CC BY
19
УДК 004.822
doi: 10.21685/2072-3059-2023-1-5
Онтологическая модель «военная наземная техника»
А. И. Либерман1, Т. Э. Шульга2
1,2Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., Саратов, Россия
1libermanai@ro.ru, 2taiss@yandex.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Предметом исследования является информация о классификации и тактико-технических характеристиках военной наземной техники, находящаяся в открытом доступе. Объектом исследования являются онтологические модели знаний. Целью работы является разработка онтологии военной наземной техники. Материалы и методы. Проектирование онтологии проводилось на основе системного анализа методом «сверху вниз». Для разработки онтологии использовалось свободное программное обеспечение Protégé и язык описания онтологий OWL, в качестве машины для логического вывода использован HermiT. Результаты. Разработана онтология военной наземной техники. Описаны классы, свойства и аксиомы, определяющие логику выводов для онтологического инжиниринга знаний. Выводы. Представленная онтология может служить для решения задач при тактическом и стратегическом планировании в военном деле, а также в обучающих целях.
Ключевые слова: онтология, логический вывод, семантическая модель, база знаний, интеллектуальная система, дескрипционная логика, OWL, военная наземная техника, военная сухопутная техника
Для цитирования: Либерман А. И., Шульга Т. Э. Онтологическая модель «военная наземная техника» // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2023. № 1. С. 64-74. doi: 10.21685/2072-3059-2023-1-5
"Military ground equipment" ontological model A.I. Liberman1, T.E. Shul'ga2
12Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia
Abstract. Background. The subject of the study is information on the classification and performance characteristics of military ground equipment, which is in the public domain. The object of research is ontological models of knowledge. The purpose of the work is to develop an ontology of military ground equipment. Materials and methods. The design of the ontology was based on a system analysis using the "top to bottom" method. To develop the ontology, the free software Protégé and the ontology description language OWL were used, HermiT was used as an inference machine. Results. An ontology of military ground equipment has been developed. The classes, properties and axioms that define the logic of inferences for ontological engineering of knowledge are described. Conclusions. The presented ontology can be used to solve problems in tactical and strategic planning in military affairs, as well as for educational purposes.
Keywords: ontology, logical inference, semantic model, knowledge base, intelligent system, descriptive logic, OWL, military ground equipment, military vehicle
For citation: Liberman A.I., Shul'ga T.E. "Military ground equipment" ontological model.
Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = Universi-
© Либерман А. И., Шульга Т. Э., 2023. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
ty proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2023;(l):64-74. (In Russ.). doi: 10.21685/2072-3059-2023-1-5
Введение
Современные условия диктуют необходимость разработки и внедрения интеллектуальных информационных систем в повседневную и боевую деятельность вооруженных сил Российской Федерации. Одной из важных задач является сбор и накопление информации о военной наземной технике противника [1]. Удобным и современным инструментом для решения данной задачи являются онтологии, которые сегодня используются для представления знаний в различных областях человеческой деятельности [2-4]. Основное преимущество онтологий заключается в возможности описать логику предметной области и на ее основе продуцировать новые знания.
В данной статье авторы предлагают онтологию для представления знаний о структуре военной наземной техники и ее характеристиках. Онтология разработана на основе системного анализа информации о классификации и характеристиках военной техники, представленной в открытом доступе. Для разработки онтологии использовалось свободное программное обеспечение Protégé и язык описания онтологий OWL. Представляется, что использовать данную онтологию возможно в двух основных направлениях: тактическое и стратегическое военное планирование и обучение курсантов.
В целях тактического и стратегического военного планирования онтология может быть использована как часть информационной системы распознавания военной техники. Онтология в такой системе будет предоставлять знания как необходимые при машинном распознавании конкретного вида техники, так и связанные с характеристиками военной техники.
Для обучения курсантов онтология может быть использована как часть информационной системы в военных учебных заведениях. Такая система позволит тренировать умения визуального распознавания техники курсантами, запоминать характеристики и особенности военной техники, проводить контроль знаний курсантов.
