面向语义的C2领域本体构建研究

岳 磊，马亚平，徐俊强

（国防大学，北京 100091）

联合作战已成为现代战争的主要样式，如何在多军兵种指挥控制系统之间实现方便、及时、灵活、有效的信息共享，要求指挥控制（C2）系统在一个互操作能力的高层次上交换信息。为了达到这种互操作的层次，不仅信息被交换，而且隐含在信息后面的语义也需要被交换[1]。本体技术的发展为解决这一问题带来了新的途径。

本体通过捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的术语，从不同层次的形式化模式给出这些术语和术语之间相互关系的明确定义，通过概念之间的关系来描述概念语义[2]。C2领域本体不仅给出了这一领域和与其相关COIs（利益共同体）共同认可的术语，更重要的是提供了一种更好的结构，来说明C2是什么，不是什么[3]，并且用一种明确的格式提供所有的已经知道的C2领域知识。这种知识可以被自动的语义处理过程所利用。

国外关于C2领域本体构建研究的总体状况是:研究项目多、研究范围广泛、研究成果丰富、有较多的成果可以借鉴。美国已经建成了一个战略C2本体知识库[4]。其C2核心本体也正在发展之中。国内针对C2领域本体构建方面的研究开展得较晚，但已引起广泛的重视。

讨论C2领域本体的构建就要讨论本体描述语言、领域本体的构建方法和构建工具这三方面的问题。本文主要讨论C2领域本体的构建方法。关于本体描述语言可参见文献[5]，关于本体构建工具可参见文献[6-7]。

1 C2领域本体定义

1.1 C2的概念及其过程

对于 C2的定义，各国有不同的理解，如美军将其定义为指挥控制是在完成任务时指挥员对所属部队的权力使用与指导。它通过指挥员在完成任务中的计划,管理,协调和控制部队和行动中利用安排人员、装备、通信、设施和程序履行[8]。我军认为指挥是为达到一定目的而组织、协调人员行动的组织活动，包含有统御、领导、命令等含意[9]；控制是指挥者为实现决策、计划的要求，以命令、指示等形式对被指挥者的行动进行的驾驭与支配，是军队指挥中的一种活动。在具体的内容上，包括控制部队行动的目标、控制部队行动的方法、控制部队行动的时间、控制部队行动的范围和控制部队行动的转换等几个方面[10]。对于C2，在我军的权威词典里（如军语、条令、军事词典等）没有给出一个严格的定义，但 C2过程可以通过作战过程充分描述出来。

虽然各国对C2的定义理解不同，但C2的过程却大体相似。C2的整个过程是为完成特定的任务，通过收集情报，分析判断情况、做出决策，然后根据决策制定作战计划，下达命令，监督执行，在执行的过程中分析任务完成情况，与预定目标做出比较，根据情况调整计划、命令，最终达到一个预期目标的一个闭环的过程。见图1。

图1 C2组织过程流程图

1.2 本体及其与C2的关系

本体是相对于一个共享概念的、正式的和明确的表达[11]，是在一个领域中对概念、对象和关系的描述。它包含每一个概念的相关属性（包括属性的限制条件）。

为了在联合作战中有效地共享和充分利用信息，C2信息系统将不得不考虑互操作问题。一个解决办法是利用代理间的通信构建一个表达 C2领域的共享模型的通用本体。基于C2领域本体，可以在C2系统、参与的人员之间更方便地实现信息交换，并能够提供一个共享的情况理解的机制。

1.3 C2领域本体的定义

参考Leslie Winters和Andreas Tolk的定义[3]，本文给出C2领域本体的定义如下:

C2领域本体是一个针对C2领域可共享的概念形式化、明确的规范，是一个综合的表示性的人造物。C2领域本体包含分类法作为其中的一部分，表示性的单元指明C2一般概念、定义的类和它们之间的关系。C2领域本体可以作为参考来对C2领域知识进行描述和推理。

其中，概念是对领域中的真实实体和事件及其相互之间关系的描述；形式化是指本体能通过本体语言编码，使得计算机可读，所包含的内容能被计算机所理解，并可以被计算机处理；明确的意思是在本体规范中所使用的概念、约束都必须明确地定义；共享是指本体在领域内被群体所能共同理解。C2领域本体是C2领域知识表示、共享、重用、互操作和集成的基础。

2 C2领域本体构建方法

尽管C2领域本体的功能作用已经被认识，并逐渐得到应用，但由于目前本体工程学相对不成熟，本体构建的方法学还没有成熟的理论作指导，加之C2基于过程的特征和易受人的因素影响，使得建模非常困难，导致现在C2领域本体的构建还缺乏系统的、工程化的方法。

2.1 三种典型的C2领域本体构建方法

2.1.1 简单的C2领域本体构建法（SC2M）

SC2M（a simple command &control ontology）法[12]是构建简单的C2领域本体的一种方法，建立在七步法[13]的基础之上，目标是创建一个C2领域里的逻辑框架、一个理论基础研究、一种分类，提供一个对C2领域基础理解的本体。通过SC2M法可以使用我们尽快地掌握C2领域本体构建的方法、特点，有助于我们对C2领域本体构建一个清晰的、直观的认识。

