基于元模型的天基信息服务组合建模研究

王　爽，　秦大国，　陈凌云

(1. 装备学院 研究生管理大队， 北京 101416；　2. 装备学院 航天指挥系， 北京 101416)



基于元模型的天基信息服务组合建模研究

王爽1，秦大国2，陈凌云2

(1. 装备学院 研究生管理大队， 北京 101416；2. 装备学院 航天指挥系， 北京 101416)

针对天基信息应用问题，对多源、异构和跨平台的数据共享进行了研究。借鉴以数据为中心的思想，在界定天基信息服务概念的基础上，利用元模型高层次抽象的建模方法，构建了天基信息业务元模型和天基信息服务元模型，实现了业务活动之间的松耦合，提高了天基信息服务的针对性；采用粗粒度与精粒度结合的建模方法，实现了天基信息资源的灵活运用与精准服务，有利于挖掘原始数据的深层价值，实现信息增值，对解决天基信息快速响应用户的个性化需求问题提供了新方法。

天基信息；业务活动；服务组合；元模型

基于天基信息共享的信息网络正在引发全世界范围的广泛关注，为用户提供跨系统、跨平台的应用服务，实现信息高度共享与利用成为天基信息系统发展的主要目标[1]。当前，我国天基信息系统发展迅速，呈现出天地一体化发展[2-3]的特点，这为天基信息支援的精细化与个性化服务于用户提供了丰富的资源基础，但同时也带来了基于多源、异构和跨平台的数据共享问题，对数据处理带来了巨大挑战。

及时、精确、相关和一致是军事决策活动对信息支援的基本要求，信息优势的获取是以对数据的有效发现、有效利用为前提的[4]，解决好多源、异构数据的共享问题意义重大，在天基信息支援的过程中这一特点更加明显。美国在军事信息化过程中逐渐发现“认知不确定性”是导致军事信息系统复杂的主要原因之一[5]，为此，美国国防部提出了以数据为中心的思想来应对异构系统间的“认知不确定性”，解决跨平台的数据共享问题[6]。在数据为中心的指引下，美军在其“第三代地理空间情报”发展过程中突出了数据服务，促成信息“回流”和信息“增浓”[7]，以达到对原始数据的深层使用。

基于元模型的方法是以数据为中心思想的具体表现形式[8]，元模型的数据规范可在建模过程中灵活定制并描述所需的数据，从而达到严格的数据一致性，灵活、精确地描述系统结构[9]，便于从根本上解决天基信息系统中多源、异构和跨平台的数据共享问题。

为此，本文立足于元模型理论与技术，在界定概念的基础上，先建立天基信息业务元模型与天基信息服务元模型，从根本上认清天基信息业务活动与天基信息服务之间的区别与联系；再明确天基信息服务组合建模中的时序关系及逻辑关系，最后给出服务组合的实例模型，模型的具体实现技术细节不作为本文研究对象。

1　天基信息服务概念的界定

本文在文献[10]提出天基信息服务概念的基础上，展开对天基信息服务元模型的构建研究。广义上的天基信息服务是指天基信息系统为用户提供信息服务活动的统称，涵盖了天基信息的获取、传输、处理与分发等环节中的业务活动与信息处理。本文采用面向服务的架构[11]，体现以数据为中心的思想，结合文献[12]提出的军事信息服务概念，给出狭义上的天基信息服务概念。

定义天基信息服务是指由分布在军事信息网络上的卫星平台资源、测控调度资源、基础数据资源及信息处理等各类天基资源或天基系统构成并提供的功能处理单元。能够面向天基信息支援人员和作战用户按需调用，以独立于平台的方式进行描述和通用标准接口封装，并具有独立行为逻辑和天基信息应用能力。

广义上的天基信息服务属于粗粒度“大服务”的范畴，狭义上的天基信息服务属于精粒度“小服务”的范畴，“小服务”把“大服务”中的业务活动剥离出来，作为单独的客观对象与服务并行存在。因此，有如下关系：广义的天基信息服务=天基信息业务活动+狭义的天基信息服务。