Краткий обзор онтологий
Вопросы использования онтологий в военном деле актуальны в современных исследованиях, их основная задача - улучшение коммуникаций между различными ведомствами. В работе [5] предложена онтология военной истории. В работе [1] предлагается онтология военных технологий для решения задач программно-целевого планирования развития базовых военных технологий. Основная цель данной онтологии - создание единой информационной среды для различных ведомств, участвующих в программно-целевом планировании развития военных технологий. Онтология THOR [6] предназначена для оперативного управления военной информацией на различных уровнях. Данная онтология включает класс Ground vehicle (наземное транспортное средство), который является подклассом Ground Equipment, однако детального отражения структуры военной наземной техники не содержит. Таким образом, существующие онтологии ориентированы на решение управ-
ленческих задач и не затрагивают вопроса знаний о структуре военной наземной техники.
Разработка онтологии «Военная наземная техника»
Военная наземная техника разнообразна по своему составу. Вопрос ее систематизации не прост, так как в разных странах приняты собственные системы классификации, причем в одной стране одновременно могут использоваться несколько классификаций. Однако состав военной техники типичен для разных стран, что позволяет использовать единую систему классификации военной техники. В данной работе онтология основана на Российской классификации военной техники по функциональному назначению [7].
На основе анализа предметной области были выделены основные термины, определившие список классов разрабатываемой онтологии. Классы верхнего уровня иерархии и их взаимодействие представлены на рис. 1.
Рис. 1. Классы верхнего уровня иерархии онтологии военной наземной техники
Классы «Военная техника» и «Военная цель» являются пересекающимися, так как сама военная техника может быть целью для поражения. Остальные классы этого уровня являются непересекающимися.
Согласно мнению военных экспертов, одной из важнейших характеристик военной техники, знание которой необходимо при тактическом планировании боя, является дальность стрельбы. Данная характеристика является сложной, поскольку зависит не только от вида военной техники, но и от используемых боеприпасов и типа поражаемой цели. Именно поэтому в онтологию военной наземной техники были добавлены классы «Боеприпас» и «Цель поражения».
Центральный класс онтологии «Военная техника» имеет несколько уровней подклассов и содержит общие характеристики военной техники, которые наследуются всеми подклассами. На втором уровне иерархии подклассов находятся классы, объединяющие военную технику по ее назначению (рис. 2). Данные классы являются пересекающимися. Описание классов данной ветки иерархии представлено в табл. 1.
Рис. 2. Второй уровень подклассов «Военная техника»
Таблица 1
Описание подклассов класса «Военная техника»
Класс Описание класса Подклассы
1 2 3
Военная Техника, предназначенная для веде- Техника СиУ
техника ния и обеспечения боевых действий, РА техника
управления войсками, их обучения, испытаний и обеспечения заданного Инженерная техника Техника тыла
уровня готовности этой техники Автомобили
к использованию по назначению [8] Бронетехника РХБ техника Измерительная техника
Техника СиУ Военная техника связи и автоматизи- АСУ
рованного управления (СиУ) КШМ Станция связи
РА техника Ракетно-артиллерийская техника (РА) ЗА ЗРК ЗРПК ПТРК РЛС РСЗО САУ
Инженерная Военная инженерная техника Машина заграждения
техника Машина раздражения Мостоукладчик Разведывательные машины
Техника тыла Военная техника тылового обеспече- Пожарная техника
ния войск Ремонтная техника
Автомобили Военная автомобильная техника Легковые Грузовые
Бронетехника Боевые и вспомогательные (специ- БМП
альные) бронированные военные БМПТ
машины [9] БТР Танк
Окончание табл. 1
1 2 3
РХБ техника Техника для радио, биологической, химической защиты (РХБ) Мишина РХБ разведки
Измерительная техника Военная измерительная техника МОД МС
Каждый из этих классов имеет свой уровень подклассов, которые представляют собой определенный тип военной техники. Например, класс «Бронетехника» имеет подклассы «БМП», «Танк», «БМПТ», «БТР», «Боевой робот». Классы данного уровня являются непересекающимися. Экземплярами данных классов будут определенные модели военной техники. Например, у класса «Танк» может быть экземпляр Leopard, Т-90 и т.д.
