服务化舰载指控系统中服务的匹配与组合*

余戌曈 吴 玲 卢发兴

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



服务化舰载指控系统中服务的匹配与组合*

余戌曈 吴 玲 卢发兴

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

服务的检索匹配和组合优化是服务化指控系统中服务组织的关键技术。从服务种类与服务粒度两方面进行服务的划分建模,结合指控系统的特点分析了现有服务检索匹配的主要技术与服务组合优化的模式;提出采用刻面与属性值相结合的方法实现服务化指控系统的服务检索匹配,并采用半固定组合模式分成组合策划与优化选择两个阶段实现服务组合优化,从而提供了服务化指控系统实现的一种可行途径。

服务化; 舰载指控系统; 服务匹配; 服务组合

Class Number TP393

1 引言

随着新的作战思想、概念和技术的发展,未来海战强调作战单元间的广泛、深入和高效的协同作战能力,服务化指控系统正在逐渐改变指挥控制的实现方式,它打破传统的指挥控制层次结构,建立以网络为中心的开放、灵活的指挥控制体系。服务化指挥控制系统将指挥控制流程中的各个功能映射为服务,功能执行单元映射为服务提供者;通过建立可用服务集合,并针对具体任务通过服务的检索、匹配、组合与优化,将多个可能位于不同平台的指控业务服务提供单元进行跨平台动态灵活组合,最终形成完整的任务执行流程,从而使服务化的指挥控制具有面向任务的灵活性和资源的高度利用等特点。

目前,面向服务技术在指挥控制系统的研究主要体现在体系结构框架[1～4],系统构造集成[5～6]和底层实现技术[7～8]等方面,对系统应用层中服务组织的研究较少。文献[9]阐明了对服务的组织过程,但未具体阐述其实现技术。本文围绕舰艇服务化指挥控制系统的特点,对舰载指控系统服务的划分建模、指控业务服务检索匹配和组合优化的主要技术进行研究。

2 舰载指控系统服务划分建模

舰载指控系统由多个异构的分系统组成,如传感器系统、辅助决策系统、武器控制系统。各个分系统可提供相应功能,承担相应任务。实现服务化指控系统的首要任务是将各个功能进行封装,形成服务集合。服务划分建模的有效性制约着系统运行的效率,其中关键是对服务的种类和粒度的划分。

· 服务种类:舰载指控系统提供了如包含舰艇作战的作战服务和包含一般信息系统的通用服务等。这些服务的通用性大不相同,对网络环境和实时性的要求差异也较大。将各服务进行归类,那些私有性较强的服务应定为专属服务,那些被频繁调用且支持其他服务运行的服务应定为通用服务。

如图1所示,舰载指控系统的服务可分为四大类:支撑服务、过程管理服务、指控基础服务和指控业务服务。支撑服务类是为系统运行提供支持的基础服务。过程管理服务类是对各服务全生命周期进行监控,保证所有服务有序高效的调用。指控基础服务类是为舰艇指挥与控制提供相关基础保障服务。指控业务服务类是为完成舰艇作战使命提供作战应用业务功能的服务,也是最为重要的一类服务。

图1 指控系统服务分类

· 服务粒度:服务粒度的设定是影响服务化指控系统运行的性能的重要因素。服务粒度的设置可大可小,理论上大粒度的服务划分,对系统的实现较为容易,但服务内部的功能仍是紧耦合,运作不够灵活;小粒度的服务划分提高了服务的通用性和复用性,但会造成大型系统的服务数量成指数式增长。因此服务的粒度设定须合适,既能满足系统随需应变、柔性重组的要求,又能满足指控系统的对系统反应时间和网络时延要求。

3 指控业务服务检索匹配

拥有大量指控业务服务的作战网络必须以一种易于分类管理而又方便检索的机制来管理服务。服务匹配是系统根据用户提交的服务请求,在大量备选服务中准确迅速地筛选出满足需求的服务。服务检索匹配方法大致分为基于关键字匹配[10～12]、基于属性值匹配[13]、基于刻面分类匹配[14～17]、基于本体语义匹配[18～21]等。

· 基于关键词的服务匹配:利用若干关键词来揭示服务的语义。服务的匹配就转化为一个或多个关键词组成服务描述与服务请求之间的匹配。该匹配方法的优点是提取算法简单、快捷、实现相对容易,缺点是不能有效表达关键字间的语义信息,导致匹配效率有限。

· 基于属性值的服务匹配:将服务描述分成几个属性,每个属性在描述服务时被赋予具体的关键词或特定的属性值,服务的匹配是对各个服务描述的属性进行匹配,从而提高匹配能力,但仍然有局限性。

· 基于刻面分类的服务匹配:服务描述由一组描述服务本质特征的刻面(facet)所组成。每个刻面从不同的视角对服务进行精确的分类。每个刻面具有一组术语(关键词),术语之间具有一般特殊关系而形成结构化的术语空间,术语仅限在给定的刻面之中取值。刻面匹配从若干不同的维度对复杂对象的描述进行匹配,具有属性值匹配和关键词匹配方法的优点。

· 基于本体语义的服务匹配:引入本体的概念,定义了一套通用的属性来描述服务的非功能性特征和功能性特征,为服务的整体描述提供了一个粗略的框架结构,在语义和知识层次上进行匹配。然而不足的是,高度概括性和一般性使得服务的很多属性类型都没有具体定义,很难对两个服务描述进行比较,其本体描述和逻辑推理较为复杂,造成了匹配效率低下。

