作戰任務規劃要素的圖譜化表示方法

馬悅 吳琳

（1.國防大學 聯合作戰學院，北京100091；2.中國人民解放軍31002 部隊，北京100091）

1 引言

優秀的指揮員憑借軍事知識和戰爭實踐經驗，可以在腦海中建立作戰任務之間的復雜關系，將戰爭想象與合適的戰爭場景進行準確匹配。而機器卻難以完成“作戰經驗—關系抽取—場景應用”之間的快速轉化，其主要原因是缺乏知識而無法推理復雜任務關系。知識表示是機器認知和理解世界的基礎［1］，對復雜作戰問題進行合理的知識表示，是實現自動化和自主化決策的前提。

許多學者對軍事知識的合理化表示進行了研究。徐寧以線性時序邏輯建立了無人機任務規劃問題的描述模型［2］；朱璇利用統一建模語言對作戰方案計劃中的時間、空間和信息進行了可視化描述［3］；黎鑫采用OWL（Web Ontology Language）語言對作戰方案領域知識進行了建模［4］；于鴻源等基于復雜網絡對作戰計劃協同中作戰行動及時間約束關系進行了建模［5］；朱延廣等采用系統建模語言對聯合火力打擊問題進行了形式化建模［6］。上述描述方法未能形成軍事知識表示的統一架構，相互之間難以關聯和共享，且無法對指揮員的思維活動進行建模，導致指揮藝術層面的經驗難以在技術層面得到應用。文獻［7］～［10］雖然探索了基于知識圖譜進行軍事知識表示的方法，但還未涉及作戰任務規劃領域。

針對上述問題，本文提出一種作戰任務規劃要素的圖譜化表示方法，將作戰任務規劃中各要素以知識圖譜形式進行表示。其中，作戰事理圖譜，是對指揮員頭腦中設計的作戰演進過程進行形式化描述，從而將人類思維過程轉化為機器可理解的形式，為融入技術方法奠定基礎；任務威脅圖譜將作戰任務和敵方威脅之間的隱性推理過程，以顯性經驗知識的形式展現出來，便于與其他圖譜知識進行鏈接推理；戰場實體圖譜和單元能力圖譜描述了戰場中各類實體、部隊單位及其屬性特征。

2 基本概念

2.1 作戰任務規劃要素

從工程實現角度來講，作戰任務規劃（Operation Task Planning）是在確定作戰任務、作戰資源、作戰單元和作戰行動等基本要素基礎上，分析任務關系、資源關系和協同關系等內容，進而完成作戰任務優選、作戰任務分配和協同目標分配等活動，其關系如圖1 所示。

圖1 作戰任務規劃要素

作戰任務規劃的基本要素包括：作戰目的，用于描述作戰行動所要達到的預期結果；作戰任務，在一定戰場態勢下為實現預定作戰目的所采取的一系列具有緊密關系的行動；作戰資源，作戰實施過程中不可再分割的物質基礎，具有處理作戰任務的能力；作戰單元，在一定范圍內能夠獨立遂行作戰任務的基本作戰單位；作戰行動，作戰單元為完成作戰任務而設計的活動；作戰目標，作戰任務所作用的目標對象客體；敵方威脅，敵方為阻撓我方行動、摧毀我方軍事力量和設施所采取的軍事行動。

作戰任務規劃的關系要素，包括作戰任務關系、作戰資源關系和作戰協同關系。其中：作戰任務關系，是指作戰任務之間存在的層次關系、時序關系和邏輯關系。層次關系描述了作戰任務之間包含與被包含的關系，時序關系描述了作戰任務之間的執行順序，而邏輯關系描述了作戰任務的取舍關系。作戰資源關系，是指作戰任務對作戰資源的需求關系以及作戰資源對作戰單元的支撐關系，通過作戰能力的量化來建立作戰任務和作戰單元之間的映射［11］，從而實現作戰任務分配。作戰協同關系，是指多個作戰單元在同一時空范圍內執行同一作戰任務或具有邏輯關系的不同作戰任務時，在空間部署、時間銜接、目標分配、火力分配和效果達成等方面所具有的相互照應、相互配合和優劣互補的關系［12］。

