CN113505191A - 一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法，所述方法包括：通过文档输入模块，获取利用自然语言描述的输入文档；通过本体解析模块，对所述输入文档，依次进行文档预处理、本体抽取、本体形式化表示，并形成本体库；通过元模型构建模块，利用所述本体库构建任务元模型、控制元模型和逻辑元模型。

Description

一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法

技术领域

本申请涉及航空电子系统架构仿真领域，具体涉及一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法。

背景技术

在基于模型的航电系统架构开发过程中，主要通过模型来传递不同层级的需求和架构设计结果。不同类型的模型以不同的视角描述同一个系统的静态结构和动态行为及其他信息。基于模型的航电系统架构设计可以取代部分文档，能够尽量减少和避免自然语言在设计开发过程中关于信息传递过程的二义性，使得涉及航电系统开发不同领域的人员能够抛开文档转而通过模型来掌握以及传递系统需求。

使用统一建模语言(UML)或系统建模语言(SysML)在航电系统架构集成开发环境中创建不同类型的静态和动态模型，一方面能够保证模型的易读性，另一方面也通过工具、语言保证了航电系统架构模型在语法层面的正确性。但是，UML是一种非形式化的面向对象的建模语言，缺少精确的语义定义，只能够从语法上约束对航电系统架构的表示方式。SysML被认为是UML的一种方言，也存在类似的语义缺失问题。因此，面向UML或SysML的模型开发只能保证模型的语法正确，而语法正确是对模型本身的基本要求，也是最低要求，想要仅仅通过建模语言来保证模型的语义互操作是不可能实现的。

同时，在航电系统架构的MBSE开展过程中，不同的系统开发团队、不同的部门或组织之间的信息相对封闭，容易形成信息孤岛，造成巨大的信息资源浪费，信息资源的异构性为信息之间的共享与互操作带来了困难。

发明内容

本申请提供一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法，能够解决模型之间的信息语义异构问题。

为了解决上述技术问题，本申请提供一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法，所述方法包括：

通过文档输入模块，获取利用自然语言描述的输入文档；

通过本体解析模块，对所述输入文档，依次进行文档预处理、本体抽取、本体形式化表示，并形成本体库；

通过元模型构建模块，利用所述本体库构建任务元模型、控制元模型和逻辑元模型。

优选的，对输入文档进行文档预处理，具体包括：

对所述输入文档的文本进行分词及词性标注；

对所述输入文档的句子进行句法分析；

对所述输入文档的句子进行框架语义分析；

根据所述分词及词性标注、句法分析和框架语义分析，形成知识源本体。

优选的，对输入文档进行本体抽取，具体包括：

利用精确匹配规则或者延展匹配规则，对所述知识源本体，进行子本体抽取；分别将得到的各个子本体合并成用户所需的本体。

优选的，对输入文档进行本体形式化表示，具体包括：

根据概念及其关系集，对用户所需的本体进行形式化表示。

优选的，根据用户所需的本体，形成本体库，所述本体库包括本体术语、本体术语属性、关系和关系属性。

优选的，利用所述本体库构建任务元模型，具体包括：

对任务进行逐步层次化分解；

对分解的任务之间逻辑约束关系的进行建模。

优选的，利用所述本体库构建控制元模型，具体包括：

以UML协作图方式，表达一个任务内各平台节点之间的交互过程；

将所述协作图转换为UML序列图方式；

将一个任务内各平台节点之间的信息流，转换为各平台节点与控制元模型之间的信息控制序列；

按照所述UML序列图方式和信息控制序列，建立相应的信息接口和内部函数。

优选的，利用所述本体库构建逻辑元模型，具体包括：

根据各平台节点功能的不同，构建逻辑元模型，所述逻辑元模型包括反应式逻辑元模型、思考式逻辑元模型、混合式逻辑元模型和复合式逻辑元模型。

综上所述，本申请提供了一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法，不仅解决了机器对自然语言描述的航电系统需求的理解，实现了航电系统需求描述的语义层面的评价，也保证了航电系统架构模型创建的输入的规范和严谨性。同时，极大提高了航电系统开发团队内部和开发团队之间关于航电架构模型的传递、共享、复用、协同管理。通过构建航电系统架构本体库，实现了航电系统架构模型在语法和语义层面的互操作，保证了模型的语义推理能力，能够实现一定程度的智能化的航电系统架构模型管理，初步形成智能化的航电系统架构模型知识库。

