基于OPN的军事信息服务组合模型构建方法*

舒 振,皇甫先鹏,罗雪山

(国防科技大学 C4 ISR技术国防科技重点实验室,长沙 410073)

基于OPN的军事信息服务组合模型构建方法*

舒 振,皇甫先鹏,罗雪山

(国防科技大学 C4ISR技术国防科技重点实验室,长沙 410073)

介绍了军事信息服务的基本含义,给出了基于对象 Petri网的军事信息服务组合模型的形式化描述方法,构建了军事信息服务组合模型的基本结构,并针对一个具体的防空反导作应用案例,使用国防科大对象 Petri网建模仿真环境工具开发了相应的军事信息服务组合模型,并对组合服务进行了简要分析。实践表明,该方法能满足军事信息服务组合模型构建的需要,并具有良好的服务建模与仿真分析能力。

军事信息服务,对象 Petri网 ,服务组合,模型

引 言

随着军事变革和信息技术的发展,传统的 C/S架构和基于构件的金字塔状指挥控制系统解决方案已经不能满足联合作战需求。近年来,由于服务具有松耦合和互操作性强等优点,面向服务的思想越来越深入人心,日后军事信息系统也必将采用面向服务的思想进行构建。而单一的服务只能解决单一的应用,服务组合才能实现复杂的应用,满足系统构建的要求。

目前国内外围绕Web服务组合的研究有很多,提出了很多Web服务的组合方法。包括Web服务工作流、进程代数、Petri网、语义等在内的诸多理论和技术都已经应用于 Web服务组合领域的研究,并取得了一定的研究成果,如文献[2-4]提出了基于 Petri网的W eb服务组合方法,文献 [5-6]提出了基于语义的 Web服务组合方法,文献 [7]使用语义代理agent的工作流方法实现了服务的自动组合等。

在复杂、激烈、多变的战场环境下,军事信息服务组合与一般民用 Web服务组合相比,具有调用规模庞大、系统功能复杂、实时性、安全性、保密性要求高等特点。而一般Petri网的主要弱点是规模难以控制。特别是当系统的可达状态增加时,模型的复杂性将呈指数增长,使 Petri网模型的分析和理解变得十分困难,另外,传统的 Petri网模型只能依据系统运行的实例数据进行路由选择,而无法解决组合模型运行过程中不确定活动的路径选择问题。因此,本文利用对象 Petri网(Object Petri-Net,OPN)建模方法,构建了军事信息服务组合的基本结构,对其数学算子的组合性质进行了分析,并采用了国防科大C4ISR技术国防科技重点实验室开发的对象 Petri网建模仿真环境OPMSE[8],构建了相应的军事信息服务组合实例,进行了简要分析。

1 对象 Petri网概述

Petri网是一种适合于描述和分析离散事件动态系统尤其是并行系统的模型工具。下面给出 Petri网和对象 Petri网的定义。

定义 1.1:若四元组N=(P,T,F,M0),满足下述条件,则称其为 Petri网:

4)M0:p→ (0,1,2,… )是初始标记。

其中 P是位置(Place)的集合,T是转移(Transition)的集合,F称为流关系。

传统Petri网中的位置、转移和 Token所携带的信息量不够丰富,缺乏语义描述功能,且Petri网不涉及时间因素,仅能反映出事件间的因果关系。为了适应军事信息服务组合的特点和建模仿真的需要,国防科大 C4ISR技术国防科技重点实验室从网的结构、建模元素、执行规则等几个方面对基本 Petri网进行了扩展,提出了对象 Petri网的概念,并在此基础上设计了模型描述语言OPDL。具体的扩展是:

把 Petri网和面向对象的思想方法结合起来,引进对象的概念和机制。对象作为建模的基本模块,也是模型重用的基本单位,事实上就是封装起来的一张子网。对象间通过接口实现交互,而它们的内部结构用扩展的 Petri网进行描述。

定义1.2对象Petri网是一个八元组N,N=(P,T,SubOBJ,IP,OP,F,M 0,C),其中:

