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潜艇作战系统的服务描述与建模方法研究

来源:伴沃教育
第35卷第2期 指挥控制与仿真 Vo1.35 No.2 2013年4月 Command Control&Simulation Apr.2013 文章编号:1673-3819(2013)02-0054-04 潜艇作战系统的服务描述与建模方法研究 胡习霜 (江苏自动化研究所,江苏连云港222061) 摘要:在军事信息服务定义的基础上,针对军事信息服务的语义化、动态化等特性,提出一种潜艇作战系统的服务 描述和建模方法。其中服务描述采用基本描述、功能描述和非功能描述相结合的方法;建模方法采用扩展的本体定 义元模型,增强了军事信息服务的语义性和动态性。最后将所提方法应用到面向服务的潜艇作战系统中,为开展潜 艇作战系统服务化研究提供参考。 关键词:潜艇作战系统;军事信息服务;面向服务体系结构;模型驱动框架;元模型 中图分类号:E94;E917 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1673—3819.2013.02.013 Research on Military Information Service Description and Modeling Methods of Submarine Combat System HU Xi—shuang (Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222061,China) Abstract:Service enable combat system and combat system based on SOA is the development trend of submarine combat system in the future.Firstly,the concept of military information service is introduced then the service description and model— ing methods are proposed aiming at the dynamic and semantic character of the military information service.The service de— scription contains the basic description,function description and the non—function description.The modeling method is the extended Ontology Definition MetaModel which can describe the dynamic and semantic character of the military information service properly.Finally,the submarine combat system based on SOA is constructed based on the proposed methods.All of these lay the foundation down for the research of the service enable submarine combat system. Key words:submarine combat system;military information service;SOA;model driven architecture;metamodel 在软件开发和集成中面向服务体系结构(Service— 国防部体系结构框架DoDAF2.0中也增加了服务视 Oriented Architecture,SOA)具有很多优点,因此,其成 图。美军在其新型驱逐舰DDG。1000上创造性地使用 为未来作战系统开发和集成的发展方向。潜艇作为海 全舰计算环境(TSCE)作为舰船各系统的集成系统,在 战中的重要兵力,其作战系统也应向服务化方向发展。 作战系统集成上也采用了面向服务的思想 。国内在 未来潜艇作战系统应是支持分布性、自治性、移动性、 这方面的研究也不断深入。文献[3]将SOA思想引入 交互性以及自适应的分布式系统。 潜艇作战系统软件体系结构,给出了SOA的开发过程, 利用面向服务架构(SOA)对组织内分布、异构的 提出了基于Web服务的潜艇作战系统体系结构参考 应用和数据资源进行有效封装和集成,利用服务组合 模型。 快速构建跨组织的复杂应用,以适应环境、客户需求和 文献[4]提出了军事信息服务的概念,并对它与 业务流程的变化,成为近年来分布式计算技术的主流 Web服务的联系与区别做了深入阐述。军事信息服务 趋势。