附图说明

图1为本申请提供的一种基于本体的航空电子系统架构模型构建组成图；

图2为本申请提供的一种自然语言描述的文档输入模块描述示例；

图3为本申请提供的一种本体解析的过程示例；

图4为本申请提供的一种文档预处理过程示例；

图5为本申请提供的一种子本体抽取过程示例；

图6为本申请提供的一种本体抽取过程示例；

图7为本申请提供的一种雷达领域本体形式化示例；

图8为本申请提供的一种元模型结构示例。

具体实施方式

本申请将本体概念引入到航电系统架构的工程建模领域是对基于模型的系统工程(MBSE)在航电系统架构建模领域的发展提出了更高要求。传统的MBSE开发方式在建模语言一致的基础上只能保证语法的统一，基于本体构建的航电系统架构本体可以将语义扩展到航电系统模型开发领域，能够保证航电系统架构模型开发所需输入的语义正确性。通过在航电系统架构的模型创建过程中引入本体和元模型，使得航电系统需求模型表达更加统一、形式化，也能保证航电系统架构模型的创建严谨和一致，不会有概念之间的混淆，模型之间的传递、复用也更为便捷。实现了语法和语义互操作的模型具备语义推理能力，可以实现智能化的模型管理，方便不同开发团队之间的协同工作。在基于模型的航电系统架构建模中引入航电系统领域本体库，从语义上对架构建模进一步约束和规范，提高了航电系统架构模型的精确度，能够实现对模型质量的评价，提高了模型的共享和复用，极大提高了MBSE在航电系统架构领域的可用性和使用效率。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

本申请提供的基于本体的航空电子系统架构模型构建方法，主要由自然语言描述的文档输入模块、本体解析模块、元模型构建模块组成，组成图如图1所示，方法包括：

步骤一：通过文档输入模块，获取利用自然语言描述的输入文档；

需要说明的是，所述输入文档包括：自然语言编制的专家报告、设计方案、需求等文档，所述输入文档作为本体解析的输入源，具体描述示例如图2所示。

步骤二：通过本体解析模块，对所述输入文档，依次进行文档预处理、本体抽取处理、本体形式化表示处理，并形成本体库，所述本体库为后续的元模型构建提供支撑；

其中，本体是语义逻辑推理的基础，建立在严格的逻辑之上，以便计算机能够进行推理得到正确的语义。为了实现航电系统在语义层的互操作，需要识别出航电系统内部各实体及概念之间的不同关系，找出两个本体中的概念之间的相似性、相异性、依赖性、满足、继承性等关系。

具体的，如图3所示，步骤二包括：

步骤201：对输入文档进行文档预处理，具体包括：1)对文本进行分词及词性标注；2)对句子进行句法分析；3)对句子进行框架语义分析。根据目标词所激活的语义框架，分析句子中目标词元的依存项在语义框架中充当的框架角色，将其填入框架中相应的语义槽。如目标词汇“观察”，激活相应的目标框架“自主感知”；4)形成初步的知识源本体，具体处理过程如图4所示。

需要补充的是，文档预处理是指针对各种文档输入模块的纯文本、词典、知识库、结构化半结构化模式或关系数据库等多种类型框架文档进行预处理；

本申请提出的航电架构本体应用在MBSE领域的设想是基于本体能够对自然语言提问进行理解和分析，通过构建领域本体库，让机器更好地理解专业领域。通过词法分析、断句软件，对自然语言描述的每一条需求进行理解和分析，通过断句、分解将其拆分成三元组，归纳整理出文档中包含的术语和关系，形成结构层次关系。

