基于服務(wù)組合的軍事行動模型系統(tǒng)分析

鄭世明，蔣 捷，高志年，王智新

(1.南京陸軍指揮學院作戰(zhàn)實驗中心，南京 210045;2.東南大學計算機學院，南京 210005)

0 引言

隨著計算機技術(shù)、仿真技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對武器裝備軍事行動模型研究的日益深入，廣大科研人員研制開發(fā)了大量的武器裝備軍事行動和作戰(zhàn)仿真模型，因此而帶來的模型開發(fā)費用、開發(fā)效率、開發(fā)質(zhì)量、開發(fā)可信性及可靠性的控制等問題十分突出［1］。對相同或相似的軍事問題，科研人員做著大量重復(fù)的工作，為了更加有效地對已有軍事作戰(zhàn)模型進行統(tǒng)一、高效管理和重用，提高軍事建模質(zhì)量和效率，需要建立一個通用的軍事行動模型庫管理系統(tǒng)來對模型進行有效的管理，軍內(nèi)外已對此類問題進行了大量的研究工作，但問題沒有得到很好的解決。20世紀90年代中期，美國國防部(US DoD)發(fā)布了建模與仿真主計劃(MSMP，modeling and simulation master plan)，第一次提出了創(chuàng)建建模與仿真資源庫(MSRR，modeling and simulation resource repository)的需求，對MSRR的內(nèi)容和組織機制、MSRR系統(tǒng)的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)、功能組件和層次化結(jié)構(gòu)進行了探討。北約(NATO)于2000年成立了建模與仿真組(NMSG)，主要目標之一是為未來的模型與仿真的開發(fā)及應(yīng)用提供一系列通用的服務(wù)。國內(nèi)也有多家院校已經(jīng)開始著手對仿真資源庫、模型庫及其管理系統(tǒng)進行研究。北京航空航天大學對資源庫、模型庫及其管理系統(tǒng)已經(jīng)有了相應(yīng)的研究，主要是飛行動力學仿真模型庫系統(tǒng);哈爾濱工業(yè)大學對MSRR作了一定的研究，提出了符合組件化思想的MSRR概念體系;國防科技大學三院提出了以仿真資源庫為核心建立分布式的仿真應(yīng)用系統(tǒng);但也應(yīng)該看到:大部分的建模與仿真活動都沒有系統(tǒng)考慮資源的共享，不同的仿真系統(tǒng)往往相互獨立，嚴重影響到建模與仿真的互操作性、可重用性和可信性，增加了不必要的開發(fā)、復(fù)制和存儲冗余，損耗了大量費用。

通過使用Web服務(wù)技術(shù)、XML技術(shù)和元數(shù)據(jù)技術(shù)等建立模型庫管理系統(tǒng)，以求解決軍事行動模型的表示、存儲、重用、管理、共享和運行等問題。

1 基本概念

1.1 元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)(Metadata)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)［2］，利用元數(shù)據(jù)描述軍事模型資源或支持軍事模型的數(shù)據(jù)等對象數(shù)據(jù)，使得在軍事模型應(yīng)用過程能更好地識別模型資源、評價模型資源和追蹤模型資源在作戰(zhàn)仿真中的變化，實現(xiàn)模型資源的有效發(fā)現(xiàn)、查找、一體化組織和對模型資源的有效管理。元數(shù)據(jù)在軍事模型描述中的優(yōu)勢表現(xiàn)為

(1)統(tǒng)一的方式對數(shù)據(jù)進行定義、描述，便于數(shù)據(jù)抽取。

(2)能以最有效的方式訪問數(shù)據(jù)。

(3)很好地滿足模型數(shù)據(jù)一致性要求。

(4)實現(xiàn)充分共享。元數(shù)據(jù)具有自描述性的特點，具備數(shù)據(jù)映射的功能，可以利用特定轉(zhuǎn)換程序?qū)Σ煌獢?shù)據(jù)元格式進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)標準化，便于理解、互操作和共享。

(5)統(tǒng)一編碼體系?？蓪υ獢?shù)據(jù)元素和結(jié)構(gòu)按照一定的語法和語義規(guī)則進行定義和描述，利用元數(shù)據(jù)可為數(shù)字化軍事模型資源建立一種機器可理解框架。

1.2 Web 服務(wù)

Web服務(wù)(Web Service)是基于XML和HTTPS的一種服務(wù)，基于簡單對象訪問協(xié)議SOAP(Simple Object Access Protocol)進行通信，使用WSDL(Web Services Description Language)實現(xiàn)對服務(wù)的描述，通過統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成來發(fā)現(xiàn)和獲得服務(wù)的元數(shù)據(jù)［3］。采用基于Web服務(wù)的方式設(shè)計模型系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

