基于SOA和MDA的指挥信息系统构建新方法＊

王 晓 聂 凯

（91550部队 大连 116023）

1 引言

指挥信息系统是将指挥控制、情报侦察、预警探测、通信和电子战等多系统进行分层、组合而形成的一体化军事信息系统。它是一个系统的系统，各个子系统都相当复杂，各自有自己的用户接口、数据库，甚至运行于不同的平台［1］。信息化战争的迅速发展对指挥信息系统提出了更高的要求，各子信息系统之间的信息交换和信息融合越来越频繁，系统必须能快速地进行柔性重构，以适应战场情况和部队编成的迅速变化。所有这些要求指挥信息系统必须是支持分布性、移动性、交互性以及自适应的分布式系统。利用面向服务架构（Service－O－riented Architecture，SOA），对组织内分布、异构的应用和数据资源进行有效地封装和集成，利用服务组合快速构建跨组织的复杂应用，以适应环境和业务流程的变化，成为近年来分布式计算技术的主流趋势［2］。美军很早就大力发展面向网络中心战的GIG，实现作战信息共享和一体化指挥控制，开发了面向服务的以NCES（Net－Centric Enterprise Services）和SoSCOE（System of Systems Common Operating Environment）为代表的基础信息系统，同时美军还采用SOA构建作战应用系统，如NECC（Net－Enabled Command Capability，网络使能指挥能力系统），在新发布的美国国防部体系结构框架DoDAF2.0中也增加了服务视图［3］。国内文献［3～8］也开展了面向服务的指挥信息系统相关研究，取得了很大的进步。

同时模型驱动架构（Model Driven Architecture，MDA）［9］通过定义模型和模型转换实现软件开发层次的提升，在信息系统开发领域尤其是军事信息系统开发方面获得了广泛的应用。很多研究将SOA和MDA相结合，综合发挥二者的优势构建适合信息化战争的指挥信息系统［10］。

针对以上问题，基于SOA定义军事信息服务，然后设计指挥信息系统的集成框架，接着给出基于SOA的系统迭代式生命周期，并阐述模型驱动开发过程与服务组合的对应关系，最后总结新构建方法的特点。

2 SOA、MDA和军事信息服务

2.1 SOA

SOA是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。SOA中包括三种角色：服务请求者、服务注册者和服务提供者。SOA使用 WSDL（Web service description language）来描述服务，使用 UDDI（universal description，discovery，integration）来发布、查找服务，而SOAP（simple object access protocol）被用来执行服务调用。Web服务是SOA的实现技术之一。SOA的特点在于具有松耦合、抽象、可重用、组件化、独立于平台和协议等特性。基于SOA的指挥信息系统集成就是以服务驱动为核心理念，按需连接系统资源，实现服务的快速组合和重用，达到系统综合集成的目的。

2.2 MDA

模型驱动架构MDA是一种对业务逻辑建立抽象模型，然后由抽象模型自动产生最终完备的应用程序的方法。MDA致力于提高软件开发行为的抽象级别，倡导将业务逻辑定义为精确的高层抽象模型，让开发人员从繁琐、重复的低级劳动中解脱出来。模型驱动式软件开发（model driven development，MDD）就是对实际问题进行建模，并转换、精化模型，直至生成可执行代码的过程。对象管理组织（object management group，OMG）选择将统一建模语言UML作为标准建模语言，并将其作为模型驱动架构MDA的支持平台。MDA的基本思想是：一切都是模型。软件的生命周期就是以模型为载体并由模型转换来驱动的过程。MDA中定义了CIM（计算无关模型）、PIM（平台无关模型）和PSM（平台相关模型），同时定义了从PIM到PSM等的模型转换方法。

2.3 军事信息服务

Web服务作为新兴的Web应用模式，是一个崭新的分布式计算模型。它有松耦合、强自治以及跨平台调用等特点。Web服务的推出是为了实现“Web的无缝集成”目标，试图打破在当今开放式网络环境下网站、应用、各种计算设备之间难以调和的状态。Web服务和SOA相结合成为近来分布式系统应用的研究热点。

