一種流程驅(qū)動的天基信息服務(wù)可擴展定制技術(shù)

常曉宇，呂守業(yè)，龍 恩，王 港*，韋二龍

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所, 河北 石家莊 050081;2.北京市遙感信息研究所，北京 100192；3.中國電子科技集團公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點實驗室, 河北 石家莊 050081)

0 引言

目前，航天技術(shù)發(fā)展迅猛，天基信息系統(tǒng)逐漸成為國家信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)性設(shè)施。作為獲取信息資源的重要手段，天基信息系統(tǒng)服務(wù)于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域[1-2]，正朝著一體化、動態(tài)化、實時化、智能化方向發(fā)展，是體現(xiàn)國家科技實力的核心要素之一[3]。天基信息早已成為世界各國獲取信息的重要手段。

美國在天基信息服務(wù)方面保持全面領(lǐng)先，形成了面向任務(wù)、按需調(diào)配、全球服務(wù)的天基信息應(yīng)用服務(wù)體系[4-5]。相比而言，我國多源天基信息綜合定制化服務(wù)研究處于起步階段，但發(fā)展快速，目前已形成導航、遙感和通信組成的衛(wèi)星體系，為天基信息服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)提供了強大技術(shù)支撐[6-8]。許多學者在天基信息系統(tǒng)領(lǐng)域也開展大量研究工作。李德仁等[9-10]提出了PNTRC一體的天基信息服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想，對系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行了分析論證。汪榮峰等[11]研究了面向?qū)沟奶旎畔⑻卣骺梢暬P(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了多維天基信息特征的可視化表達。還有一些研究[12-15]基于天基信息設(shè)計了分發(fā)系統(tǒng)、開放性應(yīng)用服務(wù)體系和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，突破低天基信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)難題,滿足了更加多樣化的用戶需求。為提高信息的服務(wù)效率，基于用戶畫像的精準推薦方法被用來構(gòu)建遙感信息推薦模型，可以實現(xiàn)90%以上的用戶數(shù)據(jù)推薦準確率[16]。還有學者為提升天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，設(shè)計分布式、網(wǎng)絡(luò)化天基信息在軌處理系統(tǒng)，實現(xiàn)天基信息系統(tǒng)的靈活擴展、互為備份和協(xié)同服務(wù)等能力[17]。

雖然我國各類天基資源建設(shè)已積累一定成果[18-19]，且已初具規(guī)模，但天基信息服務(wù)還存在以下問題：① 面向用戶和具體應(yīng)用的天基服務(wù)需要跨多個職能部門完成，且不同體系之間未能有效融合互通，增加了服務(wù)的復雜度和運行成本；② 各專用服務(wù)體系中數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交換困難，存在信息孤島，難以滿足信息快速流動、充分共享和形成高質(zhì)量數(shù)據(jù)的需求；③ 面向多類用戶的需求，難以依據(jù)當前服務(wù)模式生成新的服務(wù)流程，存在服務(wù)靈活性差、擴展能力不足等問題。

因此，需要以用戶為中心，將各類天基信息服務(wù)資源靈活重組，滿足快速、準確、多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。本文基于各類天基信息，提出了一種流程驅(qū)動的天基信息服務(wù)可擴展定制技術(shù)，從業(yè)務(wù)流程建模、基于業(yè)務(wù)流程的服務(wù)定制技術(shù)、基于拓撲模型的服務(wù)擴展技術(shù)和業(yè)務(wù)流程動態(tài)調(diào)整4方面闡述該技術(shù)，為多源天基信息資源效能的充分發(fā)揮提供參考。

1 流程驅(qū)動總體設(shè)計

流程驅(qū)動的天基信息服務(wù)可擴展定制技術(shù)的流程如圖1所示。

圖1 流程驅(qū)動的天基信息服務(wù)可擴展定制流程Fig.1 Scalable and customized processes of process-driven space-based information services

