模型.基于任務(wù)空間的協(xié)同模型一般具有如下的場景:各方面的作戰(zhàn)資源或力量作為任務(wù)規(guī)劃單元組織在同一任務(wù)規(guī)劃空間內(nèi),可以在同一任務(wù)規(guī)劃空間中,進行信息的共享和交互.任務(wù)規(guī)劃空間中的人們應(yīng)能夠通過消息交互以及文檔共享等方式進行任務(wù)分解、需求分析、約束檢查、計劃生成、計劃合成等活動.

通過以上描述,可以提取以下若干的元素:任務(wù)規(guī)劃空間、規(guī)劃單元、規(guī)劃執(zhí)行體、產(chǎn)品對象以及信息倉庫.這5個元素構(gòu)成了基于任務(wù)空間的任務(wù)規(guī)劃協(xié)同模型的基本元素.

2.1 基本元素的定義

任務(wù)規(guī)劃空間是協(xié)同規(guī)劃的環(huán)境,它是規(guī)劃執(zhí)行體、單元、數(shù)據(jù)以及信息倉庫的集合.規(guī)劃單元是協(xié)同規(guī)劃的參與者,引起了空間中事件的發(fā)生.這里需要指出的是規(guī)劃單元不僅僅是人,還包括了軟件.規(guī)劃執(zhí)行體指單元與單元之間進行交互的共享會話,例如,白板也屬于規(guī)劃執(zhí)行體的范疇.信息倉庫是信息存儲的容器,它是可遞歸的,也就是說它可以是普通的文檔,也可以是一系列文檔的容器.

2.2 協(xié)同工作模型的描述

采用軍事信息系統(tǒng)需求工程方法[12?15]和UML的描述模型[16],提出協(xié)同規(guī)劃系統(tǒng)模型如圖2所示,主要包括規(guī)劃空間、規(guī)劃單元、規(guī)劃執(zhí)行體、規(guī)劃產(chǎn)品對象和信息倉庫.

2.2.1 規(guī)劃空間

任務(wù)規(guī)劃空間是協(xié)同工作活動的環(huán)境.它是規(guī)劃單元(unit)、規(guī)劃執(zhí)行體(execution)、產(chǎn)品對象以及信息倉庫(warehouse)的集合.空間中會有一個信息倉庫,它用來存儲規(guī)劃單元的數(shù)據(jù).規(guī)劃空間還會有空間的擁有者.空間也會存有規(guī)劃單元的列表.

2.2.2 規(guī)劃單元

規(guī)劃單元代表空間中的參與者,它包括人和軟件代理.它與規(guī)劃單元參加的空間以及空間中的規(guī)劃執(zhí)行體相關(guān)聯(lián).每個規(guī)劃單元承擔(dān)一個或者多個角色.規(guī)劃單元應(yīng)包含它所在的缺省的空間以及它初始所要加入的空間.每個規(guī)劃單元擁有一個信息倉庫,用來存儲文檔和數(shù)據(jù).

2.2.3 規(guī)劃執(zhí)行體

規(guī)劃執(zhí)行體是多規(guī)劃單元共享的會話.它被規(guī)劃單元用來在虛擬環(huán)境中進行通訊或者進行數(shù)據(jù)同步共享.

規(guī)劃執(zhí)行體允許多個單元一起工作在共享產(chǎn)品對象上.對于創(chuàng)建規(guī)劃執(zhí)行體的單元,必須有可討論的會議主題.因此,正如會議協(xié)調(diào)者創(chuàng)建會議一樣,規(guī)劃執(zhí)行體的創(chuàng)建者被指定作為執(zhí)行體的發(fā)布者.

圖2 協(xié)同模型框架

規(guī)劃執(zhí)行體創(chuàng)建者可以設(shè)置允許自動添加到規(guī)劃執(zhí)行體單元的名單,稱為預(yù)先批準的出席者,同時并不限制其他人員加入該執(zhí)行體.每一個加入到規(guī)劃執(zhí)行體的單元,不管是否預(yù)先批準,都被指定為協(xié)作會話訂閱者的角色.

規(guī)劃單元擁有與空間內(nèi)其他單元共享的產(chǎn)品對象,規(guī)劃執(zhí)行體的創(chuàng)建者確定單元引進產(chǎn)品對象的權(quán)限.