完成天基信息业务活动的主体是“人”，客体是天基信息服务，执行天基信息服务的主体是“机”，客体是天基基础数据，以此来实现人机的最佳结合，这样界定的好处在于：把“人”从繁杂的操作中解放出来，将更多的精力投放到应对复杂多变的业务流程上来，以响应快速多变的任务需求，而纷繁复杂的数据操作交由“机”完成，实现自动化、自适应处理，充分挖掘天基信息的应用潜能，提高天基信息支援的效率。天基信息服务与同样基于面向服务架构的web服务相同点在于服务资源的可重用性、互操作性与松散耦合性[13]，不同点在于其资源分布的广泛性、服务运行的高可靠性[14]，以及天基信息支援的高时效性、支援对象的复杂性和支援范围的广阔性。

本文将定义中的天基资源封装为3类基础服务：天基基础数据服务、天基信息处理服务和天基信息通用服务。天基基础数据服务提供对原始数据的存储、分析与整合等基础数据类服务；天基信息处理服务提供图像关联、影像配准等信息处理类服务；天基信息通用服务提供测控调度、目标探测与信息传输等通用类服务。

2　元模型在天基信息服务建模中的作用

元模型定义了概念、属性和关系，是指导数据存储和交换的规范[15]，元模型的意义在于规范需要获取的元数据和界定概念，确定所构建系统中应用模型的基本元素，不仅可解决系统中数据一致性与信息共享问题，还可提高模型的可重用性[16]。在以数据为中心思想的指导下，在界定天基信息服务概念的基础上，严格采用基于元模型高层次抽象的建模方法，完成元建模。基于元模型规范为数据的一致性提供了保障，解决了异构数据的共享问题，为构建业务应用灵活、信息服务精准的天基信息服务系统奠定模型基础，如图1所示。本文构建的元模型是对天基信息在高层概念之间的抽象，是为完成对天基信息的数据采集、存储、处理与共享而建立的数据模型，元模型各元素之间的关系代表着天基信息实体元数据之间的关系，是模型之间相互引用、相互映射的前提条件。依据对天基信息服务概念的界定，构建2类元模型：天基信息业务元模型与天基信息服务元模型，该模型既是军事需求分析的底层模型，也是天基信息系统技术框架的顶层模型，为模型的技术实现奠定基础。

以构建好的元模型为基础，按照作战行动牵引业务流程，业务活动调用服务，服务重组资源的思路，完成服务组合的建模，将天基信息系统资源面向具体需求灵活重组，把天基信息服务作为天基信息业务活动的操作对象，通过天基信息业务活动调用并组合天基信息服务，灵活处理业务需求数据，即用户所需的天基信息支援数据。

图1　基于元模型的天基信息服务层次模型

基于元模型的天基信息服务组合重点关注的是满足用户需求的逻辑建模，并不是服务细节与系统的实现技术，其优点是：(1)当用户需求发生改变时，可通过调整天基信息服务组合快速、灵活地应对；(2)高层抽象模型不受具体服务更新的影响，模型的可延续性强；(3)高层抽象模型不受具体实现技术的限制，当服务系统实现的具体技术改变时，高层模型可直接复用。

3　元模型构建

3.1天基信息业务元模型

天基信息业务元模型用于描述天基信息支援任务过程的业务逻辑，用以说明作战任务、业务流程、业务活动以及服务之间的内在联系。建立天基信息业务元模型的意义在于提高天基信息应用的时效性、针对性与灵活性，改变原来单组业务流程对应单次用户需求的应用模式。通过合理确定业务元模型中的组成元素，把业务流程中业务活动的操作与所处理的数据分离，采用天基信息业务活动调用天基信息服务，天基信息服务处理业务需求数据的方式，提高业务活动操作的通用性与灵活性，实现天基信息业务活动在单组业务流程中的并行操作，或单个业务活动在不同流程间的复合操作，从而达到提高天基信息业务流程执行效率的目的。