由于各類天基數(shù)據(jù)隸屬不同部門，在實際觀測任務(wù)中，獲取多源天基數(shù)據(jù)，從需求提交、數(shù)據(jù)獲取、信息處理到最后共享發(fā)布等一系列處理，需要通過人工操作的形式跨部門完成，存在著靈活性、擴展性和數(shù)據(jù)共享差的問題。因此，本文提出了一種流程驅(qū)動的天基信息服務(wù)可擴展定制技術(shù)，首先根據(jù)具體任務(wù)構(gòu)建業(yè)務(wù)流程模型，然后采用服務(wù)定制技術(shù)、服務(wù)擴展技術(shù)和工作流技術(shù)等完成業(yè)務(wù)流程的分析和執(zhí)行，通過基于拓撲模型的服務(wù)擴展技術(shù)保障復雜多變的觀測業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)任務(wù)快速響應(yīng)。

2 業(yè)務(wù)流程模型構(gòu)建

通過對不同任務(wù)和天基信息基礎(chǔ)服務(wù)進行建模，建立對應(yīng)的業(yè)務(wù)流程，通過把若干相互關(guān)聯(lián)和相互作用的業(yè)務(wù)活動按照一定的時序邏輯關(guān)系組合形成定制服務(wù)序列，實現(xiàn)服務(wù)按需定制的有效組織，用于滿足多樣化保障需求。

面向用戶的天基信息保障觀測任務(wù)過程的研究包括4個部分：觀測任務(wù)、觀測行動(Observation Action，OA)、天基信息業(yè)務(wù)流程(Business Process，BP)及天基信息業(yè)務(wù)活動(Business Activity，BA)。一個OA對應(yīng)一個BP；一個BP包含一組BA序列{BA1，BA2，BA3，…，BAn}。其現(xiàn)實意義可描述為：一個OA需求引出一個天基信息BP，一個天基信息BP的完成依賴于一組天基信息BA序列的執(zhí)行。本技術(shù)從觀測用戶、業(yè)務(wù)和服務(wù)3個視角，分解觀測任務(wù)，映射天基信息業(yè)務(wù)，將天基信息BP嵌入觀測過程，構(gòu)建天基信息保障觀測業(yè)務(wù)流程模型，如圖2所示。

圖2 天基信息業(yè)務(wù)流程模型Fig.2 Process model of space-based information service

3 服務(wù)定制擴展技術(shù)

3.1 基于業(yè)務(wù)流程的服務(wù)定制技術(shù)

基于業(yè)務(wù)流程驅(qū)動的服務(wù)定制框架分為基礎(chǔ)服務(wù)層和服務(wù)定制層，主要基于用戶需求以及業(yè)務(wù)流程情況，生成定制服務(wù)，具體流程如圖3所示?；A(chǔ)服務(wù)層由封裝后的天基信息基礎(chǔ)服務(wù)組成，向天基信息服務(wù)管理模塊進行注冊，為服務(wù)定制層自動查找、組織和調(diào)用服務(wù)資源提供基礎(chǔ)支撐。本技術(shù)將天基信息基礎(chǔ)服務(wù)構(gòu)建為2類服務(wù)：天基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)和天基信息通用服務(wù)。天基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)通過接口向外提供天基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接收、存儲和整合等服務(wù)；天基信息通用服務(wù)通過接口向外提供天基設(shè)施資源的調(diào)度管理、區(qū)域數(shù)據(jù)服務(wù)和定位導航服務(wù)等。服務(wù)定制層主要完成面向用戶的業(yè)務(wù)流程建模和基礎(chǔ)服務(wù)的組合調(diào)用，根據(jù)用戶提交的需求判斷屬于專屬服務(wù)還是通用服務(wù)，分別根據(jù)不同流程產(chǎn)生定制服務(wù)。

圖3 基于業(yè)務(wù)流程驅(qū)動的服務(wù)定制框架Fig.3 Service customization framework driven by business process

天基信息服務(wù)定制的流程如下：

① 依據(jù)用戶需求，首先根據(jù)天基信息業(yè)務(wù)流程進行建模，通過業(yè)務(wù)流程模型判斷需要的服務(wù)屬于專屬服務(wù)還是通用服務(wù)。

