基于IDEAS的联合论证元模型

2015-06-19谭贤四毕红葵

系统工程与电子技术 2015年1期

关键词：体系结构数据模型本体

谭贤四，朱刚，王红，毕红葵，高婷

（1．空军预警学院陆基预警监视装备系，湖北武汉430019；2．空军预警学院研管大队，湖北武汉430019；3．空军预警学院科研部，湖北武汉430019）

基于IDEAS的联合论证元模型

谭贤四1，朱刚2，王红1，毕红葵1，高婷3

（1．空军预警学院陆基预警监视装备系，湖北武汉430019；2．空军预警学院研管大队，湖北武汉430019；3．空军预警学院科研部，湖北武汉430019）

为统一描述联合论证模式中体系结构数据，基于《国际国防企业体系结构规范》（international defense enterprise architecture specification，IDEAS）提出了联合论证元模型（joint demonstration meta-model，JDM2）。首先，介绍了业务对象参考本体（business object reference ontology，BORO）、IDEAS和国防部元模型（department of defense meta-model，DM2），从设计机理方面剖析了DM2不适用于描述联合论证内容的根本原因以及DM2概念数据模型（conceptual data model，CDM）、逻辑数据模型（logical data model，LDM）和物理交换规范（physical exchange schema，PES）3层结构的优点；然后，借鉴本体理论和DM2设计思想基于联合论证空间提出了JDM2中的概念数据模型；在概念数据模型基础上基于IDEAS规范构建了JDM2中的逻辑数据模型。最后通过实例说明了JDM2的可行性。

联合论证元模型；国防部元模型；国际国防企业体系结构规范；本体

0 引言

在军事信息化过程中，美国逐渐发现认知不确定性是引起C4ISR复杂性的主要原因之一。为消除C4ISR认知不确定性，美国国防部用“以产品为中心”的思想和多视图建模方法设计了《C4ISR体系结构框架》，通过提供体系结构视图模型和核心体系结构数据模型（core architecture data model，CADM）解决了这一问题。然而，视图模型向数据模型的转换过程中仍然存在着语义多重性等问题，即系统层面的“认知不确定性”，这导致了C4ISR系统难以实现互联互通互操作。为解决上述问题并促进国防部各部门间数据共享，美国国防部用“以数据为中心”的思想设计了《美国国防部体系结构框架2．0》（department of defense architecture farmework version 2．0，DoDAF2．0），并用国防部元模型（department of defense meta-model，DM2）代替了CADM［14］。DM2采用概念数据模型（conceptual data model，CDM）、逻辑数据模型（logical data model，LDM）和物理交换规范（physical exchange schema，PES）3层结构，和体系结构视图模型一起以严密的逻辑关系彻底解决了人和系统间的认知不确定性问题。值得注意的是，此处的数据和本文中的数据指代的是文本、视频和音频等广义上的数据。

武器装备体系具有“涌现性”，是典型的复杂系统［5-6］。为解决武器装备体系复杂性，国内专家进行了深入探讨［7-9］：理论层面典型的研究成果有国防科学技术大学沙基昌教授团队提出的战争设计工程，体现出了集成的群体决策和协同分工的思想；在处理武器装备体系复杂性的工作模式方面，文献［8］对联合论证进行了深入探讨，并构建了联合论证空间和概念模型；国防科学技术大学的葛冰峰提出了体系结构数据格式转换方法。这些研究从不同角度说明了认知不确定性是影响工作效率和体系结构数据描述不一致的主要因素。然而，DoDAF2．0和DM2并不适用于解决联合论证工作中的认知问题［10-11］，主要体现在：①研究对象不同。DoDAF2．0是从C4ISR体系结构框架发展而来的，侧重于描述信息体系结构和数据，对武器系统体系结构描述较少。②描述的工作内容不同。DoDAF2．0和DM2主要用于描述美国国防部联合能力集成与开发（joint capabilities integration and development system，JCIDS）、国防采办系统（defense acquisition system，DAS）、能力组合管理（capabilities portfolio management，CPM）、作战计划（operations planning，OP）、系统工程（system engineering，SE）和规划、立项、预算与执行过程（planning，programming，budgeting，and execution，PPBE）6个核心业务过程中的数据。而装备论证是处理武器装备体系复杂性的主要工作，与美国国防部6个核心业务过程中的数据存在一定的差异性。③理论体系不同，难以扩展。由于美国的概念体系主要以《联合作战顶层概念》为基础，因此DM2不易于国内理解，即使扩展了也难以推广；况且扩展后的模型易被美军理解甚至轻易使用，不符合军事领域的保密需求。

