军事信息系统情境计算需求一致性验证研究

2024-01-16刘美凤杨文静

系统工程与电子技术 2024年1期

刘美凤, 杨文静

(国防科技大学信息通信学院, 湖北武汉 430010)

0 引言

2016年,中国科学院文献情报中心“十三五”发展规划提出了“精准信息服务”的研究方向,精准识别用户需求,促进信息服务向精准化发展[1]。此外,随着信息技术的发展以及新型作战样式的出现,世界一些军事强国已经认识到军事信息系统在集成环境、互操作性[2]以及精准信息服务方面的发展可以有效提升战斗力。军事信息系统开发需求论证不充分、结构化开发技术支持薄弱、软件业务流程对接困难,对信息服务效能和用户影响难以评估等问题突出,已成为制约军事信息系统提供精准信息服务的主要问题。因此,情境计算应用到军事信息系统领域时,在需求论证、结构化开发、业务流程对接等方面存在一定程度的困难。一方面情境计算可以有效提高军事信息系统情境与用户行为适配程度,对于提高信息服务的精准化服务水平具有重要作用;另一方面情境计算涉及到物联网、云计算、大数据等多种技术,而且不同的军事系统对于情境计算的需求有很大差别,因此军事信息系统情境计算需求论证尤为关键,特别是情境因素是否存在缺失、数据处理是否存在冲突、相关功能是否存在冗余等一致性问题,依靠传统的需求验证方法较难发现。

情境是用来描述实体对象的任何信息[3]。情境计算包括认知计算、情境感知、用户偏好提取和自适应推荐等。近几年相关学者针对情境计算系统的实际运用、需求论证和构建模型等方面进行了广泛的研究。文献[4-6]对情境计算在医学领域、图书管理领域、军事装备领域的应用进行了研究,文献[7-10]对情境计算可以实现的功能进行了广泛的研究,如自动获取客户需求、预测社交网络、提高系统服务性能和进行价值评估等。这些研究一定程度上推动了精准信息服务的发展,但仍未解决军事信息系统的情境计算需求论证中存在的问题。

军事信息系统的情境计算需求论证问题主要有3个方面:一是在系统开发时,系统之间的交互更为繁多;二是数据的来源和处理方式较为复杂;三是对于功能之间的配合要求更高。这些问题通过对需求的一致性验证可以有效解决。近几年,相关学者的研究不断丰富需求一致性验证的内容,文献[11-13]分别对可靠性需求、交互环境需求和安全性需求的一致性进行了研究。文献[14]提出了一种基于模型检验的形式化方法来验证业务流程和需求之间的一致性。文献[15]提出了基于自然语言处理和指示挖掘技术的需求一致性和完整性验证的方法,推动信息服务系统的开发和迭代演进。以上学者的研究可以发现,一方面非功能需求的一致性验证是需求一致性验证研究中不可忽视的因素;另一方面需求一致性验证对于推动信息服务的发展和系统的开发具有重要作用。

本体起源于哲学领域,用来描述事物的本质[16],目前在知识工程领域、人工智能、语言学[17]和工程仿真领域[18]等方面发展迅速,并且支持自动推理、数据共享和集成等[19]。随着学者们研究的深入,本体的应用越来越广泛,文献[19]提出了基于规则的对象关系数据库本体构建方法,提高了本体构建的效率。文献[20-29] 对本体的描述方法及模型构建方法进行了研究,文献[30-32]对本体的推理和应用进行了研究。由于本体具有概念化、明确性、形式化和共享性的特性,具体表现为本体可以抽象出需求中的要素进行建模,可以清晰地表述需求要素之间的关系,可以形式化为计算机能够识别的模型,可以反映大多数人所认可的知识,因此本体的方法对于需求论证中进行一致性验证具有很强的优势。