SC2M的过程如图2所示。

图2 SC2M法的基本过程

SC2M法分为七步:第一步是确定C2领域本体的领域与范围，这一步可以通过对一些基本问题的回答来完成，如本体涵盖的领域是什么？该本体的用途是什么？也就是说我们希望这种本体回答什么类型的问题等。这些问题的答案可以在本体的设计过程中有改变，主要的作用是在特定的时间内帮助我们限制模型的范围。除此之外，还可以通过一系列能力问题来确定研究本体范围；第二步是考虑重用已存在的本体或本体片断，选择并评估存在的本体，找出与项目相关的本体或本体片断重用；第三步是列出本体中重要的术语，列出与C2相关的概念、术语；第四步是定义类和类分级，定义C2领域的概念，根据概念创建类，并进行分级；第五步定义类的性质—属性，包括类的内部、外部属性以及与其它成员的关系；第六步是定义属性的特征；最后一步创建实例，创建分级中类的独立的实例。

SC2M法基本上是七步法在构建C2领域本体中的应用，虽然提供了较详细的方法步骤，易于掌握，但SC2M法没有充分考虑C2领域的特殊性和复杂性，不适用于构建C2领域中一个用来支持正式的逻辑论点和论据的本体[12]，但作为一种通用的方法，我们可以借鉴其中的一些步骤，来形成针对具体项目的方法。

2.1.2 核心C2本体构建法(CC2OM)

CC2OM法[4]是在条令模型和现实主义观点的基础上提出的一个构建简明的、组合式的、可扩展的核心C2本体的方法。核心C2本体应该包含在任何C2环境中需要被交换的词，其内容与结构可应用于联合作战，陆军、海军，空军，太空与网络作战。本体中的术语必须能应用于从维和作战到小冲突和高强度的冲突的所有的冲突范围。这些术语必须能从战略层的战争扩展到战术层的战争。这一方法从分析核心C2本体的内容与可扩展性入手，通过分析条令的模型和领域（现实的）来完成C2领域本体的构建。核心C2本体作为通用上层本体的扩展，可以被扩展到各种C2相关的子领域本体。

CC2OM法的主要过程是:分析核心C2本体的内容与可扩展性，明确核心C2本体的内容、范围与作用，定义C2核心领域，识别它的边界；通过分析条令的模型和领域（现实的）来构建C2本体。首先根据C2的6个部分分析条令模型，然后进一步分析三个条令模型:空军OODA环（the Air Force OODA Loop）, 海军陆战队C2模型（the Marine Corps C2 Model）和目标处理过程（the Targeting Process），识别出C2领域高频率出现的词，并根据它们之间的关系进行分类分层；在核心C2本体的基础上进行扩展，围绕C2环对C2核心本体进行语义扩展，不断发展完善，最终扩展到各种C2相关的子领域本体。图3展示了核心C2本体与其它本体的关系。

图3 C2领域本体与其它本体的关系

CC2OM法是一种专门针对核心C2本体构建的方法，与一些已经实际使用的本体构建方法相比，只是一个方法原型，缺乏一些具体的方法步骤，离实用还有很大的差距。但给我们的启示是可以首先建立核心C2本体，然后在此基础上不断地扩展完善，最终构建出满足我们需要的C2领域本体。

2.1.3 九步法

九步法[14]是美军卓越软件中心和 C2核心作战电子信息工作小组(U.S. Army Center for Software Excellence and C2 Core Operational Content Working Group)开发的一种构建C2核心本体的方法。C2核心[3]是由美军联合部队司令部和国防部负责网络与信息集成的国防部助理秘书办公室共同领导来完成的成果。目的是把 C2数据词汇的一个子集标准化，提供一个基于 XML的消息可理解和互操作的、通用的结构化的和语义的基础，使在 C2领域达到更高层次的信息交互能力。根据九步法2009年6月完成“测试基础”（初步的可重用的组件,过程, 适应性规则, 文档），同年9月经过C2产品组合数据与服务指导委员会批准，2010年第4季度完成了适合早期的采用者和控制/测试事件的 1.0版，适合执行假设的连续测试的 2.0版将于2011年第4季度完成。图4展示了九步法的基本原理。