1)P是位置的集合,可以对位置的属性信息进行设置,以和令牌的属性相对应。

2)T是转移的集合,此处转移可以分为两类,一类是一般意义上的转移;另一类是开关,此种转移可以通过设置脚本函数控制流程的执行顺序。

3)SubOBJ是子对象的集合,可以代表另一个具体的对象 Petri网模型。

4)IP是对象输入端口的集合,OP是对象输出端口的集合。输入、输出端口各分为两类,分别称为内部输入端口 IIP、外部输入端口OIP、内部输出端口IOP、外部输出端口OOP。对象通过IIP和IOP与其子对象交互,通过OIP和OOP与外部调用者或仿真环境交互。

2 基于对象 Petri网(OPN)的军事信息服务组合模型

2.1 军事信息服务的描述

军事信息服务作为一类特殊的 Web服务,能够通过标准的网络协议以及接口实现不同应用间的交互,并且可以利用自身提供的功能实现输入信息至输出信息的转换。因此,本文结合军事信息服务与对象 Petri网的特点,将军事信息服务定义为一个带输入输出信息的对象 Petri网模型,利用对象 Petri网的输入输出位置来描述军事信息服务的接口信息,利用转移来描述服务内部的各种逻辑操作。

定义 2.1:军事信息服务 OPN的形式化描述M IS=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中

1)P是位置的集合,表示与军事信息服务操作(转移)相关联的接口信息;

2)T是转移的集合,此处转移可以分为两类,一类是基本转移,表示服务内部的各种操作,通过这些操作可以将服务的输入信息加工为输出信息;另一类是辅助转移,这类转移并无实际的物理意义,可以进一步区分为开关和空转移;

3)F是控制函数的集合,每个控制函数都和一个转移相关联,控制函数的主要目的是用来控制转移的执行条件,通过转移控制函数的设置能增强转移执行的可控性和灵活性,更好地模拟操作的执行情况;

4)IP是服务输入端口的集合,OP是服务输出端口的集合。输入、输出端口各分为两类,分别称为内部输入端口IIP、外部输入端口OIP、内部输出端口IOP、外部输出端口OOP。对象通过IIP和IOP与其子服务对象交互,通过O IP和OOP与外部服务调用者或仿真环境交互;

5)SubOBJ是子服务对象的集合,该元素抽象表示了另一个由位置、转移以及控制函数等元素构成的子服务;

6)M0表示军事信息服务描述模型的初始资源标识,描述了每个位置所拥有的初始资源的个数,即M 0:(P∪ IP∪ OP)→ (0,1,2,… )。

由定义 2.1,可以得出以下推论:

推论 2.1:如果 SubOBJ=∅,那么 M IS为不可分的原子军事信息服务,否则M IS为组合军事信息服务。

推论2.2:如果P∪ T=∅,那么该军事信息服务表示空服务,为了军事信息服务描述模型的需要,空服务可以作为一种用于服务连接的辅助元素,可以用空转移来表示。

推论 2.4:若 Smis∈ SubOBJ(M IS),则 O IP(Sm is)=IP(Sm is),即若某军事信息服务作为另一个军事信息服务的子服务,那么该服务的外部输入端口与其输入端口是一致的;同理,若 Smis∈SubOBJ(M IS),则 OOP(Sm is)=OP(Smis)。

推论 2.5:若 SubOBJ=∅,那么 IIP(M IS)=∅,且IOP(M IS)=∅,该推论表示若某军事信息服务为不可分的原子军事信息服务,那么该服务内部输入端口与内部输出端口都是空集。

推论2.6:若SubOBJ=∅,那么IIP(M IS)=IP(M IS),且 IOP(M IS)=OP(M IS),该推论表示若某军事信息服务为不可分的原子军事信息服务,那么该服务外部输入 (输出)端口与输入(输出 )端口是相同的。

图 1 基本军事信息服务示例

推论2.7:若|T|=1,表示该军事信息服务内部只有一个独立的操作,称此种类型的军事信息服务为基本军事信息服务。图1所示的便是一个最简单的基本军事信息服务。

2.2 军事信息服务组合的基本结构

军事信息服务组合模型由原子军事信息服务与控制结构两部分构成。根据工作流控制模式的相关研究成果以及文献[10-12]的相关描述,并结合军事信息服务组合的具体需求,本文构建了如下 7种基本的军事信息服务组合结构,并运用对象 Petri网模型对这7种基本结构进行了描述。下面以两个基本军事信息服务的组合为例进行说明。

1)顺序结构 (Sequence)