Отметим, что данная онтология является открытой, список ее классов и свойств может быть расширен экспертами для использования в конкретных целях конкретного эксперта. Например, для класса «РХБ техника» может быть добавлен подкласс «Дымовая машина».
Класс «Страна» представляет собой страны, в которых производится и стоит на вооружении военная техника. Класс «Военная цель» представляет собой типы целей, которые военная техника может поражать. Данный класс имеет два уровня подклассов (рис. 3). Второй уровень содержит классы: «Воздушная» и «Наземная». Все классы данной ветки являются непересекающимися.
Ф Бездушная
% Военняя_цель
Рис. 3. Иерархия подклассов класса «Цель поражения»
Класс «Боеприпас» представляет собой типы снарядов, которые могут использоваться военной техникой для поражения целей.
Описание разработанных объектных свойств онтологии приведено в табл. 2. В колонке «Относительные характеристики объектного свойства» описана логика, которая используется в объектных свойствах для верхнего уровня иерархии классов. Для объектных свойств выделяют следующие характеристики: функциональность, обратная функциональность, транзитивность, симметричность, асимметричность, рефлексивность, иррефлексивность. Функциональность означает, что в один момент времени только одно-
му объекту из домена может соответствовать несколько объектов из диапазона значений. Свойство может быть обратным к другому свойству. Например, свойство «Производит» означает, что страна производит определенную модель военной техники. Свойство «Производится» является обратным к свойству «Производит» и означает, что данная модель военной техники производится в данной стране.
Таблица 2
Описание объектных свойств верхнего уровня иерархии
Описание объектного свойства Относительные
Объектное свойство характеристики объектного свойства Домен Диапазон значений
1 2 3 4 5
Иметь Страны имеют
на вооружении на вооружении Страна Военная
данную модель техника
военной техники
Стоять на вооружении Данная модель военной техники стоит на вооружении в данных странах Обратное для свойства «Иметь на вооружении» Военная техника Тип войск Страна
Использует Данная модель
военной техники Военная техника
использует данные модели Боеприпас
боеприпасов
Используется Данная модель
боеприпасов используется данными моделями Обратное для свойства «Использует» Боеприпас Военная техника
военной техники
Поражать Данная модель боеприпасов поражает данные военные цели. Накладывается аксиома на домен Цель поражения
Быть Данная военная
пораженным цель поражается
данными моделями боеприпасов. Накладывается аксиома Обратное для свойства «Поражать» Цель поражения
на диапазон
значений
Может Предок
поразить для объектных
свойств Транзитивное Нет Нет
«Поражать»
и «Использует»
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5
Может быть Предок
пораженным для объектных
свойств «Быть Транзитивное нет нет
пораженным» и «Используется»
Производится Данная страна
производит данные модели военной Функциональное Страна Военная техника
техники
Производит Данные модели военной техники производятся в данной стране Обратно функциональное. Обратное для свойства «Производит» Военная техника Страна
Иметь модификацию У модели военной техники есть модификации Функциональное Военная техника Военная техника
Быть модификацией Модель военной техники является модификацией Обратно функциональное. Обратное для свойства «иметь модификацию» Военная техника Военная техника
более ранней модели
Для иллюстрации логического вывода на основе объектных свойств рассмотрим пример на экземплярах класса «Танк»: Leopard и Leopard2. Экземпляры Leopard и Leopard2 также принадлежат классу «Наземная», который является подклассом «Военная цель». Танк Leopard связан объектными свойствами с экземплярами классов «Страна» и «Боеприпас» (рис. 4). Танк Leopard2 связан с танком Leopard объектным свойством «Быть_модификацией». Боеприпас фугасно-бронебойный связан объектным свойством «поражать» с танком Leopard.