为解决联合论证模式中对武器装备体系认知的不确定性问题，统一对联合论证工作中体系结构数据描述，实现人的集成和数据共享。有必要借鉴DM2设计思想，构建联合论证元模型（joint demonstration meta-model，JDM2）。本文从装备管理和使用等角度对文献［8］联合论证空间中涉及到的数据进行了分组，在本体论指导下基于《国际国防企业体系结构规范》（international defense enterprise architecture specification，IDEAS）构建了JDM2中的概念数据模型和逻辑数据模型，最后实例说明了JDM2概念模型和逻辑模型描述数据的可行性，为物理数据规范的开发奠定了基础。对推进联合论证工作具有一定的借鉴意义。

1 基础理论

1.1 概念建模

概念模型是对真实世界中问题域内事物的描述，表征了待解释系统的学科共享知识，是现实世界向信息世界的抽象。在计算机科学中，本体已经成为了应用最广和最先进的概念建模理论之一。本体一般定义为概念化明确的规范说明。按照与领域的相关性划分，可分为顶层本体、领域本体、任务本体和应用本体4类。国际上有许多本体模型如上层知识本体（suggested upper merged ontology，SUMO）和WordNet等。本体一般采用本体语言描述，既包括专有语言又包括基于标准的语言，主要有ISO24707、Cyc L、Gellish、IDEF5、RIF和OWL等。构造本体的工具有OntoClean和protégé等［1215］。虽然上述语言工具繁多，但是都不利于人们交流，为此DM2采用了UML Profile的形式对概念进行了精确描述。解放军理工大学的孙智学教授团队对国内C4ISR系统进行了深入研究，基于UML Profile定义了该领域的概念模型语言［16］，但是仍然难以满足联合论证工作的需求。

1.2 BORO、IDEAS和DM2

业务对象参考本体（business object reference ontology，BORO）组织认为，系统间数据异构性源于人们在构建数据时只认识到领域内的“特殊数据”，由于缺乏一种对客观世界进行抽象的顶层方法，“特殊数据”之间的信息孤岛是难以消除的。因此，BORO组织基于ISO15926提出了业务对象参考本体流程，对现有的“特殊数据”进行再工程，构建了BORO本体［17］，业务对象参考本体流程如图1所示。

图1 业务对象参考本体流程

图1 是基于四维时空观的分类方法，即具有时空边界的为个体，具有个体成员的为类，其他的为关系。如果将“特殊数据”的产生归因于认知不同，那么四维时空观则是对客观世界的本质理解。正是在这一理念的基础上，IDEAS小组参考了BORO和ISO15926构建了IDEAS模型［18］，IDEAS顶层结构如图2所示。

图2 IDEAS顶层结构

图2中，IDEAS将客观事物分为个体、类和关系3种类型，定义了超子类、连接类等与领域无关的顶层本体。DM2和英国国防部元模型（ministry of defence meta-model，M3）都是在IDEAS指导下进行构建的［19］，DM2基础规范如图3所示。

图3 DM2基础规范

图3 中，DM2基础规范对IDEAS中的定义进行了取舍，特别是关系类只采用了二元关系，其他如颜色规范、表示方法等基本相同。

结合上述内容，可描述IDEAS，DM2、DoDAF2．0全视角中集成词典AV-2视图模型以及数据和信息视角中的概念数据模型DIV-1之间的关系，如图4所示。

图4 IDEAS、DM2、AV-2和DIV-1关系

图4 中，IDEAS处于M0元元模型层，DM2属于IDEAS的实例，是美国国防部6个核心业务过程的顶层本体；AV-2则是DM2的实例，是6个核心业务过程中具体领域和任务本体；DIV-1则是AV-2的实例，是具体的应用本体。在美国国防部内部，人认识层面的不确定性因为DM2的同源而得到了消除。M3则是IDEAS的另一实例，由于篇幅有限，此处不再具体举例。

2 联合论证概念元模型

2.1 JDM2概念元模型

文献［8］中联合论证概念空间如图5所示。图中联合论证空间由战争层次、组织和功能3个维度构成。可以将战争层次维度分为战略、战役、战斗和格斗4个层次：战略指顶层意图；战役是战略的分解，是武器装备体系能力的主要需求层；战斗是战役的分解，主要描述任务层的一到多个武器系统之间的交互协同；而格斗则是单个武器系统功能实现层。武器装备体系中的武器系统功能一般分为监视、指挥控制（command and control，C2）和打击3类，也是功能维度的主要层次。组织维度分为操纵、指挥和决策3个层次，操纵指调整武器系统状态实现功能；指挥指控制武器系统协同形成决策者所需的武器装备体系能力；决策者根据战争意图实现战争层次的变迁。

