基于本体的多数据链集成技术研究

时间：2024-07-28

张中亮

（中国船舶重工集团公司第722研究所，湖北武汉 430079）

1. 引言

数据链是按照统一规定的消息格式和通信协议，链接数字化战场上的作战平台，处理和传输战术信息的数据通信系统[1]。

在不同历史时期，各国军队根据不同作战需求开发了一系列的战术数据链，新数据链的出现并不意味着旧的数据链将被立即取代，而会在较长的时间内并存[2]；同时，由于各军兵种之间作战需求不一样，战场的通信环境不一样等各种因素，迄今为止，任何一种数据链都不能够同时满足多种作战任务下传输与交换不同信息的要求，各种数据链具有各自显著的技术特征和相互不可替代的独特功能特性[3]。通过同时使用多种数据链，可以取长补短、互为备份、提高抗毁性；通过这些数据链的互操作，可以实现多平台武器系统的协同作战。当一个系统同时接入多种数据链时就需要解决多种数据链的集成问题[4]。

在多种数据链共存的情况下，由于每种数据链都有其特定的消息格式，为了实现多数据链的综合应用，要处理多种消息格式，工作量非常巨大，消息之间的相互转换也很困难[5]。在同时使用n种数据链系统时，通过在任意两数据链系统间建立专用的消息格式转换适配器可实现链间信息互通，但是两两之间做双向适配，会额外需要n（n-1）/2个适配器，大大增加了软件的开发、维护工作量[6]。

针对数据链消息格式不同导致的多数据链系统间信息共享困难，本文提出了一种基于本体的多数据链集成方法。

2. 本体描述语言的发展过程

2.1 可扩展标记语言XML

XML是由W3C于1998年2月发布的一种标准，是由SGML和HTML二者派生出的语言。XML具有强大的表达能力。XML为信息表示和信息交换提供了很好的中介手段和标准，对于不同数据链系统的格式化消息，XML都能对其进行描述。另外，XML还支持语法互操作性，对于不同数据链的消息形成的XML文档，XML解析器都可以对其进行分析。但是，XML及其模式规范（DTD/XML Schema）只提供固定的语法描述，并未考虑信息的语义特点，因此缺乏对语义互操作的支持。

2.2 资源描述框架RDF

RDF是描述结构信息的一种形式化语言。RDF的目标是让应用程序能够在Web上交互数据，并且保留它们原有的含义。

XML文档本质上生成了一个基于嵌套标签的树结构，很适合描述结构化文档。与XML不一样，RDF是基于有向图的数据模式，一个RDF文档描述了一个有向图。

在数据链格式化消息的集成过程中，采用图比采用树更合适。因为RDF图可以简单地合并在一起，其结果只不过是得到了一个大一些的图。而XML文档合并起来相对困难。因为两个树结构的简单合并不再是一个树，所以在合并多个输入时，仅仅为了得到一个格式良好的XML文档，就必须采取额外的措施。所以多数据链消息集成更适合采用RDF图。

作为一种本体表示语言，RDF和RDFS可用来表达某些本体知识。然而，RDFS缺少许多其它的特征（如属性的范围、属性的特殊特征、类的布尔组合等）。

2.3 网络本体语言OWL

OWL是在DAML+OIL网络本体语言的基础上改进的。OWL弥补了RDF+RDFS的许多不足，成为公认的Web本体语言标准。OWL添加了更多的用于描述属性和类的词汇，例如类之间的不相交性、基数、等价性、属性特征、以及枚举类，通过提供更多具有形式语义的词汇，明确表示了词汇表中术语的含义以及术语间的关系，使其描述的内容在机器可理解性方面要强于XML、RDF和RDF Schema等。

3. 多链消息集成方案

3.1 格式化消息的基本概念

格式化消息是一种面向比特的、格式事先规定好的报文，它由多组有序排列的字段组成，在每个字段内，被传递的具体信息按指定的格式转化成规定的二进制值[7]。消息有固定消息格式和可变消息格式两种。本文只考虑固定消息格式情况，并以典型的J系列消息为例，具体介绍消息的本体表示方法。

J系列消息一般由1～8个消息字组成，每个消息字包括5bit奇偶校验位和70bit数据位。消息字分为3种，即初始字、延长字、继续字。J系列消息的编号方式为Jm.n。Jm.nI用于表示Jm.n消息的初始字编号。Jm.nEx用于表示Jm.n消息第x个延长字的编号，其中x是从0到6的整数。Jm.nCx用于表示Jm.n消息继续字x的编号，其中x是从0到31的整数。一条消息必须包含一个初始字，可能包含0或多个延长字，可能包含0或多个继续字，总消息字数一般不会超过8个。每个消息字包含多个元素。

3.2 消息集成方案

多数据链消息集成方案如图1所示。

图1 消息集成示意图

该方法可分为三步：

第一步，依据消息标准中对消息格式的定义，将各类数据链消息描述成XML文档，并由该XML文档生成相应的XML Schema。XML很适合用于描述格式化消息，文献[6]和[8]都对采用XML来描述数据链消息的方法进行介绍。得到消息的XML描述文档后，采用Schema挖掘算法生成相应的XML Schema。

第二步，将上一步得到的XML Schema映射为OWL模型，然后使用该OWL模型指导从XML实例文档到OWL文档的转换。以XML Schema为输入，将XML Schema中的组件映射到一个OWL模型，从而获取XML Schema中关于XML文档的结构、对元素的约束等方面的语义信息。使用该OWL模型指导从XML文档到OWL文档的转换，即可得到该实例消息的OWL文档。

第三步，依据本体库和映射规则，将该OWL文档转换成全局OWL文档。得到全局OWL文档后，按照与应用平台的接口协议，将其转换成相应的接口报文即可。需要事先构建出所有可能参与集成的数据链的消息局部本体，然后对各数据链消息的局部本体集进行提取归纳，形成全局本体，并建立局部本体与全局本体之间的映射表。

3.3 集成报文的优势

在战场通信环境受限的条件下，为了保证数据链系统能实时、可靠、高效地传输作战信息，这就要求消息格式必须要有很高的效率。消息标准制定时，为保证数据的传输效率，就难免顾此失彼。这导致消息标准往往不便于指控和武器平台进行处理，与作战关联性差。

按此方法，对于收到的来自任意数据链的任一消息，都可以通过该数据链消息集成方法将其转换成全局OWL本体，之后再将其转换成与作战结合紧密的接口报文，此报文不必再受通信传输的限制，因而可以完全依据作战需求来设计。因此该方法不仅可以解决多数据链系统信息交互困难的问题，还可以解决目前数据链消息与作战关联性不紧密的问题。