基于云架構的模型資源重用組合技術研究

楊 光

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

近些年來，在海軍試驗和訓練的發展和應用過程中，軍地各單位積累了大量的模型、系統等資源，由于是“自抓自建”，技術體制不盡相同，各種資源相互孤立，現有模型資源重用率低。通過研究模型的重用組合方法，將異類異構的試驗、訓練模型資源進行重用與組合，能有效降低海軍作戰試訓系統論證評估和開發構造成本，提高資源利用效率。

目前，對海軍試訓模型資源重用與組合的研究，多集中在模型的接口標準計化、層次化建模、基于Petri網的仿真概念模型框架組合建模等方面［1～2］，這些方法一定程度上可以實現試訓模型的重用和移植，有效提高應用開發效率。但隨著大數據和云計算技術的發展，云架構下海軍試訓模型的動態組合和重用方法的將成為未來研究重點。

2 海軍試訓模型資源重用組合技術概述

海軍試驗模型資源涵蓋了從系統論證、研制、裝備鑒定的全過程。從建模的全生命周期角度來分有需求模型、概念模型、設計模型、可執行模型、運行模型等；從模型的表現形式來分有結構化模型、半結構化模型、非結構化模型；從模型的粒度來分有原子模型、組合模型、組件模型、系統模型等；從實現功能角度分有計算模型、數學模型、動力學模型等；從模型實體屬性來講包括“空中、水面、水下、岸上”四大種類、“敵、我”兩大屬性。在本文中，模型重用與自動裝配的研究對象為海軍試驗過程中涉及的所有模型。

模型重用的核心思想是［3］：模型重用以降低系統開發成本、提高建模效率和質量為目標，通過建立可重用模型或者再利用已有的模型為手段，是一個系統化、工程化、標準化的過程。對海軍作戰試驗系統來講，模型重用主要有以下3種應用場景：1）海軍試訓系統更新，在之前版本的試驗系統的基礎上，增加一些新功能，或者有其他方面的更新，形成新的試驗系統；2）海軍試訓系統移植，海軍試訓系統需要一直到新的軟件平臺下，需要適應跨領域、跨平臺帶來的異構性；3）需要創建新的海軍試訓系統，評估確認已有的模型資源能夠滿足新的試驗系統需求時，對模型資源加以重用，最后進行校驗。

在模型重用實現的關鍵技術當中，基于云架構的模型重用是近年來的研究熱點，文獻［4～5］提出了建模仿真即服務（modelingandsimulationasa sservice，MSaaS）的概念并指出基于云計算框架的服務也可以具有云的按需分配資源、高速網絡、快速響應等優點。這些特點都為模型重用在云環境下的應用提供了很好的支撐。

3 海軍試訓模型資源重用框架設計

傳統的MAMSaaS架構（Mashup Architecture with Modeling and Simulation as a Service）有四層（云、盒子、接線、混合架構）［6～7］，為了滿足海軍試驗模型資源滿足按需服務，動態組合的需求，提高模型重用組合效率，本文增加了標簽數據層，設計了一種新的基于語義盒子的混合架構。如圖1中所示，分為基礎資源層、服務層和端應用層。

云資源層：它負責支持云基礎架構和部署MSaaS。云基礎架構包括云計算單元（用于構建和執行試驗系統）和云存儲單元（用于共享M＆amp;S資源）。此外，該層還負責通過按需使用MSaaS中間件來部署用戶提供的M＆amp;S資源，將其作為云中的MSaaS。

盒子層：它表示用于M＆amp;S的混合組件（稱為Boxes）。盒子可以有不同的類別，每個盒子有統一的盒子簽名標識，并且它有自己的處理輸入消息的功能和視覺形式，而簽名標識以模型的層次化、服務化的描述為基礎。

接線層：它負責將盒子連接到混合組件中。盒子可以通過它們的輸入/輸出連接彼此，而這些輸入和輸出在它們的盒子簽名中被標識出。一個盒子可以在不同的混合組件中重用和重新連接以作新的用途。

圖1 海軍試驗模型資源重用框架

混合架構層：它負責選擇和連接盒子，并運行應用程序。它們可以添加盒子、接線和在運行時可視化結果。

標簽數據層：該層使用標簽挖掘和學習算法維護和學習盒子的標簽樹。可以從盒子中挖掘標簽簽名，使用學習算法從盒子標簽簽名構建表轉化的數據模式。

依據服務化、多層次的模型描述，將海軍試訓模型資源的方法和具有的功能作為MSaaS來實現，使用云平臺的中間件將模型共享到云資源池中。

盒子從各種服務接收異構數據。盒子模塊規范特定功能并將數據發送給其他盒子；它們可以共享或發布到網絡。盒子有四種基本類型：MSaaS、WebAPI、Widget和OperatorBox。