② 若該服務(wù)屬于專屬服務(wù)，則把業(yè)務(wù)流程模型映射成為服務(wù)序列。查詢獲取所需服務(wù)，在服務(wù)定制層依據(jù)服務(wù)序列定制為服務(wù)組合，進一步形成基礎(chǔ)服務(wù)調(diào)用流程，然后通過企業(yè)服務(wù)總線、工作流引擎等技術(shù)將天基基礎(chǔ)服務(wù)進行靈活組合，依次向服務(wù)管理模塊發(fā)起調(diào)用請求。

③ 若該服務(wù)屬于通用服務(wù)，則直接對該服務(wù)信息與天基信息通用服務(wù)進行匹配，向服務(wù)管理模塊發(fā)起調(diào)用需求。

④ 服務(wù)管理模塊依次返回服務(wù)及服務(wù)序列到服務(wù)調(diào)用模塊。

⑤ 待服務(wù)實例執(zhí)行完畢后，接收執(zhí)行結(jié)果，最后業(yè)務(wù)應(yīng)用前端向用戶提交該業(yè)務(wù)流程的執(zhí)行結(jié)果。

因此，服務(wù)定制技術(shù)主要是針對用戶需求，將業(yè)務(wù)流程進行建模，根據(jù)業(yè)務(wù)流程模型判斷屬于專屬服務(wù)還是通用服務(wù)，依據(jù)服務(wù)類型的不同，選擇不同的服務(wù)定制流程，完成服務(wù)調(diào)用和服務(wù)執(zhí)行。

3.2 基于拓撲模型的服務(wù)擴展技術(shù)

當傳統(tǒng)的天基信息服務(wù)系統(tǒng)面向多用戶時，任務(wù)的需求形式會呈現(xiàn)多樣化，導致需求的服務(wù)形式也會多樣化，而且不同服務(wù)之間會存在互相依賴和交互關(guān)系。因此，如何依據(jù)現(xiàn)有的服務(wù)集合和服務(wù)序列，快速擴展出符合用戶任務(wù)需求的服務(wù)，解決當前服務(wù)模式存在的靈活性差、可擴展性低的問題，是本文研究的重點之一。本文采用基于拓撲模型的服務(wù)擴展技術(shù)實現(xiàn)天基信息服務(wù)的可擴展性，主要通過構(gòu)建服務(wù)之間的依賴和交互關(guān)系，計算各個服務(wù)的關(guān)聯(lián)性和拓撲關(guān)系，當新任務(wù)需求產(chǎn)生時，便可以快速通過服務(wù)拓撲模型關(guān)聯(lián)相似的服務(wù)及服務(wù)序列，并以相似服務(wù)或服務(wù)序列為參考框架，進一步擴展服務(wù)，完成用戶新任務(wù)需求。服務(wù)拓撲模型的各個元素關(guān)系如圖4所示。

圖4 服務(wù)拓撲模型元素關(guān)系Fig.4 Relationship among service topology model elements

服務(wù)拓撲是服務(wù)之間依賴關(guān)系的描述。將服務(wù)S用S={A,c}描述，A是服務(wù)的屬性向量，A={a1,a2,…,an}，ai表示服務(wù)的第i種屬性，c是服務(wù)的類型，根據(jù)服務(wù)功能的不同而分類。依賴關(guān)系R={,r}，表示存在依賴關(guān)系的2種服務(wù)在固定的約束和依賴規(guī)則下的依賴關(guān)系，其中c1和c2表示服務(wù)類型，表示存在依賴關(guān)系的2個服務(wù)類型的約束，r是依賴關(guān)系的依賴規(guī)則向量，是對依賴關(guān)系的邏輯描述。r={r1,r2,…,rn}，ri是對依賴關(guān)系的第i種可選依賴規(guī)則。交互關(guān)系表示為E={S1,S2,…,Sn}，E是某一類具有相似或者互補的應(yīng)用服務(wù)集合，描述了應(yīng)用層面的服務(wù)間關(guān)系。

基于上述的拓撲模型，本文提出的服務(wù)擴展技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 基于拓撲模型的服務(wù)擴展技術(shù)流程Fig.5 Flowchart of service expansion technology based on topology model

天基信息服務(wù)的擴展流程如下：

① 用戶通過配置應(yīng)用程序，產(chǎn)生新的任務(wù)需求，通過業(yè)務(wù)流程建模構(gòu)建新的業(yè)務(wù)流程，最終形成服務(wù)需求。