图5 联合论证空间

根据上述分析可知：作战部门视角为战争层次-组织维，其概念主要来源于军事领域中作战、指挥和决策等部门对客观世界的抽象；装备部门的视角为战争层次-功能维，其概念主要来源于军事领域中装备论证、全寿命周期管理等部门对客观世界的抽象；工业部门的视角为组织-功能维，其概念主要来源于不同学科领域对军事领域的支持方面。而联合论证工作涵盖了上述所有工作。

从军事装备学科角度可将联合论证数据分为环境、能力、用户、作战、资源、管理和公共7类。其中，环境指联合论证对象之外的一切，包括威胁目标、事件和论证对象无法更改的相关约束和支持条件等；能力指论证对象所应具备适应环境所需的能力；用户指论证对象的使用者；作战活动指用户使用论证对象适应环境的活动过程；资源指与作战活动相关的一切；管理指对资源的管理和使用，包括联合论证活动自身；公共指联合论证的公共数据资源，如地理信息等。

综合上述分析，结合联合论证工作可构建联合论证概念元模型，如图6所示。

图6 联合论证概念元模型

图6 中用威胁、条件、活动、资源和属性元模型组对应战争层次-组织维。其中威胁和条件属于环境类数据，威胁可以分为威胁目标和事件，条件可以分为规范人的法规、规范装备的标准以及规范交互的协议等；活动属于作战类数据；资源和属性同时属于资源和管理类数据。威胁、条件、活动、能力、指标、资源对应战争层次-功能维，其中指标属于管理和公共类数据。资源、项目、活动和指标则属于功能-组织维，项目属于管理和公共类数据。由于篇幅有限，文字定义此处不再详述。可以说，图6的联合论证概念元模型从军事装备学角度对图5联合论证空间进行了抽象，与论证工作以装备角度认知客观世界的视角相符，因此可以作为联合论证工作中的顶层本体。

2.2 JDM2逻辑建模

由于自然语言定义的概念在细节上仍然存在理解偏差的可能，因此需要对概念逻辑进行建模。外军认为武器装备论证就是关于武器装备的概念研究，其他的诸如仿真则是战争实验中心研究的问题。因此DM2只注重对数据的描述，缺乏对装备等所处状态的描述逻辑。而在联合论证模式中，不仅要对问题进行定义，更要进行仿真和对工业部门提出具体指标需求，需要对仿真过程中的动态数据进行描述。因此，在借鉴DM2对JDM2进行逻辑描述时，必须基于IDEAS规范对DM2基础规范进行修改。为满足对状态类数据的描述，基于IDEAS规范构建的JDM2规范如图7所示。

图7 JDM2基础规范

图7 中，JDM2基础规范在DM2基础规范中增加了态势关系。态势关系是暂时的整体部分关系的子关系，连接事物和事物所处的状态类数据。为保证图7对图6的逻辑严密性，下面借鉴BORO、IDEAS思维，从集合论角度对图6的改进部分进行数学描述。首先定义四维空间R4为

式中，R4表示四维空间所有点的集合；S和T是四维空间的平面投影坐标系中的2个坐标。S＝（x，y，z）表示三维空间所有点的集合，其中，x、y和z是三维空间中的3个坐标。T＝（t1，t2，…，tn）表示时间。x、y、z和t是（－∞，＋∞）的实数。

可定义四维空间中的事物O为

式中，O是四维空间中的超类；I是四维空间中的个体；C是类，为个体集的抽象；A是关系集合，是I和C内部或者之间关系的集合。根据式（1）和BORO可定义

式（3）表示I中任何的i＝（x，y，z，t）都有某个映射f在四维空间中具有明确投影ξ，即如图1中所示的具有明确的时空边界。根据式（1）、BORO和式（2）可定义

式（4）表示C中任何的与c＝（x，y，z，t）相关的一切映射f在四维时空中都没有明确的投影ξ，但是i⊂c且存在某个映射g，使得g（c）蕴涵M成立。M是图6中的属性，可定义

式中，M指I所具有的有效特性集合。图6中的状态类E是在时间T中可被人们观察到的M，因此E⊆M。值得注意的是，M和E是I的客观存在。图6中的指标类K和需求类D则是不同类型的人对M和E的测度，为满足不同类型人员对M的多视角分类，同时又能追溯到这些分类的公共类，可定义K为M的幂类

式（6）表示K为M的幂类，在一定范围内提供了一种构建不同指标体系的分类方法。如作战部门关心武器装备体系的运用战术，而装备部门关心功能和性能，这2个不同的问题采用式（6）可以获得不同的指标体系，而这2个指标体系的公共类都是I的属性M，保证同源的同时也满足了从不同视角分析问题的需求。同理，在一定时间范围T内D＝P（E），即不同类型的人在时间T内对状态的需求不同。根据式（1）和BORO可定义n元关系