本研究按照构建情境计算的需求框架-设计建设情境计算的需求本体模型-提炼情境计算的需求一致性验证方法和展示情境计算需求验证过程4个步骤进行阐述。

1 军事信息系统情境计算需求一致性验证内容

根据任务需要构建的军事信息系统分类多、要求高,因此军事信息系统之间以及系统内部关系更为复杂:数据来源广泛,数据处理难度大并且作战任务对系统之间配合要求更高。军事信息系统在情境计算需求中,功能需求之间的关系更为繁琐和复杂,如映射关系、时序关系和信息交互关系等。同时,数据需求中容易出现不一致。此外,由于涉及到多系统之间的配合,与指标和标准相关的需求容易存在差异。

具体分析,首先在数据需求中,情境计算的实现需要大量的数据,这些数据可能来源于相应的军事信息系统、网络或各类传感器,数据的来源不同、处理方式不同容易导致数据之间存在不一致,因此数据格式、内容和关系的一致性是需求一致性验证的重点。其次,在关系到不同系统间的交互问题时,不同的系统通常通过接口进行连接,接口需求和协议需求的一致性问题是交互是否顺畅的关键。最后,由于不同的需求提出者理解水平、思考角度不同,情境计算系统能够提供的功能与其服务的军事信息系统需要的功能之间容易出现冗余或缺失,功能需求之间的关系也更为复杂。综上所述,军事信息系统情境需求的一致性验证内容如图1所示。

图1 军事信息系统情境计算需求一致性验证内容框架Fig.1 Content framework of consistency verification for contextual computing requirements of military information system

2 军事信息系统情境计算需求本体模型

结合军事信息系统情境计算的需求特点和本体描述方法,军事信息系统情境计算需求本体模型主要由类、类间层次关系、属性、公理和实例构成。其中,类表示军事信息系统情境计算需求要素集;类间层次关系表示军事信息系统情境计算需求中的父子关系;属性分为对象属性和数据属性,对象属性主要表示军事信息系统情境计算需求之间的映射关系、交互关系等,数据属性主要表示军事信息系统情境计算需求中的指标和标准;公理即永真断言;实例即军事信息系统情境计算需求要素。本节的关键部分就是确定需求本体的类、类间层次关系、属性、公理和实例。

2.1 创建需求要素集和需求要素

根据军事信息系统情境计算需求创建需求要素集和需求要素。军事信息系统情境计算需求要素集是对所包含的军事信息系统情境计算需求内容的描述,需求要素集可以是需求本身,也可以是需求要素的共同点。军事信息系统情境计算需求要素是军事信息系统情境计算需求要素集的组成部分。

2.2 创建属性

在本体模型中可以通过创建属性及属性的特性对军事信息系统情境计算需求要素和需求要素集进行具体约束。本体模型中的属性分为数据属性和对象属性。数据属性主要描述军事信息系统情境计算需求中与数据相关的需求;对象属性用来表示需要进行交互的需求。

2.3 创建公理

在军事信息系统情境计算需求本体模型中,创建公理主要是通过连接和确定需求要素、需求要素集、属性和内容等实现。为需求要素集或需求要素添加对象属性及填充项,可以描述军事信息系统情境计算需求要素集之间以及需求要素之间的关系;为需求要素集或需求要素添加数据属性及数据内容可以描述军事信息系统情境计算需求中的具体数值。根据军事信息系统情境计算需求关系的不同为属性添加特性,如函数性、反函数性、传递性、对称性、非对称性、自反性和非自反性等,既对关系进一步约束,也为一致性推理建立依据。

3 基于本体推理的需求一致性验证

军事信息系统情境计算需求中,不同来源的需求进行处理后会出现不易发现的冲突,这些冲突导致的需求不一致更为隐蔽,更不易被人工识别。本节将阐述用于军事信息系统情境计算需求一致性验证的本体推理方法,分析推理结果,从而消除需求不一致,实现军事信息系统情境计算需求的一致性验证。

