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一种C3I系统中的实时专家系统模型

来源:互联网 责编:大嘴 作者:裴波 邵军力 时间:2004-08-12

摘要:随着科学技术和军事技术的迅速发展,战场时空扩展迅速,使作战指挥工作越来越复杂,许多情况已远非指挥员直观经验和判断所能及。实时专家系统RES(Real-TimeExpertSystem)作为一种军事智能辅助决策软件,在C3I系统中对指挥员决策的及时性、准确性、高效性将起到重要的作用。本文提出了一种C3I系统中的实时专家系统模型,介绍了它的体系结构及实现,并进行了一定的讨论。

关键词:C3I系统 实时专家系统 模糊决策


1  概述

  当今的科学技术在作战的机动性、影响区、感觉区、突然性、反应速度等各方面改进了作战能力,建立C3I系统是现代指挥发展的必然趋势。现代战争的指挥员处于陆、海、空三军一体化行动的多维战场中。他们会面临如下的新问题:决策信息量剧增、态势变化剧烈、指挥周期缩短、指挥系统易遭受破坏和干扰以及战场控制更困难等。这些问题仅靠指挥员自身能力是无法解决的。这就要求以计算机、通信为主要手段的软硬件的强有力的支持,构造智能化辅助决策软件成为其中的一个重要组成部分。如今自动化系统中计算机辅助决策软件有两类[1]:预案检索型和人工智能型。前者的策略是制定决策方案,将与其配套的计算、控制程序作为一个软件产品存放在软件库中,需要时可迅速提供指挥员选用;后者决策由专家系统临时生成,它更加符合战场多变的实际和战术的灵活性。本文的实时专家系统模型是针对现代化战场的突变性、非测性、复杂性的特点而提出的,它是设计军事智能化辅助决策软件的主要参考方法。

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图1 专家系统的一般结构

2 专家系统

  一个结构完整的专家系统通常由六个部分组成(见图1)[2]:知识库、上下文(context,也有人称之为全局数据库)、推理机、知识获取机制、解释机制和人机接口。其中知识库、全局数据库和推理机是目前大多数专家系统(或其它知识库系统)的主要内容,知识获取机制、解释机制和专门的人机接口是一个完整的专家系统应具有的三个模块。

  其中知识库用于存放领域专家的专门知识。全局数据库反映具体问题在当前求解状态下的符号或事实的集合,它由问题的有关初始数据和系统求解期间所产生的所有中间信息组成。推理机在一定的控制策略下针对全局数据库中的当前问题信息,使用知识库中的知识去解决实际问题。知识获取机制实现专家系统的自学习。解释机制用于回答用户提出的各种问题。人机接口负责把用户输入信息翻译成系统可接受的内部形式,同时把系统向专家或用户的输出信息转换为人类易于理解的形式。

  一个专家系统应具有以下三个特征[3]:

  ·启发性(Heuristic)——不仅能使用逻辑知识,也能使用启发性知识。

  ·透明性(Transparency)——能向用户解释它的推理过程,还能回答用户的一些关于它自身的问题。

  ·灵活性(Flexibility)——系统中的知识应便于修改和补充。

3  C3I系统中RES的设计与实现

3.1系统结构

  本RES实际上是通过在系统中存储大量作战领域的有关专门知识和经验来作出决策意见的软件系统。它包括实时数据收集模块、接收器、问题生成器、命令与建议生成器、推理机、工作数据库、发送器、知识库等部分,其体系结构如图2。其工作过程为:首先由实时数据收集模块采集外界数据信息。外界信息有两个来源,一个是由传感器或监测装置如远视雷达或军用卫星红外探测所传来的战情数据,另一个是由指挥员通过可视化界面人工下达的命令。接到这些数据信息后经过问题生成器的处理存入工作数据库,再由推理机根据工作数据库中数据和系统状态以及知识库中知识进行分析和推理。推理出的方案以建议方式通过人机界面提供给指挥员或直接以自动化命令方式通过发送器传送至外界。在整个执行过程中,指挥员可干涉RES的执行与决策,以监督决策的正确性。

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图2 C3I系统中RES实现的整体结构图

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图3  推理机结构图

3.2各模块的功能与实现

3.2.1实时数据收集模块

  用来收集专家系统推理所需的外界数据信息。它利用对外界传感器或监测装置访问的方式,对慢变信号采用轮询方式按周期T采集,对快变信号采用中断的方式。对采集到的信号按一定的通信协议传输。

3.2.2接收器

  接受来自实时数据收集模块采集的信息,进行初步的合理性检测,并对数据流中数字量信号通过译码程序直接译码,将数据流直接译成RES程序可调用的变量值,并依一定顺序保存于预先定义好的工作数据库的字段中,这一步减少了数据处理时间,尽量对实时数据进行实时处理,提高了RES的效率。

3.2.3问题生成器

  把来自接收器的信息转换为RES可识别的问题描述。由接收器接收的信息传入问题生成器后,进行格式化,确定其性质并进行一定的处理(包括信息融合,报警合并归类,优先权分配等),再按优先权加入缓冲队列。

3.2.4命令与建议生成器

  把推理结果生成规范化的命令或建议,通过人机界面反馈给指挥员或通过发送器传送给外界执行模块自动执行。

3.2.5推理机

  推理机是RES的核心,推理结果的合理性直接反映到决策结果的正确性与决策过程的实时性上来。推理机的结构图如图3所示,它由三部分组成:

  (1)推理分析器

  它是推理机构的主要技术元件,能根据知识库不同方面的知识及工作数据库数据和状态向量进行推理,它允许前向(面向数据)和后向(面向目标)的推理方式。通过一些验证我们知道,前向推理在监控机态势分析及推理机的“假设”阶段是最合适的;后向推理在追踪最高等级故障及引导操作员进行相关的维修过程中是最有用的[4]。

  (2)知识编辑器

  这是体现RES智能的重要部件,它实现了RES的自学习功能,通过对知识库经验积累区及外界操作员所输入的解决方法的分析,能对知识库知识进行更新、扩充及调整。

  (3)经验积累器

  它将对问题的处理方法、决策数据及处理效果等写入知识库中经验积累区,以作为下次决策及知识库更新的根据。

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图4  知识库结构图

  由于RES具有实时性,所以采用以启发式推理为主而以反向推理为辅的方式。RES的推理以知识为前提,依正、反向推理而采用不同的知识表达。对正向推理应用产生规则,如“IF…THEN…”表示法;对于反向推理,采用逻辑表示法,以利于反向逻辑推理。

  在进行正向推理时,会出现由于战情数据的模糊性或规则数量的限制、规则的条件部分同当前工作数据库中数据并不完全匹配等情况。对此可采用模糊逻辑的隶属度和隶属函数通过推理和插值(interpolation)的合成推理规则处理这种模糊性。在RES中我们采用了一种模糊正向推理方式——“随言推理”,利用以模糊集形式存于知识库中的规则如模糊性规则:

  IFxisAwithaTHENyisBWithβ

  其中条件“XisAwithα”及结论“yisBwithβ”为模糊命题,α、β为可信度因子的一个值。

  而采用随言规则:

  前提A:IFX1isA1,AndX2isA2…,AndXnisAn,THENYisB

  前提B:IFX1isA′1withλ1,andX2isA′2withλ2,…,AndXnisA′nwithλnTHEN

  结论:YisB′withλ

  其中XiisA′iwithλi(i=1…n)为模糊命题,Xi为系统状态变量,Ai为系统状态集,A′i为系统模糊状态集,Y为决策结果。λ=Φ(λ1,λ2,…,λn),Φ为可信度函数。

  利用这种方法可解决在规则难以精确匹配时RES的推理难度,提高RES的健壮性,可使许多难以推测的敌情得到可信度很高的决策结果,提高了系统的实时性。

3.2.6工作数据库

  工作数据库用来保存推理所需的过程状态信息,包括问题的描述、中间结果、解题过程的记录数据等。

3.2.7发送器

  用于将命令与建议生成器生成的决策方案通过通信接口发送到外部执行模块,它提供了一个通信协议的转换功能。

3.2.8知识库

  知识库是以各种方式把一个或多个信息关联在一起的信息结构。在战场中,指挥员总是根据敌情,利用已有的经验或启发性知识,提出各种假设,进行某些尝试,以作出正确的决策。在RES中,知识库包括:规则区、模型区、原型区和经验区,其结构如图4。

  ·规则区

  规则是一种最有效的获取建议动作的手段,知识库采用产生式规则作为基本的表示形式。

  ·模型区

  存放用于决策的标准算法,这是针对某些有明确处理方案的情况而设计的。

  ·经验区

  它存储了经验积累器所输入的数据,可提高决策的速度和有效性,并被用于知识更新。

  ·原型区

  对于不能判断的战情,如果是首发战情,则加入原型区,并记录指挥员的决策过程。如不是首发战情,则记录指挥员决策,并通过计算相似度匹配公式加入原型区。当相似度Ds大于某一阈值K(假设为0.8)时,则将之归为一类。对达到一定数量的一类战情原型通过经验积累器归结经验,输入经验区。相似度匹配公式为:[6]

  

其中0=1,Xi,Yi分别表示战情c与战情C*的初始征兆与决策结论的可信度。N为c与C*的初始征兆与决策结论的最大项目数。Ds=1时,c与C*最相似,Ds=0则表示c与C*最不相似。

4  讨论

4.1糊糊决策方法的应用

  知识库中的规则可分为两类:

  (1)“全面征兆(集合)-结论”对,它将一个完整的征兆集合与目标结论直接联系起来,是一一对应关系,属于精确知识。用PROLOG语言表示其规则原语为:

  决策结论:——探测设备,敌情方位,敌情事件表。

  (2)“不确定征兆(集合)-结论(集合)”对,征兆事件与结论之间的关系不确定,是模糊的,这属于模糊知识。用PROLOG语言表示其规则原语为:

  决策结论:——探测设备,敌情方位,敌情事件表,决策结论的归纳强度。

  其中决策结论的归纳强度:敌情事件隶属于本决策结论的隶属度。对有p个敌情事件的敌情事件表和m个决策结论的决策结论表,它可用一个p×m矩阵表示:

  

它即为模糊判断矩阵。其中矩阵元素λij表示第i个敌情事件对于第j个决策结论的隶属度(1≤i≤p,1≤j≤m)。

4.2  C3I系统中RES的层次设计

  C3I系统是一个复杂的系统,我军C3I系统的建立是按军队的体制由上至下逐级展开,形成一个层次结构,因此,为了适应这种结构,作为军事指挥辅助决策软件的RES的体系结构也应逐层展开,上下左右贯通形成有机整体。其层次结构如图5所示:

  其工作流程为:在各下级C3I系统发现敌情后,由各下级RES作出决策,并反馈决策结论与敌情给中级RES,中级RES分析所属下级RES情况后作出决策调整发向所属下级RES,同时反馈信息给上级RES,上级RES同样经分析后向中级RES发出决策调整。

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图5  RES的层次设计