基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成方法

鄧邦鵬,蔣序平,陶 宇,魯義威

(國防科技大學(xué)信息通信學(xué)院,湖北 武漢 430010)

1 指揮員關(guān)鍵信息需求生成面臨的挑戰(zhàn)

1.1 意圖識別能力受限

指揮員關(guān)鍵信息需求意圖是指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢及決策重心和核心關(guān)切的直接反映,是指揮員關(guān)鍵信息需求生成的基本依據(jù)。對于指揮員關(guān)鍵信息需求意圖的識別,通常依靠相關(guān)保障力量通過人腦進行主觀分析。然而,如圖1所示,這種單純?nèi)藶橹饔^的意圖識別正面臨現(xiàn)代戰(zhàn)爭紛繁復(fù)雜的多要素與瞬息萬變的快節(jié)奏所帶來的沖擊及挑戰(zhàn),特別是在“信息過載”風(fēng)險日益凸顯的背景下,更容易造成保障人員認(rèn)知負(fù)荷過載,從而產(chǎn)生認(rèn)知偏差與響應(yīng)滯后,進而限制了對指揮員關(guān)鍵信息需求的意圖識別能力。

圖1 指揮員關(guān)鍵信息需求意圖識別原理圖

1.2 組織協(xié)同持續(xù)復(fù)雜化

指揮員關(guān)鍵信息需求是“知彼知己、知天知地、知關(guān)鍵”戰(zhàn)法原則在信息化時代的體現(xiàn),其保障過程涉及的組織協(xié)同與現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)演變密切相關(guān)。當(dāng)前,隨著信息技術(shù)與智能技術(shù)在軍事領(lǐng)域的持續(xù)融合,未來的作戰(zhàn)指揮活動將跨越地理界限、作戰(zhàn)層級、作戰(zhàn)力量等限制,呈現(xiàn)多域聯(lián)合、多維聯(lián)動、人機混合的聯(lián)合全域指揮控制發(fā)展趨勢。這種全新的作戰(zhàn)指揮能力生成范式,將充分發(fā)揮各領(lǐng)域參戰(zhàn)力量的合力優(yōu)勢。與此同時，其對作戰(zhàn)指揮活動中的指揮體制、指揮手段、指揮保障等因素提出了更高的要求。在此背景下,指揮員關(guān)鍵信息需求生成所涉及的人員、裝備、系統(tǒng)等參戰(zhàn)要素將不斷擴展,從而增加了戰(zhàn)場信息交互、融合、運用過程中的組織協(xié)同難度。因此,相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求生成正面臨組織協(xié)同持續(xù)復(fù)雜化的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

1.3 生成時限要求不斷縮短

指揮員關(guān)鍵信息需求保障生命周期，可分為對指揮員關(guān)鍵信息需求的生成、分解、滿足、反饋四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中,指揮員關(guān)鍵信息需求生成作為保障生命周期中的“首要一環(huán)”,是其效能發(fā)揮的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵支撐。作為一種高時敏性信息服務(wù)產(chǎn)品,指揮員關(guān)鍵信息需求在當(dāng)前不斷強調(diào)“以快吃慢”、“發(fā)現(xiàn)即摧毀”等戰(zhàn)爭制勝機理的現(xiàn)實背景下,正面臨生成時限要求不斷縮短的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。例如,當(dāng)敵我雙方實力相當(dāng)或與強敵對抗時,極有可能雙方均具備了相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求組織運用能力。因此,為了確保我方對應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求產(chǎn)品效能發(fā)揮能夠占據(jù)優(yōu)勢,必須縮短從海量戰(zhàn)場信息到少量關(guān)鍵信息之間的提煉時間,才能發(fā)揮指揮員關(guān)鍵信息需求在實際作戰(zhàn)指揮活動中的可靠效能。

