服務化艦載指控系統中服務的匹配與組合*

余戌曈 吳 玲 盧發興

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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服務化艦載指控系統中服務的匹配與組合*

余戌曈 吳 玲 盧發興

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

服務的檢索匹配和組合優化是服務化指控系統中服務組織的關鍵技術。從服務種類與服務粒度兩方面進行服務的劃分建模,結合指控系統的特點分析了現有服務檢索匹配的主要技術與服務組合優化的模式;提出采用刻面與屬性值相結合的方法實現服務化指控系統的服務檢索匹配,并采用半固定組合模式分成組合策劃與優化選擇兩個階段實現服務組合優化,從而提供了服務化指控系統實現的一種可行途徑。

服務化; 艦載指控系統; 服務匹配; 服務組合

Class Number TP393

1 引言

隨著新的作戰思想、概念和技術的發展,未來海戰強調作戰單元間的廣泛、深入和高效的協同作戰能力,服務化指控系統正在逐漸改變指揮控制的實現方式,它打破傳統的指揮控制層次結構,建立以網絡為中心的開放、靈活的指揮控制體系。服務化指揮控制系統將指揮控制流程中的各個功能映射為服務,功能執行單元映射為服務提供者;通過建立可用服務集合,并針對具體任務通過服務的檢索、匹配、組合與優化,將多個可能位于不同平臺的指控業務服務提供單元進行跨平臺動態靈活組合,最終形成完整的任務執行流程,從而使服務化的指揮控制具有面向任務的靈活性和資源的高度利用等特點。

目前,面向服務技術在指揮控制系統的研究主要體現在體系結構框架[1～4],系統構造集成[5～6]和底層實現技術[7～8]等方面,對系統應用層中服務組織的研究較少。文獻[9]闡明了對服務的組織過程,但未具體闡述其實現技術。本文圍繞艦艇服務化指揮控制系統的特點,對艦載指控系統服務的劃分建模、指控業務服務檢索匹配和組合優化的主要技術進行研究。

2 艦載指控系統服務劃分建模

艦載指控系統由多個異構的分系統組成,如傳感器系統、輔助決策系統、武器控制系統。各個分系統可提供相應功能,承擔相應任務。實現服務化指控系統的首要任務是將各個功能進行封裝,形成服務集合。服務劃分建模的有效性制約著系統運行的效率,其中關鍵是對服務的種類和粒度的劃分。

· 服務種類:艦載指控系統提供了如包含艦艇作戰的作戰服務和包含一般信息系統的通用服務等。這些服務的通用性大不相同,對網絡環境和實時性的要求差異也較大。將各服務進行歸類,那些私有性較強的服務應定為專屬服務,那些被頻繁調用且支持其他服務運行的服務應定為通用服務。

如圖1所示,艦載指控系統的服務可分為四大類:支撐服務、過程管理服務、指控基礎服務和指控業務服務。支撐服務類是為系統運行提供支持的基礎服務。過程管理服務類是對各服務全生命周期進行監控,保證所有服務有序高效的調用。指控基礎服務類是為艦艇指揮與控制提供相關基礎保障服務。指控業務服務類是為完成艦艇作戰使命提供作戰應用業務功能的服務,也是最為重要的一類服務。

圖1 指控系統服務分類

· 服務粒度:服務粒度的設定是影響服務化指控系統運行的性能的重要因素。服務粒度的設置可大可小,理論上大粒度的服務劃分,對系統的實現較為容易,但服務內部的功能仍是緊耦合,運作不夠靈活;小粒度的服務劃分提高了服務的通用性和復用性,但會造成大型系統的服務數量成指數式增長。因此服務的粒度設定須合適,既能滿足系統隨需應變、柔性重組的要求,又能滿足指控系統的對系統反應時間和網絡時延要求。

3 指控業務服務檢索匹配

擁有大量指控業務服務的作戰網絡必須以一種易于分類管理而又方便檢索的機制來管理服務。服務匹配是系統根據用戶提交的服務請求,在大量備選服務中準確迅速地篩選出滿足需求的服務。服務檢索匹配方法大致分為基于關鍵字匹配[10～12]、基于屬性值匹配[13]、基于刻面分類匹配[14～17]、基于本體語義匹配[18～21]等。

· 基于關鍵詞的服務匹配:利用若干關鍵詞來揭示服務的語義。服務的匹配就轉化為一個或多個關鍵詞組成服務描述與服務請求之間的匹配。該匹配方法的優點是提取算法簡單、快捷、實現相對容易,缺點是不能有效表達關鍵字間的語義信息,導致匹配效率有限。

· 基于屬性值的服務匹配:將服務描述分成幾個屬性,每個屬性在描述服務時被賦予具體的關鍵詞或特定的屬性值,服務的匹配是對各個服務描述的屬性進行匹配,從而提高匹配能力,但仍然有局限性。

· 基于刻面分類的服務匹配:服務描述由一組描述服務本質特征的刻面(facet)所組成。每個刻面從不同的視角對服務進行精確的分類。每個刻面具有一組術語(關鍵詞),術語之間具有一般特殊關系而形成結構化的術語空間,術語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復雜對象的描述進行匹配,具有屬性值匹配和關鍵詞匹配方法的優點。

· 基于本體語義的服務匹配:引入本體的概念,定義了一套通用的屬性來描述服務的非功能性特征和功能性特征,為服務的整體描述提供了一個粗略的框架結構,在語義和知識層次上進行匹配。然而不足的是,高度概括性和一般性使得服務的很多屬性類型都沒有具體定義,很難對兩個服務描述進行比較,其本體描述和邏輯推理較為復雜,造成了匹配效率低下。