图4 九步法基本原理框图

构建 C2核心是一个混合由顶向下和由下向上方法的过程。主要步骤包括:初步的领域分析、识别领域边界、识别类和子类、盯着实例（战术）层、对象领域专家输入；识别条令资源，在各种条令中选择与C2相关的条令；选取高频率术语和定义，在已选择出的各种条令（如JP 5-0 Joint Operation Planning联合作战计划、JP 1-02 DoD Dictionary of Military and Related Terms国防部军事和相关术语词典、JP 3-13.1 Joint Doctrine for Command and Control联合指挥控制条令、JP 3-0 Joint Operations联合作战、FM 3-0 Operations等），C2模型（如 JC3IEDM[15]Joint Consultation Command and Control Information Exchange Data Model联合参考、指挥与控制信息交互数据模型），以及其它的一些相关成果（如DoDAF 美国国防部体系结构框架和北约体系结构框架 NATO Architectural Framework (NAF)中的作战视图Operational Views等）中。按照10/90原则，在C2领域专家的参与下，选取高频率 C2术语和定义；开发分类和关系，把上一步中选出来的术语和定义放置到一个分级的分类中，并确定它们的关系；映射到UCore[3]2.0分类，把上一步中的类映射到UCore 2.0分类；扩展到实例层术语（词汇表）；要求对象领域专家的反馈，征求 C2领域专家的意见；修改并对构建的本体进行完善；对本体做现场实验。

与前两种方法相比，九步法更加成熟，充分利用了各种条令资源，为我们构建 C2领域本体提供了很好的参考作用，但这一方法适用于美国、北约这种有大量条令资源可以利用的国家、组织，对于其它缺乏这方面成果的国家和地区不适用，不适用于从头开始的构建。

2.2 各种方法的比较

本文总结了以上各种本体构建方法的优、缺点,并对它们进行比较，如表1所示。

表1 C2领域本体构建方法比较表

SC2M法与CC2OM法仅仅是方法模型，没有根据它们构建出实际可应用的C2本体，当面对具体的项目构建真正的可应用的本体时，这些方法的有效性难以保证。九步法是结合具体的项目提出的C2本体构建方法，已经有经过实际验证的本体成果，是相对成熟的方法，在C2领域本体构建方面起着重要的作用。

通过上述领域本体构建方法的分析，要达到对C2领域本体构建研究的目的, 应针对C2的特点，根据现存的方法及其适用范围选择适合这一领域的本体构建方法；或借鉴这些方法的框架和步骤，综合使用不同的构建方法，发挥各自的优势，总结出适合自己的方法。

3 C2领域本体构建方法存在的问题

总的来说，由于C2过程复杂，加之本体构建方法本身还不成熟，C2领域本体构建方法存在着以下主要问题:

一是由于C2领域的复杂性，C2领域本体的构建必须要C2领域专家参与，而这些专家不是所使用的本体语言的专家，常不能很好地利用表达它们的语言结构，不能准确地捕获关于这个领域的丰富的知识。

二是为了构造高质量的本体，各种方法实际上都需要使用一种本体设计工具，而现存的本体构建工具大都是国外开发者开发的，对中文的支持有限[16]。这就导致我们在用中文开发C2本体时，需要在不同的语言之间转换，很容易产生本体映射的问题。

三是本体的评估需要明确的可测量的质量标准及工具与方法的支持[17]，尤其在选择重用相关本体和对构建的本体进行评估时，对于C2领域本体的评估缺乏相应的质量标准和专门的工具与方法。

四是由于本体集成是关于语义的集成，是一个非常复杂的过程，集成过程中会产生各种问题。到目前为止，仍没有理想的本体集成方法和工具[18]。在C2本体构建中，需要集成不同的本体创建者和使用本体建模方法的不同开发者的本体，导致了C2本体集成的复杂性和困难性。

此外，由于国外对C2本体领域研究时间长，除了一些C2相关的本体可以直接用于重用外，许多C2的体系结构、数据和建模的成果都可以考虑用来形成C2领域本体，至少可以作为构建C2领域本体的参考[3,19-20]，国外的许多方法都应用到了这些成果，如JC3IEDM，C2核心等，而我们缺乏相应的成果，因此构建起来更加困难。

未来C2领域本体构建方法应从C2核心的构建入手，从实际应用的角度出发，在C2领域专家和技术专家的共同努力下，对现有本体构建方法进行完善发展，重点是制定C2领域本体的质量评价标准以及开发相应的配套评估方法与工具。

4 结束语

本体技术的发展为在 C2领域实现语义层次的互操作能力提供了一个新的途径。但由于 C2所涉及的范围巨大，过程之间相互关系复杂，C2本体应用目的的不同，加之现代战争中 C2的边界变得越来越不明确（战略、战役和战术 C2之间的划分）。此外，当前 C2依赖的其它作战领域（如部队管理、后勤、情报）也缺乏成熟的本体以及战争不断发展的特性等都造成C2领域本体的构建充满了复杂性和艰巨性[3]。本文首先给出了 C2领域本体的定义，接着介绍了三种典型的 C2领域本体构建方法，并对三种方法的优缺点进行了总结，最后对现在 C2领域本体构建方法存在的问题进行了分析，提出了建议。

像其它领域本体构建面临的挑战一样，C2领域本体的开发和完善是一个反复迭代的过程，不会一蹴而就。随着本体技术的发展，以及我们不断的努力，最终会成功地构建满足各种应用需求的C2领域本体。

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