■ и сп ол ьзует П одкал и берн ы й_брон ебой н ы и
■ использует Кумулятивный
■ стоятьнав о □ ружен и и Эквадор
■ использует Фугасно-бронебойный
■ стоять_на_вооружении Бельгия
■ стоять_на_вооружении Германия
• производится Гернання
■ использует Осколочно-фугасный
■ стоять_на_вооружении Польша
Рис. 4. Значения объектных свойств для экземпляра Leopard
На основании указанных свойств в автоматическом режиме были получены следующие утверждения:
• боеприпасы Подкалиберный-бронебойный, Кумулятивный, Фугасно-бронебойный, Фугасно-осколочный используются танком Leopard;
• Страны Эквадор, Бельгия и Германия имеют на вооружении танк Leopard;
• Стана Германия производит танк Leopard;
• Экземпляр Leopard класса «Танк» имеет модификацию Leopard2;
• Экземпляр Leopard может быть поражен боеприпасами Подкалиберный-бронебойный, Кумулятивный, Фугасно-бронебойный, Фугасно-осколочный;
• Экземпляр Leopard поражает экземпляр Leopard.
Логика вывода первых четырех пунктов очевидна и основана на обратных объектных свойствах. Рассмотрим более подробно последние два пункта. Класс «Военная техника» связан с классом «Военная цель» через класс «Бое-припас» цепочкой объектных свойств «использует» и «поражает» (см. рис. 1). Данные свойства являются потомками объектного свойства «может поразить», которое является транзитивным. Другими словами, за счет наследования транзитивности объектными свойствами онтология делает вывод, что военная техника может быть поражена определенными боеприпасами и может поразить конкретную цель.
Кроме того, в онтологии были разработаны свойства данных, которые представляют собой качественные или количественные характеристики объекта. Они похожи на свойства классов в объектно ориентированном программировании, однако в онтологии свойства имеют независимую природу, т.е. свойство не является неотделимым от класса. В табл. 3 представлено описание свойств данных и аксиом, которые могут быть использованы для экземпляров класса «Военная техника».
Таблица 3
Описание свойств данных для класса «Военная техника»
Свойство Диапазон значений Кардинальность Относительная характеристика
1 2 3 4
Тип Строка Одно Функциональное
Боевая масса, т Целое число Одно Функциональное
Компоновочная схема Строка Одно Функциональное
Экипаж, чел. Целое число Одно Функциональное
Год начала производства Целое число Одно Функциональное
Год окончания производства Целое число Одно Функциональное
Длина корпуса, мм Целое число Одно Функциональное
Ширина, мм Целое число Одно Функциональное
Высота, мм Целое число Одно Функциональное
Клиренс, мм Целое число Одно Функциональное
Тип брони Строка Одно Функциональное
Активная защита Строка По крайней мере одно
Динамическая защита Строка По крайней мере одно
Марка двигателя Строка По крайней мере одно
Мощность двигателя, л. с. Целое число Одно для конкретного двигателя
Скорость по шоссе, км/ч Целое число Одно
Скорость по пересеченной местности, км/ч Целое число Одно Функциональное
Окончание табл. 3
1 2 3 4
Запас хода по шоссе, км Целое число Одно Функциональное
Удельная мощность, л. с./т Целое число Одно Функциональное
Тип подвески Строка Одно Функциональное
Удельное давление на грунт, кг/см2 Целое число Одно Функциональное
Преодолеваемый подъем, град. Целое число Одно Функциональное
Преодолеваемая стенка, м Целое число Одно Функциональное
Преодолеваемый ров, м Целое число Одно Функциональное
Преодолеваемый брод Целое число Одно Функциональное
Основное вооружение Строка Одно Функциональное
Дополнительное вооружение Строка По крайней мере одно
Углы ВН, град. Целое число Одно Функциональное
Углы ГН, град. Целое число Одно Функциональное
Прицелы Строка По крайней мере одно
В колонке «Диапазон значений» указан тип данных, который используется при задании значения свойству. Колонки «Кардинальность» и «Относительные характеристики» задают логику свойств данных. Кардинальность -это количество различных значений, которые свойства данных могут или должны иметь. В табл. 3 используются значения «Одно» и «По крайней мере одно». Например, кардинальнось свойства данных «Боевая масса» равно «Одно». Это означает, что можно указать одно значение свойства данных «Боевая масса». Учтивая, что свойство данных «Боевая масса» является функциональным, то применение этого свойства к классу «Военная техника» и его подклассам с ограничением кардинальности задает более строгое отношение: «каждая единица "Военной техники" имеет строго одно значение свойства данных "Боевая масса"».