2 知識圖譜在指揮員關(guān)鍵信息需求生成中的賦能機理

2.1 拓展指揮員關(guān)鍵信息需求意圖識別能力

與傳統(tǒng)的人腦主觀分析相比,知識圖譜可通過語義關(guān)聯(lián)、知識計算、可視化分析等配套功能,實現(xiàn)指揮員關(guān)鍵信息需求意圖與戰(zhàn)場態(tài)勢之間的客觀映射及科學(xué)篩選,并以更加直觀、形象的方式進行呈現(xiàn)。如圖2所示,通過加入知識圖譜相關(guān)技術(shù),增強了指揮員關(guān)鍵信息需求生成過程中的“人—機”協(xié)同能力,能夠幫助業(yè)務(wù)保障要素快速發(fā)掘指揮員關(guān)鍵信息需求與戰(zhàn)場態(tài)勢之間的隱含關(guān)聯(lián),從而拓展相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求意圖識別結(jié)果。

圖2 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求意圖識別原理

2.2 優(yōu)化指揮員關(guān)鍵信息需求生成保障質(zhì)量

狹義上看,知識圖譜是一種反映客觀世界的高質(zhì)量知識庫;廣義上看,知識圖譜還包括利用知識圖譜理論與技術(shù)解決現(xiàn)實問題的一整套方法論,是大數(shù)據(jù)時代人們獲取知識、認(rèn)知世界的重要工具與手段。知識圖譜的加入,能夠從海量數(shù)據(jù)中快速提煉人腦無法直接認(rèn)知的高精度知識,從而有效提高數(shù)據(jù)價值密度,實現(xiàn)數(shù)據(jù)到知識的價值聚合,對于優(yōu)化指揮員關(guān)鍵信息需求生成保障質(zhì)量具有實質(zhì)效果。

2.3 提升指揮員關(guān)鍵信息需求生成保障效率

知識圖譜通過將海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)中的概念實體、屬性特征、關(guān)聯(lián)關(guān)系等語義信息轉(zhuǎn)化為語義網(wǎng)絡(luò)中相互聯(lián)結(jié)的“點”與“邊”,并結(jié)合相應(yīng)的知識計算、知識推理技術(shù)處理,能夠獲取數(shù)據(jù)集聚后產(chǎn)生的認(rèn)知效應(yīng)及關(guān)聯(lián)價值,強化了指揮員關(guān)鍵信息需求生成保障的敏捷性與有效性,加速了指揮員關(guān)鍵信息需求保障生命周期循環(huán),能夠有效驅(qū)動決策優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為行動優(yōu)勢,從而促進指揮員關(guān)鍵信息需求生成保障效率的提升。

3 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成方法及原理

基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成方法主要包括知識圖譜構(gòu)建、知識圖譜檢索、知識圖譜關(guān)聯(lián)分析，以及基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求條目生成四個步驟,如圖3所示。

圖3 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成方法

知識圖譜構(gòu)建是實現(xiàn)基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成的基礎(chǔ)支撐。在真實作戰(zhàn)指揮活動中，應(yīng)充分整合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)庫、情報數(shù)據(jù)庫等多種數(shù)據(jù)源,并結(jié)合Neo4j、Protege等知識圖譜構(gòu)建軟件工具,按照“知識抽取—知識融合—知識加工”的知識圖譜構(gòu)建流程方法,構(gòu)建相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求知識圖譜。

知識圖譜檢索是實現(xiàn)基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成的橋梁紐帶,建立了指揮員關(guān)鍵信息需求相關(guān)條目(包括指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想)與指揮員關(guān)鍵信息需求知識圖譜之間的映射關(guān)系。對于運行在Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中的指揮員關(guān)鍵信息需求知識圖譜而言,就是將指揮員關(guān)鍵信息需求相關(guān)條目(包括指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想)轉(zhuǎn)換成Neo4j圖數(shù)據(jù)庫能夠有效識別的Cypher語句進行知識圖譜檢索,從而得到相對應(yīng)的知識圖譜語義關(guān)聯(lián)信息子圖。指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想通常是一些帶有軍事特征的自然語言條目,要將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的Cypher語句并進行知識圖譜檢索,主要包括以下兩個子步驟。

1)指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想軍事特征識別

通過前期實驗對比,本文選擇Bi-LSTM+CRF組合模型作為指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想軍事特征識別模型,其原理如圖4所示。

圖4 Bi-LSTM+CRF組合模型軍事特征識別原理圖

在此基礎(chǔ)上,在Python環(huán)境下，通過功能編程、語料標(biāo)注及訓(xùn)練、識別效果測試等操作處理,能夠有效實現(xiàn)面向指揮員關(guān)鍵信息需求生成的軍事特征識別功能,如圖5所示。