◆模型聚合:Web服務(wù)具有組合的功能，通過服務(wù)組合可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的服務(wù)，將每一個原子模型看成一個服務(wù)，在執(zhí)行聯(lián)邦模型時實際上就是執(zhí)行多個原子模型的一種特定組合，通過服務(wù)組合實現(xiàn)不同分辨率的模型聚合。

◆數(shù)據(jù)豐富:Web服務(wù)可以分發(fā)各種類型的數(shù)據(jù)(作戰(zhàn)文書、態(tài)勢圖像、通信語音和戰(zhàn)場實時視頻等)

◆屏蔽平臺異構(gòu)性:終端設(shè)備、瀏覽器類型和操作系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的要求，能滿足不同用戶的需求。

1.3 XML

可擴展標記語言(XML，extensible markup language)，可以用來標記模型數(shù)據(jù)、定義模型數(shù)據(jù)類型，非常適合 Web傳輸［4］，XML提供統(tǒng)一的方法來描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。XML方法的可擴展性、獨立性和自描述性等特點，使得XML用于軍事模型標準化描述可以解決以下幾個問題［5］:①能解決模型描述的通用性問題;②能解決模型發(fā)布的獨立性問題;③能解決供應(yīng)商和平臺的模型交換和整合問題;④能解決模型檢索效率低的問題。

2 模型庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模型庫分類與構(gòu)成

模型庫通常由概念模型庫、數(shù)學模型庫和軟件模型庫3個子庫構(gòu)成，這三者之間是相互對應(yīng)的關(guān)系，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)學模型庫總體上可分為作戰(zhàn)模型、訓練模型和評估模型等［6］;軟件模型庫則可以按照層次和級別分為原子模型、基本模型、組合模型、成員模型和聯(lián)邦模型等，采取以上混合、異構(gòu)和層次化的建模及系統(tǒng)實現(xiàn)方法，主要目的是實現(xiàn)模型組件的可重用和互操作，同時也便于實現(xiàn)各層次模型組件的開發(fā)。

圖1 軍事行動模型庫分類和構(gòu)成

原子模型通常是完成簡單計算的函數(shù)或程序模塊?；灸Ｐ椭覆捎貌煌慕７椒?gòu)造的描述仿真實體某一方面特征的模型，組合模型用于實現(xiàn)一個軍事實體在整個仿真演練過程中各階段全部行為的模型。聯(lián)邦成員模型用于實現(xiàn)由多個獨立仿真實體構(gòu)成的更高層次仿真實體的模型。聯(lián)邦模型是多個成員模型的組合，是一種最為復(fù)雜的軍事模型。

2.2 模型字典設(shè)計

(1)模型字典庫:是基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)形式，在數(shù)據(jù)庫的表空間中存儲模型和相關(guān)文檔的標識信息、模型名稱、模型類型、存儲位置、模型編寫者、編寫時間、功能參數(shù)和與模型間的關(guān)系等信息，以便對模型操作［7］。模型字典庫的組成，如圖2所示。

圖2 模型字典庫結(jié)構(gòu)

(2)模型文件:模型的源代碼或目標代碼(動態(tài)鏈接庫)，便于模型調(diào)用;

(3)模型文檔:模型的相關(guān)說明文檔，方便用戶通過系統(tǒng)查看模型功能的詳細描述信息。

模型庫主要用于存儲各類模型，是系統(tǒng)的核心部分，在邏輯上模型庫是各種模型的集合，在軟件內(nèi)容上，則由許多計算機內(nèi)的程序模型組成，軍事行動模型庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 軍事行動模型庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 基于XML的模型描述

對于模型的描述擬采用基于元數(shù)據(jù)和XML的方法，用于描述、解釋和說明模型的主要性質(zhì)和特征，以便于對模型進行操作。模型的元數(shù)據(jù)不僅能指明模型的作用，定義模型信息的內(nèi)容和位置，而且還能實現(xiàn)模型的管理，描述模型同步需求等功能［8］。

行動模型中的每一個內(nèi)容塊對應(yīng)一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用事先建立的實體類、行動類、任務(wù)類及相應(yīng)的對象表示。如果戰(zhàn)場情況判斷、行動目標、戰(zhàn)法、作戰(zhàn)地域和火力手段都以類的形式表達，則模型類中的每個數(shù)據(jù)成員都可以用類及相應(yīng)的對象調(diào)用、訪問和關(guān)聯(lián)而成?；鹆Υ驌綦A段的作戰(zhàn)模型的XML結(jié)構(gòu)化描述，見表1。