Приведем пример более сложной аксиомы онтологии, которая может быть использована при логическом выводе. Как было сказано выше, вопрос классификации военной техники сложный. Например, для танков существует классификация по боевой массе. Танки с массой от 50 до 80 т относят к основным танкам. Для реализации этой классификации к классу «Танк» добавим подкласс «Основной танк». Чтобы экземпляр класса «Танк» был отнесен к классу «Основной танк», необходимо:
1) выполнение правила: каждый экземпляр класса «Танк» имеет строго одно значение свойства данных «Боевая масса»;
2) задать механизм логического вывода для выбора танков с массой между 50 и 80 т.
Для реализации второго условия необходимо задать аксиому для класса «Основной танк»:
Танк and Боевая_масса some xsd:integer [>= 50] andxsd:integer [<= 80].
На основе описанной аксиомы машина логического вывода автоматически отнесет к классу «Основной танк» все экземпляры онтологии, удовлетворяющие этому условию.
Заключение
Таким образом, в работе представлена OWL--онтология, разработанная на основе информации, имеющейся в открытом доступе, которая описывает структуру и характеристики военной наземной техники. Данная онтология включает 45 классов и подклассов, 12 объектных свойств и 43 свойства данных. Разработана логика взаимодействия классов и свойств. Наиболее очевидное применение онтологии в военном деле: планирование и обучение. На следующем этапе исследования планируется разработка интеллектуальной информационной системы по распознаванию военной наземной техники с использованием представленной онтологии.
Проект находится в открытом доступе [10], является развивающимся и легко расширяемым. Авторы будут рады любым замечаниям и предложениям по уточнению предложенной онтологии от специалистов в соответствующей предметной области и готовы к сотрудничеству.
Список литературы
1. Ивлев А. А., Артеменко В. Б. Онтология военных технологий: основы, структура, визуализация и применение (2 часть) // Вооружение и экономика. 2012. № 1 (17). С. 14-24.
2. Дубинин В. Н., Вяткин В. В. Семантический анализ описаний систем управления промышленными процессами на основе стандарта iec 61499 с использованием он-тологий // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2010. № 3. С. 3-15.
3. Nikulina Y., Shulga T., Sytnik A., Frolova N., Toropova O. Ontologies of the fire safety domain // Studies in Systems, Decision and Control. 2019. Vol. 199. P. 457-467.
4. Сытник А. А., Шульга Т. Э., Данилов Н. А. Онтология предметной области "Удобство использования программного обеспечения" // Труды Института системного программирования РАН. 2018. T. 30, № 2. С. 195-214.
5. Warren R. Military Ontology Specification - 1.1 // The Muninn Military Ontology marks up information about military people, organizations and events. URL: https://rdf.muninn-project.org/ontologies/military-en.html (дата обращения: 16.11.2022)
6. LeBlanc E. C., Nguyen Duc N., Balduccini M., Regli W. C. Military Ontologies for Information Dissemination at the Tactical Edge // International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI). 2015.
7. Военная техника // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.]. Т. 5. Великий князь - Восходящий узел орбиты / гл. ред. Ю. С. Осипов. М. : Большая российская энциклопедия, 2006. С. 527.
8. Министерство обороны Российский федерации // Справочник по терминологии в оборонной сфере. URL: https://dictionary.mil.ru/folder/123100 (дата обращения: 16.11.22).