步骤202：对所述知识源本体，进行子本体抽取；分别将得到的各个子本体合并成用户所需的本体；

进行本体的抽取，必须定义抽取规则。抽取规则不是本体的组成部分，但是抽取规则必须与本体中的对象(如术语和关系等)对应，当不能对应时，要么修改抽取规则，要么修改本体的结构，可以根据实际情况而定。根据本体结构，其组成有:术语、属性关系、领域与作用域限制、部分与整体关系、同义关系，本体关系抽取功能模块的任务就是抽取以上各种术语及其关系。下面给出两种常用的抽取规则：

1)精确匹配规则

所谓精确匹配规则，是针对匹配子需求本体中的术语和属性而言。精确匹配规则包括三种规则：术语匹配规则、关系匹配规则和属性匹配规则，分别用于匹配知识源中被子需求涉及的术语和属性。在实际的抽取过程中，子本体中可能涉及多个术语，根据术语(关系)匹配规则可以将需要的全部术语(关系)从知识源本体中抽取出来。这里的术语(关系)实际上是一个包括术语(关系)及其属性信息的字符串。然后利用属性抽取规则去抽取术语(关系)的属性，属性的抽取实际上是依赖已经抽取出来的术语(关系)。用术语(关系)匹配规则得到的术语(关系)中记录了有关属性信息，运用属性匹配规则可以抽取其全部属性信息。

2)延展匹配规则

延展匹配规则是针对两个本体之间的联系而言的。理想情况下，子本体涉及的术语所依赖的关系正好分布在各个知识源本体中，涉及的术语也是分布在各个独立的知识源中，彼此之间没有交叉。很多情况下子本体涉及的关系所依赖的两个术语恰好分布在两个不同的知识源本体中，这样就需要利用延展匹配规则进行匹配，如果各个知识源本体已经被统一了形式，就可以采用术语抽取规则；如果本体形式没有统一，那么需要为每个本体建立不同的精确匹配规则，然后将建立的精确匹配规则应用于延展匹配规则。

子本体抽取过程如图5所示。

最后将得到的各个子本体合并成用户所需的本体。合并后的本体必须能够保证满足用户最初提出的要求，而且不能有大量冗余或无关的信息，抽取过程抽取的仅仅是所关心的信息，无关的信息已经去除，但是抽取的过程中可能出现数据的重复或者冗余，合并过程主要是消除数据的冗余。需要做的是：对于抽取得到的子本体，根据整合本体中描述的两个本体之间的关系将它们取并或者取交。如果取交已经去除了冗余，如果取并需要去除重复的术语和关系。最后得到的是术语以及关系均去除冗余后的一个本体，这个本体就是交给用户的本体，本体抽取过程如图6所示。

步骤203：根据概念及其关系集，对用户所需的本体进行形式化表示。

雷达领域本体的形式化表示如图7所示。雷达领域本体包括术语、术语属性、关系和关系属性。术语包括作战单元和任务，其中，作战单元包括探测雷达、引导雷达、警戒雷达；任务包括对空搜索和防空预警。术语属性包括工作频率、发射功率、天线波束扫描方式、脉冲宽度和天线波束宽度。关系包括探测目标、评估目标、跟踪目标和识别目标。关系属性包括探测目标距离、探测目标方位、跟踪目标数量和探测目标速度。