2.2.4 規(guī)劃產(chǎn)品對象

規(guī)劃產(chǎn)品對象類似于會議中共享的文檔或文檔節(jié)點.規(guī)劃產(chǎn)品對象的所有者保留對產(chǎn)品對象做出更改的權(quán)利,也賦予其他單元參與更改的權(quán)利.共享產(chǎn)品對象的所有者承擔(dān)了規(guī)劃執(zhí)行體中產(chǎn)品對象發(fā)布者的角色,其他單元依據(jù)請求獲得只讀共享產(chǎn)品對象.擁有寫入權(quán)限的規(guī)劃單元任意時刻都能添加或移除產(chǎn)品對象.

每一規(guī)劃執(zhí)行體包含一個執(zhí)行會話對象,主要包括如下類型:會話名和描述、所有的單元、所有單元的會話權(quán)限、全部產(chǎn)品對象所有者的列表、所有規(guī)劃單元的對象特權(quán)、發(fā)布者的特權(quán)等.

2.2.5 信息倉庫

規(guī)劃空間和規(guī)劃單元都擁有自己的信息倉庫.信息倉庫包含文件夾,文件夾有名字、描述等屬性.文件夾可以是文檔的容器,也可以是普通的文檔.規(guī)劃單元可以在規(guī)劃空間中交換文件夾.規(guī)劃空間中的文件夾可以和單元自身的文件夾相互移動.文件夾也可以代表任何類型的信息,例如文本、圖形、圖像等.

3 基于知識的智能協(xié)同

基于知識的智能協(xié)同主要包括4部分,如圖3所示,分別是智能協(xié)同規(guī)劃知識圖譜技術(shù)、基于知識的協(xié)同交互、基于大數(shù)據(jù)分析的規(guī)劃協(xié)同方案推薦、基于增量學(xué)習(xí)的協(xié)同規(guī)劃沖突消解.

智能協(xié)同規(guī)劃知識圖譜主要包括基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的任務(wù)規(guī)劃知識抽取技術(shù)、基于監(jiān)督學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)融合的協(xié)同規(guī)劃時序關(guān)系及屬性抽取技術(shù)、基于監(jiān)督學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)融合的協(xié)同規(guī)劃時序關(guān)系及屬性抽取技術(shù),以理論庫、案例庫為數(shù)據(jù)源,構(gòu)建面向任務(wù)規(guī)劃協(xié)同的知識圖譜.

圖3 基于知識的智能協(xié)同架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)分析的規(guī)劃協(xié)同方案推薦構(gòu)建基于意圖識別與槽填充的聯(lián)合訓(xùn)練模型、基于鍵值對的深度記憶網(wǎng)的方案推薦模型、基于孿生網(wǎng)的問句語義匹配模型、基于Transformer的半生成半復(fù)制機器推薦模型,研究基于知識圖譜的規(guī)劃方案生成技術(shù),基于知識圖譜和案例推理實現(xiàn)智能推薦規(guī)劃協(xié)同行動.

基于知識的協(xié)同交互實現(xiàn)人機一體化的思想,采用智能Agent[17?18]充當人與平臺的中間體,充分發(fā)揮人與協(xié)同規(guī)劃平臺各自的特點,以協(xié)同最優(yōu)為目標.借助一個既能理解人的思維和行為,又能理解協(xié)同規(guī)劃行為的中間體,在人與協(xié)同規(guī)劃平臺之間建立一種柔性的耦合關(guān)系,將具有本質(zhì)區(qū)別的兩個事物有機融合.

基于增量學(xué)習(xí)的協(xié)同規(guī)劃沖突消解技術(shù)課題從特征、行動、方案等層次建立分層.

約束網(wǎng)絡(luò)之間的映射關(guān)系,將任務(wù)單元分層分級,基于增量學(xué)習(xí)的協(xié)同規(guī)劃沖突消解技術(shù)在時域、空域、頻率中檢測任務(wù)實體內(nèi)部和之間的運行軌跡和頻率之間的沖突,結(jié)合知識圖譜中生成的作戰(zhàn)策略和交戰(zhàn)規(guī)則,采用增量學(xué)習(xí)的方法,開展協(xié)同規(guī)劃沖突消解.