作戰任務規劃的規劃要素，包括作戰任務優選、作戰任務分配和協同目標分配。其中：作戰任務優選，是指從作戰任務集合中選擇能夠確保作戰使命順利實現并取得最佳效果的一系列作戰任務；作戰任務分配，是指將作戰任務指派給單個或若干作戰單元去執行，其實質是建立作戰任務集合與作戰單元集合之間的動態映射。協同目標分配，是指多個作戰單元在同一時空范圍內為完成同一項作戰任務或相互之間存在邏輯關系的多個作戰任務，從時間、空間和效果等多個角度考慮所進行的目標分配和火力分配。

2.2 知識圖譜與事理圖譜

知識是人類通過觀察、學習和思考客觀世界而總結出的概念、事實和規則，而知識表示是對現實世界的一種抽象表達。知識表示方法有謂詞邏輯、產生式規則、框架表示、語義網絡及語義網等［9］。為優化搜索引擎和提高搜索質量，Google 提出了知識圖譜的概念，并迅速應用于智能搜索、個性推薦和智能問答等領域。知識圖譜是一種使用圖模型來描述現實世界的語義網絡，將基本知識要素通過語義相關聯，自然地刻畫了萬物之間的復雜關系［13］。知識圖譜主要由節點和有向邊組成，節點可以表示概念、實體或屬性值，邊可以表示概念／實體之間的關系或概念／實體的屬性［14］。

知識圖譜偏重描述知識的靜態特征和確定性事實，難以滿足事理邏輯的動態描述和不確定性推理。為此，劉挺提出一種以事件為核心的動態知識圖譜——事理圖譜（Event Evolutionary Graph），其節點和有向邊分別表示事件及事件之間的演化關系，從而揭示了事件在時空域上的不確定性演化規律［15］。事理邏輯主要包括因果事理、條件事理、順承事理、并行事理、組成事理和上下位事理。

3 作戰任務規劃要素圖譜化表示

3.1 要素圖譜描述

將作戰任務規劃要素表示為作戰事理圖譜（Operational Event Evolutionary Graph）、任務威脅圖譜（Task-Threat Knowledge Graph）、戰場實體圖譜（Battlefield Entity Knowledge Graph）和單元能力圖譜（Unit Ability Knowledge Graph），并采用資源描述框架（Resource Description Framework，RDF）數據模型進行描述。

3.1.1 作戰事理圖譜及描述

以思維活動為主的指揮藝術是作戰決策的核心。指揮員憑借廣闊的視野和敏銳的洞察力，能夠將現實戰場映射在腦海中，通過想象完成作戰進程的粗略設計，類似于情景規劃（Scenario Planning）［15］。用“作戰事理圖譜”來形式化描述這種針對特定作戰場景的思維活動，為作戰任務規劃提供概略指導。

作戰事理圖譜是一種用于描述關于作戰過程演進路徑思維圖景的事理圖譜，其節點和有向邊分別表示各作戰階段的作戰目的及相互之間的演化關系。本質是形式化描述作戰目的的分解過程，展現了作戰目的之間的組成、順序、并行和條件等關系。當作戰目的不可再分解時，必須明確能夠達成作戰目的的作戰任務。

作戰事理圖譜可表示為以下形式：

作戰目的節點Eop的屬性，用以下元組進行描述：

式（2）中，Id用于唯一標識作戰目的；Name為作戰目的名稱；Targets為達成作戰目的過程中涉及的實體目標或地理區域等；Effects為達成作戰目的的效果。

作戰任務節點Eot的屬性，用以下元組進行描述：

式（3）中，Id用于唯一標識作戰任務；Name為作戰任務名稱；Time為任務的時間屬性；Targets為目標清單，明確了作戰任務涉及的實體目標或地理區域；Effects為任務完成時所需達成的指標；Capability為完成作戰任務所需的作戰能力類型及大??；Threats為執行作戰任務時可能面臨的主要威脅；Constraint為作戰任務執行的時間、空間和資源等約束條件。