军事信息服务与Web服务既有区别又有联系，它们都强调服务的可重用、松耦合及可跨平台调用等特点，但由于军事应用的特殊性，军事信息服务还有安全可靠、实时高效、受服务拥有者和服务中心双重管理等属性。因此军事信息服务被定义为：军事信息服务［5］（Military Information Service，MIS）是指由分布在一体化战场信息平台上的各类军事信息资源（如各种侦察、探测设备、信息处理资源、通信资源、存储资源、火力打击武器等）以及各种军事信息系统构成的，遵守Web服务或实时服务的技术规范，以独立于平台的方式描述和封装的，具有独立行为逻辑和军事应用能力的功能单元。

3 基于军事信息服务的指挥信息系统集成框架

面向服务的指挥信息系统是以分布在一体化战场信息平台上的各种军事信息服务为基础，依据作战任务的需要，将所需的各种军事信息服务进行组合，并通过松耦合的方式实现服务间的互相调用和组合，从而得到互联互通互操作的一体化指挥信息系统。采用分层模式设计了系统的集成框架，如图1所示。

根据服务的用途和粒度，将集成框架分为物理资源层、数据层、支撑服务层和应用层。数据层主要包括通信协议、消息格式、数据类型、网络架构和各种数据库等。通信协议、消息格式、数据类型等是接口规范，用户遵照接口规范，就可以在不必获知服务内部实现机制的情况下使用军事信息服务。服务总线的主要作用是将信息系统的所有参与者相互连接在一起，提供应用服务的实现机制。架构模式采用P2P模式，服务提供者和服务消费者是完全平等的，一个客户端不再局限于一个特定的服务器，克服了C／S模式的脆弱性。

图1 面向服务的指挥信息系统集成框架

支撑服务层包括存储管理服务、信息分发服务、服务管理、人机交互服务、资源共享服务和信息安全服务等。其中信息分发服务采用SOA的订阅／发布模式（Publish／Subscribe）而不是请求／响应模式来实现客户／服务器之间的信息交互，可以提高系统的实时性；服务管理包括与服务生命周期过程相关的各种服务，如封装服务、注册服务、发现服务、监控服务、选择服务和组合服务等，其中监控服务用于对候选服务的QoS数据进行实时采集和监控，为选择服务提供数据和支持；人机交互服务主要是各种显示资源的管理、数据的输入输出和操作等，显示资源包括表页、图像和视频等。面向作战应用需求，基于实际作战流程，经过服务的封装、注册、发现、选择和组合后，构建一个新的复合军事信息服务，为军事信息服务的应用打下基础。

应用层包括态势生成服务、作战计划服务、作战指挥服务、作战评估服务、仿真与推演服务、通信保障服务、导航定位服务、文电服务、时间统一服务和维修保障服务等。这些军事信息服务通过相互调用、交互、选择和组合，实现军事信息资源的实时、安全、无缝共享，从而支持完成各种作战任务。

4 基于SOA的系统迭代式生命周期

基于图1中的指挥信息系统集成框架就可以开展系统的构建与开发，指挥信息系统构建是一个以完成作战任务为中心，以各种作战流程为主线，基于SOA和MDA的迭代式开发过程。

将系统的构建划分为几个阶段，可以使复杂系统的设计与开发变得易于控制和管理。因此，从SOA的角度看，指挥信息系统的构建主要有五个阶段：系统需求分析与建模、军事信息服务设计、服务部署与系统测试、军事信息服务监控与QoS测量和军事信息服务进化与替换，具体如图2所示。现代战争十分激烈，随时都有装备及相关服务的加入、失效和退出，因此这个过程是重复迭代的。

图2 面向服务的指挥信息系统构建过程

系统需求分析与建模：这一阶段完成系统和作战需求的收集和分析工作，设计和优化基于军事信息服务及其组合的作战流程。该步骤主要基于多元本体系统和元模型进行建模来增强模型的语义能力和可复用性，进而完成领域建模工作。最终得到的领域模型也称计算无关模型CIM。

军事信息服务设计：该阶段分为两部分，对于遗留系统，通过切分和封装的方式进行服务识别，对于新的业务需求，则需要进行服务开发。在服务组合阶段，主要是依据作战流程和PIM，基于已有的服务集合和系统集成方案，发现服务、组合服务和选择优化服务等。通常可以通过复用已有军事信息服务来实现PIM中的模型和功能；当服务或模型不存在时，可以开发一个新的服务来满足需求，测试该服务的性能并添加到系统中。