MSaaSBox：它使用云層中的MSaaS服務來處理輸入數據，以及輸出結果。云層充當存儲庫接口來作為MSaaS公開M＆amp;S資源，用戶可以通過使用HTTP方法如GET/PUT/POST/DELETE聯系到相應的模型資源。

WebAPIBox：它調用現有的開放WebAPI并遵循WS（WebService）原則，暴露功能。

WidgetBox：是一個輕量級的Web應用程序，可以在Web瀏覽器上顯示數據。它們為特定數據提供可視化表示。它們可以重復使用于Web開發或其他混合平臺。

OperatorBox：它基于定制的流程從其他盒子中獲取輸入數據并生成輸出，用于解決盒子之間的不一致的問題（即具有類似端口的盒子不能直接連接），可以被視為盒子之間的轉換器。

雖然盒子有不同的類型，但它們以類似的方式管理。每個盒子都是打包在一個單獨的存檔文件中，因此可以開發、下載和安裝在不同的服務器上，每個盒子包裝有三個部分，如下：

1）盒子簽名：為了管理不同的盒子，設計了統一的結構。

BX= ＜Bn，Bt，Bd，Bs，Ba，Bp，Bm＞是盒子的一般信息，I=｛p｝是一組輸入端口，O=｛p｝是盒子的一組輸出端口，P= ＜Pn，Pt，Pd＞包括端口名稱、類型和描述。

結合仿真資源的相關描述，盒子簽名用每個盒子的基本信息（BX）、輸入端口（I）和輸出端口（O）進行標識?；拘畔ㄆ涿QBn、類型Bt（例如MSaaS、WebAPI、Widget、Operator）、描述 Bd、子類型Bs、作者Ba、路徑Bp，以及方法Bm（相關WS的方法名稱）。一個盒子可以有多個輸入和輸出端口，用于連接混合架構中的盒子。每個輸入或輸出包括端口名稱、類型（端口中的消息類型）和描述（描述端口的文本）。

2）盒子函數：每個盒子都有一個響應輸入事件的函數。盒子是事件驅動的，當輸入事件到來時，它會觸發盒子中的一個函數，通過輸出端口發送數據。不同類型的盒子具有不同的函數。對于MSaaSBox，它結合了與同一實驗相關的多個MSaaS到一個盒子。

3）盒子視圖：每個盒子也可以在Web瀏覽器中顯示。盒子有用于可視化目的文件，對于MSaaS和WebAPI的盒子，它們的視圖可以是它們的簽名或執行狀態。對于Widget盒子，它們可以重用現有小部件中的相關文件。用戶也可以自定義這些文件以更改視圖數據的顯示方式。

每個盒子都打包在一個存檔文件中，這個文件包含一個盒子簽名、盒子函數和盒子視圖。

盒子的一個關鍵特征是它們可以相互連接，這就是所謂的盒子接線。接線用于通過輸入和輸出組合不同的盒子。

B=｛Bx，By……｝是一組盒子，｛Bx.I，By.O｝是盒子的一系列連接，盒子接線是盒子和它們之間的連接的組合。每個接線（W）包含一組方框｛Bx，By……｝和連接｛Bx.I，By.O｝。例如Bx.I，By.O表示盒子By的輸出端口O可以連接到盒子Bx的輸入端口I。盒子通過其輸出端口上的事件通知他們的更改；其他盒子可以通過輸入端口接受這些事件。通過接線盒子，用戶可以在多個試訓系統構建場景中，在不了解內部細節的情況下重復使用它們。

盒子和布線機制可用于構建復合模型。它基于可視化表示的盒子之間的數據流和事件的機制。

M＆amp;Smashup（模型組合）由一系列盒子（B），盒子接線（W）和用戶工作區（U）組成。用戶可以擁有不同的工作區。在任何工作區中，用戶都會通過它們的輸入/輸出端口選擇盒子和盒子接線。用戶可以擁有不同的工作區。在任何工作區中，用戶都會通過它們的輸入/輸出端口選擇盒子和盒子接線。標簽數據層可以在經過語義提取后，通過推理引擎，幫助選擇，簡化選線/布線。

圖2是資源組合的一個示例。它由六個盒子組成（B1到B6），通過交換數據相互操作?？紤]一下有MSaaS盒子B1和B2，WebAPI盒子B3和B4，Operator盒子B5和Widget盒子B6。用戶可以通過連接這些盒子來構建Mashup架構。在運行時，B1中生成的數據將傳遞給B3并觸發B3的函數，然后B3將其數據輸出到B2。類似的行為也會發生在其他的盒子之間。

