基于OPN的軍事信息服務組合模型構建方法*

舒 振,皇甫先鵬,羅雪山

(國防科技大學 C4 ISR技術國防科技重點實驗室,長沙 410073)

基于OPN的軍事信息服務組合模型構建方法*

舒 振,皇甫先鵬,羅雪山

(國防科技大學 C4ISR技術國防科技重點實驗室,長沙 410073)

介紹了軍事信息服務的基本含義,給出了基于對象 Petri網的軍事信息服務組合模型的形式化描述方法,構建了軍事信息服務組合模型的基本結構,并針對一個具體的防空反導作應用案例,使用國防科大對象 Petri網建模仿真環(huán)境工具開發(fā)了相應的軍事信息服務組合模型,并對組合服務進行了簡要分析。實踐表明,該方法能滿足軍事信息服務組合模型構建的需要,并具有良好的服務建模與仿真分析能力。

軍事信息服務,對象 Petri網 ,服務組合,模型

引 言

隨著軍事變革和信息技術的發(fā)展,傳統(tǒng)的 C/S架構和基于構件的金字塔狀指揮控制系統(tǒng)解決方案已經不能滿足聯合作戰(zhàn)需求。近年來,由于服務具有松耦合和互操作性強等優(yōu)點,面向服務的思想越來越深入人心,日后軍事信息系統(tǒng)也必將采用面向服務的思想進行構建。而單一的服務只能解決單一的應用,服務組合才能實現復雜的應用,滿足系統(tǒng)構建的要求。

目前國內外圍繞Web服務組合的研究有很多,提出了很多Web服務的組合方法。包括Web服務工作流、進程代數、Petri網、語義等在內的諸多理論和技術都已經應用于 Web服務組合領域的研究,并取得了一定的研究成果,如文獻[2-4]提出了基于 Petri網的W eb服務組合方法,文獻 [5-6]提出了基于語義的 Web服務組合方法,文獻 [7]使用語義代理agent的工作流方法實現了服務的自動組合等。

在復雜、激烈、多變的戰(zhàn)場環(huán)境下,軍事信息服務組合與一般民用 Web服務組合相比,具有調用規(guī)模龐大、系統(tǒng)功能復雜、實時性、安全性、保密性要求高等特點。而一般Petri網的主要弱點是規(guī)模難以控制。特別是當系統(tǒng)的可達狀態(tài)增加時,模型的復雜性將呈指數增長,使 Petri網模型的分析和理解變得十分困難,另外,傳統(tǒng)的 Petri網模型只能依據系統(tǒng)運行的實例數據進行路由選擇,而無法解決組合模型運行過程中不確定活動的路徑選擇問題。因此,本文利用對象 Petri網(Object Petri-Net,OPN)建模方法,構建了軍事信息服務組合的基本結構,對其數學算子的組合性質進行了分析,并采用了國防科大C4ISR技術國防科技重點實驗室開發(fā)的對象 Petri網建模仿真環(huán)境OPMSE[8],構建了相應的軍事信息服務組合實例,進行了簡要分析。

1 對象 Petri網概述

Petri網是一種適合于描述和分析離散事件動態(tài)系統(tǒng)尤其是并行系統(tǒng)的模型工具。下面給出 Petri網和對象 Petri網的定義。

定義 1.1:若四元組N=(P,T,F,M0),滿足下述條件,則稱其為 Petri網:

4)M0:p→ (0,1,2,… )是初始標記。

其中 P是位置(Place)的集合,T是轉移(Transition)的集合,F稱為流關系。

傳統(tǒng)Petri網中的位置、轉移和 Token所攜帶的信息量不夠豐富,缺乏語義描述功能,且Petri網不涉及時間因素,僅能反映出事件間的因果關系。為了適應軍事信息服務組合的特點和建模仿真的需要,國防科大 C4ISR技術國防科技重點實驗室從網的結構、建模元素、執(zhí)行規(guī)則等幾個方面對基本 Petri網進行了擴展,提出了對象 Petri網的概念,并在此基礎上設計了模型描述語言OPDL。具體的擴展是:

把 Petri網和面向對象的思想方法結合起來,引進對象的概念和機制。對象作為建模的基本模塊,也是模型重用的基本單位,事實上就是封裝起來的一張子網。對象間通過接口實現交互,而它們的內部結構用擴展的 Petri網進行描述。

定義1.2對象Petri網是一個八元組N,N=(P,T,SubOBJ,IP,OP,F,M 0,C),其中:

1)P是位置的集合,可以對位置的屬性信息進行設置,以和令牌的屬性相對應。

2)T是轉移的集合,此處轉移可以分為兩類,一類是一般意義上的轉移;另一類是開關,此種轉移可以通過設置腳本函數控制流程的執(zhí)行順序。

3)SubOBJ是子對象的集合,可以代表另一個具體的對象 Petri網模型。

4)IP是對象輸入端口的集合,OP是對象輸出端口的集合。輸入、輸出端口各分為兩類,分別稱為內部輸入端口 IIP、外部輸入端口OIP、內部輸出端口IOP、外部輸出端口OOP。對象通過IIP和IOP與其子對象交互,通過OIP和OOP與外部調用者或仿真環(huán)境交互。

2 基于對象 Petri網(OPN)的軍事信息服務組合模型

2.1 軍事信息服務的描述

軍事信息服務作為一類特殊的 Web服務,能夠通過標準的網絡協(xié)議以及接口實現不同應用間的交互,并且可以利用自身提供的功能實現輸入信息至輸出信息的轉換。因此,本文結合軍事信息服務與對象 Petri網的特點,將軍事信息服務定義為一個帶輸入輸出信息的對象 Petri網模型,利用對象 Petri網的輸入輸出位置來描述軍事信息服務的接口信息,利用轉移來描述服務內部的各種邏輯操作。

定義 2.1:軍事信息服務 OPN的形式化描述M IS=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中

1)P是位置的集合,表示與軍事信息服務操作(轉移)相關聯的接口信息;

2)T是轉移的集合,此處轉移可以分為兩類,一類是基本轉移,表示服務內部的各種操作,通過這些操作可以將服務的輸入信息加工為輸出信息;另一類是輔助轉移,這類轉移并無實際的物理意義,可以進一步區(qū)分為開關和空轉移;

3)F是控制函數的集合,每個控制函數都和一個轉移相關聯,控制函數的主要目的是用來控制轉移的執(zhí)行條件,通過轉移控制函數的設置能增強轉移執(zhí)行的可控性和靈活性,更好地模擬操作的執(zhí)行情況;

4)IP是服務輸入端口的集合,OP是服務輸出端口的集合。輸入、輸出端口各分為兩類,分別稱為內部輸入端口IIP、外部輸入端口OIP、內部輸出端口IOP、外部輸出端口OOP。對象通過IIP和IOP與其子服務對象交互,通過O IP和OOP與外部服務調用者或仿真環(huán)境交互;

5)SubOBJ是子服務對象的集合,該元素抽象表示了另一個由位置、轉移以及控制函數等元素構成的子服務;

6)M0表示軍事信息服務描述模型的初始資源標識,描述了每個位置所擁有的初始資源的個數,即M 0:(P∪ IP∪ OP)→ (0,1,2,… )。

由定義 2.1,可以得出以下推論:

推論 2.1:如果 SubOBJ=?,那么 M IS為不可分的原子軍事信息服務,否則M IS為組合軍事信息服務。

推論2.2:如果P∪ T=?,那么該軍事信息服務表示空服務,為了軍事信息服務描述模型的需要,空服務可以作為一種用于服務連接的輔助元素,可以用空轉移來表示。

推論 2.4:若 Smis∈ SubOBJ(M IS),則 O IP(Sm is)=IP(Sm is),即若某軍事信息服務作為另一個軍事信息服務的子服務,那么該服務的外部輸入端口與其輸入端口是一致的;同理,若 Smis∈SubOBJ(M IS),則 OOP(Sm is)=OP(Smis)。

推論 2.5:若 SubOBJ=?,那么 IIP(M IS)=?,且IOP(M IS)=?,該推論表示若某軍事信息服務為不可分的原子軍事信息服務,那么該服務內部輸入端口與內部輸出端口都是空集。

推論2.6:若SubOBJ=?,那么IIP(M IS)=IP(M IS),且 IOP(M IS)=OP(M IS),該推論表示若某軍事信息服務為不可分的原子軍事信息服務,那么該服務外部輸入 (輸出)端口與輸入(輸出 )端口是相同的。

圖 1 基本軍事信息服務示例

推論2.7:若|T|=1,表示該軍事信息服務內部只有一個獨立的操作,稱此種類型的軍事信息服務為基本軍事信息服務。圖1所示的便是一個最簡單的基本軍事信息服務。

2.2 軍事信息服務組合的基本結構

軍事信息服務組合模型由原子軍事信息服務與控制結構兩部分構成。根據工作流控制模式的相關研究成果以及文獻[10-12]的相關描述,并結合軍事信息服務組合的具體需求,本文構建了如下 7種基本的軍事信息服務組合結構,并運用對象 Petri網模型對這7種基本結構進行了描述。下面以兩個基本軍事信息服務的組合為例進行說明。

1)順序結構 (Sequence)

圖2描述了軍事信息服務 M IS1和M IS2順序執(zhí)行的組合模型結構。該組合結構的數學表示為M IS=M IS1⊕M IS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中⊕為組合服務的順序運算符,M IS1=(P1, T1, F1, IP1, OP1, SubOBJ1, M1),M IS2=(P2,T2,F2,IP2,OP2,SubOBJ2,M2),以下類同。則有:

圖 2 軍事信息服務的順序執(zhí)行結構

圖 3 軍事信息服務的并發(fā)執(zhí)行結構

2)并發(fā)結構 (And Sp lit)

該結構表示了組合模型中的各個軍事信息服務應該并行執(zhí)行,圖 3描述了軍事信息服務 M IS1和M IS2并發(fā)執(zhí)行的組合模型結構。該組合結構的數學表示為 M IS=M IS1‖ M IS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M 0),其中‖為組合服務的并發(fā)運算符,則有:

3)并發(fā)匯聚(And Join)

該結構表示了組合模型中的各個軍事信息服務必須都執(zhí)行后,后續(xù)的軍事信息服務才能開始執(zhí)行,圖 4描述了軍事信息服務M IS1和M IS2并發(fā)匯聚的組合模型結構。該組合結構的數學表示為MIS=M IS1ΘM IS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中Θ為組合服務的并發(fā)匯聚運算符,則有:

圖4 軍事信息服務的并發(fā)匯聚結構

4)選擇結構(XOR Sp lit)

該結構表示了組成該模型結構的各個軍事信息服務可以根據開關條件的設置,靈活的選擇后續(xù)一個或多個軍事信息服務來執(zhí)行。圖 5描述了軍事信息服務M IS1和M IS2選擇執(zhí)行的組合模型結構。該組合結構的數學表示為M IS=M IS1? MIS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中?為組合服務的選擇執(zhí)行運算符,則有:

圖 5 軍事信息服務的選擇執(zhí)行結構

5)選擇匯聚 (XOR Split)

該結構表示了該組合模型將多個子軍事信息服務流程匯聚成一個單一的軍事信息服務,只要這多個子服務流程中任意一個服務流程執(zhí)行完畢后,那么后續(xù)的軍事信息服務便可執(zhí)行。圖 6描述了軍事信息服務M IS1和M IS2選擇匯聚的組合模型結構。該組合結構的數學表示為M IS=(M IS1?MIS2)=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中?為組合服務的選擇匯聚運算符,則有:

圖 6 軍事信息服務的選擇匯聚結構

圖 7 軍事信息服務的循環(huán)組合結構

6)循環(huán)結構 (Iteration)

該結構表示了該模型結構的軍事信息服務需要反復執(zhí)行多次,具體的執(zhí)行次數可以根據實際的執(zhí)行情況來判讀,通過開關的控制函數進行設置。圖 7描述了軍事信息服務M IS1循環(huán)執(zhí)行的組合模型結構。該組合結構的數學表示為M IS=k M IS1(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中k為組合服務的循環(huán)執(zhí)行運算符,則有:

該結構的主要思想是運用子對象來替代軍事信息服務組合中的子服務,以實現層次化建模的思想。圖 8展示了服務對象 SubMIS1替代軍事信息服務M IS1的示意圖。該組合結構的數學表示為M IS=nM IS1=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M 0),其中 n 為組合服務的嵌套結構運算符,表示在軍事信息服務組合模型結構中使用子服務對象來代替軍事信息服務M IS1,設替代之前的軍事信息服務M IS′=(P′,T′,F′,IP′,OP′,SubOBJ′,M′0),則有:

在這幾種基本組合結構的基礎上,便可實現各種復雜組合模型的構建。如組合服務(M IS1?…?M ISn)⊕ M IS,其 對 象Petri網的圖形化表示如圖 9所示。該組合服務表示先在原子服務集合中的選擇某個軍事信息服務M ISi(i∈ 1,2,… ,n)先執(zhí)行,然后再執(zhí)行軍事信息服務M IS。其中原子軍事信息服務的選擇標準可以根據服務的執(zhí)行時間、服務的可靠性以及服務的執(zhí)行代價等條件來靈活設定。

圖 8 軍事信息服務的循環(huán)組合結構

圖 9 組合服務(M IS1?…?M ISn)⊕M IS示意圖

3 基于對象 Petri網(OPN)的軍事信息服務組合應用實例

3.1 背景案例分析

為了更好地闡述基于OPN的軍事信息服務組合模型的構建過程,此處以某防空反導指揮系統(tǒng)為例,采用對象 Petri網的方法來構建相應的軍事信息服務組合模型。由于防空反導系統(tǒng)具體的流程較為復雜,在構建應用案例時,僅以制定攔截方案之前的流程為例進行說明。其簡化流程描述如下:①接收預警雷達或預警衛(wèi)星傳來的來襲目標信息,啟動反導系統(tǒng)作戰(zhàn)流程;②根據目標特征信號,進行信息預處理,判斷是真實的導彈目標,還是假目標(氣球誘餌、自由飛行段突防裝備等),若是假目標則放棄;③若是真實導彈目標,則要進一步判斷是中高空來襲導彈或是低空來襲導彈,分別啟動相應的目標跟蹤處理服務(以識別導彈的運行軌跡、落地時間等信息),同時還要獲取我方武器裝備的信息(包括戰(zhàn)區(qū)防御陣地的部署情況和攔截武器的特性等)以及從氣象部門獲取當地氣象條件的信息;④對所獲取的信息進行融合處理;⑤根據這些信息進行指揮決策,制定攔截方案。該流程可以用圖10來表示。