4 任務(wù)規(guī)劃協(xié)同服務(wù)框架設(shè)計

4.1 框架結(jié)構(gòu)

面向任務(wù)規(guī)劃的協(xié)同服務(wù)框架由服務(wù)集成框架、信息交互框架以及協(xié)同服務(wù)組成,為系統(tǒng)中的通用組件和專業(yè)組件提供運行支撐環(huán)境.任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用組件統(tǒng)一遵循協(xié)同服務(wù)框架接口,組件間的關(guān)系通過描述文件進行描述,該描述文件在組件安裝時注冊到配置管理中.

4.2 協(xié)同規(guī)劃服務(wù)

協(xié)作規(guī)劃服務(wù)的4個主要模塊是:

1)事件管理器.

2)協(xié)同控制器.

3)協(xié)同會話管理器.

4)會話監(jiān)視器.

協(xié)同控制器是所有會話的控制實體.協(xié)同控制器負責(zé)讀取所有可能會話的核心目錄.當任務(wù)單元要創(chuàng)建或加入規(guī)劃執(zhí)行體時,控制器負責(zé)創(chuàng)建一個空白的會話.協(xié)作會話管理器是協(xié)作規(guī)劃服務(wù)的關(guān)鍵模塊.協(xié)作會話管理器控制著應(yīng)用于協(xié)同會話的數(shù)據(jù).

事件管理器是指數(shù)據(jù)發(fā)送和接收隊列.協(xié)作會話管理器和協(xié)作產(chǎn)品對象會與事件管理器通信用于數(shù)據(jù)發(fā)送,當有信息或?qū)ο髷?shù)據(jù)到達時,事件管理器會通知協(xié)作會話管理器.

會話監(jiān)控器顯示了任務(wù)單元和協(xié)同會話中其他任務(wù)單元之間的會話狀態(tài).

4.3 信息交互服務(wù)

信息交互服務(wù)為協(xié)同規(guī)劃過程提供可靠的消息交換能力,為協(xié)同規(guī)劃用戶提供通知傳遞功能,支持基于主題的消息通知的模式,通過一個用戶給同一議題內(nèi)的多個用戶發(fā)送消息.消息交換功能主要包括隊列、主題的可靠傳輸功能.支持基于隊列進行可靠傳輸；支持基于主題進行可靠傳輸,提供“發(fā)布/訂閱”語義消息交互模式.提供通知消息丟棄管理功能,支持基于消息有效期和隊列覆蓋兩種丟棄策略.

圖4 框架設(shè)計

4.4 服務(wù)集成框架

1)服務(wù)集成容器

服務(wù)集成容器采用容器組件架構(gòu)設(shè)計,為服務(wù)組件的開發(fā)和運行提供支持.服務(wù)集成框架向上集成服務(wù)組件,服務(wù)組件調(diào)用核心資源,對外提供能力服務(wù)功能.服務(wù)集成框架向下集成核心資源,為服務(wù)組件的運行提供基礎(chǔ)支撐,核心資源包括分布式交互功能、日志記錄功能、配置查詢功能等.

2)服務(wù)目錄

服務(wù)目錄為系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)實例的運行、服務(wù)實例的調(diào)用提供穩(wěn)定、可靠、高效的協(xié)調(diào)功能.主要包括服務(wù)實例注冊、服務(wù)狀態(tài)查詢、服務(wù)狀態(tài)檢測等功能.服務(wù)實例注冊功能主要注冊服務(wù)地址、服務(wù)狀態(tài)等信息；服務(wù)地址解析功能主要通過服務(wù)名稱向服務(wù)目錄請求獲取服務(wù)實例地址信息；服務(wù)狀態(tài)查詢功能主要通過服務(wù)名稱向服務(wù)目錄請求獲取服務(wù)實例運行的狀態(tài)信息；服務(wù)狀態(tài)檢測功能主要對服務(wù)實例進行狀態(tài)檢測.

5 結(jié)論

在協(xié)同任務(wù)規(guī)劃過程中,各參與規(guī)劃的資源或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)語義模型存在較大差異,數(shù)據(jù)互操作等方面較難協(xié)同,規(guī)劃過程具有統(tǒng)一性、開放性、動態(tài)性、層次性等特征,分析了任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的協(xié)同需求,提出了一種智能的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的應(yīng)用模型框架,提出了智能協(xié)同規(guī)劃服務(wù)框架結(jié)構(gòu)并進行了設(shè)計,該服務(wù)框架模型具有很好的可擴展性、復(fù)用性、智能性和適應(yīng)性等,實現(xiàn)知識積累,并基于知識輔助,可快速、準確地完成任務(wù)協(xié)同規(guī)劃.