美军很早就大力发展面向网络中心战的GIG, 的描述和建模方法是基于SOA的潜艇作战系统的关键 实现作战信息共享和一体化指挥控制,开发了面向服 技术,其与互联网环境下的Web服务的描述和建模方 务的以NCES(Net.Centric Enterprise Services,网络中心 法基本相同,不同的是服务本身的定义和服务的环境 企业服务网)和SoSCOE(System of Systems Common 及特性要求。Web服务语法层和语义层的代表性的描 Operating Environment,体系的公共操作环境)为代表的 述语言为WSDL和OWL—S两种。对于Web服务的描 基础信息系统…,同时美军还采用面向服务的体系结 述模型,虽然在完整性和精确程度上会有差别,但目前 构构建作战应用系统,如网络使能指挥能力系统(Net- 大多数都遵循了文献[5]总结的通用服务描述模型,即 Enabled Command Capability,NECC),在新发布的美国 WS={S,F,Q},其中s是服务基本描述,F是服务功 能描述,Q是服务属性描述即非功能性描述。文献[6] 收稿日期:2012-09—26 修回日期:2012—12-31 以模型驱动架构(MDA)作为一种软件开发模式,使不 作者简介:胡习霜(1965一),男,安徽无为人,工程师,研究方 熟悉本体理论的开发人员通过UML规范构建军事信 向为潜艇信息系统。 息服务的本体模型。本文针对军事信息服务语义化、 第2期 指挥控制与仿真 55 动态化等特性,在军事信息服务定义的基础上提出潜 艇作战系统的服务描述和建模方法。 务的本体为本体O。本体O作为一种知识表达的方 式,可将概念E、概念之间的关系R以及概念的属性A 1 军事信息服务描述方法 由于军事应用的特殊性,军事信息服务除了强调 服务的可重用、松耦合及可跨平台调用外,还强调安全 可靠、实时高效、受服务拥有者和服务中心双重管理等 属性。因此,在面向服务的潜艇作战系统中,对军事信 (语义信息)以形式化的方式表达出来。 本体定义元模型ODM(Ontology Definition Meta. Mode1) 刮用于表示本体的一种元模型,表示模型的模 型。ODM采用MDA方式对军事信息服务建模的基本 元素,由UML Profile描述。ODM将本体和MDA中的 模型关联起来,它兼有本体和模型共同的特性,可为服 息服务进行描述和建模时,需要重点考虑以上特性。 军事信息服务 (Military Information Service,MIS)由分 务本体模型的构建提供基础。 利用MDA方法构建军事信息服务的步骤:1)利用 布在一体化战场信息平台上的各类军事信息资源(如 各种侦察、探测设备、信息处理中心、通信设备、火力打 击武器等)以及各种军事信息系统构成,遵循Web服 务技术规范,以独立于平台的方式进行描述和封装的, 具有独立行为功能和军事应用能力的功能单元。 军事信息服务的描述模型为MIS={s,F,Q},其 中s为服务的基本描述,F为功能描述,Q为非功能性 描述。在该模型中,基本描述S往往是概要性的描述, 包括服务名称、服务提供者信息、服务基本描述及服务 类型信息等;功能描述F是服务请求者判断军事信息 服务能否满足其功能需求的主要依据,包括服务参数 及服务的输入(Input)、输出(Output)、前置条件(Pre. condition)和结果(Result)(简写为IOPR)等,IOPR从 两个互补的角度同时揭示了服务功能:一是信息流角 度,通过输入和输出表示;另外一个是状态角度,通过 服务执行前的判断条件和结果表示;非功能性描述Q 包括服务质量QoS、服务分类等,为服务请求者选择服 务提供积极、有意义的参考。 目前,服务的通用QoS主要有执行时间T(time)、 执行代价C(cost)、可靠性R(reliability)、可用性A(a. vailability)和信誉等级Rep(reputation)等。然而不同 的用户和领域对服务QoS有着不同的理解和需求,在 潜艇作战系统领域,服务的一些特殊质量指标是服务 选择的重要依据,因此本文选择5种QoS参数来描述 和度量军事信息服务,即执行时间T、执行代价c、可靠 性R、精度A(accuracy)和信誉等级Rep。其中,精度 以各种误差来度量,如目标探测误差、火控解算误差、 射击概率误差等。 2基于本体定义元模型的服务建模 2.1 军事信息服务本体元模型【6] 本文以MDA进行语义化军事信息服务的本体模 型构建,即PIM建模。MDA是一种独立于特定平台的 软件体系结构设计和开发方法,适用于设计、部署、集 成等软件开发的整个生命周期。记语义化军事信息服 UML来构建军事信息服务模型;2)实现从UML军事信 息服务模型到基于OWL-S的军事信息服务的转换,即 PIM到PSM的自动转换。 但ODM不支持语义化军事信息服务的动态特性, 这制约了ODM的应用。可以通过扩展ODM,使之能够 支持军事信息服务的动态建模。 对ODM进行扩展,需要增加ODM对于动作、输入 输出流和控制流描述的能力,经过扩展的ODM能够支 持服务动态模型的构建。因此将动作抽象为基于UML 中Action的stereotype描述的元模型,即动作元模型, 输入输出流抽象为基于UML描述的输入输出流元模 型,动作与动作之间的控制流抽象为基于UML的控制 流元模型,这三类元模型与语义化军事信息服务的 ServiceModel基本一致,输入输出流元模型和控制流元 模型分别对应于ServiceModel的输A./输出和执行条 件/结果。