胡習(xí)霜

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

在軟件開發(fā)和集成中面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此，其成為未來作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)和集成的發(fā)展方向。潛艇作為海戰(zhàn)中的重要兵力，其作戰(zhàn)系統(tǒng)也應(yīng)向服務(wù)化方向發(fā)展。未來潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)是支持分布性、自治性、移動(dòng)性、交互性以及自適應(yīng)的分布式系統(tǒng)。

利用面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)對組織內(nèi)分布、異構(gòu)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)資源進(jìn)行有效封裝和集成，利用服務(wù)組合快速構(gòu)建跨組織的復(fù)雜應(yīng)用，以適應(yīng)環(huán)境、客戶需求和業(yè)務(wù)流程的變化，成為近年來分布式計(jì)算技術(shù)的主流趨勢。美軍很早就大力發(fā)展面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的GIG，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)信息共享和一體化指揮控制，開發(fā)了面向服務(wù)的以NCES(Net-Centric Enterprise Services，網(wǎng)絡(luò)中心企業(yè)服務(wù)網(wǎng))和SoSCOE(System of Systems Common Operating Environment，體系的公共操作環(huán)境)為代表的基礎(chǔ)信息系統(tǒng)［1］，同時(shí)美軍還采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建作戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)使能指揮能力系統(tǒng)(Net-Enabled Command Capability，NECC)，在新發(fā)布的美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF2.0中也增加了服務(wù)視圖。美軍在其新型驅(qū)逐艦DDG-1000上創(chuàng)造性地使用全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)作為艦船各系統(tǒng)的集成系統(tǒng)，在作戰(zhàn)系統(tǒng)集成上也采用了面向服務(wù)的思想［2］。國內(nèi)在這方面的研究也不斷深入。文獻(xiàn)［3］將SOA思想引入潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)，給出了SOA的開發(fā)過程，提出了基于Web服務(wù)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)參考模型。

文獻(xiàn)［4］提出了軍事信息服務(wù)的概念，并對它與Web服務(wù)的聯(lián)系與區(qū)別做了深入闡述。軍事信息服務(wù)的描述和建模方法是基于SOA的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其與互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的Web服務(wù)的描述和建模方法基本相同，不同的是服務(wù)本身的定義和服務(wù)的環(huán)境及特性要求。Web服務(wù)語法層和語義層的代表性的描述語言為WSDL和OWL-S兩種。對于Web服務(wù)的描述模型，雖然在完整性和精確程度上會(huì)有差別，但目前大多數(shù)都遵循了文獻(xiàn)［5］總結(jié)的通用服務(wù)描述模型，即WS={S，F(xiàn)，Q}，其中S是服務(wù)基本描述，F(xiàn)是服務(wù)功能描述，Q是服務(wù)屬性描述即非功能性描述。文獻(xiàn)［6］以模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)(MDA)作為一種軟件開發(fā)模式，使不熟悉本體理論的開發(fā)人員通過UML規(guī)范構(gòu)建軍事信息服務(wù)的本體模型。本文針對軍事信息服務(wù)語義化、動(dòng)態(tài)化等特性，在軍事信息服務(wù)定義的基礎(chǔ)上提出潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的服務(wù)描述和建模方法。

1 軍事信息服務(wù)描述方法

由于軍事應(yīng)用的特殊性，軍事信息服務(wù)除了強(qiáng)調(diào)服務(wù)的可重用、松耦合及可跨平臺調(diào)用外，還強(qiáng)調(diào)安全可靠、實(shí)時(shí)高效、受服務(wù)擁有者和服務(wù)中心雙重管理等屬性。因此，在面向服務(wù)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中，對軍事信息服務(wù)進(jìn)行描述和建模時(shí)，需要重點(diǎn)考慮以上特性。軍事信息服務(wù)［4］(Military Information Service，MIS)由分布在一體化戰(zhàn)場信息平臺上的各類軍事信息資源(如各種偵察、探測設(shè)備、信息處理中心、通信設(shè)備、火力打擊武器等)以及各種軍事信息系統(tǒng)構(gòu)成，遵循Web服務(wù)技術(shù)規(guī)范，以獨(dú)立于平臺的方式進(jìn)行描述和封裝的，具有獨(dú)立行為功能和軍事應(yīng)用能力的功能單元。