步骤204：根据用户所需的本体，形成本体库，所述本体库包括本体术语、本体术语属性、关系和关系属性。

可以理解的是，本体的主要目的之一是知识的共享与重用，本体库可以明确专业领域内存在的对象、过程、属性及其之间的关系，是对共享概念模型的形式化的明确的描述，通过对航电系统架构领域及领域间的知识进行编码，可以实现航电系统领域知识的流动及共享、重用。本体库的构建和使用可以避免在航电系统领域内进行重复的领域知识分析，统一的术语和概念使知识共享成为可能。通过建立航电架构本体库，并基于该本体库建立模型，可以让架构模型开发者利用已有的基础模型，集中精力专注于模型库中涉及不到的特定领域，一方面可以节约开发模型的时间，另一方面也可以让架构建模人员集中关注自己擅长的领域，提高模型开发效率，也提升模型自身的质量。

步骤三：通过元模型构建模块，利用所述本体库构建任务元模型、控制元模型和逻辑元模型，支撑航空电子系统架构体系化建模，元模型结构如图8所示。

需要说明的是，任务元模型是整个作战任务的宏观模型，而对于平台节点的建模(逻辑元模型)是微观模型，在这两层模型中间存在着控制元模型。任务元模型可以对逻辑元模型进行重组，每个任务元模型中都有特定部分描述参与该任务的平台节点，以此来选定和重组所有需要建模的平台节点。基于任务元模型、控制元模型和逻辑元模型可以构建若干元任务、控制对象及平台节点，如下图所示。其中，任务对象层主要为任务的层次化分解结构，在系统中担任重构的作用；控制对象和元任务之间是一对一的信息连接，通过该连接实现任务的实施；控制对象和作战平台之间则是多对多的连接关系，通过这些连接实现平台向控制单元报告状态信息、控制单元向平台发送控制指令等功能。

具体的，步骤三包括：

步骤301：任务分解及任务元模型的构建；

任务元模型的建立分为两个阶段，即对作战任务进行逐步层次化分解阶段和对分解的任务之间逻辑约束关系的建模阶段。

为了降低系统的复杂程度，本文提出了任务的层次化分解方法，将复杂任务细化为能由作战资源直接执行和完成的元任务序列，并确定元任务优先顺序和资源需求。该过程将一个抽象的复杂任务细化为更加具体的、相对独立的元任务，是一个粒度从粗到细的优化决策过程。

步骤302：控制元模型的构建；其建模分为四步：

(1)首先以UML协作图方式表达一个基本任务内平台节点之间的交互过程；

(2)将该协作图转换为UML序列图方式；

(3)然后将平台节点之间的信息流转换为平台节点与控制元模型之间的信息控制序列；

(4)最后按上文所提的控制元模型结构建立相应的信息接口和内部函数。

需要说明的是，控制元模型的主要工作如下：(1)接受任务元模型的指令，开始任务的执行过程；(2)通过信息连接，监测并记录在任务的执行过程中每个平台节点的状态行为以及相应的数据；(3)结合实际指挥控制策略和平台节点的状态信息，不断向每个平台节点发送控制信息，以驱动平台节点；(4)判断任务执行的结束，通过与当前任务模型的信息连接完成，并释放相应的平台节点，设置平台节点为闲置状态，以便其他的控制单元使用。

步骤303：根据各单元功能的不同，构建逻辑元模型。

实际应用中，本申请实施例根据平台节点(平台)功能的不同，提出了不同的逻辑元模型：(1)反应式逻辑元模型。具有与周围环境信息的交互性、与系统内其它单元的协作性以及对外来消息做出适当反应的性能。(2)思考式逻辑元模型。具有与周围环境信息的交互性、维护着一个由信念(战场态势、兵力编成)、愿望(当前目标)、规划(打击预案)、意图(战术使命)组成的心智模型，并能在此基础上进行推理。(3)混合式逻辑元模型。能在一定的使命背景下，根据具体任务同时面对多个目标的作战行动。平台节点不但需要对战场态势进行分析推理、对作战行动进行规划决策、相互通信协调作战行动，还能在紧急情况下不需进行思考，迅速反应采取相应对抗措施。(4)复合式逻辑元模型。一个复杂的平台节点往往可以分解为若干子单元，这些子单元可分别构造为不同的元模型，因其具有协作特性和紧耦合的整体特性，可将这样的单元构造为复合元模型。