天基信息业务元模型的基本元素包括作战任务、作战行动、天基信息业务流程、天基信息业务活动、天基信息服务、角色与执行者，如图2所示。

图2　天基信息业务元模型

1) 作战任务与作战行动。作战任务是指在一定战场环境和时间条件下，为达成特定的作战目标进行的一系列相互关联的作战行动的有序集合[17]，作战任务完成的过程表现为一系列作战行动执行的过程[18]。在业务元模型中引入作战任务与作战行动元素的目的在于描述天基信息如何嵌入作战任务的具体过程，一个作战任务分解成若干个作战行动，一个作战行动对天基信息支援的需求引出一组天基信息业务流程，一组业务流程的完成依赖于一组业务活动序列的执行。

2) 天基信息业务流程。天基信息业务流程是指一系列将输入操作转化为输出操作的相互关联和相互作用的天基信息业务活动，将业务流程分解成若干活动对象，活动对象之间通过输入操作、输出操作完成对服务的调用。图2中，与业务流程元素紧密相关的元素除了作战任务和业务活动外，本文在业务元模型中还引入了业务工单元素。业务工单是在业务流程中可描述、可识别的信息单元，其目的是将业务流程执行过程中产生的数据与流程置于同等重要的地位，可灵活应对用户需求的实时变化，更加符合现实中业务活动的操作方式[19]。业务工单在建模时可将业务活动管理信息与业务流程两者合二为一，并作为业务活动操作和流程建模的基本模块，体现关键的业务活动在流程建模中的重要性。业务活动管理信息在传统的天基信息业务流程中处于辅助地位，而在实际的业务流程中大多是以某个关键业务活动为重点完成一系列的操作，当面对更复杂的支援任务时这一特点将更明显。因此，以业务活动管理信息为中心的业务流程建模方式更能反映关键问题。据此，在天基信息业务元模型中引入业务工单基本元素，将业务活动管理信息与业务流程结合，注重关键业务活动的关键信息在业务流程建模中的重要性，达到业务活动管理信息与业务流程并重的目的。作为业务活动管理信息的关键实体，业务工单详细记录了业务活动操作生成的输入、输出与执行的生命周期等信息，不仅方便业务人员对整个业务流程的全程把控，也便于及时应对由任务过程需求变化引发的业务流程重构带来的影响。

3) 天基信息业务活动。天基信息业务活动分为两大类，基本业务活动和结构化业务活动。基本活动是不可再分的业务流程单元，元模型中重点描述基本业务活动的输入操作、执行操作和输出操作。结构化业务活动由多个基本业务活动组合而成，执行复杂的天基信息业务流程，分为4种复合结构：顺序活动、分支活动、循环活动和并发活动。由顺序活动、分支活动和循环活动来提供业务活动间一般的顺序控制；由并发活动来提供业务活动间的并发控制，并以此来实现天基信息业务活动的并行处理和业务流程的并行执行，提高天基信息业务活动的操作效率，降低活动与活动之间的依赖性，通过活动对服务的操作实现活动之间的松耦合，基于业务元模型构建的业务流程便于响应快速多变的任务需求。

4) 天基信息服务。引入天基信息服务元素的目的在于在构建天基信息支援系统时便于采用面向服务的方法[20]，提高业务应用的及时性、针对性、灵活性与服务精准性，以用户为中心挖掘他们更关注的信息，从而达到充分利用天基信息资源高效支援任务过程的目的。

5) 角色与执行者。角色是天基信息系统中对天基资源使用权限的集合；执行者是经认证充当某一角色后，基于特定权限对天基信息资源实施具体操作的业务人员。

3.2天基信息服务元模型

在面向服务的军事信息系统构建中，为了实现系统的高效整合以及业务流程的随需应变，由活动调用服务，再由服务使用资源的思想得到了普遍的应用与认可[21-23]。本文涉及的天基信息服务位于天基信息业务活动与天基信息资源之间，由天基信息业务活动调用天基信息服务，再由天基信息服务利用天基资源，天基信息支援任务的完成通过组合天基信息服务来实现，业务活动、服务以及资源之间处于松耦合的灵活状态。