表1 火力打擊階段的作戰(zhàn)模型的XML描述

3 基于Web服務(wù)的模型資源管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計思想和方法

系統(tǒng)總體上采用結(jié)構(gòu)化的思想，根據(jù)定義完好的功能和接口協(xié)調(diào)地集成各個模型庫節(jié)點，并且按照公共服務(wù)支撐的總目標配置具體節(jié)點的功能。采用分布式的、開放的、可擴展的、基于標準的、分層的及安全的模型庫集成體系結(jié)構(gòu)。在設(shè)計的過程中，應(yīng)該考慮以下的情況:①系統(tǒng)兼容性。系統(tǒng)中現(xiàn)存的各種操作配置要能和未來出現(xiàn)的新技術(shù)相匹配。②訪問簡潔性。為了提高模型的重用性和使用效率，應(yīng)盡量使模型庫的訪問和更新過程簡單化。③可靠性。在用戶向系統(tǒng)輸入模型時，必須進行一系列的VV＆A工作。④安全性。在用戶填充和查詢模型時，為了保證系統(tǒng)的安全性，必須進行統(tǒng)一的身份驗證。

3.2 系統(tǒng)分層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺，分類建立模型構(gòu)件庫、建模知識庫和模型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)軍事行動模型的共享和重用。通過開發(fā)基于Web的模型資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)良好的用戶界面，為授權(quán)用戶提供模型的查詢、功能調(diào)閱和演示，模型組件的下載，聯(lián)網(wǎng)運行測試，技術(shù)咨詢等服務(wù)，實現(xiàn)模型的資源共享，提高模型的使用效率，采用分層描述的方法，將模型資源系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為四層，它們分別是:資源層、中間件層、Web服務(wù)層和應(yīng)用層，基于Web的軍事行動模型資源管理系統(tǒng)分層框架結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 基于Web的軍事行動模型資源管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

資源層:是一個模型資源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含了各種靜態(tài)和動態(tài)的資源。這些資源構(gòu)成相應(yīng)的資源池，當應(yīng)用程序需要資源時，通過中間件層抽調(diào)相應(yīng)的資源池中資源來滿足模型系統(tǒng)應(yīng)用的需求，具體資源的選擇取決于中間件的任務(wù)分配和調(diào)度策略，這個過程對于模型應(yīng)用是透明的。

Web服務(wù)層:Web服務(wù)層由服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)描述、服務(wù)調(diào)用、服務(wù)傳輸和服務(wù)管理等組成。在Web服務(wù)層將所有模型資源(邏輯的與物理的)都被建模為服務(wù)。利用XML與WSDL這樣的服務(wù)機制，為所有模型資源指定標準的接口、行為與交互。

中間件層:為了解決不同平臺之間的異構(gòu)性，一般需要在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上配置一個可擴展的中間件層。這個中間件層包含一系列工具和協(xié)議軟件包，能屏蔽資源層中資源的分布、異構(gòu)和動態(tài)特性，向應(yīng)用層提供透明、一致的應(yīng)用環(huán)境［7］。

應(yīng)用層:Web客戶端通過提供友好的輸入界面幫助用戶更準確地提交各種模型應(yīng)用請求，按照模型服務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域和系統(tǒng)功能提供相應(yīng)的主題詞表和導航目錄。Web用戶通過瀏覽器可以進行各種應(yīng)用的訪問，實現(xiàn)模型運行、模型互聯(lián)、模型檢索、作戰(zhàn)仿真和模型分析與評估等。

3.3 應(yīng)用實例

下面以用戶執(zhí)行一次模型調(diào)用任務(wù)為例，介紹模型組合調(diào)用的具體過程，主要分10個步驟完成，具體如圖5所示。

圖5 模型組合調(diào)用流程

(1)模型調(diào)用任務(wù)請求:在應(yīng)用層由客戶端啟動應(yīng)用程序，向中間件層發(fā)出服務(wù)請求;

(2)模型服務(wù)解析:在中間件層，對模型調(diào)用請求服務(wù)進行相關(guān)解析;

(3)模型調(diào)度:啟用模型調(diào)度管理與分配管理，進行模型組合調(diào)用，由相應(yīng)組件進行服務(wù)分配、管理和調(diào)度;