有向邊Rpp描述了作戰目的之間的條件關系（Condition）、組成關系（Compose）、順序關系（Sequence）和并行關系（Parallel），而有向邊Rpt描述了作戰目的與作戰任務之間的因果關系（Result），兩類有向邊的屬性可共同用以下元組進行描述：

式（4）中，Id用于唯一標識有向邊；Label為有向邊所表示的關系類型；StartE和EndE分別為有向邊的起始和終止節點。當有向邊描述條件關系時，Pro表示“在StartE實現條件下EndE的實現概率”；當有向邊描述因果關系時，Pro表示“若想實現StartE則需執行EndE的概率”；其余情況下，Pro無意義。

3.1.2 任務威脅圖譜及描述

貼近軍事對抗博弈實際，需面向威脅分析進行作戰任務規劃。在執行作戰任務時，敵方會采取相應措施阻礙我方行動；而我方為保證作戰任務順利實施，必然會在前期充分考慮敵方威脅，從而制定應對措施，完善作戰方案。用“任務威脅圖譜” 來描述“作戰任務—敵方威脅”和“敵方威脅—作戰任務” 之間的因果條件關系，從而將隱性推理過程以顯性經驗知識展現出來。

任務威脅圖譜是一種用于描述作戰任務、敵方威脅及相互之間威脅和處置關系的知識圖譜。節點表示作戰任務或敵方威脅；由作戰任務指向敵方威脅的有向邊，表示作戰任務對敵方威脅的處置關系；由敵方威脅指向作戰任務的有向邊，表示敵方威脅對作戰任務的威脅關系。

任務威脅圖譜可表示為以下形式：

敵方威脅節點Eht的屬性，用以下元組進行描述：

式（6）中，Id用于唯一標識敵方威脅；Name為威脅名稱；Targets為威脅對象清單；Effects為威脅效果，根據對己方作戰任務執行的影響程度進行量化；Capability明確了敵方威脅行動所具有的作戰能力。

有向邊集合Rtt描述了作戰任務對敵方威脅的處置關系（Disposition）和敵方威脅對作戰任務的威脅關系（Threaten），有向邊的屬性用以下元組表示：

式（7）中，Id用于唯一標識有向邊；Label為有向邊的類型；StartE和EndE分別為有向邊的起始和終止節點。當有向邊描述處置關系時，Pro表示“在作戰威脅出現條件下采取作戰任務能夠處置威脅的概率”；當有向邊描述威脅關系時Pro ＝1，表示“凡是能預測到的敵方威脅，都會對所執行的作戰任務產生影響”。若通過評估決定不對敵方威脅采取措施，則設立空任務節點與威脅節點建立連接。

3.1.3 戰場實體圖譜及描述

戰場實體圖譜是一種用于描述戰場中與作戰活動密切相關的客觀實體及其相互之間關系的知識圖譜。節點表示地形地貌、建筑橋梁、武器平臺和部隊單元等戰場實體，有向邊表示實體之間的空間拓撲關系、時間演化關系和語義邏輯關系等。對戰場實體的分析，實質是分析其內在屬性、邏輯關系和時空分布等特征對作戰行動的影響。

戰場實體圖譜可表示為以下形式：

式（8）中，E ＝｛e1，e2，…｝是戰場實體集合；Rbe＝｛r1，r2，…｝ 用于描述戰場實體之間的關系；函數Fbe∶（E ×E）→Rbe將兩個戰場實體關聯到相應類型有向邊。

戰場實體節點的屬性，用以下元組進行描述：

式（9）中，Id用于唯一標識戰場實體；Label為戰場實體的類型標記；Name為戰場實體名稱；Attribute為戰場實體屬性，不同類型的戰場實體具有不同屬性。

有向邊的屬性，用以下元組表示：

式（10）中，Id用于唯一標識有向邊；StartE和EndE分別為有向邊的起始和終止節點（戰場實體）；Label為有向邊的類型標記。戰場實體之間的關系可分為空間拓撲關系、時間演化關系和語義邏輯關系。