式（7）表示A中的任何a是I、C内或者I×C中的一个n元关系。

对个体、类和关系，特别是属性、状态、指标和需求进行数学说明后，借鉴IDEAS和DM2思路，可构建JDM2逻辑模型。描述战争层次-组织维的逻辑模型如图8所示。

图8中，在图2模型中出现过的关系线没有进行标注，唯一进行标注的关系有类实例。模型的类以＜IDEAS：类＞、＜IDEAS：个体类＞和＜IDEAS：关系类＞进行了划分，其中斜体字表示该类的父类，由于篇幅关系不方便表明超子类关系的，均以斜体字形式表明。图8模型只是战争层次-组织维的顶层逻辑模型，还定义了一些需要继续展开描述的细节逻辑模型，由于篇幅有限不再一一列举。

值得注意的是，图8是在2种分类法指导下构建的，一种是按照图6联合论证概念元模型分类方法对概念进行分组，这样做有利于保持概念的一致性；另一种是在图1业务对象参考本体流程指导下，对概念所属的类进行分组，这样做更贴近于计算机技术领域思维，有利于指导构建物理数据模型和物理数据交换规范。

图8 JDM2战争层次-组织维逻辑模型

3 实例与数据验证

临近空间高超声速目标（near space hypersonic target，NSHT）具有飞行速度快、打击距离远和突防能力强等特点，对NSHT目标预警需要多个探测装备协同完成。在联合论证模式中，对NSHT预警装备体系的论证必须建立在作战、装备和工业部门的统一认知上，即消除3个部门间认知的不确定性是开展联合论证工作的基础条件。

合理利用DoDAF2．0中的视图模型可以有效地从多个视角分析同一问题。假设3个部门描述的NSHT预警装备作战场景为：2014年5月8日12：00到2014年5月8日 12：30连续探测到NSHT目标信号，根据相关情报推测该目标从A点发射，对我B点威胁最大。探测到的信号显示该目标正在30 km高度处以3马赫速度巡航飞行，根据飞行轨迹等综合信息判断该目标为“猎鹰HTV-2”。

根据作战场景可构建OV-1高级作战概念图，如图9所示。

选择相关视图模型对问题进行分析后，获得体系结构模型集。由于篇幅关系此处不在详细举例。根据体系结构视图模型，将涉及到的专业术语概念按照如图6所示的联合论证概念元模型进行分组；然后按照如图1所示的业务对象参考本体流程，对分组后的概念进行分类；分类完成后，按照如图7所示的基础规范，理清体系结构视图模型中涉及到的专业术语概念之间的关系。如作战场景描述中的HTV-2属于目标类，是目标类NSHT子类中的一种子类，HTV-2在探测系统中的标识符就是HTV-2的实例。HTV-2分类关系如表1所示。

图9 高级作战概念图

表1 HTV-2分类关系表

表1按照图7中的超子类关系梳理了HTV-2与联合论证概念元模型之间的映射关系。其他专业术语概念映射完成后，依托联合论证概念元模型形成了概念体系，这个概念体系就是本次联合论证过程中的概念模型。依托联合论证概念元模型，多个联合论证过程中的概念模型也能形成映射关系，这在顶层上保证了所有联合论证工作概念的一致性。

可使用文献［18］中的方法对如表1所示的概念数据关系进行验证，由表1构建的HTV-2超子类型关联关系一致性验证矩阵为

分别检查式（8）关系矩阵B中元素bij和bji的值，没有存在bij＝bji＝1的情况，因此概念数据的超子类关系是一致的，不存在冲突。

概念数据分类与验证完成后，按照如图5所示的联合论证空间组织相关视图模型。如作战部门的视角为战争层次-组织维，HTV-2在这2个维度中只占据一个很小的部分，因此要对如图8所示的战争层次-组织维逻辑模型进行裁减，截取合适部分用以指导HTV-2相关数据的描述。

将与HTV-2相关的专业术语概念按照如图1所示的方法分类完成后，按照文献［18］方法再次进行验证，验证过程与上文相同，此处不在赘述。裁减如图8所示的逻辑模型对HTV-2相关体系结构数据的描述如图10所示。