这些描述动态特征的元模型统称为动态本 体元模型,它也是由Ontology UML Profile描述的。 军事信息服务本体元模型(MIODM)包含了动态 本体元模型,它以模型的方式将语义化服务中的概念 以及关系表示出来,因此MIODM的数学表达式为 MIODM r  I1 {m J~  _ Syntax(m)n Semantic(m),m∈ u J } r  I、 {m l Concept(m)U Relation(m),m∈Ms u M。} 其中, 表示静态本体元模型集, 表示动态木体元 模型集,m表示MIODM元模型集合中的元模型元素。 MIODM表达式说明元模型m必须能够形式化地定义 模型的语法和语义特征,同时元模型又由概念元模型 和关系元模型组成的。 Syntax(m)表示元素m遵循基于模型的语法规则, 实际中多采用UML的语法规则,即ODM是由UML语 法规则来表示,这是MDA建模的要求;Semantic(m)表 示元素m通过本体描述来表达语义信息。ODM就是 以模型的方式来表示本体,是模型和本体的有机结合。 胡习霜:潜艇作战系统的服务描述与建模方法研究 第35卷 本文使用OWL作为本体描述语言,因此需要使用ODM 中与OWL相关的本体元模型OWL MetaModel,OWL MetaModel的最顶层元模型包括RDFS、RDFBase、RDF— Web、OWLBase、OWLDL和OWLFull 。OWL Meta. 2)服务类:具有相同功能和不同服务QoS的候选 服务构成一个服务类 ,如图1中的 、 、 等。 3)组合服务:组合服务(CS)由,m个服务类按照 某种特定的业务逻辑组成,其中每个服务类 (i=1, 2,…,m)中有.『个候选服务,且 中只有一个 (J= Model中的最顶层元模型又可以进一步划分为7个部 分:OWL Ontology、Class、Properties、Individuals、Data- 1,2,…,n)被选中,组合服务的Q =(Q ,Q ,…,Q ,) 满足用户的要求。 types、OWLUniverse、Constrains。本文在现有ODM的基 础之上增加了service、profile、process、grounding、pres— 4)执行路径:对由m个服务类{ 。, ,…, }构 成的组合服务,执行路径P是一个由m个二元组组成 ents、described by、supports等针对于语义化服务的本体 元模型,将语义化军事信息服务的概念以及关系以模 型的方式表达出来。 的集合{(W ,W 。),( , ,),…,(Wm, )},其中 ( =1,2,…,n)是服务类 的一个候选服务,n 是 2.2军事信息服务模型构建方法 服务请求者根据F来判断服务是否满足其功能需 求,并依据QoS从一个服务类的多个候选服务中选择 一的扩展,是每个服务类中被选中的候选服务的下标。 2.3模型自动转换方法 利用MDA方法构建军事信息服务的第二步是模 型转换,即将基于UML的语义化服务模型转换到基于 OWL/OWL—S的语义化服务。现有的模型转换方法多 个合适的服务。基于QoS的全局最优服务选择就是 在组合服务流程执行过程中,从各个服务类对应的候 选服务中选择具体的服务组成一条执行路径,使得服 务执行路径在满足QoS约束的前提下,多个目标函数 达到最优。本文给出以下4个定义。 是基于规则的转换,复杂性高,无法适应模型变化,可 以采用模型自动转换方法。具体分两步:一是将基于 UML的本体模型转换为基于OWL.S的语义化服务 Profile本体,主要是从UML本体模型转换到OWL本 体。该方法依靠本体模型自身的结构信息,不需要制 定转换规则。二是利用服务Profile,在服务注册管理中 心根据服务发现算法查找以OWL/OWL—S表示的发布 服务。 W2 W4 1)候选服务:候选服务 (i=1,2,…,m; =1,2, …,n)是构成组合服务的基本单元,如图1中的 ,, , 等。利用候选服务,按照特定的业务逻辑可以构 建复杂的组合服务。1个候选服务包含1个QoS向量Q =(Q ,Q ,…,Q ,),z为QoS属性个数。 W 区 图1 候选服务与服务类示意图 3面觚务的潜艇作战系统建模删 面向服务的潜艇作战系统的流程图如图2所示, 羹 孳 鱼雷发控服务,w6效能评估服务和 重复攻击服务, 第2期 拍挥控制与仿真 67 of Muhirobot Cooperative Localization[J].1EEE Transac- tions on Robotics.2006,22(4):666-681. o,et a1.Expefi— [3] J.Vaganay,J.J.Leonard,J.A.Curcimental Validation of the Moving Long Base--Line Naviga-- [7]R.M.Eustice,L.L.Whitcomb,H.Singh,et