3.1.4 單元能力圖譜及描述

作戰單元因擁有各類型作戰資源而具有作戰能力，當作戰資源因戰損、故障、消耗或補給發生變化時，相應的作戰能力隨之變化。

單元能力圖譜是一種用于描述作戰單元、作戰資源、作戰能力及相互之間關系的知識圖譜。節點表示作戰單元或作戰能力，有向邊表示作戰單元對作戰能力的擁有關系。作戰資源不直接構建為節點，而是作為作戰單元的屬性，以便于作戰能力數值量化計算。

單元能力圖譜可表示為以下形式：

作戰單元節點Eou的屬性，用以下元組進行描述：

式（12）中，Id用于唯一標識作戰單元；Label為作戰單元類型；Name為作戰單元名稱；Location為作戰單元的空間位置；Resourses為作戰單元所擁有的作戰資源。

作戰能力節點Eoc的屬性，用以下元組進行描述：

式（13）中，Id用于唯一標識作戰能力，同時也區分了不同作戰能力類型；Name為作戰能力名稱；Tasks ＝｛task1，task2，…｝為作戰能力可支撐完成哪些作戰任務。

有向邊的屬性，用以下元組表示：

式（14）中，Id用于唯一標識有向邊；StartE和EndE分別為有向邊的起始節點（作戰單元）和終止節點（作戰能力）；Methods為作戰單元具備作戰能力大小的計算方法，作戰能力的大小與作戰單元擁有相應作戰資源的多少有關。

3.2 要素圖譜構建

作戰任務規劃要素圖譜的構建，需基于專家經驗知識、作戰案例數據庫、作戰規則手冊和作戰數據庫，如圖2 所示。

圖2 要素圖譜構建過程

作戰目的、作戰任務和敵方威脅節點及相互之間的關系，通過對作戰案例中敵我雙方交戰行動的聚合和抽象進行構建，也可由軍事專家針對某一作戰場景進行人工構建；戰場實體、作戰單元和作戰能力節點及相互之間的關系是對客觀事實的描述，主要通過從作戰規則手冊和作戰數據庫中構建實體字典和規則特征來進行抽取。所有要素圖譜，基于專業級數據庫Neo4j 進行管理、查詢和展示。

不同要素圖譜，可通過節點之間的關聯融合形成新的圖譜。作戰事理圖譜，通過作戰任務節點與任務威脅圖譜進行關聯，通過作戰目的節點的目標屬性與戰場實體圖譜進行關聯；任務威脅圖譜，通過作戰任務節點的目標屬性與戰場實體圖譜進行關聯，通過作戰能力屬性與單元能力圖譜進行關聯；作戰實體圖譜，通過戰場實體的類型屬性與單元能力圖譜進行關聯。

例如，“作戰事理圖譜”和“任務威脅圖譜”的融合過程為：

（1）遍歷作戰事理圖譜中所有節點并判斷其類型，若是作戰任務節點，則將其與任務威脅圖譜中相應的作戰任務節點進行連接。

（2）提取作戰事理圖譜中所有以“順序”關系連接的作戰目的節點。

（3）尋找上述節點中具有最長路徑的“作戰目的”鏈，組成新圖譜的第一層具有順序關系的節點主線。

（4）節點進行關聯，節點關聯過程如圖3 所示。

圖3 不同要素圖譜節點關聯過程

以主線中各節點為起始節點進行以下判斷和操作。

步驟1：判斷起始節點類型。若為作戰目的節點，則判斷其子節點的數目，若數目為1 則以子節點為起始節點重新進入步驟1，否則進入步驟2；若為作戰任務節點，則進入步驟3；若為敵方威脅節點，則進入步驟4。

步驟2：判斷子節點類型。若為作戰任務節點，則將起始節點轉化為“選擇節點”，所有子節點以選擇關系連接到該節點，遍歷各子節點并以其作為起始節點返回步驟1。若為作戰目的節點，則判斷子節點中是否具有最長作戰目的鏈。如果存在，則將起始節點轉化為“并行節點”，所有子節點以并行關系連接到該節點；否則轉化為“順序節點”，所有子節點以順序關系連接到該節點。而后，遍歷各子節點并以其作為起始節點返回步驟1。

