服務(wù)化艦載指控系統(tǒng)中服務(wù)的匹配與組合*

余戌曈 吳 玲 盧發(fā)興

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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服務(wù)化艦載指控系統(tǒng)中服務(wù)的匹配與組合*

余戌曈 吳 玲 盧發(fā)興

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

服務(wù)的檢索匹配和組合優(yōu)化是服務(wù)化指控系統(tǒng)中服務(wù)組織的關(guān)鍵技術(shù)。從服務(wù)種類與服務(wù)粒度兩方面進(jìn)行服務(wù)的劃分建模,結(jié)合指控系統(tǒng)的特點(diǎn)分析了現(xiàn)有服務(wù)檢索匹配的主要技術(shù)與服務(wù)組合優(yōu)化的模式;提出采用刻面與屬性值相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)服務(wù)化指控系統(tǒng)的服務(wù)檢索匹配,并采用半固定組合模式分成組合策劃與優(yōu)化選擇兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)服務(wù)組合優(yōu)化,從而提供了服務(wù)化指控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一種可行途徑。

服務(wù)化; 艦載指控系統(tǒng); 服務(wù)匹配; 服務(wù)組合

Class Number TP393

1 引言

隨著新的作戰(zhàn)思想、概念和技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)海戰(zhàn)強(qiáng)調(diào)作戰(zhàn)單元間的廣泛、深入和高效的協(xié)同作戰(zhàn)能力,服務(wù)化指控系統(tǒng)正在逐漸改變指揮控制的實(shí)現(xiàn)方式,它打破傳統(tǒng)的指揮控制層次結(jié)構(gòu),建立以網(wǎng)絡(luò)為中心的開放、靈活的指揮控制體系。服務(wù)化指揮控制系統(tǒng)將指揮控制流程中的各個(gè)功能映射為服務(wù),功能執(zhí)行單元映射為服務(wù)提供者;通過(guò)建立可用服務(wù)集合,并針對(duì)具體任務(wù)通過(guò)服務(wù)的檢索、匹配、組合與優(yōu)化,將多個(gè)可能位于不同平臺(tái)的指控業(yè)務(wù)服務(wù)提供單元進(jìn)行跨平臺(tái)動(dòng)態(tài)靈活組合,最終形成完整的任務(wù)執(zhí)行流程,從而使服務(wù)化的指揮控制具有面向任務(wù)的靈活性和資源的高度利用等特點(diǎn)。

目前,面向服務(wù)技術(shù)在指揮控制系統(tǒng)的研究主要體現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)框架[1～4],系統(tǒng)構(gòu)造集成[5～6]和底層實(shí)現(xiàn)技術(shù)[7～8]等方面,對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用層中服務(wù)組織的研究較少。文獻(xiàn)[9]闡明了對(duì)服務(wù)的組織過(guò)程,但未具體闡述其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。本文圍繞艦艇服務(wù)化指揮控制系統(tǒng)的特點(diǎn),對(duì)艦載指控系統(tǒng)服務(wù)的劃分建模、指控業(yè)務(wù)服務(wù)檢索匹配和組合優(yōu)化的主要技術(shù)進(jìn)行研究。

2 艦載指控系統(tǒng)服務(wù)劃分建模

艦載指控系統(tǒng)由多個(gè)異構(gòu)的分系統(tǒng)組成,如傳感器系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)。各個(gè)分系統(tǒng)可提供相應(yīng)功能,承擔(dān)相應(yīng)任務(wù)。實(shí)現(xiàn)服務(wù)化指控系統(tǒng)的首要任務(wù)是將各個(gè)功能進(jìn)行封裝,形成服務(wù)集合。服務(wù)劃分建模的有效性制約著系統(tǒng)運(yùn)行的效率,其中關(guān)鍵是對(duì)服務(wù)的種類和粒度的劃分。

· 服務(wù)種類:艦載指控系統(tǒng)提供了如包含艦艇作戰(zhàn)的作戰(zhàn)服務(wù)和包含一般信息系統(tǒng)的通用服務(wù)等。這些服務(wù)的通用性大不相同,對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)時(shí)性的要求差異也較大。將各服務(wù)進(jìn)行歸類,那些私有性較強(qiáng)的服務(wù)應(yīng)定為專屬服務(wù),那些被頻繁調(diào)用且支持其他服務(wù)運(yùn)行的服務(wù)應(yīng)定為通用服務(wù)。