a1.Exper- imental Results in Synchronous—Clock One—Way—Travel— Time Acoustic Navigation for Autonomous Underwater Ve— hicles『C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Roma,Italy:IEEE,2007,4257-4264. tion Concept[C]//Proceedings of the IEEE Oceanic En- gineering Society AUV 2004 Conference.Sebasco,USA: IEEE,2004,59-65. [8] R.M.Eustice,L.L.Whitcomb,H.Singh,et a1.Re— cent Advances in Synchronous・-Clock One—・Way・—Travel-- [4] 张立JIl,徐德民,刘明雍,等.基于移动长基线的多 AUV协同导航[J].机器人,2009,31(6):581-585. llcox,D.Goldberg,J.Vaganay,et a1.,Multi—Ve— [5] S.Wihicle Cooperative Navigation and Autonomy with the Blue— Time Acoustic Navigation[C]//Proceedings of the 2006 IEEE/MTS Oceans Conference.Boston,Massachusetts, USA:IEEE,2006,1-6. [9] Y.Yao,D.Xu,W.Yan.Cooperative Localization with ifn CADRE System[C]//Proceedings of International Federation of Automatic Control Conference(IFAC),Lis— bon,Portugal,2006,1-6. Communication Delays for MAUVs[C]//IEEE lnterna— tional Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems.Shanghai,China:IEEE,vo1.2,2009,244-249. [6] A.Bahr.Cooperative Localization for Autonomous Under— [10]徐德民.鱼雷自动控制系统[M].西安:西北工业大学 出版社,2001. water Vehicles,Massachusetts Institute of Technology [D],2009. (上接第57页) , 2 4 Rep,=(∑Rep +2∑R +2[aRep +(1一a)Rep6]+ 、‘ 1 , j 参考文献: [1]郭勇.构建面向服务(SOA)的军事信息系统[J].舰 船电子工程,2010,30(9):5-9. 8 、 / 2∑Rep )/l2 得出目标函数和约束函数后,即可利用多目标优 [2] 游加慰,何业兰,陈辉,等.智能舰船平台控制系统 关键技术[J].舰船科学技术,2011,33(6):38-41. 化算法求解基于QoS的潜艇作战系统应用服务选择优 化问题。 [3] 肖明彦,董汉权,孙珠峰.基于SOA的潜艇作战系统 软件体系结构[J].火力与指挥控制,2011,36(4): 76_79. 4结束语 本文在军事信息服务定义的基础上,针对军事信 息服务的语义化、动态化等特性,提出一种潜艇作战系 统的服务描述和建模方法。其中服务描述采用基本描 述、功能描述和非功能性描述相结合的方法;建模方法 基于MDA并采用扩展的本体定义元模型,既增强了军 [4] 舒振,刘静,罗雪山,等.军事信息服务的概念体系 及其应用[J].火力与指挥控制,2010,35(9):53—57. [5] 胡建强.Web服务发现若干关键技术研究[D].长沙: 国防科技大学研究生院,2005. [6] 曹栋.网络服务智能化的关键技术研究[D].北京: 北京邮电大学研究生院,2011. [7] Object Management Group.Ontology definition metamodel [R].http://www.omg.org/cgi・bin/doe?ad/06-05・o1. pdf,2006. 事信息服务的语义性和动态性,又使不熟悉本体理论 的开发人员通过熟悉的UML规范可以顺利构建军事 信息服务的本体模型,并具体研究了MIODM UML Pro. ifle、自动转换方法及原型系统开发等实现技术。最后 将所提方法应用到面向服务的潜艇作战系统中,为开 展潜艇作战系统服务化研究奠定了基础。 [8] 岳磊,马亚平,徐俊强.通向语义的c2领域本体构建研 究[J].指挥控制与仿真,2011,33(5):12.15. 

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