3.1 需求一致性验证方法

基于本体推理的军事信息系统情境计算需求一致性验证主要通过对属性和公理的推理进行。对于数据属性,主要体现在取值范围或赋值中是否存在冲突;对于对象属性,主要体现在需求要素集之间的关系、需求要素集内部的关系和不同需求要素集之间的关系与其对应的需求要素集实例之间的关系是否产生冲突。假设需求要素集为a、b、c、d,需求属性为P,实例为I,那么需求的一致性推理规则总结为以下几个方面。

(1) 需求要素集中数据属性的赋值前后不一致。

(2) 需求要素集无实例。

(3) 一个需求有两个及以上不同的父需求。即:需求要素集a的父需求为需求要素集b和需求要素集c,或需求要素集b将需求要素集c的子需求要素集a设置为子需求要素集,那么将导致不一致。

(4) 一个需求要素同属于两个或以上不同的需求要素集。即:需求要素集a和需求要素集b是不同的需求要素集,实例I1同时属于需求要素集a和需求要素集b,那么将导致不一致。

(5) 需求要素之间的关系与所涉及到的要素的属性特性存在冲突。即:实例I1与实例I2通过一个函数属性P1相关联,I1、I2和I3为完全不同的实例,那么实例I1与实例I3通过属性P1相关联,将导致不一致。

(6) 需求要素集要素之间的关系与需求要素集要素的公理设定存在冲突。即:假设实例I1通过属性P与实例I2、I3、I4相关,且实例I1还声明了通过属性P最多与其他两个实例相关,并且I2、I3、I4是不同的实例,那么将导致不一致。

(7) 两个需求要素集之间的属性与其子需求之间的属性存在冲突。即:假设需求要素集a的子需求为需求要素集c,需求要素集b的子需求为需求要素集d,P1与P2互为逆属性,需求要素集a通过属性P1与需求要素集b相关联,那么需求要素集c通过P2与需求要素集d相关联,将导致不一致。

(8) 需求要素之间的关系与所属的需求要素集的属性特性存在冲突。即:假设需求要素集a通过自反属性P1与需求要素集b产生关联,需求要素集a中有实例I1,需求要素集b中有实例I2,需求要素集c中有实例I3,需求要素集a、b、c是完全不同的需求要素集,那么实例I1通过属性P1与实例I3产生关联,将导致不一致。

(9) 需求要素之间的关系与所属的需求要素集的公理存在冲突。即:假设需求要素集a中有实例I1,需求要素集b中有实例I2,需求要素集a、b、c为完全不同的需求要素集,通过公理设定需求要素集a通过属性P1只能与需求要素集c相关联,那么实例I1通过属性P1与实例I2相关联,将导致不一致。

(10) 需求要素集之间的属性与需求要素之间的属性存在冲突。即:假设需求要素集a通过属性P1与需求要素集b相关联,实例I1属于需求要素集a,实例I2属于需求要素集b,那么实例I2与I1通过属性P1相关联,将导致不一致。

通过推理发现,对于不同类型的不一致需求有3种不同的显示状态。一是冗余的需求导致的不一致,不一致的需求要素集将在类层次结构中标红并在弹出的不一致窗口中显示,在军事信息系统情境计算需求一致性验证内容框架中,主要集中在数据内容一致性、资源信息一致性和功能冗余等方面;二是缺失的需求导致的不一致,不一致的需求要素集将在 “类描述视图”中被标注无实例,在军事信息系统情境计算需求一致性验证内容框架中,主要表现在数据格式一致性、协议一致性和功能缺失等方面;三是关系冲突导致的不一致,不一致的需求将在弹出不一致窗口中出现原因说明,在军事信息系统情境计算需求一致性验证内容框架中,主要表现在数据关系一致性、接口一致性和功能之间关系一致性等方面。