服务部署与系统测试：在军事信息服务设计完成后，可以将军事信息服务和支撑的作战流程部署到指挥信息系统计算环境中，同时将新设计或产生的军事信息服务配置到系统中，并对系统环境进行测试和优化。

军事信息服务监控与QoS测量：该阶段主要完成对各种军事信息服务资源的管理和监控，并实时监测军事信息服务的各种QoS参数。利用QoS测量结果为基于QoS的服务选择优化提供支撑。

军事信息服务进化与替换：随着系统的运行和战场位置的变化，指挥信息系统的运行环境和作战环境可能已经改变，这时需要对军事信息服务进行升级和变更。当有服务失效时，需要进行服务替换。总之，整个基于SOA的系统构建是一个迭代上升的过程。

5 模型驱动开发过程与系统生成

模型驱动的指挥信息系统开发过程从CIM开始，通过多元本体系统对需求模型进行建模得到CIM，可以增强CIM的语义能力和可复用性。接着是CIM到PIM的模型转换，这一步通常把多元本体定义的模型映射到UML描述的PIM。PIM独立于技术平台和语言，由UML及其扩展形式的元模型来描述，它能丰富UML的表达能力。接下来是PIM到PSM的模型转换，通常情况下PIM可以基于不同的开发环境转换成多个不同的PSM，如基于BPEL、基于OWL－S等，这里我们转换成基于OWL描述的PSM，采用本体实现自动推理。最终将PSM转换成可执行代码。从CIM到PIM的转换比较容易实现，PSM到代码的转换也有专门的格式，而现在提出的PIM到PSM的转换方法在面对大量的军事信息服务时存在很多问题，因此需要研究从PIM到PSM的模型转换方法。整个模型驱动开发过程与服务组合的对应关系如图3所示。

图3 模型驱动开发过程与服务组合对应关系图

采用MDA开发基于SOA的指挥信息系统的突出优点是在需求或环境改变时，系统设计与开发人员能够更新模型间的转换规则和再次执行模型转换得到满足需求的新系统，而不需要去特意改变或对CIM和PIM重新建模，因为这些模型都是经由模型转换得到的。MDA通过这种方式应对系统需求和运行环境的变化。

总之，模型驱动的开发注重各种模型的抽象与转换、代码与系统的自动生成，而SOA强调军事信息服务的建模和服务组合。和经典构建方法相比，基于SOA和MDA的指挥信息系统构建方法具有以下特点：

1）支持全过程的服务复用。结合指挥信息系统的具体领域，基于SOA的系统需求分析与作战流程设计，能够实现各种粒度资源和服务的重用。将服务作为中间件标准，采用服务组合和复用对系统进行集成设计和构建，动态服务组合成为构建指挥信息系统的流行方法；

2）以作战流程为核心，采用SOA和P2P对系统的体系结构框架进行设计，可以适应系统需求与环境的动态变化和复杂军用通信环境下服务的异构性；

3）基于MDA和模型转换实现系统的开发和自动生成。模型作为系统开发的核心概念并在整个过程中被有效保持，能克服实现技术平台多样化、转换规则复杂等问题；

4）系统的设计处处考虑到了的可扩展性和可靠性原则，如物理视角采用P2P模式和多服务注册中心，模型转换采用自动转换方法，自动服务组合方法是动态的和使用QoS动态变化的服务选择优化算法。

6 结语

综合利用SOA和MDA的优点，提出了一种新的指挥信息系统构建方法。它在SOA和Web服务的基础上引入了军事信息服务的定义，接着设计了以服务组合为中心的系统集成框架，给出了系统迭代式生命周期过程，阐述了模型驱动开发过程与服务组合的对应关系，通过对新构建方法的总结分析，可以看出该方法构建的系统不仅能快速地进行柔性重构，以适应战场情况和部队编成的迅速变化，还能通过服务封装，促进异构系统集成。同时MDA还能提升系统设计与开发的层次，提高系统开发效率和效益。下一步是与某型指挥信息系统相结合，给出具体的构建过程和系统。

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