步驟3：判斷起始節點是否有子節點。如果有則創建新的“并行節點”，將起始節點和所有子節點以并行關系連接到該節點；否則，將起始節點以因果關系連接到原始父節點，本次判斷結束。

步驟4：判斷子節點數目。若數目為1，則以子節點為起始節點返回步驟1；否則將起始節點轉化為“選擇節點”，所有子節點以選擇關系連接到該節點。遍歷各子節點并以其作為起始節點返回步驟1。

（5）遍歷結束后，輸出新圖譜。

3.3 應用場景

作戰任務規劃要素圖譜可為軍事智能化搜索、分析和決策提供支撐。

（1）軍事信息管理。作戰任務規劃要素圖譜以其特殊的圖結構，可以從“實體-關系”角度將不同類型作戰數據進行關聯融合，從而形成一個完整龐大且條理清晰的軍事知識體系。利用通用的“圖”語言，以較高的“保真”性表達軍事活動中的各種要素及其復雜關系，具有自然直觀、高效直接的優勢。這種不需要中間轉換過程的信息處理方式，避免了問題復雜化和高價值信息丟失的可能性。

（2）軍事數據分析。作戰任務規劃要素圖譜一經建立，便可重復為作戰任務規劃、案例復盤分析等不同軍事應用提供支撐。知識圖譜及其衍生技術涵蓋了知識的建模、抽取、融合、存儲、計算、推理和可視化等方方面面，為軍事數據分析提供了技術支撐。圖數據存儲方式，具有比傳統存儲方式更快的數據存取速度，可為大規模復雜關系數據計算提供高速響應。從語義角度將各類作戰數據進行連接，建立起統一的數據存儲與知識表示框架，有利于挖掘戰場實體、作戰態勢、作戰行動以及戰場事件之間的復雜關聯關系。

（3）軍事智能決策。作戰任務規劃要素圖譜采用人類可識別的字符串來標識節點、邊和屬性，其通用的圖數據結構又可友好地被機器識別和處理，適用于人機混合決策。圖譜的構建過程，正是讓機器形成對軍事領域的認知和理解；而基于知識圖譜蘊含的語義和自定義規則，可進行類腦的探索式分析，以模擬人類思考過程去發現、推理和求證未知的軍事知識；通過反復標注和糾錯進行交互式學習，不斷積累知識邏輯，發揮軍事專家的作用。

4 應用示例

以文獻［5］中的“聯合渡海登陸作戰”為例，闡述作戰任務規劃要素圖譜的生成與應用過程。

案例中，本級聯合部隊的任務為：奪取機場和港口，為后續部隊登陸創造條件。根據當前態勢和使命任務，聯合部隊指揮員及參謀機構確定了“開辟水際灘頭→跨海兵力輸送→奪占岸灘→開辟陸上通道→炸橋阻援→奪占陸上重要目標”的基本作戰進程，并初步制定了各作戰階段的作戰目的和主要作戰任務。同時，根據經驗知識，分析相關作戰任務及其可能遭遇的敵方威脅、應對敵方威脅可采取的行動措施，分別生成作戰事理圖譜和任務威脅圖譜，如圖4 所示。

圖4 圖譜生成

采用3.2 節中所提出的圖譜融合方法，將作戰事理圖譜和任務威脅圖譜融合生成作戰任務網絡。

5 結束語

作戰任務規劃要素的合理化描述是作戰任務規劃的前提。知識圖譜作為一種語義網絡擁有極強的表達能力，通過構建作戰事理圖譜、任務威脅圖譜、戰場實體圖譜和單元能力圖譜，形式化描述了指揮員頭腦中的作戰演進過程、任務與威脅之間的隱性推理以及戰場中的各類實體和部隊單位，從而為機器理解和技術方法融入奠定了基礎。應用示例表明，作戰任務規劃要素圖譜化表示方法能夠形象且全面地描述所需知識，可直接為作戰任務規劃活動提供支撐。