3.2 實例分析

根據上述應用案例可知,在該系統(tǒng)的執(zhí)行流程中共涉及預警衛(wèi)星探測服務(M IS1)、預警雷達探測服務(M IS2)、目標預處理服務(M IS3)、目標類型區(qū)分服務(M IS4)、我軍信息上報服務(M IS5)、氣象信息服務(M IS6)、中高空目標跟蹤服務(M IS7)、低空目標跟蹤服務(M IS8)、信息融合處理服務(M IS9)和決策方案制定服務(M IS10)等軍事信息服務。由系統(tǒng)執(zhí)行流程可知,M IS1與M IS2,MIS5與 M IS6是并行執(zhí)行的,而M IS7與M IS8則是選擇執(zhí)行的,M IS9與 M IS10則是順序執(zhí)行的。采用國防科大OPMSE對象 Petri網建模仿真環(huán)境,依據上述系統(tǒng)執(zhí)行的流程,可以繪制出如圖 11所示的軍事信息服務組合模型:

圖11 反導作戰(zhàn)系統(tǒng)的軍事信息服務組合模型

在該組合模型中,對開關S0和 S1還分別設置了相應的控制函數,主要是用于對組合模型的執(zhí)行路徑進行控制,其中 S0主要是根據目標的類型(真假目標)來選擇路徑,而 S1主要是根據目標的屬性(中高空目標或低空目標)來選擇路徑,路徑的選擇過程主要通過開關控制函數F來進行控制。

在對象 Petri網建模仿真環(huán)境(OPMSE)的支持下,還可以進一步模擬組合服務的具體調用執(zhí)行過程,從而清晰地表達組合服務的組成邏輯,并通過分析對象、位置、轉移等元素攜帶屬性信息或設置動作函數,可實現豐富的語義功能。在對象 Petri網仿真運行器OPDL-Runner的支持下,還可實現仿真模型的連續(xù)或單步運行,并輸出事件控制腳本函數、仿真報告結果等,可以對組合服務的執(zhí)行時間、可靠性、穩(wěn)定性等關鍵屬性進行分析,為服務組合的優(yōu)化選擇提供了支持,并能對流程結構的合理性和正確性進行驗證,從而可以實現在仿真階段就發(fā)現制約效能的瓶頸,從而有針對性的加以解決,減少服務組合實際部署才發(fā)現問題引起的巨大成本消耗。

4 結 論

軍事信息服務組合是充分發(fā)揮和擴展軍事信息服務功能的一個重要研究方向。本文在普通Petri網服務組合模型的基礎上,提出了利用對象 Petri網建立軍事信息服務組合模型的方法,構建了 7種基本的服務組合結構,對服務組合數學算子的性質進行了分析,并在此基礎上,運用具體的應用案例對基于OPN的軍事信息服務組合方法進行了分析與驗證,為改善和優(yōu)化軍事信息服務組合模型結構提供了支持。下一步工作是研究如何實現軍事信息服務的動態(tài)自動化組合。

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Research on Construction Method of M ilitary Information Service Com position M odel Base on Ob ject PetriNet

SHU Zhen,HUANGFU Xian-peng,LUO Xue-shan
(C4 ISR Technology N ationa l Defense Scienceand Technology Key Lab,Nationa l University o f Defense Technology,Changsha 410073,China)

This paper defines the concept ofmilitary information service,brings forward formalization descriptionmethod of military information service com position model based on object Petri-net,constrcts the basic composition structure o f military information service com position model.Aim ing at a concrete case of aerial defence and antimissile information system,making use of object Petri-net modeling and simulation environment of national university of defense technology,we construct m ilitary information service com position model and analyze the constructed model.The practice indicates that this modeling approach can meet the need of the military information service com position and has well capability in exp ressing and analyzing themilitary information service composition.

military information service,object petri net,service compositon,model

TP393

A

1002-0640(2012)03-0194-06

2011-03-01

2011-05-07

國防預研重點基金;“十一五”武器裝備預研基金資助項目

舒 振 (1977- ),男,江西上饒人,博士生,研究方向:指揮控制系統(tǒng)總體技術,服務計算、需求工程等。