基于體系結(jié)構(gòu)物理交換規(guī)范的作戰(zhàn)活動可執(zhí)行模型構(gòu)建方法

羅愛民， 傅 炯

(國防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

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基于體系結(jié)構(gòu)物理交換規(guī)范的作戰(zhàn)活動可執(zhí)行模型構(gòu)建方法

羅愛民， 傅 炯

(國防科技大學(xué) 信息系統(tǒng)工程重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

作戰(zhàn)活動是體系結(jié)構(gòu)的核心數(shù)據(jù)，保證作戰(zhàn)活動的正確性是提高體系結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵。基于DoDAF2.0提出的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)物理交換規(guī)范，定義了作戰(zhàn)活動模型和作戰(zhàn)規(guī)則模型的數(shù)據(jù)模型；對基本Petri網(wǎng)交換規(guī)范進(jìn)行擴(kuò)展，形成擴(kuò)展Petri網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換規(guī)范；建立活動模型相關(guān)數(shù)據(jù)與擴(kuò)展Petri網(wǎng)交換規(guī)范的映射規(guī)則，根據(jù)映射規(guī)則自動生成作戰(zhàn)活動Petri網(wǎng)模型，并研制了可執(zhí)行模型自動生成工具。最后,通過案例驗證了方法的合理性。

體系結(jié)構(gòu)；可執(zhí)行模型；物理交換規(guī)范；擴(kuò)展Petri網(wǎng)標(biāo)記語言

體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)組成及其關(guān)系，以及它們隨時間演進(jìn)的原則和指南。組成、關(guān)系以及指南是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要素。作戰(zhàn)活動不僅反映了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的功能和流程，而且也決定了信息交換關(guān)系和交換內(nèi)容。因此作戰(zhàn)活動及其流程是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心內(nèi)容。在美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(DoD Architecture Framework，DoDAF)2.0提出的DM2[1](DoDAF Meta-model)中，活動也是重要的數(shù)據(jù)實體。科學(xué)地分析、驗證與評估活動的動態(tài)特性是保證體系結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵。利用可執(zhí)行模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、驗證與評估是體系結(jié)構(gòu)開發(fā)中最常用的方法之一。通過構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)可執(zhí)行模型，可以分析行為合理性、邏輯合理性，驗證評估與活動相關(guān)的屬性、性能等。因此，體系結(jié)構(gòu)可執(zhí)行模型構(gòu)建方法多年來一直受到關(guān)注。如Levis等[2-3]將UML模型、IDEF0模型和IDEF3模型轉(zhuǎn)為有色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net,CPN)可執(zhí)行模型；倪楓等[4]將IDEF0模型和IDEF1X模型等轉(zhuǎn)換為層次有色Petri網(wǎng)(Hierarchical Colored Petri Net,HCPN)模型；文獻(xiàn)[5]將IDEF0模型和IDEF3模型等轉(zhuǎn)為對象Petri網(wǎng)(Object Petri Net,OPN)可執(zhí)行模型。這些研究都是針對具體的建模方法制定的轉(zhuǎn)換規(guī)則，生成體系結(jié)構(gòu)可執(zhí)行模型。如采用IDEF0對作戰(zhàn)活動建模，將其轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)模型時，一般采用將建模元素-活動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)移，輸入(輸出)箭頭轉(zhuǎn)換為位置和弧等。DoDAF2.0中提出了以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，體系結(jié)構(gòu)最終以規(guī)范的數(shù)據(jù)文件展示，與具體的建模方法和表現(xiàn)形式無關(guān)，體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)值包含數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容，沒有每類數(shù)據(jù)具體的建模方法以及數(shù)據(jù)對應(yīng)的建模元素。因此，原有的方法不能滿足需求，必須研究基于體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)范的可執(zhí)行模型構(gòu)建方法。在這方面有學(xué)者[6-9]研究了基于DM2的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)向Petri網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換的相關(guān)問題，在一定程度上解決了可執(zhí)行模型生成時體系結(jié)構(gòu)建模語言多樣化帶來的問題。但這些研究更多是針對體系結(jié)構(gòu)中的一類模型數(shù)據(jù)，難以對活動整體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