如圖1所示,艦載指控系統(tǒng)的服務(wù)可分為四大類:支撐服務(wù)、過(guò)程管理服務(wù)、指控基礎(chǔ)服務(wù)和指控業(yè)務(wù)服務(wù)。支撐服務(wù)類是為系統(tǒng)運(yùn)行提供支持的基礎(chǔ)服務(wù)。過(guò)程管理服務(wù)類是對(duì)各服務(wù)全生命周期進(jìn)行監(jiān)控,保證所有服務(wù)有序高效的調(diào)用。指控基礎(chǔ)服務(wù)類是為艦艇指揮與控制提供相關(guān)基礎(chǔ)保障服務(wù)。指控業(yè)務(wù)服務(wù)類是為完成艦艇作戰(zhàn)使命提供作戰(zhàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)功能的服務(wù),也是最為重要的一類服務(wù)。

圖1 指控系統(tǒng)服務(wù)分類

· 服務(wù)粒度:服務(wù)粒度的設(shè)定是影響服務(wù)化指控系統(tǒng)運(yùn)行的性能的重要因素。服務(wù)粒度的設(shè)置可大可小,理論上大粒度的服務(wù)劃分,對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)較為容易,但服務(wù)內(nèi)部的功能仍是緊耦合,運(yùn)作不夠靈活;小粒度的服務(wù)劃分提高了服務(wù)的通用性和復(fù)用性,但會(huì)造成大型系統(tǒng)的服務(wù)數(shù)量成指數(shù)式增長(zhǎng)。因此服務(wù)的粒度設(shè)定須合適,既能滿足系統(tǒng)隨需應(yīng)變、柔性重組的要求,又能滿足指控系統(tǒng)的對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求。

3 指控業(yè)務(wù)服務(wù)檢索匹配

擁有大量指控業(yè)務(wù)服務(wù)的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)必須以一種易于分類管理而又方便檢索的機(jī)制來(lái)管理服務(wù)。服務(wù)匹配是系統(tǒng)根據(jù)用戶提交的服務(wù)請(qǐng)求,在大量備選服務(wù)中準(zhǔn)確迅速地篩選出滿足需求的服務(wù)。服務(wù)檢索匹配方法大致分為基于關(guān)鍵字匹配[10～12]、基于屬性值匹配[13]、基于刻面分類匹配[14～17]、基于本體語(yǔ)義匹配[18～21]等。

· 基于關(guān)鍵詞的服務(wù)匹配:利用若干關(guān)鍵詞來(lái)揭示服務(wù)的語(yǔ)義。服務(wù)的匹配就轉(zhuǎn)化為一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵詞組成服務(wù)描述與服務(wù)請(qǐng)求之間的匹配。該匹配方法的優(yōu)點(diǎn)是提取算法簡(jiǎn)單、快捷、實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易,缺點(diǎn)是不能有效表達(dá)關(guān)鍵字間的語(yǔ)義信息,導(dǎo)致匹配效率有限。

· 基于屬性值的服務(wù)匹配:將服務(wù)描述分成幾個(gè)屬性,每個(gè)屬性在描述服務(wù)時(shí)被賦予具體的關(guān)鍵詞或特定的屬性值,服務(wù)的匹配是對(duì)各個(gè)服務(wù)描述的屬性進(jìn)行匹配,從而提高匹配能力,但仍然有局限性。

· 基于刻面分類的服務(wù)匹配:服務(wù)描述由一組描述服務(wù)本質(zhì)特征的刻面(facet)所組成。每個(gè)刻面從不同的視角對(duì)服務(wù)進(jìn)行精確的分類。每個(gè)刻面具有一組術(shù)語(yǔ)(關(guān)鍵詞),術(shù)語(yǔ)之間具有一般特殊關(guān)系而形成結(jié)構(gòu)化的術(shù)語(yǔ)空間,術(shù)語(yǔ)僅限在給定的刻面之中取值。刻面匹配從若干不同的維度對(duì)復(fù)雜對(duì)象的描述進(jìn)行匹配,具有屬性值匹配和關(guān)鍵詞匹配方法的優(yōu)點(diǎn)。

· 基于本體語(yǔ)義的服務(wù)匹配:引入本體的概念,定義了一套通用的屬性來(lái)描述服務(wù)的非功能性特征和功能性特征,為服務(wù)的整體描述提供了一個(gè)粗略的框架結(jié)構(gòu),在語(yǔ)義和知識(shí)層次上進(jìn)行匹配。然而不足的是,高度概括性和一般性使得服務(wù)的很多屬性類型都沒有具體定義,很難對(duì)兩個(gè)服務(wù)描述進(jìn)行比較,其本體描述和邏輯推理較為復(fù)雜,造成了匹配效率低下。