3.2 需求一致性推理结果分析

对于被标红的军事信息系统情境计算需求要素集,首先检查是否在“类描述视图”中标注无需求要素,如果被标注无需求要素应按照军事信息系统情境计算需求实际增加实例;如果未标注无实例,需要检查是否存在两个父需求要素集的情况,即“类描述视图”的“父类”中是否存在多个类,如果存在,按照实际情况进行删除或调整。对于弹出的不一致窗口,则应根据窗口说明的原因进行分析,对于数据属性赋值导致的不一致,应对赋值进行修改;对于需求要素关系导致的不一致,则根据实际情况对需求要素集、属性和需求要素进行修改直至运行推理机后无不一致窗口弹出。当推理至无窗口弹出并无标红时,表示军事信息系统情境计算需求中的不一致完全消除。

4 案例分析

基于情境的能力计算系统是为军事信息系统能够服务的情境计算系统,主要通过计算各类场景的能力属性,为军事信息服务活动的状态提供描述和改进优化支持。本节主要针对基于情境能力计算系统的需求进行一致性验证。案例验证中所使用的软件是protegé 5.5.0,推理机为Hermit推理机,Hermit推理机是由牛津大学计算机科学系信息系统组开发的一款最新的本体推理机,支持对象属性分类以及数据属性分类的推理任务,同时可以缩小推理模型的体积,提高推理效率。基于情境的能力计算系统的建设目标是通过数据管理、情境建模、用户分析和系统评价等功能,实现对高度复杂、难控的用户网络行为意向进行预测,其需求是典型的军事信息系统情境计算需求。基于前文提出的构建方法,按照不同人员类别的不同需求运用protegé进行本体构建,由于该需求本体类间层次关系及实例涉及的需求概念较多,本文只对部分需求要素集进行可视化展示,如图2所示。

图2 案例的需求要素集层次架构Fig.2 Hierarchy structure of requirement element set of case

运行推理机后发现需求不一致15处,软件中通过3种不同的显示方法进行不一致展示。

图3为缺失的需求导致的不一致,其含义为“基于信息分类的评价计算模型功能”需求要素集中无具体需求要素,这是根据推理规则第(2)条推理所得,应通过论证后对需求要素补充添加。

图3 需求要素集无实例Fig.3 Rrequirement element set without instance

图4表示冗余的需求导致的不一致,具体原因为需求要素集“系统-内容推荐消息处理业务时序”的父需求为“功能时序需求”和“功能性-功能实现需求”,由于“功能时序需求”的父需求为“功能性-信息交互需求”,且“功能性-功能实现需求”与“功能性-信息交互需求”是互斥关系的两个需求要素集,这是由推理规则第(3)条推理所得。根据实际取消两个需求要素集的互斥关系或从子需求中的父需求中删除其中一个父需求可消除不一致。

图4 一个子需求有两个不同的父需求Fig.4 A requirement element with two disjoint requirement element sets

图5为需求关系冲突导致的不一致。其中,第1个需求不一致表示属性“业务-系统”的特性为函数性,需求要素“业务单元-情境影响用户偏好”通过属性“业务-系统”分别与不同的需求要素“系统功能-用户偏好模型趋势分析”和 “系统功能-敏感词新建”产生关联,这与属性“业务-系统”的特性函数性冲突。这是根据推理规则第(8)条推理出的不一致。根据实际将“系统功能-敏感词新建”通过“业务-系统”属性产生的关联取消可以消除不一致。第2个需求不一致表示需求要素集“非功能性-互操作性需求”与需求要素集“功能性-情境计算需求”通过属性“提供接口”产生关联时运用了通用限制。需求要素集“非功能性-互操作性需求”的要素“信息资源数据管理接口”通过属性“提供接口”与需求要素“系统功能-信息资源数据导入”产生关联。需求要素“系统功能-信息资源数据导入”不属于需求要素集“功能性-情境计算需求”。因此,需求要素“信息资源数据管理接口”通过属性“提供接口”与需求要素“系统功能-信息资源数据导入”产生关联与所属的需求要素集设定的公理通用限制存在冲突。这是根据推理规则第(9)条推理出的不一致。根据实际解除需求要素“信息资源数据管理接口”通过属性“提供接口”与需求要素“系统功能-信息资源数据导入”的关联可消除不一致的需求。