(4)服務(wù)訂閱和綁定:通過中間件基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)分配與管理和調(diào)度管理向Web服務(wù)層訂閱模型服務(wù)，Web服務(wù)層執(zhí)行中間層服務(wù)調(diào)用操作，根據(jù)模型任務(wù)規(guī)模和資源需求創(chuàng)建多粒度的模型服務(wù)，通過服務(wù)的組合實現(xiàn)模型的組合，完成對不同分辨率模型的綜合集成;

(5)服務(wù)→資源的映射:通過創(chuàng)建模型服務(wù)實例綁定軍事模型服務(wù)所需的數(shù)據(jù)資源、模型資源和算法資源等;

(6)模型任務(wù)執(zhí)行:根據(jù)用戶需求的參數(shù)，利用數(shù)據(jù)資源、模型資源和算法資源等，執(zhí)行模型組合運行的任務(wù);

(7)模型運行狀態(tài)信息發(fā)布:按相反的路徑，通過中間件向客戶端發(fā)布模型執(zhí)行的狀態(tài)信息和執(zhí)行過程的資源屬性信息;

(8)模型運行結(jié)果通知:在應(yīng)用層以可視化的方式向用戶顯示運行結(jié)果;

(9)用戶滿意度反饋:返回用戶對模型結(jié)果的評價與分析;

(10)資源釋放:模型任務(wù)運行結(jié)束后，撤銷服務(wù)并釋放占用的各種資源。

3.4 模型庫資源管理系統(tǒng)實現(xiàn)

3.4.1 模型資源目錄管理

采用創(chuàng)建模型目錄樹的方式進行層次化管理，將所有模型按一定類型分類管理和顯示，創(chuàng)建一個模型目錄樹，需要在模型字典庫中將每個模型按照樹型結(jié)構(gòu)進行層次分類編號，如圖6所示。

圖6 模型資源目錄樹

3.4.2 系統(tǒng)功能模塊管理

模型庫管理系統(tǒng)是一個支持模型生成、存儲、維護、運行和應(yīng)用的軟件系統(tǒng)，以適當?shù)拇鎯δＪ竭M行模型提取、訪問、更新和合成等操作，還要強調(diào)模型的表示、組織與應(yīng)用［9］。軍事行動模型庫管理系統(tǒng)是對軍事行動模型庫進行有效管理的系統(tǒng)，它是一個用于模型存儲、維護、運行、生成和應(yīng)用的用戶友好的計算機軟件系統(tǒng)。用戶可以通過模型管理系統(tǒng)而靈活地訪問、更新、生成和運行模型。以模型庫為基礎(chǔ)的應(yīng)用程序必須通過模型庫管理系統(tǒng)來訪問模型庫［10，11］，其主要的功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 軍事行動模型庫管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.4.3 系統(tǒng)特點及前景

采用基于Web的分布式技術(shù)對知識庫、構(gòu)件庫、數(shù)據(jù)庫、模型字典庫和模型文件等模型資源構(gòu)成的軍事行動模型庫系統(tǒng)進行管理。不僅很容易實現(xiàn)模型的高度共享，擴大模型的應(yīng)用范圍，還表現(xiàn)為以下特點:(1)訪問可靠性;(2)界面友好性;(3)可擴展性;(4)平臺無關(guān)性;(5)安全性。

模型資源管理是軍事建模與仿真的基礎(chǔ)性工作，對于作戰(zhàn)理論創(chuàng)新、提高體系對抗能力和作戰(zhàn)實驗水平具有極其重要的作用，其推廣應(yīng)用前景主要有以下幾個方面:(1)構(gòu)建相對合理的軍事行動體系，是進行體系對抗評估的重要基礎(chǔ);(2)構(gòu)建軍事行動模型庫，有助于實現(xiàn)體系對抗主要環(huán)節(jié)的規(guī)范化、標準化，適應(yīng)體系作戰(zhàn)在轉(zhuǎn)型時期的現(xiàn)實需要;(3)構(gòu)建軍事行動模型資源管理系統(tǒng)，為體系作戰(zhàn)仿真及訓練提供必要的決策支持。

4 結(jié)語

使用基于Web服務(wù)的技術(shù)建立軍事行動模型庫系統(tǒng)，不僅能夠?qū)σ延心Ｐ瓦M行有效地管理，更有利于開發(fā)大量新的模型，同時，便于建模人員和軍事人員不受建模過程約束，以適應(yīng)軍事訓練方式、軍事技術(shù)的變化與發(fā)展需要，增強模型庫的通用性、重用性、可靠性和可維護性，不斷提高軍事模型資源的建設(shè)水平。

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