本文基于符合物理交換規(guī)范(PES)的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在擴(kuò)展Petri網(wǎng)標(biāo)記語言(PNML)規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了作戰(zhàn)活動的Petri網(wǎng)可執(zhí)行模型構(gòu)建方法，能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)活動數(shù)據(jù)直接構(gòu)建符合PNML規(guī)范的Petri網(wǎng)模型。

1 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型

1.1 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)物理交換規(guī)范

為規(guī)范體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收集、共享與交換，DoDAF2.0中提出了PES規(guī)范。按照DoDAF2.0，PES規(guī)范分為2部分(如圖1所示)，即核心數(shù)據(jù)(IdeasData)和模型數(shù)據(jù)(IdeasViews)部分。其中，IdeasData是按照DM2中定義的類別來組織數(shù)據(jù)，并對分布在不同模型中的同一數(shù)據(jù)匯總，將不同類數(shù)據(jù)組織在不同的目錄下。如分布在不同模型中的information數(shù)據(jù)都被匯集在IdeasData的Information目錄下，并且記錄Information的名稱、ID、描述等各類信息。

圖1 PES規(guī)范根目錄

IdeasViews主要是各模型包含的數(shù)據(jù)及其表現(xiàn)形式等，它按照模型類別來組織模型中包含的數(shù)據(jù)。一般來講，IdeasViews按照IdeasViews→ViewName(視圖名稱)→ModelName(模型名稱)→…(模型數(shù)據(jù))的層次關(guān)系來組織數(shù)據(jù)。

PES作為一種推薦的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換規(guī)范，正在成為不同體系結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范。目前已經(jīng)有一些工具支持該規(guī)范，如No Magic公司旗下的MagicDraw和Cameo Enterprise Architecture[10]系列建模工具等。

1.2 作戰(zhàn)活動模型的設(shè)計

活動作為體系結(jié)構(gòu)中設(shè)計的核心內(nèi)容，通常需要從不同側(cè)面進(jìn)行描述。一般可采用活動模型、規(guī)則模型、時序圖等。因此，活動的描述內(nèi)容分布在不同的模型中。如DoDAF2.0中作戰(zhàn)視角的作戰(zhàn)活動模型(OV-5b)、作戰(zhàn)規(guī)則模型(OV-6a)和作戰(zhàn)事件跟蹤關(guān)系(OV-6c)等。本文重點研究作戰(zhàn)活動模型和作戰(zhàn)規(guī)則模型組合生成可執(zhí)行模型的構(gòu)建方法。根據(jù)作戰(zhàn)活動模型的定義和DM2中定義的活動元模型，建立作戰(zhàn)活動OV-5b模型的元模型如圖2所示。圖中各模型的含義見DM2相關(guān)文檔。

根據(jù)作戰(zhàn)規(guī)則模型的定義以及DM2定義的活動元模型，建立作戰(zhàn)規(guī)則模型(OV-6a)的元模型如圖3所示。

圖2 OV-5b元模型

圖3 OV-6a元模型

以上述元模型為基礎(chǔ)，利用具體的建模方法可以設(shè)計作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)規(guī)則。在具體建模方式上，作戰(zhàn)活動模型可選擇IDEF0建模語言。作戰(zhàn)規(guī)則模型可采用活動圖描述。為更好地描述規(guī)則執(zhí)行中信息的輸入和輸出關(guān)系，在基本活動圖的基礎(chǔ)上擴(kuò)展2個建模元素：輸入信息和輸出信息，它們分別表示每個規(guī)則模型執(zhí)行過程中與外界交換的信息元素。