圖2 盒子/接線/組合示例圖

4 基于云架構的海軍試訓模型資源組合技術

圖3 模型資源組合方法示意圖

模型資源組合方法如圖3所示，在海軍試驗模型資源重用框架的基礎上，首先將需要裝配的物理資源進行虛擬化描述，構建相應的虛擬資源，形成服務之后，加入模型的云資源池。針對具體的任務采用資源搜索匹配算法尋找出動態能力滿足需求的虛擬資源，然后通過運行調度算法進行管理，實現海軍試訓模型資源的組合。

目前仿真模型組合方法可以分為兩類：語法組合和語義組合［3］。基于語法的組合主要是解決模型接口的匹配問題，如數據船體、時間同步等；語義組合主要是通過“行為等同替換”的思想，用組合后具備相同行為的組合模型表示被建模系統，確保組合模型對于被建模系統是有效的。語法組合是語義組合的基礎。這兩種方法都解決了通用模型組合的一般問題，但是由于組合建模還依賴領域知識，例如如何根據海軍試訓裝備模型知識確定組合模型的子模型、組合模型的子模型受到的約束條件、如何根據領域知識確定組合的有效性、如何表達用戶的特殊需求等。本文采用一種基于推理的服務化模型動態組合方法。

對于不同層次的試驗訓練而言，需要將多個不同層次的模型集成起來聯合執行，大到海軍全軍訓練的戰略模型、集團軍戰役訓練模型和師團戰術訓練模型，小到單件武器的平臺級模型甚至單平臺中探測、火控的單元模型，重點是要解決多模型間不同語義的理解和綜合集成［9］。每個Box都是以服務的形式采用服務總線架構完成注冊，來實現服務的在時空上的實時性。在組合過程中，模型被封裝成服務，根據模型的復雜程度將服務劃分為原子服務、基本服務、復雜服務和組合服務4種類型。

1）原子服務

原子服務對應于原子組件，是直接將單個組件模型直接封裝形成的原子服務，這里的原子服務包括兩種：一種是不具備獨立功能的原子服務，這種模型單獨使用，一般不具備行動能力，必須與其他組件或服務組合才具有行動能力，如平臺組件等；另一種是具有獨立功能的原子服務。如輔助組件，這些組件直接封裝后形成的原子服務，不需要依賴于其他的組件就能獨立完成相應的任務

2）基本服務

基本服務是指將原子組件按照一定的方式組裝后形成具有一定作戰行動能力的服務，以具備基本行動能力為判斷標準，通常組成此類服務的原子組件不超過10個。

3）復雜服務

復雜服務是針對基本服務的，是指具有多種作戰行動能力的基本服務組合而成的服務。這種服務可能有兩種方式組合而成：一種是以基本服務為基礎對象構建，通過將多個基本服務組合形成，具有多種行動能力；另一種是通過將多個作戰行動組件按照一定的順序組合，形成一個完整的作戰行動過程，這種復雜服務可以提供對某一次戰斗行動的仿真。對于不很關注每一個行動細節的情況下，利用這種服務可以簡化仿真過程，提高模型運行效率。

4）組合服務

自動服務組合主要需完成以下幾個步驟：服務的形式化描述，按照領域本體和描述邏輯的規范使得服務具有語義功能；模型經組合后形成RDF（Resource Description Framework）文檔，按照服務描述的規范對其進行封裝，并在UDDI（Universal Description Discoveryand Integration）中心進行服務的注冊與發布；按照用戶的需求，自動找出滿足要求的服務集合，并根據相關的算法進行選擇、綁定，明確接口關系和執行順序，同時進行服務流程化描述；按照相關算法對發現和選擇的服務進行自動組合、驗證和執行。

模型組合的基本過程如圖4所示。首先由用戶提出申請需求服務，即對所需模型服務進行描述，根據模型接口描述和功能描述，進行語義提取與轉換，語義提取是與模型知識庫進行比對的過程，并將提取的語義轉換成組合推理引擎能夠識別的語言，在組合規則庫和模型知識庫的共同作用下，推理引擎按照模型組合服務流程對模型進行組合封裝，然后將組合結果反饋，并進行模型組合性驗證，最后將組合結果以服務的方式提供給用戶直接使用。而在推理的過程中，隨著系統的運行，模型組合的語境會動態改變，同時模型組合語境的內容也會為推理引擎提供條件限制，影響組合過程運行。

圖4 模型組合過程示意圖

圖5 模型組合算法

整個模型資源組合算法如圖5，分別從模型資源服務的發布者、請求者和推理過程這三個角度對模型組合服務的執行流程進行具體分析，如圖5所示。

5 結語

本文從海軍聯合試驗系統構建對模型資源的重用需求入手，研究了模型重用的基本原理，借鑒云資源管理平臺MSaaS的概念以及語義組合與檢索匹配的方法，提出一種基于語義盒子的海軍試訓模型重用框架，研究了該框架下海軍試訓模型的組合原理和組合過程，為海軍試訓模型的重用與組合方法研究提供了一種參考。