軍事信息服務(wù)的描述模型為MIS={S，F(xiàn)，Q}，其中S為服務(wù)的基本描述，F(xiàn)為功能描述，Q為非功能性描述。在該模型中，基本描述S往往是概要性的描述，包括服務(wù)名稱、服務(wù)提供者信息、服務(wù)基本描述及服務(wù)類型信息等;功能描述F是服務(wù)請求者判斷軍事信息服務(wù)能否滿足其功能需求的主要依據(jù)，包括服務(wù)參數(shù)及服務(wù)的輸入(Input)、輸出(Output)、前置條件(Precondition)和結(jié)果(Result)(簡寫為 IOPR)等，IOPR從兩個(gè)互補(bǔ)的角度同時(shí)揭示了服務(wù)功能:一是信息流角度，通過輸入和輸出表示;另外一個(gè)是狀態(tài)角度，通過服務(wù)執(zhí)行前的判斷條件和結(jié)果表示;非功能性描述Q包括服務(wù)質(zhì)量QoS、服務(wù)分類等，為服務(wù)請求者選擇服務(wù)提供積極、有意義的參考。

目前，服務(wù)的通用QoS主要有執(zhí)行時(shí)間T(time)、執(zhí)行代價(jià)C(cost)、可靠性R(reliability)、可用性A(availability)和信譽(yù)等級Rep(reputation)等。然而不同的用戶和領(lǐng)域?qū)Ψ?wù)QoS有著不同的理解和需求，在潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)領(lǐng)域，服務(wù)的一些特殊質(zhì)量指標(biāo)是服務(wù)選擇的重要依據(jù)，因此本文選擇5種QoS參數(shù)來描述和度量軍事信息服務(wù)，即執(zhí)行時(shí)間T、執(zhí)行代價(jià)C、可靠性R、精度A(accuracy)和信譽(yù)等級Rep。其中，精度以各種誤差來度量，如目標(biāo)探測誤差、火控解算誤差、射擊概率誤差等。

2 基于本體定義元模型的服務(wù)建模

2.1 軍事信息服務(wù)本體元模型［6］

本文以MDA進(jìn)行語義化軍事信息服務(wù)的本體模型構(gòu)建，即PIM建模。MDA是一種獨(dú)立于特定平臺的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)方法，適用于設(shè)計(jì)、部署、集成等軟件開發(fā)的整個(gè)生命周期。記語義化軍事信息服務(wù)的本體為本體O。本體O作為一種知識表達(dá)的方式，可將概念E、概念之間的關(guān)系R以及概念的屬性A(語義信息)以形式化的方式表達(dá)出來。

本體定義元模型ODM(Ontology Definition Meta-Model)［7-8］用于表示本體的一種元模型，表示模型的模型。ODM采用MDA方式對軍事信息服務(wù)建模的基本元素，由UML Profile描述。ODM將本體和MDA中的模型關(guān)聯(lián)起來，它兼有本體和模型共同的特性，可為服務(wù)本體模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)。

利用MDA方法構(gòu)建軍事信息服務(wù)的步驟:1)利用UML來構(gòu)建軍事信息服務(wù)模型;2)實(shí)現(xiàn)從UML軍事信息服務(wù)模型到基于OWL-S的軍事信息服務(wù)的轉(zhuǎn)換，即PIM到PSM的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

但ODM不支持語義化軍事信息服務(wù)的動(dòng)態(tài)特性，這制約了ODM的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^擴(kuò)展ODM，使之能夠支持軍事信息服務(wù)的動(dòng)態(tài)建模。

對ODM進(jìn)行擴(kuò)展，需要增加ODM對于動(dòng)作、輸入輸出流和控制流描述的能力，經(jīng)過擴(kuò)展的ODM能夠支持服務(wù)動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建。因此將動(dòng)作抽象為基于UML中Action的stereotype描述的元模型，即動(dòng)作元模型，輸入輸出流抽象為基于UML描述的輸入輸出流元模型，動(dòng)作與動(dòng)作之間的控制流抽象為基于UML的控制流元模型，這三類元模型與語義化軍事信息服務(wù)的ServiceModel基本一致，輸入輸出流元模型和控制流元模型分別對應(yīng)于ServiceModel的輸入/輸出和執(zhí)行條件/結(jié)果。這些描述動(dòng)態(tài)特征的元模型統(tǒng)稱為動(dòng)態(tài)本體元模型，它也是由Ontology UML Profile描述的。

軍事信息服務(wù)本體元模型(MIODM)包含了動(dòng)態(tài)本體元模型，它以模型的方式將語義化服務(wù)中的概念以及關(guān)系表示出來，因此MIODM的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中，Ms表示靜態(tài)本體元模型集，Ma表示動(dòng)態(tài)木體元模型集，m表示MIODM元模型集合中的元模型元素。MIODM表達(dá)式說明元模型m必須能夠形式化地定義模型的語法和語義特征，同時(shí)元模型又由概念元模型和關(guān)系元模型組成的。