图2描述了军事信息服务 M IS1和M IS2顺序执行的组合模型结构。该组合结构的数学表示为M IS=M IS1⊕M IS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中⊕为组合服务的顺序运算符,M IS1=(P1, T1, F1, IP1, OP1, SubOBJ1, M1),M IS2=(P2,T2,F2,IP2,OP2,SubOBJ2,M2),以下类同。则有:

图 2 军事信息服务的顺序执行结构

图 3 军事信息服务的并发执行结构

2)并发结构 (And Sp lit)

该结构表示了组合模型中的各个军事信息服务应该并行执行,图 3描述了军事信息服务 M IS1和M IS2并发执行的组合模型结构。该组合结构的数学表示为 M IS=M IS1‖ M IS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M 0),其中‖为组合服务的并发运算符,则有:

3)并发汇聚(And Join)

该结构表示了组合模型中的各个军事信息服务必须都执行后,后续的军事信息服务才能开始执行,图 4描述了军事信息服务M IS1和M IS2并发汇聚的组合模型结构。该组合结构的数学表示为MIS=M IS1ΘM IS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中Θ为组合服务的并发汇聚运算符,则有:

图4 军事信息服务的并发汇聚结构

4)选择结构(XOR Sp lit)

该结构表示了组成该模型结构的各个军事信息服务可以根据开关条件的设置,灵活的选择后续一个或多个军事信息服务来执行。图 5描述了军事信息服务M IS1和M IS2选择执行的组合模型结构。该组合结构的数学表示为M IS=M IS1◦ MIS2=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中◦为组合服务的选择执行运算符,则有:

图 5 军事信息服务的选择执行结构

5)选择汇聚 (XOR Split)

该结构表示了该组合模型将多个子军事信息服务流程汇聚成一个单一的军事信息服务,只要这多个子服务流程中任意一个服务流程执行完毕后,那么后续的军事信息服务便可执行。图 6描述了军事信息服务M IS1和M IS2选择汇聚的组合模型结构。该组合结构的数学表示为M IS=(M IS1⊗MIS2)=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中⊗为组合服务的选择汇聚运算符,则有:

图 6 军事信息服务的选择汇聚结构

图 7 军事信息服务的循环组合结构

6)循环结构 (Iteration)

该结构表示了该模型结构的军事信息服务需要反复执行多次,具体的执行次数可以根据实际的执行情况来判读,通过开关的控制函数进行设置。图 7描述了军事信息服务M IS1循环执行的组合模型结构。该组合结构的数学表示为M IS=k M IS1(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M0),其中k为组合服务的循环执行运算符,则有:

该结构的主要思想是运用子对象来替代军事信息服务组合中的子服务,以实现层次化建模的思想。图 8展示了服务对象 SubMIS1替代军事信息服务M IS1的示意图。该组合结构的数学表示为M IS=nM IS1=(P,T,F,IP,OP,SubOBJ,M 0),其中 n 为组合服务的嵌套结构运算符,表示在军事信息服务组合模型结构中使用子服务对象来代替军事信息服务M IS1,设替代之前的军事信息服务M IS′=(P′,T′,F′,IP′,OP′,SubOBJ′,M′0),则有:

在这几种基本组合结构的基础上,便可实现各种复杂组合模型的构建。如组合服务(M IS1⊗…⊗M ISn)⊕ M IS,其 对 象Petri网的图形化表示如图 9所示。该组合服务表示先在原子服务集合中的选择某个军事信息服务M ISi(i∈ 1,2,… ,n)先执行,然后再执行军事信息服务M IS。其中原子军事信息服务的选择标准可以根据服务的执行时间、服务的可靠性以及服务的执行代价等条件来灵活设定。

图 8 军事信息服务的循环组合结构

图 9 组合服务(M IS1⊗…⊗M ISn)⊕M IS示意图

3 基于对象 Petri网(OPN)的军事信息服务组合应用实例

3.1 背景案例分析

为了更好地阐述基于OPN的军事信息服务组合模型的构建过程,此处以某防空反导指挥系统为例,采用对象 Petri网的方法来构建相应的军事信息服务组合模型。由于防空反导系统具体的流程较为复杂,在构建应用案例时,仅以制定拦截方案之前的流程为例进行说明。其简化流程描述如下:①接收预警雷达或预警卫星传来的来袭目标信息,启动反导系统作战流程;②根据目标特征信号,进行信息预处理,判断是真实的导弹目标,还是假目标(气球诱饵、自由飞行段突防装备等),若是假目标则放弃;③若是真实导弹目标,则要进一步判断是中高空来袭导弹或是低空来袭导弹,分别启动相应的目标跟踪处理服务(以识别导弹的运行轨迹、落地时间等信息),同时还要获取我方武器装备的信息(包括战区防御阵地的部署情况和拦截武器的特性等)以及从气象部门获取当地气象条件的信息;④对所获取的信息进行融合处理;⑤根据这些信息进行指挥决策,制定拦截方案。该流程可以用图10来表示。