為精確描述作戰(zhàn)活動及其執(zhí)行過程，在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，作戰(zhàn)活動模型描述活動的組成及其相互關(guān)系，作戰(zhàn)規(guī)則模型是對活動執(zhí)行細(xì)節(jié)的詳細(xì)說明。因此，作戰(zhàn)活動模型與作戰(zhàn)規(guī)則模型必須相互關(guān)聯(lián)。在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對OV-5b中葉子活動，分別建立相應(yīng)的作戰(zhàn)規(guī)則模型，這樣形成對作戰(zhàn)活動細(xì)化的描述。在圖2中，利用RuleConstrainsActivity關(guān)系數(shù)據(jù)可以建立OV-5b中的Activity和OV-6a定義Rule的關(guān)系，對作戰(zhàn)活動進(jìn)行細(xì)化說明。

由于建立了作戰(zhàn)活動與作戰(zhàn)規(guī)則的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此在設(shè)計中要對作戰(zhàn)活動與作戰(zhàn)規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性檢查。重點檢查作戰(zhàn)活動與關(guān)聯(lián)的作戰(zhàn)規(guī)則在輸入、輸出信息上是否一致，保證作戰(zhàn)活動需要消耗的信息(輸入信息)、作戰(zhàn)活動產(chǎn)生的信息(輸出信息)與關(guān)聯(lián)作戰(zhàn)規(guī)則定義的輸入和輸出信息保持一致。

2 作戰(zhàn)活動模型的Petri網(wǎng)模型構(gòu)建

通常可執(zhí)行模型的類型有多種選擇，本文選用的可執(zhí)行模型是Petri 網(wǎng)模型。

2.1 擴(kuò)展PNML數(shù)據(jù)規(guī)范

PNML是一種基于XML的Petri網(wǎng)數(shù)據(jù)建模語言，是一種常用的Petri網(wǎng)模型數(shù)據(jù)交換的規(guī)范。為保證生成的可執(zhí)行模型能夠在不同的Petri網(wǎng)建模工具中使用，研究生成了符合PNML規(guī)范的Petri網(wǎng)模型。

對象Petri網(wǎng)[11]是一種支持對象、層次化的Petri網(wǎng)，是對基本Petri網(wǎng)的擴(kuò)展。標(biāo)準(zhǔn)PNML規(guī)范主要針對基本Petri網(wǎng)，只包含了位置(place)、轉(zhuǎn)移(transition)和弧(arc)3類信息，不能支持層次化建模。因此，要支持對象Petri網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，必須對PNML進(jìn)行擴(kuò)展。為此，引入模塊(module)、輸入位置(referenceImportPlace)、輸出位置(referenceExportPlace)等概念。Module相當(dāng)于對象Petri網(wǎng)中對象的概念，Module包含位置、轉(zhuǎn)移、弧、輸入位置、輸出位置和模塊實例。Module中也可以嵌含其他對象的實例。

擴(kuò)展PNML規(guī)范分為Page和Module 2部分。其中，Page為Petri網(wǎng)的頂層頁面，包含位置、轉(zhuǎn)移、弧、輸入位置、輸出位置、模塊實例(instance)，如圖4所示。需要說明的是，輸入位置和輸出位置是由位置擴(kuò)展得到的Petri網(wǎng)元素，它們是模塊輸入接口和輸出接口，目的是用于模塊實例和轉(zhuǎn)移之間的連接。

圖4 Page基本規(guī)范

擴(kuò)展后的PNML可以作為對象Petri網(wǎng)的數(shù)據(jù)規(guī)范，支持對象Petri網(wǎng)的XML文件存儲。

2.2 轉(zhuǎn)換方法

建立體系結(jié)構(gòu)Petri網(wǎng)模型的過程如圖5所示。從圖中可以看出，建立PES中活動數(shù)據(jù)與擴(kuò)展PNML規(guī)范中各元素之間的映射關(guān)系是構(gòu)建作戰(zhàn)活動Petri網(wǎng)模型的關(guān)鍵。

圖5 體系結(jié)構(gòu)Petri網(wǎng)模型構(gòu)建過程

在分析PES中關(guān)于活動元模型和擴(kuò)展PNML規(guī)范中數(shù)據(jù)元素映射關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立活動數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為對象Petri網(wǎng)模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則，如表1和表2所示。表中：A表示非葉子活動；a1表示關(guān)聯(lián)屬性RuleConstrainsActivity關(guān)系不為空的葉子活動；a2表示關(guān)聯(lián)屬性RuleConstrainsActivity關(guān)系為空的葉子活動。