利用基于本体的元数据表示模型元素，可以有效地促进领域知识的共享和语义表达，能够为用户和应用提供语义查询和信息汇集等能力。航电系统架构本体和航电系统元数据通过对航电系统架构相关的实体、概念进行分析并提取属性，构建了航电架构的领域知识及其之间的丰富关系。航电系统架构本体库经过规范化和形式化的处理，将航电系统架构的相关知识变成了计算机可读的格式，可以实现从语义上更加准确地建模，为实现模型的可重用性提供足够的语义保证，很大程度提高了航电系统架构模型的复用率。

综上所述，借用本体的概念在开发航电系统架构模型时获取航电领域中各种概念和概念之间的关系，可以高效地将航电系统术语的语义表达出来，保证了航电系统架构模型的语义查询和语义推理的基础。针对航空电子系统领域内的自然语言编制的专家报告、方案、设计、规范等文档，通过断句软件对这种半结构化的数据进行语义提取，梳理并归纳整理出航电领域的本体库雏形，涵盖了该领域的所有术语及其之间的关系组成。航电系统领域的本体是模型语义推理的基础，建立在严格的逻辑之上，可以保证计算机能够进行推理得到正确的语义。实现了自然语言到机器可理解语言之间的转换，航电架构模型的构建使得知识流动起来，避免了重复的领域知识分析，统一的术语和概念帮助实现了航电系统架构内部之间的知识共享。通过维护人员对航电领域本体库进行长期的维护工作，包括领域概念术语的补充、完善、更新等。同时，借鉴元数据的思想，形成航电系统的领域数据模板或模型模板。构建基于本体的航电系统模型库，可以保证模型开发的语义正确性，实现航电系统模型的语义互操作，有效促进同一个开发团队或者不同开发团队之间对于航电架构模型的评价、共享和复用，在提高模型质量和模型可信度的同时也可以避免重复劳动。

Claims (8)

1.一种基于本体的航空电子系统架构模型构建方法，其特征在于，所述方法包括：

通过文档输入模块，获取利用自然语言描述的输入文档；

通过本体解析模块，对所述输入文档，依次进行文档预处理、本体抽取、本体形式化表示，并形成本体库；

通过元模型构建模块，利用所述本体库构建任务元模型、控制元模型和逻辑元模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对输入文档进行文档预处理，具体包括：

对所述输入文档的文本进行分词及词性标注；

对所述输入文档的句子进行句法分析；

对所述输入文档的句子进行框架语义分析；

根据所述分词及词性标注、句法分析和框架语义分析，形成知识源本体。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对输入文档进行本体抽取，具体包括：

利用精确匹配规则或者延展匹配规则，对所述知识源本体，进行子本体抽取；分别将得到的各个子本体合并成用户所需的本体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对输入文档进行本体形式化表示，具体包括：

根据概念及其关系集，对用户所需的本体进行形式化表示。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据用户所需的本体，形成本体库，所述本体库包括本体术语、本体术语属性、关系和关系属性。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述本体库构建任务元模型，具体包括：

对任务进行逐步层次化分解；

对分解的任务之间逻辑约束关系的进行建模。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用所述本体库构建控制元模型，具体包括：

以UML协作图方式，表达一个任务内各平台节点之间的交互过程；

将所述协作图转换为UML序列图方式；

将一个任务内各平台节点之间的信息流，转换为各平台节点与控制元模型之间的信息控制序列；

按照所述UML序列图方式和信息控制序列，建立相应的信息接口和内部函数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用所述本体库构建逻辑元模型，具体包括：

根据各平台节点功能的不同，构建逻辑元模型，所述逻辑元模型包括反应式逻辑元模型、思考式逻辑元模型、混合式逻辑元模型和复合式逻辑元模型。

Images