目前在服務(wù)匹配的研究應(yīng)用領(lǐng)域使用最多的是基于本體的語(yǔ)義Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)與匹配技術(shù),原因在于Web服務(wù)數(shù)量極其龐大,且各個(gè)廠商按照各自需求進(jìn)行開發(fā)導(dǎo)致Web服務(wù)種類繁多,因此基于本體語(yǔ)義的服務(wù)發(fā)現(xiàn)匹配技術(shù)能使用戶很好地理解服務(wù)的信息。但指控業(yè)務(wù)服務(wù)由于其特殊性,在總量、種類上與Web服務(wù)相比都小得多,但其主要特點(diǎn)是要求用戶必須精確快速地發(fā)現(xiàn)匹配所需服務(wù),因此基于本體語(yǔ)義的服務(wù)描述過(guò)于復(fù)雜,不適合在指控業(yè)務(wù)服務(wù)中應(yīng)用。指控業(yè)務(wù)服務(wù)的檢索匹配可以采用刻面方法與屬性值方法相結(jié)合。

刻面是根據(jù)用戶在檢索匹配服務(wù)時(shí)感興趣的服務(wù)分類屬性來(lái)確定,略去次要信息,提高匹配效率。另外各個(gè)刻面的術(shù)語(yǔ)空間是一個(gè)有限不定集合,即一個(gè)服務(wù)的加入,描述它的術(shù)語(yǔ)應(yīng)選擇術(shù)語(yǔ)空間中已有的術(shù)語(yǔ)或是添加新的術(shù)語(yǔ)來(lái)擴(kuò)展術(shù)語(yǔ)空間,實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的精確匹配。另外,服務(wù)的刻面與術(shù)語(yǔ)在隨著更多新的指控業(yè)務(wù)服務(wù)的加入而不斷完善,艦載指控業(yè)務(wù)服務(wù)可簡(jiǎn)單的刻面分類成如圖2所示。

圖2 艦載指控業(yè)務(wù)服務(wù)刻面分類

屬性值的匹配是將指控業(yè)務(wù)服務(wù)相關(guān)戰(zhàn)技術(shù)性能參數(shù)進(jìn)行匹配,是對(duì)刻面匹配的補(bǔ)充,是指控業(yè)務(wù)服務(wù)在類別上匹配成功的基礎(chǔ)上,在性能參數(shù)上匹配成功。

指控業(yè)務(wù)服務(wù)檢索匹配采用上述方法,有三個(gè)基本問(wèn)題需要解決: 1) 服務(wù)描述刻面的選取; 2) 服務(wù)刻面下術(shù)語(yǔ)的選取; 3) 服務(wù)的屬性參數(shù)選取。解決了上述三個(gè)問(wèn)題,則經(jīng)過(guò)服務(wù)檢索匹配得到的服務(wù)集合即是可以滿足用戶需求的服務(wù)集合。

4 指控業(yè)務(wù)服務(wù)組合優(yōu)化

作戰(zhàn)需求通常復(fù)雜多變,單個(gè)指控業(yè)務(wù)服務(wù)是無(wú)法滿足作戰(zhàn)需求的,只有組合多個(gè)指控業(yè)務(wù)服務(wù)共同協(xié)作,才能完成特定的作戰(zhàn)任務(wù)。這種組合的結(jié)果往往表現(xiàn)為一個(gè)自動(dòng)執(zhí)行的處理流程,需要去協(xié)調(diào)一個(gè)流程中服務(wù)調(diào)用的順序、對(duì)服務(wù)之間的數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理等,并且需要提供有效性、可靠性和可持續(xù)性的支持。

服務(wù)組合優(yōu)化機(jī)制可分探測(cè)性組合(Explorative Composition)、半固定組合(Semi-fixed Composition)和固定組合(Fixed Composition)三類[22～23]。在探測(cè)性組合中,服務(wù)組合的計(jì)劃是服務(wù)中介根據(jù)用戶需求動(dòng)態(tài)生成的。用戶首先提交對(duì)所需服務(wù)的要求,服務(wù)中介根據(jù)當(dāng)前需求信息實(shí)時(shí)進(jìn)行服務(wù)組合優(yōu)化。該類型的服務(wù)組合的特點(diǎn)是服務(wù)組合即時(shí)構(gòu)造,系統(tǒng)靈活性更高,但需要?jiǎng)討B(tài)構(gòu)筑組合服務(wù)和綁定服務(wù),運(yùn)算規(guī)模與復(fù)雜度明顯提高。半固定組合中,代表組合服務(wù)結(jié)構(gòu)的組合定義是固定的,只是具體的服務(wù)綁定在運(yùn)行階段完成。系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求從已有模板庫(kù)中選擇某個(gè)模板或某些模版來(lái)組合服務(wù),雖然系統(tǒng)受限于模板庫(kù)的規(guī)模,但運(yùn)算量大大減少。在固定組合中,組合定義中組合服務(wù)的結(jié)構(gòu)以及具體服務(wù)都是固定,該類型組合實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單,但靈活性不夠。

由于服務(wù)化指控系統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn),服務(wù)組合優(yōu)化更多的應(yīng)采用半固定組合方式。半固定組合方式將服務(wù)組合優(yōu)化流程分成組合策劃和優(yōu)化選擇兩個(gè)階段[24]。