在上述轉(zhuǎn)換規(guī)則的基礎(chǔ)上，利用Java平臺設(shè)計實現(xiàn)了活動的可執(zhí)行模型轉(zhuǎn)換工具，實現(xiàn)了作戰(zhàn)活動數(shù)據(jù)到擴(kuò)展PNML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，即利用體系結(jié)構(gòu)中的活動數(shù)據(jù)，生成了對象Petri網(wǎng)可執(zhí)行模型。

表1 OV-5b核心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則

表2 OV-6a核心數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則

3 案例分析

下面以殲擊機(jī)防空為例[12]來驗證本文提出的方法。某指揮所負(fù)責(zé)對某一高度敏感區(qū)域執(zhí)行防空任務(wù)。如果雷達(dá)在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，通知殲擊機(jī)升空迎擊。在戰(zhàn)爭狀態(tài)下，目標(biāo)進(jìn)入攻擊范圍擊毀該目標(biāo)。在和平狀態(tài)下，發(fā)送電子應(yīng)答信息。若對方無應(yīng)答，就當(dāng)作敵方目標(biāo)驅(qū)逐；若為友軍目標(biāo)，則返回基地。該過程包括感知、指揮和交戰(zhàn)等作戰(zhàn)活動，并針對指揮活動建立規(guī)則模型。

針對上述案例采用國防科技大學(xué)研制的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計工具設(shè)計體系結(jié)構(gòu)，得到滿足PES規(guī)范的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。利用開發(fā)的可執(zhí)行模型轉(zhuǎn)換工具，對體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，生成滿足擴(kuò)展PNML規(guī)范的XML文件，其中指揮活動及其執(zhí)行規(guī)則部分?jǐn)?shù)據(jù)如下所示。

id=" "

在對象Petri網(wǎng)建模環(huán)境中打開轉(zhuǎn)換得到的XML文件，對應(yīng)的Petri 網(wǎng)模型如圖6所示。圖6a)對應(yīng)作戰(zhàn)活動模型，圖6b)對應(yīng)“指揮”活動的規(guī)則模型。

a) 防空作戰(zhàn)活動頂層Petri網(wǎng)模型 b) 指揮規(guī)則Petri網(wǎng)模型 圖6 防空作戰(zhàn)活動轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的Petri網(wǎng)模型

4 結(jié) 束 語

本文針對體系結(jié)構(gòu)中活動的設(shè)計與驗證問題，以遵循PES規(guī)范的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件為基礎(chǔ)，將活動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合PNML規(guī)范的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了活動的對象Petri網(wǎng)模型生成，為分析、驗證和評估活動相關(guān)的屬性、性能提供支持。該方法直接利用體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建可執(zhí)行模型，與體系結(jié)構(gòu)模型和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式無關(guān)，體現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計思想。該方法可以推廣到體系結(jié)構(gòu)其他數(shù)據(jù)的可執(zhí)行模型。

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(編輯：李江濤)

Construction Method of an Operational Activity Executable Model Based on the Physical Exchange Specification of Architecture

LUO Aimin, FU Jiong

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory,National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

Operational activities constitute the core data of the architecture and the correction of operational activities is key to enhance architectural quality. The DoDAF2.0-based data physical exchange specification (PES) defines data models in the operational activity model and operation rule model; it extends the basic Petri network switching criterion and forms a data exchange criterion for extended Petri net; the paper also establishes a mapping rule of exchange criterion between data related to activity model and extended Petri net, which is the basis in automatically generating operational activity Petri net model, and develops an executable model automatic generating tool. In the end, the paper verifies the reasonability of the method by case study.

architecture; executable model; physical exchange specification (PES); extended Petri net markup language (PNML)

2016-04-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(71571189)

羅愛民(1970-)，女，教授，博士，主要研究方向為信息系統(tǒng)工程。amluo@nudt.edu.cn

TP311

2095-3828(2016)06-0127-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.024