② 拓撲模型接收到服務(wù)需求后，會將新服務(wù)與當前所有服務(wù)進行拓撲分析，并產(chǎn)生關(guān)聯(lián)服務(wù)，發(fā)送到服務(wù)注冊與管理模塊。

③ 服務(wù)注冊與管理模塊匹配關(guān)聯(lián)服務(wù)并返回其服務(wù)框架。

④ 通過分析新業(yè)務(wù)與具有拓撲關(guān)系服務(wù)的相關(guān)性，根據(jù)其業(yè)務(wù)流程的差異和相關(guān)部分快速拓展構(gòu)建新的服務(wù)。

⑤ 將新生成的服務(wù)在服務(wù)注冊與管理模塊進行更新，并執(zhí)行服務(wù)，給用戶返回服務(wù)調(diào)用結(jié)果。

4 服務(wù)動態(tài)調(diào)整

天基信息服務(wù)動態(tài)調(diào)整架構(gòu)如圖6所示。

圖6 天基信息服務(wù)動態(tài)調(diào)整架構(gòu)Fig.6 Dynamic adjustment framework of space-based information service

通過天基信息服務(wù)定制技術(shù)能夠?qū)⑻旎畔I(yè)務(wù)流程映射為基礎(chǔ)服務(wù)序列，由天基服務(wù)注冊與管理模塊進行管理，可達到業(yè)務(wù)流程靜態(tài)按需調(diào)用服務(wù)完成業(yè)務(wù)的能力。由于目前天基平臺業(yè)務(wù)流程復雜多變，為了能夠使業(yè)務(wù)流程動態(tài)調(diào)整，本技術(shù)采用工作流引擎為系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)流程動態(tài)調(diào)整的能力，可靈活實現(xiàn)天基信息基礎(chǔ)服務(wù)重組，生成新的業(yè)務(wù)流程，保障觀測需求。

用戶在應(yīng)用程序前端查詢當前已有業(yè)務(wù)流程模板，然后根據(jù)新的觀測任務(wù)在界面上配置新的業(yè)務(wù)流程模板，并保存系統(tǒng)配置；工作流引擎自動獲取新的業(yè)務(wù)流程模板，按照配置去服務(wù)注冊與管理模塊查詢所需天基信息服務(wù)，然后將基礎(chǔ)服務(wù)按照新的業(yè)務(wù)流程模板進行組合配置，形成新的業(yè)務(wù)流程，同時更新業(yè)務(wù)流程模板庫，為執(zhí)行天基信息服務(wù)添加新活力。

5 結(jié)束語

天基信息定制化擴展服務(wù)隨著各類天基信息的快速發(fā)展及多樣化用戶對各類天基信息的需求應(yīng)運而生，是天基信息服務(wù)的大趨勢，涉及到航天、導航、大數(shù)據(jù)、通信、信息挖掘、可視化和計算機等多個領(lǐng)域。本文提出一種流程驅(qū)動的天基信息服務(wù)可擴展定制技術(shù)，并圍繞該技術(shù)方案介紹了總體設(shè)計思路，并詳細闡述了業(yè)務(wù)流程模型構(gòu)建、服務(wù)定制可擴展技術(shù)和服務(wù)動態(tài)調(diào)整方法。首先針對當前國內(nèi)外天基信息服務(wù)現(xiàn)狀進行初步分析，并指出目前多源天基信息綜合應(yīng)用中存在的主要問題；在此基礎(chǔ)上基于多源天基信息手段，設(shè)計了天基信息服務(wù)可擴展定制技術(shù)，重點闡釋了基于業(yè)務(wù)流程的服務(wù)定制技術(shù)和基于拓撲模型的服務(wù)擴展技術(shù)，為解決天基信息定制化服務(wù)提供了一種新方案。本方案解決了不同層級用戶執(zhí)行觀測任務(wù)時面臨的資源使用效率較低、數(shù)據(jù)共享困難以及多樣化服務(wù)需求響應(yīng)反應(yīng)遲緩等問題，為多源天基信息資源效能的充分發(fā)揮提供參考。