Syntax(m)表示元素m遵循基于模型的語法規(guī)則，實(shí)際中多采用UML的語法規(guī)則，即ODM是由UML語法規(guī)則來表示，這是MDA建模的要求;Semantic(m)表示元素m通過本體描述來表達(dá)語義信息。ODM就是以模型的方式來表示本體，是模型和本體的有機(jī)結(jié)合。本文使用OWL作為本體描述語言，因此需要使用ODM中與OWL相關(guān)的本體元模型OWL MetaModel，OWL MetaModel的最頂層元模型包括RDFS、RDFBase、RDFWeb、OWLBase、OWLDL 和 OWLFull［7］。OWL Meta-Model中的最頂層元模型又可以進(jìn)一步劃分為7個(gè)部分:OWL Ontology、Class、Properties、Individuals、Datatypes、OWLUniverse、Constrains。本文在現(xiàn)有 ODM 的基礎(chǔ)之上增加了 service、profile、process、grounding、presents、described by、supports等針對于語義化服務(wù)的本體元模型，將語義化軍事信息服務(wù)的概念以及關(guān)系以模型的方式表達(dá)出來。

2.2 軍事信息服務(wù)模型構(gòu)建方法

服務(wù)請求者根據(jù)F來判斷服務(wù)是否滿足其功能需求，并依據(jù)QoS從一個(gè)服務(wù)類的多個(gè)候選服務(wù)中選擇一個(gè)合適的服務(wù)。基于QoS的全局最優(yōu)服務(wù)選擇就是在組合服務(wù)流程執(zhí)行過程中，從各個(gè)服務(wù)類對應(yīng)的候選服務(wù)中選擇具體的服務(wù)組成一條執(zhí)行路徑，使得服務(wù)執(zhí)行路徑在滿足QoS約束的前提下，多個(gè)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。本文給出以下4個(gè)定義。

1)候選服務(wù):候選服務(wù) Wij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)是構(gòu)成組合服務(wù)的基本單元，如圖1中的W1j，W2j，W3j等。利用候選服務(wù)，按照特定的業(yè)務(wù)邏輯可以構(gòu)建復(fù)雜的組合服務(wù)。1個(gè)候選服務(wù)包含1個(gè)QoS向量Qij，l為QoS屬性個(gè)數(shù)。

2)服務(wù)類:具有相同功能和不同服務(wù)QoS的候選服務(wù)構(gòu)成一個(gè)服務(wù)類Wi，如圖1中的W1、W2、W3等。

3)組合服務(wù):組合服務(wù)(CS)由，m個(gè)服務(wù)類按照某種特定的業(yè)務(wù)邏輯組成，其中每個(gè)服務(wù)類Wi(i=1，2，…，m)中有j個(gè)候選服務(wù)，且Wi中只有一個(gè)Wij(j=1，2，…，n)被選中，組合服務(wù)的滿足用戶的要求。

4)執(zhí)行路徑:對由m個(gè)服務(wù)類{W1，W2，…，Wm}構(gòu)成的組合服務(wù)，執(zhí)行路徑P是一個(gè)由m個(gè)二元組組成的集合{〈W1，W1n1〉，〈W2，W2n2〉，…，〈Wm，Wmnj〉}，其中Wmnj(j=1，2，…，n)是服務(wù)類Wi的一個(gè)候選服務(wù)，nj是j的擴(kuò)展，是每個(gè)服務(wù)類中被選中的候選服務(wù)的下標(biāo)。

2.3 模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法

利用MDA方法構(gòu)建軍事信息服務(wù)的第二步是模型轉(zhuǎn)換，即將基于UML的語義化服務(wù)模型轉(zhuǎn)換到基于OWL/OWL-S的語義化服務(wù)。現(xiàn)有的模型轉(zhuǎn)換方法多是基于規(guī)則的轉(zhuǎn)換，復(fù)雜性高，無法適應(yīng)模型變化，可以采用模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法。具體分兩步:一是將基于UML的本體模型轉(zhuǎn)換為基于OWL-S的語義化服務(wù)Profile本體，主要是從UML本體模型轉(zhuǎn)換到OWL本體。該方法依靠本體模型自身的結(jié)構(gòu)信息，不需要制定轉(zhuǎn)換規(guī)則。二是利用服務(wù)Profile，在服務(wù)注冊管理中心根據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法查找以O(shè)WL/OWL-S表示的發(fā)布服務(wù)。