9. Бронетанковая техника. Военный энциклопедический словарь. Архивная копия от 15 февраля 2018 на Wayback Machine // Министерство обороны Российской Федерации / ред. А. Э. Сердюков. М. : Военное издательство, 2007. 831 с.
10. Github.com // Ontology Milytary Ground Vehicle. URL: https://github.com/ Alena111111/MilytaryGroundVehicle (дата обращения: 17.11.2022).
References
1. Ivlev A.A., Artemenko V.B. Ontology of military technologies: basics, structure, visualization and application (part 2). Vooruzhenie i ekonomika = Armament and economy. 2012;(1):14-24. (In Russ.)
2. Dubinin V.N., Vyatkin V.V. Semantic analysis of descriptions of industrial process control systems based on the iec 61499 standard using ontologies. Izvestiya vysshikh
uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Engineering sciences. 2010;(3):3-15. (In Russ.)
3. Nikulina Y., Shulga T., Sytnik A., Frolova N., Toropova O. Ontologies of the fire safety domain. Studies in Systems, Decision and Control. 2019;199:457-467.
4. Sytnik A.A., Shul'ga T.E., Danilov N.A. Ontology of the subject area "Ease of use of software". Trudy instituta sistemnogo programmirovaniya RAN = Proceedings of the Institute for System Programming of the Russian Academy of Sciences. 2018;30(2):195-214. (In Russ.)
5. Warren R. Military Ontology Specification - 1.1. The Muninn Military Ontology marks up information about military people, organizations and events. Available at: https://rdf.muninn-project.org/ontologies/military-en.html (accessed 16.11.2022).
6. LeBlanc E.C., Nguyen Duc N., Balduccini M., Regli W.C. Military Ontologies for Information Dissemination at the Tactical Edge. International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI). 2015.
7. Osipov Yu. S. (ed.). Military equipment. Bol'shaya rossiyskaya entsiklopediya: [v 35 t.]. T. 5. Velikiy knyaz' - Voskhodyashchiy uzel orbity = Great Russian Encyclopedia: [in 35 volumes]. Volume 5. Grand Duke - Ascending node of the orbit. Moscow: Bol'shaya rossiyskaya entsiklopediya, 2006:527. (In Russ.)
8. Ministry of Defense of the Russian Federation. Spravochnik po terminologii v obo-ronnoy sfere = Defense terminology guide. (In Russ.). Available at: https://dictionary.mil.ru/folder/123100 (accessed 16.11.22).
9. Serdyukov. A.E. (ed.). Armored equipment. Military encyclopedic dictionary. Archived in February 15, 2018 on the Wayback Machine. Ministerstvo oborony Rossiyskoy Fed-eratsii = Ministry of Defense of the Russian Federation. Moscow: Voennoe izdatel'stvo, 2007:831. (In Russ.)
10. Github.com. Ontology Milytary Ground Vehicle. Available at: https://github.com/ Alena111111/MilytaryGroundVehicle (accessed 17.11.2022).
Информация об авторах / Information about the authors
Алена Ивановна Либерман Alena I. Liberman
аспирант, Саратовский государственный Postgraduate student, Yuri Gagarin
технический университет имени State Technical University
Гагарина Ю. А. (Россия, г. Саратов, of Saratov (77 Politekhnicheskaya
ул. Политехническая, 77) street, Saratov, Russia)
E-mail: libermanai@ro.ru
Татьяна Эриковна Шульга доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры информационно-коммуникационных систем и программной инженерии, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А. (Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)
E-mail: taiss@yandex.ru
Tat'yana E. Shul'ga
Doctor of physical and mathematical
sciences, professor, professor
of the sub-department of information
and communication systems
and software engineering, Yuri Gagarin
State Technical University of Saratov
(77 Politekhnicheskaya street,
Saratov, Russia)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию / Received 06.12.2022
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 14.02.2023 Принята к публикации / Accepted 19.03.2023