圖5 Bi-LSTM+CRF組合模型軍事特征識別功能實現(xiàn)

2)Cypher語句的填充與查詢

作為實現(xiàn)Neo4j圖數(shù)據(jù)庫查詢、修改、刪除等操作的專用語言,Cypher語言具有嚴(yán)格、統(tǒng)一、規(guī)范的語法句式結(jié)構(gòu)。因此,通過將識別的軍事特征按照Cypher語法規(guī)則填充至對應(yīng)的詞槽中,即可形成與指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想對應(yīng)的Cypher語句。

例如,圖4中指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想對應(yīng)的軍事特征識別結(jié)果為{"FORCE": "第一步兵師"},將其填充即可得到相應(yīng)的Cypher語句:" MATCH (n:FORCE{name:'第一步兵師'}) return n"。將其輸入指揮員關(guān)鍵信息需求知識圖譜,即可得到相應(yīng)的知識圖譜語義關(guān)聯(lián)信息子圖,如圖6所示。

圖6 知識圖譜語義關(guān)聯(lián)信息子圖示例

知識圖譜關(guān)聯(lián)分析主要通過知識圖譜相應(yīng)的知識推理、知識計算功能處理,對指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想映射在知識圖譜中的語義關(guān)聯(lián)信息子圖進行篩選,從而科學(xué)高效地提煉出海量戰(zhàn)場信息中與指揮員決策點密切相關(guān)的少量關(guān)鍵信息需求。

因此,本文利用Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)圖算法實現(xiàn)對語義關(guān)聯(lián)信息子圖的“去粗取精”。其中,PageRank算法是Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中一種常用的中心度分析算法,最早由谷歌公司提出,其初衷是通過記錄用戶點擊量篩選出用戶普遍關(guān)注的熱門網(wǎng)頁。

在Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中,PageRank算法能夠有效實現(xiàn)對語義關(guān)聯(lián)信息子圖中實體中心度的排名,從而篩選出其中PageRank得分最高的關(guān)鍵實體。在Neo4j官方說明文檔中,對于PageRank算法的定義如下:

(1)

對于實體A,其PageRank得分()與關(guān)聯(lián)實體，…，密切相關(guān)。其中,()，…，()分別代表實體與，…，之間的關(guān)聯(lián),()，…，()分別代表實體，…，與所有實體之間關(guān)聯(lián)的總和,為范圍0—1的阻尼系數(shù)(初始推薦值為085)。

基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求條目生成是指參謀團隊依托知識圖譜可視化分析結(jié)果,有效形成“人—機”協(xié)同合力,突破人腦思維限制,最終實現(xiàn)基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成。

4 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程設(shè)計

基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程是指在指揮員關(guān)鍵信息需求生成的一般流程基礎(chǔ)上,通過加入知識圖譜,充分利用其強大的語義關(guān)聯(lián)能力替代相應(yīng)的人工作業(yè)環(huán)節(jié),從而減少人為因素影響,實現(xiàn)指揮員關(guān)鍵信息需求生成質(zhì)量和效率的提升。

4.1 指揮員關(guān)鍵信息需求生成的一般流程

指揮員關(guān)鍵信息需求生成的一般流程通常是由指揮員首先提出關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想,再由參謀團隊根據(jù)指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想進行補充完善,形成待審的指揮員關(guān)鍵信息需求清單,最終由指揮員親自確定正式的指揮員關(guān)鍵信息需求清單;特殊情況也可由參謀長帶領(lǐng)參謀團隊直接擬制指揮員關(guān)鍵信息需求清單,再由指揮員親自進行審批簽發(fā)。

4.2 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程建模

流程建模是指通過規(guī)范化的圖形與符號,以簡潔直觀的組合方式,對客觀存在的事物活動過程進行可視化呈現(xiàn),其思維過程與基于過程的概念建模方法相似,就是將客觀世界事物的活動細(xì)化為一個個相關(guān)的問題,只要找到了問題的解決過程或方案,也就建立了概念模型。

基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程主要是根據(jù)指揮員提出的全局性、概略性的關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想,從戰(zhàn)場態(tài)勢中敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境三個維度,提煉出相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求。通過梳理知識圖譜在指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程中的具體活動及相互關(guān)系,采用BPM建模方法設(shè)計了基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程模型,如圖7所示。