圖1 候選服務(wù)與服務(wù)類示意圖

3 面向服務(wù)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)建模實(shí)例

面向服務(wù)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的流程圖如圖2所示，它含有7個(gè)抽象服務(wù)分別為:W1目標(biāo)探測服務(wù)，W2指揮決策服務(wù)，W3火控解算服務(wù)，W4導(dǎo)彈發(fā)控服務(wù)，W5魚雷發(fā)控服務(wù)，W6效能評估服務(wù)和W7重復(fù)攻擊服務(wù)，St和En分別為開始和結(jié)束服務(wù)。其中W1、W2和W3串聯(lián)，W4和W5是選擇關(guān)系，當(dāng)作戰(zhàn)效能評估結(jié)果判定作戰(zhàn)任務(wù)沒有完成時(shí)，需要再次發(fā)起攻擊，所以W7與W3、W4、W5和W6是循環(huán)關(guān)系，循環(huán)次數(shù)k是正整數(shù)，一般不會(huì)很大。

流程中的每一個(gè)抽象服務(wù)對應(yīng)一個(gè)實(shí)例服務(wù)集合，集合內(nèi)的實(shí)例服務(wù)由于自身裝備的不同而具有不同的服務(wù)質(zhì)量，如執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行代價(jià)、精度等的不同。每個(gè)實(shí)例服務(wù)的QoS參數(shù)信息在分布式UDDI注冊中心注冊。

圖2 面向服務(wù)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)流程圖

3.1 服務(wù)流程基本模型及其QoS計(jì)算方法

參照工作流的4種基本模型，潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)的基本模型也可以由順序、并行、選擇和循環(huán)等4種基本流程模型，大部分組合服務(wù)流程都可以由這4種基本模型組合而成，組合服務(wù)的QoS參數(shù)也可以通過基本模型的QoS計(jì)算方法來得到。

本文選擇5種QoS參數(shù)來描述和度量潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)，即執(zhí)行時(shí)間T、執(zhí)行代價(jià)C、可靠性R、精度A(accuracy)和信譽(yù)等級Rep。設(shè)CS為多個(gè)服務(wù)形成的組合服務(wù)，Wi為組合服務(wù)的服務(wù)類，Wi和CS的服務(wù)質(zhì)量模型分別為QWi=(Ti，Ci，Ri，Ai，Repi)，QCS=(TCS，CCS，RCS，ACS，RepCS)，潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)基本模型如圖3，其QoS參數(shù)計(jì)算方法如下:

1)順序

2)并行

3)選擇

圖3 潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用流程基本模型

4)循環(huán):設(shè)循環(huán)次數(shù)為k，則

把組合服務(wù)流程的執(zhí)行時(shí)間、可靠性和精度作為三個(gè)目標(biāo)準(zhǔn)則，信譽(yù)等級和費(fèi)用作為兩個(gè)約束條件?？梢詫⒒赒oS的服務(wù)選擇問題建模為帶QoS約束的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，期望利用多目標(biāo)優(yōu)化算法從各個(gè)服務(wù)類對應(yīng)的候選服務(wù)集合中選擇具體服務(wù)形成可執(zhí)行的服務(wù)路徑，使得服務(wù)路徑在滿足約束條件的情況下，執(zhí)行時(shí)間極短，可靠性和精度極高。

3.2 確定目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)

根據(jù)服務(wù)流程基本模型及QoS計(jì)算方法，對圖2所示的組合服務(wù)流程確定其QoS參數(shù)計(jì)算公式，作為算法的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)。算法的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)如下:

得出目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)后，即可利用多目標(biāo)優(yōu)化算法求解基于QoS的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)選擇優(yōu)化問題。

4 結(jié)束語

本文在軍事信息服務(wù)定義的基礎(chǔ)上，針對軍事信息服務(wù)的語義化、動(dòng)態(tài)化等特性，提出一種潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的服務(wù)描述和建模方法。其中服務(wù)描述采用基本描述、功能描述和非功能性描述相結(jié)合的方法;建模方法基于MDA并采用擴(kuò)展的本體定義元模型，既增強(qiáng)了軍事信息服務(wù)的語義性和動(dòng)態(tài)性，又使不熟悉本體理論的開發(fā)人員通過熟悉的UML規(guī)范可以順利構(gòu)建軍事信息服務(wù)的本體模型，并具體研究了MIODM UML Profile、自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法及原型系統(tǒng)開發(fā)等實(shí)現(xiàn)技術(shù)。最后將所提方法應(yīng)用到面向服務(wù)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中，為開展?jié)撏ё鲬?zhàn)系統(tǒng)服務(wù)化研究奠定了基礎(chǔ)。

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