指控業(yè)務(wù)服務(wù)的組合策劃階段一般是戰(zhàn)前由設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)完成。設(shè)計(jì)人員根據(jù)武器裝備運(yùn)用流程和交互協(xié)議,制定可行的服務(wù)組合策略方案,建立組合方案庫(kù),一般步驟[25]是:

1)一個(gè)滿足作戰(zhàn)需求的服務(wù),其輸入數(shù)據(jù)用戶無(wú)法滿足,則該服務(wù)為目標(biāo)服務(wù)。然后去發(fā)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)中間服務(wù),使得該中間服務(wù)的輸出數(shù)據(jù)與目標(biāo)服務(wù)的輸入數(shù)據(jù)相匹配。

2)如果對(duì)于找到的中間服務(wù)仍存在無(wú)法滿足的輸入,則以該中間服務(wù)為目標(biāo)服務(wù),繼續(xù)查找與輸出數(shù)據(jù)之相匹配的中間服務(wù)。

3)不斷重復(fù)上述步驟,直到找到一組中間服務(wù),這組服務(wù)中的所有輸入數(shù)據(jù)用戶都可滿足。

完成組合策劃階段后,會(huì)產(chǎn)生能完成相同作戰(zhàn)任務(wù)的服務(wù)往往有多種服務(wù)組合方式的情況,這就要求在戰(zhàn)時(shí)根據(jù)當(dāng)前條件,選擇出優(yōu)化的服務(wù)組合,即優(yōu)化選擇階段。

抽象服務(wù)表示一類具體服務(wù),動(dòng)態(tài)服務(wù)組合中,組合方案生成階段僅僅生成一套“抽象服務(wù)”的執(zhí)行序列,只有到組合方案執(zhí)行階段,合適的“具體服務(wù)”才會(huì)綁定上去[26],如圖3所示。

圖3 服務(wù)的優(yōu)化選擇

指控業(yè)務(wù)服務(wù)QoS度量可分為戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo),以對(duì)空作戰(zhàn)為例,戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)可為毀傷效能、完成時(shí)間、資源消耗量等,技術(shù)指標(biāo)可為服務(wù)網(wǎng)絡(luò)延遲、帶寬、響應(yīng)時(shí)間等。

根據(jù)子服務(wù)的實(shí)時(shí)性能參數(shù)對(duì)所合成的服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化,因此服務(wù)優(yōu)化選擇就轉(zhuǎn)化為以QoS度量為目標(biāo)函數(shù)的組合最優(yōu)化問(wèn)題。該類問(wèn)題的解決可用傳統(tǒng)經(jīng)典算法與現(xiàn)代智能算法兩類算法。傳統(tǒng)經(jīng)典算法中可采用啟發(fā)式算法來(lái)獲得滿意解,具有算法復(fù)雜性低、求解速度快的優(yōu)點(diǎn),而智能算法可采用模擬退火算法[27～28]、蟻群算法[29～30]、遺傳算法[31～32]、禁忌算法[33]、粒子群算法[34～35]等,以獲得問(wèn)題的最優(yōu)解。

5 結(jié)語(yǔ)

服務(wù)化指控系統(tǒng)是未來(lái)指控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),是實(shí)現(xiàn)編隊(duì)指控一體化的必經(jīng)之路。目前服務(wù)化指控系統(tǒng)的研究尚處探索階段,仍有許多觀點(diǎn)和技術(shù)尚未成熟。指控業(yè)務(wù)的組織調(diào)用是服務(wù)化指控系統(tǒng)的關(guān)鍵性問(wèn)題,本文僅對(duì)服務(wù)化指控系統(tǒng)中服務(wù)在劃分建模、檢索匹配、組合優(yōu)化的主要技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,下一步還將深入研究各相關(guān)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

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Service Matching and Composition in Service Enable Shipborne C2 System

YU Xutong WU Ling LU Faxing

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Services searching, matching, composition and optimization are the key technologies of services organization in enable C2 system. Services are parted and modeled from the types and granularity. The services searching and matching technologies and the modes of services composition and optimization are analyzed combined with the characteristics of the C2 system. The combination method of faceted scheme and attribute value should be adopted to search and match the services in the service enable C2 system. The mode of semi-fixed composition, dividing into the stage of combination and optimization, should be adopted to compose and optimize the services. Thus, a feasible way is provided to realize the service enable C2 system.

service enable, shipborne C2 system, service matching, service composition

2015年6月5日,

2015年7月29日

余戌曈,男,碩士研究生,研究方向:艦載作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)服務(wù)化。吳玲,女,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:艦載作戰(zhàn)指揮輔助決策。盧發(fā)興,男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:艦載火力控制。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.007