目前在服務匹配的研究應用領域使用最多的是基于本體的語義Web服務發現與匹配技術,原因在于Web服務數量極其龐大,且各個廠商按照各自需求進行開發導致Web服務種類繁多,因此基于本體語義的服務發現匹配技術能使用戶很好地理解服務的信息。但指控業務服務由于其特殊性,在總量、種類上與Web服務相比都小得多,但其主要特點是要求用戶必須精確快速地發現匹配所需服務,因此基于本體語義的服務描述過于復雜,不適合在指控業務服務中應用。指控業務服務的檢索匹配可以采用刻面方法與屬性值方法相結合。

刻面是根據用戶在檢索匹配服務時感興趣的服務分類屬性來確定,略去次要信息,提高匹配效率。另外各個刻面的術語空間是一個有限不定集合,即一個服務的加入,描述它的術語應選擇術語空間中已有的術語或是添加新的術語來擴展術語空間,實現了服務的精確匹配。另外,服務的刻面與術語在隨著更多新的指控業務服務的加入而不斷完善,艦載指控業務服務可簡單的刻面分類成如圖2所示。

圖2 艦載指控業務服務刻面分類

屬性值的匹配是將指控業務服務相關戰技術性能參數進行匹配,是對刻面匹配的補充,是指控業務服務在類別上匹配成功的基礎上,在性能參數上匹配成功。

指控業務服務檢索匹配采用上述方法,有三個基本問題需要解決: 1) 服務描述刻面的選取; 2) 服務刻面下術語的選取; 3) 服務的屬性參數選取。解決了上述三個問題,則經過服務檢索匹配得到的服務集合即是可以滿足用戶需求的服務集合。

4 指控業務服務組合優化

作戰需求通常復雜多變,單個指控業務服務是無法滿足作戰需求的,只有組合多個指控業務服務共同協作,才能完成特定的作戰任務。這種組合的結果往往表現為一個自動執行的處理流程,需要去協調一個流程中服務調用的順序、對服務之間的數據流進行管理等,并且需要提供有效性、可靠性和可持續性的支持。

服務組合優化機制可分探測性組合(Explorative Composition)、半固定組合(Semi-fixed Composition)和固定組合(Fixed Composition)三類[22～23]。在探測性組合中,服務組合的計劃是服務中介根據用戶需求動態生成的。用戶首先提交對所需服務的要求,服務中介根據當前需求信息實時進行服務組合優化。該類型的服務組合的特點是服務組合即時構造,系統靈活性更高,但需要動態構筑組合服務和綁定服務,運算規模與復雜度明顯提高。半固定組合中,代表組合服務結構的組合定義是固定的,只是具體的服務綁定在運行階段完成。系統根據用戶的需求從已有模板庫中選擇某個模板或某些模版來組合服務,雖然系統受限于模板庫的規模,但運算量大大減少。在固定組合中,組合定義中組合服務的結構以及具體服務都是固定,該類型組合實現較簡單,但靈活性不夠。

由于服務化指控系統強實時性的特點,服務組合優化更多的應采用半固定組合方式。半固定組合方式將服務組合優化流程分成組合策劃和優化選擇兩個階段[24]。

指控業務服務的組合策劃階段一般是戰前由設計人員在設計時完成。設計人員根據武器裝備運用流程和交互協議,制定可行的服務組合策略方案,建立組合方案庫,一般步驟[25]是:

1)一個滿足作戰需求的服務,其輸入數據用戶無法滿足,則該服務為目標服務。然后去發現一個或多個中間服務,使得該中間服務的輸出數據與目標服務的輸入數據相匹配。

2)如果對于找到的中間服務仍存在無法滿足的輸入,則以該中間服務為目標服務,繼續查找與輸出數據之相匹配的中間服務。

3)不斷重復上述步驟,直到找到一組中間服務,這組服務中的所有輸入數據用戶都可滿足。

完成組合策劃階段后,會產生能完成相同作戰任務的服務往往有多種服務組合方式的情況,這就要求在戰時根據當前條件,選擇出優化的服務組合,即優化選擇階段。

抽象服務表示一類具體服務,動態服務組合中,組合方案生成階段僅僅生成一套“抽象服務”的執行序列,只有到組合方案執行階段,合適的“具體服務”才會綁定上去[26],如圖3所示。

圖3 服務的優化選擇

指控業務服務QoS度量可分為戰術指標與技術指標,以對空作戰為例,戰術指標可為毀傷效能、完成時間、資源消耗量等,技術指標可為服務網絡延遲、帶寬、響應時間等。

根據子服務的實時性能參數對所合成的服務進行優化,因此服務優化選擇就轉化為以QoS度量為目標函數的組合最優化問題。該類問題的解決可用傳統經典算法與現代智能算法兩類算法。傳統經典算法中可采用啟發式算法來獲得滿意解,具有算法復雜性低、求解速度快的優點,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,以獲得問題的最優解。

5 結語

服務化指控系統是未來指控系統的發展趨勢,是實現編隊指控一體化的必經之路。目前服務化指控系統的研究尚處探索階段,仍有許多觀點和技術尚未成熟。指控業務的組織調用是服務化指控系統的關鍵性問題,本文僅對服務化指控系統中服務在劃分建模、檢索匹配、組合優化的主要技術進行了簡要分析,下一步還將深入研究各相關技術的具體實現。

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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:艦載作戰指揮系統服務化。吳玲,女,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:艦載作戰指揮輔助決策。盧發興,男,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:艦載火力控制。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.007