通过建立天基信息服务元模型来实现业务活动的操作与数据处理的分离，业务活动注重操作，服务注重数据处理，业务活动不操作具体的需求数据，操作的对象为天基信息服务，业务活动与数据处理不直接相关，而是通过调用服务来完成对数据的处理。这样，不同的天基信息服务可以让同一个业务活动具有不同的操作结果，通过服务对数据的处理使得业务活动具有一定的柔性，进而使同一个业务活动的操作及操作的对象——服务，在不同业务流程之间的应用成为可能。

天基信息服务元模型定义了天基信息服务模型的构造和规则，用于描述天基信息服务涉及的组成元素、元素之间的关系及其属性，并将上述基本信息进行抽象形成天基信息服务元模型。天基信息服务元模型的基本元素包括天基信息服务节点、天基信息基础服务、服务组合序列和天基信息组合服务，如图3所示。

图3　天基信息服务元模型

1) 天基信息服务节点。天基信息服务节点提供天基信息服务，并提供对服务的维护与管理功能。

2) 天基信息基础服务。天基信息基础服务是一个不可再分的原子服务，由服务数据输入、服务数据输出、服务处理功能、服务封装资源及服务质量组成。一个“服务”定义了一个与业务数据相关的接口，以及规范这个接口的约定[24]，通过对现有天基资源的封装，增强天基资源的重用能力，利于充分挖掘天基资源的应用潜力。

3) 服务组合序列。服务组合序列用于确定天基信息基础服务组合的逻辑关系，详见4.2节。

4) 天基信息组合服务。天基信息组合服务是依据服务组合序列对天基信息基础服务的组合，与服务组合序列和天基信息基础服务2个元素紧密相关，包括数据输入、数据输出及数据类型。

4　天基信息服务组合建模

在第3节中构建的元模型便于面向用户，依据作战行动的需求，采用粗精结合、先粗后精的建模方法，先用基于天基信息业务活动的业务流程完成粗粒度的建模，再用天基信息服务组合完成精粒度的建模。区分粗粒度建模与精粒度建模的优点在于：(1)从根本上认清天基信息业务活动与天基信息服务的核心作用，面向用户需求利用天基信息业务活动完成业务流程的粗粒度建模，依托天基资源利用天基信息服务完成需求数据处理的精粒度建模，符合业务活动操作与数据处理分离的特点，便于实现业务活动之间及服务资源之间的松耦合，提高天基信息的应用潜力；(2)通过业务流程实现粗粒度建模，将业务活动管理信息与业务流程并重，便于针对用户的具体需求做出快速反应，提高天基信息支援的针对性及时效性；(3)通过服务实现精粒度建模，便于灵活运用服务资源，提高天基信息支援的灵活性与精准性。

天基信息服务组合建模的过程：面向用户依据作战任务过程与作战行动的需求，确定所需的天基信息业务活动以及业务活动与天基信息服务的调用关系，将具体的天基信息服务依据服务组合序列完成组合，在粗粒度建模的基础上完成精粒度建模，实现天基资源之间的集成与共享，通过业务活动调用服务来控制天基信息服务组合的方式，来快速响应任务和战场环境的变化，以此来满足用户个性化需求。天基信息服务组合的关键在于确定服务的时序逻辑关系，下文中先建立时序关系模型，再确定逻辑关系，最后给出天基信息服务组合的实例。

4.1天基信息服务组合时序关系

在天基信息服务组合建模过程中，需要分析和描述对象之间的时序关系及交互过程，动态描述服务组合的细节，本文采用UML(Unified Modeling Language)时序图建立天基信息服务组合的时序关系模型，如图4所示。时序图描述了对象之间传递消息的时间顺序，表示对象时间动态的交互关系[25]。图4中包括用户、业务流程对象、服务组合序列、服务组合对象、服务注册中心、天基信息服务节点6个对象，完成13条交互消息，动态描述了天基信息服务组合的时序关系：用户提出信息支援请求，业务人员完成业务流程建模，确定好服务组合序列后，向服务注册中心查找并调用天基基础服务、天基信息处理服务和天基信息通用服务，依据服务组合序列组合“三类服务”，完成服务组合过程。