目前在服务匹配的研究应用领域使用最多的是基于本体的语义Web服务发现与匹配技术,原因在于Web服务数量极其庞大,且各个厂商按照各自需求进行开发导致Web服务种类繁多,因此基于本体语义的服务发现匹配技术能使用户很好地理解服务的信息。但指控业务服务由于其特殊性,在总量、种类上与Web服务相比都小得多,但其主要特点是要求用户必须精确快速地发现匹配所需服务,因此基于本体语义的服务描述过于复杂,不适合在指控业务服务中应用。指控业务服务的检索匹配可以采用刻面方法与属性值方法相结合。

刻面是根据用户在检索匹配服务时感兴趣的服务分类属性来确定,略去次要信息,提高匹配效率。另外各个刻面的术语空间是一个有限不定集合,即一个服务的加入,描述它的术语应选择术语空间中已有的术语或是添加新的术语来扩展术语空间,实现了服务的精确匹配。另外,服务的刻面与术语在随着更多新的指控业务服务的加入而不断完善,舰载指控业务服务可简单的刻面分类成如图2所示。

图2 舰载指控业务服务刻面分类

属性值的匹配是将指控业务服务相关战技术性能参数进行匹配,是对刻面匹配的补充,是指控业务服务在类别上匹配成功的基础上,在性能参数上匹配成功。

指控业务服务检索匹配采用上述方法,有三个基本问题需要解决: 1) 服务描述刻面的选取; 2) 服务刻面下术语的选取; 3) 服务的属性参数选取。解决了上述三个问题,则经过服务检索匹配得到的服务集合即是可以满足用户需求的服务集合。

4 指控业务服务组合优化

作战需求通常复杂多变,单个指控业务服务是无法满足作战需求的,只有组合多个指控业务服务共同协作,才能完成特定的作战任务。这种组合的结果往往表现为一个自动执行的处理流程,需要去协调一个流程中服务调用的顺序、对服务之间的数据流进行管理等,并且需要提供有效性、可靠性和可持续性的支持。

服务组合优化机制可分探测性组合(Explorative Composition)、半固定组合(Semi-fixed Composition)和固定组合(Fixed Composition)三类[22～23]。在探测性组合中,服务组合的计划是服务中介根据用户需求动态生成的。用户首先提交对所需服务的要求,服务中介根据当前需求信息实时进行服务组合优化。该类型的服务组合的特点是服务组合即时构造,系统灵活性更高,但需要动态构筑组合服务和绑定服务,运算规模与复杂度明显提高。半固定组合中,代表组合服务结构的组合定义是固定的,只是具体的服务绑定在运行阶段完成。系统根据用户的需求从已有模板库中选择某个模板或某些模版来组合服务,虽然系统受限于模板库的规模,但运算量大大减少。在固定组合中,组合定义中组合服务的结构以及具体服务都是固定,该类型组合实现较简单,但灵活性不够。

由于服务化指控系统强实时性的特点,服务组合优化更多的应采用半固定组合方式。半固定组合方式将服务组合优化流程分成组合策划和优化选择两个阶段[24]。

指控业务服务的组合策划阶段一般是战前由设计人员在设计时完成。设计人员根据武器装备运用流程和交互协议,制定可行的服务组合策略方案,建立组合方案库,一般步骤[25]是:

1)一个满足作战需求的服务,其输入数据用户无法满足,则该服务为目标服务。然后去发现一个或多个中间服务,使得该中间服务的输出数据与目标服务的输入数据相匹配。

2)如果对于找到的中间服务仍存在无法满足的输入,则以该中间服务为目标服务,继续查找与输出数据之相匹配的中间服务。

3)不断重复上述步骤,直到找到一组中间服务,这组服务中的所有输入数据用户都可满足。

完成组合策划阶段后,会产生能完成相同作战任务的服务往往有多种服务组合方式的情况,这就要求在战时根据当前条件,选择出优化的服务组合,即优化选择阶段。

抽象服务表示一类具体服务,动态服务组合中,组合方案生成阶段仅仅生成一套“抽象服务”的执行序列,只有到组合方案执行阶段,合适的“具体服务”才会绑定上去[26],如图3所示。

图3 服务的优化选择

指控业务服务QoS度量可分为战术指标与技术指标,以对空作战为例,战术指标可为毁伤效能、完成时间、资源消耗量等,技术指标可为服务网络延迟、带宽、响应时间等。

根据子服务的实时性能参数对所合成的服务进行优化,因此服务优化选择就转化为以QoS度量为目标函数的组合最优化问题。该类问题的解决可用传统经典算法与现代智能算法两类算法。传统经典算法中可采用启发式算法来获得满意解,具有算法复杂性低、求解速度快的优点,而智能算法可采用模拟退火算法[27～28]、蚁群算法[29～30]、遗传算法[31～32]、禁忌算法[33]、粒子群算法[34～35]等,以获得问题的最优解。

5 结语

服务化指控系统是未来指控系统的发展趋势,是实现编队指控一体化的必经之路。目前服务化指控系统的研究尚处探索阶段,仍有许多观点和技术尚未成熟。指控业务的组织调用是服务化指控系统的关键性问题,本文仅对服务化指控系统中服务在划分建模、检索匹配、组合优化的主要技术进行了简要分析,下一步还将深入研究各相关技术的具体实现。

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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,硕士研究生,研究方向:舰载作战指挥系统服务化。吴玲,女,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:舰载作战指挥辅助决策。卢发兴,男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:舰载火力控制。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.007