3.2 实例分析

根据上述应用案例可知,在该系统的执行流程中共涉及预警卫星探测服务(M IS1)、预警雷达探测服务(M IS2)、目标预处理服务(M IS3)、目标类型区分服务(M IS4)、我军信息上报服务(M IS5)、气象信息服务(M IS6)、中高空目标跟踪服务(M IS7)、低空目标跟踪服务(M IS8)、信息融合处理服务(M IS9)和决策方案制定服务(M IS10)等军事信息服务。由系统执行流程可知,M IS1与M IS2,MIS5与 M IS6是并行执行的,而M IS7与M IS8则是选择执行的,M IS9与 M IS10则是顺序执行的。采用国防科大OPMSE对象 Petri网建模仿真环境,依据上述系统执行的流程,可以绘制出如图 11所示的军事信息服务组合模型:

图11 反导作战系统的军事信息服务组合模型

在该组合模型中,对开关S0和 S1还分别设置了相应的控制函数,主要是用于对组合模型的执行路径进行控制,其中 S0主要是根据目标的类型(真假目标)来选择路径,而 S1主要是根据目标的属性(中高空目标或低空目标)来选择路径,路径的选择过程主要通过开关控制函数F来进行控制。

在对象 Petri网建模仿真环境(OPMSE)的支持下,还可以进一步模拟组合服务的具体调用执行过程,从而清晰地表达组合服务的组成逻辑,并通过分析对象、位置、转移等元素携带属性信息或设置动作函数,可实现丰富的语义功能。在对象 Petri网仿真运行器OPDL-Runner的支持下,还可实现仿真模型的连续或单步运行,并输出事件控制脚本函数、仿真报告结果等,可以对组合服务的执行时间、可靠性、稳定性等关键属性进行分析,为服务组合的优化选择提供了支持,并能对流程结构的合理性和正确性进行验证,从而可以实现在仿真阶段就发现制约效能的瓶颈,从而有针对性的加以解决,减少服务组合实际部署才发现问题引起的巨大成本消耗。

4 结 论

军事信息服务组合是充分发挥和扩展军事信息服务功能的一个重要研究方向。本文在普通Petri网服务组合模型的基础上,提出了利用对象 Petri网建立军事信息服务组合模型的方法,构建了 7种基本的服务组合结构,对服务组合数学算子的性质进行了分析,并在此基础上,运用具体的应用案例对基于OPN的军事信息服务组合方法进行了分析与验证,为改善和优化军事信息服务组合模型结构提供了支持。下一步工作是研究如何实现军事信息服务的动态自动化组合。

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Research on Construction Method of M ilitary Information Service Com position M odel Base on Ob ject PetriNet

SHU Zhen,HUANGFU Xian-peng,LUO Xue-shan
(C4 ISR Technology N ationa l Defense Scienceand Technology Key Lab,Nationa l University o f Defense Technology,Changsha 410073,China)

This paper defines the concept ofmilitary information service,brings forward formalization descriptionmethod of military information service com position model based on object Petri-net,constrcts the basic composition structure o f military information service com position model.Aim ing at a concrete case of aerial defence and antimissile information system,making use of object Petri-net modeling and simulation environment of national university of defense technology,we construct m ilitary information service com position model and analyze the constructed model.The practice indicates that this modeling approach can meet the need of the military information service com position and has well capability in exp ressing and analyzing themilitary information service composition.

military information service,object petri net,service compositon,model

TP393

A

1002-0640(2012)03-0194-06

2011-03-01

2011-05-07

国防预研重点基金;“十一五”武器装备预研基金资助项目

舒 振 (1977- ),男,江西上饶人,博士生,研究方向:指挥控制系统总体技术,服务计算、需求工程等。