图4　天基信息服务组合时序关系

4.2天基信息服务组合逻辑关系

天基信息服务组合与工作流有着许多相似的特征，因此，本文借鉴工作流的基本控制模式来描述天基信息服务组合的基本逻辑关系，如表1所示，分为6种基本逻辑关系，通过组合2种或多种基本逻辑关系可描述更加复杂的服务组合逻辑关系。相对于天基信息业务元模型中的4种复合结构来说，天基信息服务的6种基本逻辑关系更符合精粒度建模的要求，先通过4种复合结构完成对业务流程粗粒度的建模，再通过6种基本逻辑关系完成对服务组合的精粒度建模。

表1　天基信息服务组合的基本逻辑关系

图5　天基信息服务组合实例

4.3天基信息服务组合实例

本文以战场态势综合为应用背景，依据天基信息应用的资源调度、信息获取、信息传输、信息处理和信息发布等关键环节，给出天基信息服务组合建模的实例，在业务流程粗粒度建模的基础上完成服务组合的精粒度建模，本文选用BPMN(Business Process Modeling Notation)2.0规范完成服务组合的建模，如图5所示。实例中包含4个pool，第1个pool为业务流程，是以业务活动为中心的粗粒度模型；第2个pool为天基信息通用服务；第3个pool为天基基础数据服务；第4个pool为天基信息处理服务，第2至第4个pool是以天基信息基础服务为中心的精粒度模型。依据表1中的逻辑关系，服务组合可形式化描述为：(S1⊕S2)﹥S3→S4→S5﹤(S6⊕S7)﹥S8→S9→S10→S11→S12。其中,S1～S4为天基信息通用服务；S5～S8为天基基础数据服务；S9～S12为天基信息处理服务。

5　结 束 语

本文研究了将元模型应用于天基信息服务的建模领域，围绕2条主线展开了建模研究：一是围绕天基信息业务活动面向用户需求，以业务活动管理信息为重点，利用活动的4种复合结构，完成业务流程的粗粒度建模；二是围绕天基信息服务依据业务活动结构，以业务需求数据处理为目标，利用服务的6个基本逻辑，完成服务组合的精粒度建模，最后研究了天基信息服务组合的时序及逻辑关系，并给出了服务组合的实例模型。

本文工作的主要意义在于：(1)提出了基于元模型的天基信息服务建模方法，为从根本上解决天基信息平台间的数据共享问题提供了思路；(2)建立了天基信息业务元模型，把业务活动中的操作与数据处理分离，降低了活动之间的依赖性，达到了业务流程快速响应用户需求的目的；(3)建立了天基信息服务元模型，采用由活动调用服务，再由服务使用资源的方法，通过灵活的服务组合精准实现用户的个性化需求；(4)提出了粗精结合、先粗后精的建模方法，通过业务流程的粗粒度建模，便于重组天基信息资源，满足快速、准确、多样化的用户需求，通过服务组合的精粒度建模，便于用户对原始数据的深层利用，挖掘他们更关注的信息，实现信息增值。

下一步重点工作以本研究为基础，对天基信息元数据的共享服务方式展开研究。

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(编辑：李江涛)

Research on Modeling of Space-based Information Service Composition Based on Meta-model

WANG Shuang1,QIN Daguo2,CHEN Lingyun2

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China;2. Department of Space Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To solve out some challenges in space information application, the paper makes study on the multiple-source, heterogeneous and cross-platform data sharing. By high-level abstract modeling method of meta-model, the paper builds up space-based information business meta-model and space information service meta model, realizes the loose coupling among business activities and improves the pertinence of space-based information service; By modeling method combining coarse granularity with fine granularity, the paper realizes the flexible use and accurate service of space-based information resources which are beneficial to excavate the profound value of raw data, add value to information and proposes a new approach to meet personalized demand of space-based information of quick responding users.

space-based information; business activity; service composition; meta-model

2016-05-27

部委级资助项目

王爽(1979-)，男，博士研究生，主要研究方向为天基信息支援。wesar@sohu.com

V19

2095-3828(2016)05-0068-07

A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.05.015

秦大国，男，教授，博士生导师。