圖7 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程模型

基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程模型包含指揮員、業(yè)務(wù)保障要素以及知識圖譜三種對象,以指揮員提出的關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想為邏輯起點,以矩形代表相應(yīng)對象的具體活動,連線代表活動之間的作業(yè)順序。為了突出基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程與指揮員關(guān)鍵信息需求生成一般流程之間的區(qū)別,該流程模型采用“雙線”設(shè)計,虛線部分代表指揮員關(guān)鍵信息需求生成的一般流程,實線部分代表基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程,兩個流程之間的交叉部分采用粗實線進行標(biāo)識。

通過上述流程模型中的“雙線”對比發(fā)現(xiàn),指揮員關(guān)鍵信息需求生成的一般流程主要依賴業(yè)務(wù)保障要素人工作業(yè),受人為因素影響較大,工程化程度不高。本文提出的基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程能夠有效利用知識圖譜相關(guān)技術(shù)替代其中大部分人工作業(yè),從而突破人腦思維限制,優(yōu)化指揮員關(guān)鍵信息需求生成的作業(yè)方式,提高指揮員關(guān)鍵信息需求生成的運轉(zhuǎn)效率。

5 基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成方法驗證

本文利用虛構(gòu)的作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)模擬戰(zhàn)場態(tài)勢,構(gòu)建相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求知識圖譜,并通過模擬指揮員提出相應(yīng)的關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想,按照基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程方法進行處理,其方法驗證結(jié)果如圖8～11所示。

圖8為Python環(huán)境下的指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想軍事特征識別結(jié)果。

圖8 Bi-LSTM+CRF組合模型軍事特征識別結(jié)果

圖9為指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想在知識圖譜中對應(yīng)的語義關(guān)聯(lián)信息子圖(部分)。

圖9 知識圖譜語義關(guān)聯(lián)信息子圖(部分)

圖10為利用PageRank算法對語義關(guān)聯(lián)信息子圖進行中心度計算后的知識圖譜圖計算結(jié)果。

圖10 知識圖譜圖計算結(jié)果

圖11為根據(jù)上述的PageRank算法得分排名,實現(xiàn)對語義關(guān)聯(lián)信息子圖的關(guān)聯(lián)篩選及可視化分析(以排名第1的關(guān)聯(lián)實體為例)。

參謀團隊(業(yè)務(wù)保障要素)在知識圖譜關(guān)聯(lián)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,能夠科學(xué)高效地擬制相應(yīng)的指揮員關(guān)鍵信息需求條目。如圖11所示,詹姆斯作為太平洋戰(zhàn)區(qū)指揮官,戰(zhàn)時對管轄區(qū)域內(nèi)的所有部隊具有指揮權(quán),其個人信息及最新動態(tài)應(yīng)作為指揮員重點關(guān)注的優(yōu)先敵情;第一步兵師作為敵方主要進攻力量,其兵力編制、部署位置、主戰(zhàn)武器等相關(guān)信息應(yīng)作為指揮員重點關(guān)注的優(yōu)先敵情。因此,通過知識圖譜可視化分析,參謀團隊快速擬制了與指揮員關(guān)鍵信息需求初始構(gòu)想密切相關(guān)的指揮員關(guān)鍵信息需求條目,如表1所示。

表1 指揮員關(guān)鍵信息需求清單條目

圖11 知識圖譜關(guān)聯(lián)分析結(jié)果(對應(yīng)排名第1的關(guān)聯(lián)實體)

6 結(jié)束語

作為指揮員關(guān)鍵信息需求效能發(fā)揮的“倍增器”,知識圖譜對于指揮員關(guān)鍵信息需求生成具有重要意義。本文從指揮員關(guān)鍵信息需求生成當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)著手,通過深入分析知識圖譜在指揮員關(guān)鍵信息需求生成中的賦能機理,開展了基于知識圖譜的指揮員關(guān)鍵信息需求生成流程建模、方法設(shè)計及驗證研究,希望能為指揮員關(guān)鍵信息需求生成和質(zhì)量、效率優(yōu)化提供技術(shù)參考,從而推動指揮員關(guān)鍵信息需求組織運用關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)一定突破。