图10 JDM2逻辑层描述的HTV-2（部分）

为了精确地统一3个部门之间的认知，图10中主要使用了命名类和指标类等静态概念对HTV-2平台的体系结构数据进行了描述。这种静态体系结构数据是难以满足作战需求的。

同样可采用如图1所示的方法，对场景描述中的态势信息进行四维时空观的分类。如场景描述的时间范围是“2014年5月8日12：00到2014年5月8日12：30”，具有明确的时间范围，因此这个时间段属于个体，这个时间段里代表的30分钟，就是“2014年5月8日12：00到2014年5月8日12：30”这个个体的类，个体与个体类之间是类实例关系。构建如表1所示的关系表，并再次使用文献［18］方法进行验证。裁减如图8所示的逻辑模型对时间相关的态势信息描述如图11所示。

图11中，态势时间和日历时间是两种不同的视角，其中日历时间具有一般意义，属于公共类数据；而态势时间是作战视角内的时间，由于精度和格式等不同，相对于其他视角内时间而言具有特殊性，因此属于作战类数据。图11通过态势时间与日历时间之间的关系描述出了两者之间的关系，更多视角下对时间的分类都可以采用这种方法进行描述，这样做的优点在于保证了各视角内“特殊数据”之间的联系。

图11 JDM2逻辑层描述的作战时间

构建如图10和图11所示的模型可以指导构建物理数据模型和采用统一标记语言进行描述，并在语义Web上实现共享。本实例模型的主要功能有：①提取体系结构视图模型中的相关概念并进行映射，初步形成具有逻辑关系的概念模型；②按照四维时空观对概念模型进行分类，对概念指代的含义以实例的方式给出，按照计算机科学思路初步整理了概念和实例之间的逻辑关系，为实现体系结构数据共享和开发物理数据模型打下了基础。

4 总结

本文借鉴国外体系结构元模型经验，根据联合论证空间构建了JDM2和逻辑模型，主要工作有：

（1）全面分析了DoDAF2．0和DM2，介绍了BORO和IDEAS，从设计机理和具体工作方式上指出了DM2不适用于联合论证工作的具体原因。根据联合论证空间提出了构建JDM2的思路。

（2）从军事装备学科角度对联合论证数据进行了分组，构建了联合论证概念元模型；并分析了作战、装备和工业部门视角内的数据。

（3）根据联合论证工作中需要对武器系统和作战过程进行详细描述的需求，对DM2基础规范进行了扩展，形成了JDM2，并给出了逻辑模型示例。最后使用上述模型对NSHT预警装备体系联合论证相关数据进行了简单描述，验证了模型的可行性。

消除联合论证工作中认知不确定性是提高联合论证工作效率的前提条件，对统一描述并共享武器系统和作战过程数据具有积极的推进作用。后续将从两个方面进行深入研究：一是按照联合论证空间，重新组织和改进Do DAF2．0中的视图模型，使其更符合联合论证工作需求和逻辑关系；二是完善逻辑模型并开发物理数据交换规范，进一步促进联合论证工作中的数据共享。

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Joint demonstration meta-model based on IDEAS

TAN Xian-si1，ZHU Gang2，WANG Hong1，BI Hong-kui1，GAO Ting3
（1.Department of Land-based Early Warning，Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China；2.Company of Postgraduate Management，Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China；3.Department of Scientific Research，Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China）

To unify the architecture data modeling in the joint demonstration pattern，joint demonstration meta-model（JDM2）is proposed based on international defense enterprise architecture specification（IDEAS）．Business object reference ontology（BORO），IDEAS and department of defense meta-model（DM2）are introduced，the causes that the DM2 do not apply to describe joint demonstration content and the merits of DM2’s three layers from the perspective of design mechanism are analyzed．The merits of DM2 are made up of conceptual data model（CDM），logical data model（LDM）and physical exchange schema（PES）．Finally，the conceptual data model and the logical data model in JDM2 are presented based on joint demonstration space，ontology theory，ideas of DM2 design and IDEAS．The JDM2 has been proved feasible with an example．

joint demonstration meta-model（JDM2）；department of defense meta-model（DM2）；international defense enterprise architecture specification（IDEAS）；ontology

E 917；TP 311

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．01．15

谭贤四（1967-），男，教授，博士，主要研究方向为体系结构技术、装备论证。

E-mail：tanxs-hust＠163．com

朱刚（1984-），通信作者，男，博士研究生，主要研究方向为体系结构框架、装备论证。

E-mail：zhug2008＠163．com

王红（1962-），女，教授，主要研究方向为体系结构技术、装备论证。

E-mail：wanghong572g＠sina．com

毕红葵（1964-），女，教授，主要研究方向为体系结构技术、装备论证。

E-mail：bhk001＠126．com

高婷（1984-），女，博士研究生，主要研究方向为武器装备体系、模式识别。

E-mail：80944993＠qq．com