体系的互操作等级评估方法

邱 凯，高岚岚，纪 坤

（军事科学院，北京 100091）

0 引言

体系是指由若干相互联系的子系统构成的一个有特定功能的有机整体［1］，例如网络信息体系、作战体系和武器装备体系等［2-4］。体系具有几个显著的特点：1）分布性，即构成体系的各个子系统可能分布在不同地方；2）独立性，即各个子系统具有各自的功能、相对独立；3）整体性，即所有子系统不是零散的，而是相互联系组成一个整体；4）涌现性，即体系的功能并不是各个子系统功能的线性叠加；5）演化性，即体系不是一成不变的，会随着外界环境和技术的发展而不断演化。虽然体系的各个子系统具有较强的分布性和独立性，但是它们组合在一起却构成了一个整体，而且具备涌现行为，能够不断演化发展，这就要求体系整体上具有较好的互操作性。互操作性可以理解为不同系统之间可以互相进行操作［5］，也就是说，互操作主要描述的是不同系统之间的协同情况，即系统之间能够交换并且利用对方的信息。随着科技的进步，越来越多的系统不再是一个孤立的单元，而是要融入相应的体系中，才能发挥更大的作用，因而互操作性也就变得越来越重要。

既然互操作性这么重要，那么又如何来度量互操作呢？由于系统的种类庞杂，类型不同，功能各异，目前还没有通用的方法能够对所有类型系统的互操作性进行度量，通常局限于某一领域或类型的系统。互操作性的度量有两个关键，一个是等级模型，另一个是评估方法。关于模型，美国国防部提出了信息系统互操作性等级模型LISI［6］，类似的还有组织互操作性成熟度模型OIM、层次化概念互操作模型LCIM、C3 技术体系结构互操作性参考模型NC3TA、增强型互操作成熟度模型等［7-10］。这些模型通常将系统的互操作性分为若干个等级，并通过一些关键属性来描述互操作性的等级效果。关于方法，李玮基于LISI 模型，给出了信息系统互操作指标体系基本框架，但是没有给出具体的等级评估方法［11］；张雪松从物理域、信息域、认知域、社会域4个角度构建了全域互操作模型［12］，将互操作能力等级分为7 级，度量了系统的联通性、传播性、一致性和适应性，但是没有说清楚互操作能力指标和互操作等级之间的关系；张劭阳提出了评价系统互操作的6 个指标——连接性、可用性、解析、传输、执行、反馈，但是没有给出具体的互操作水平评估方法［13］；夏伟针对网络化维修这一领域，基于LISI 模型构建了网络化维修信息系统互操作技术等级模型和互操作性指标体系，提出了基于BP 神经网络的评估方法［14］；李阳等基于增强型互操作成熟度模型，构建了网络信息体系的互操作指标体系，根据各属性指标的等级评价结果综合得出体系的互操作等级［15-16］。

总的来说，现有关于互操作评估的文献整体上有两个问题：1）大多数针对单个系统且仅给出了互操作等级模型，缺少评估方法；2）把体系当成一个整体看待时，没有考虑构成体系的各子系统独立运行和区域分布等特点。本文基于增强型互操作成熟度模型，构建了体系的互操作能力指标体系，通过定性分析与定量计算相结合，从单体系要素和体系要素间的互操作等级演化出体系的互操作等级。

1 互操作概念

互操作这一概念目前还没有统一的定义。美国国防部认为，互操作性是指不同的系统、单元或力量之间互相提供服务和接受服务并有效协同运作的能力，而IEEE 将互操作性定义为不同系统或要素之间交换信息和使用已交换信息的能力。这些定义主要是针对两个或多个系统之间的，互操作性是对不同系统之间协同运作能力的重要度量。由于体系是由多个相互联系的系统或要素组成的，所以对于一个体系而言，互操作性仍然是对体系进行评估的重要度量。体系的互操作性是指各体系要素之间交换信息并协同运作的能力，是对系统互操作概念的拓展。

1.1 互操作成熟度模型

要衡量系统或者体系的互操作性，需要先构建互操作成熟度模型。美国国防部1998 年提出的LISI非常具有代表性［6］。LISI 的目的是为国防部提供一个成熟度模型，根据相关的流程规范确定待开发信息系统的互操作需求，评估现有系统对需求的满足程度，并选择实用的方案提高系统的互操作等级。LISI 主要包括互操作成熟度模型、参考模型和能力模型等，其中LISI 互操作成熟度模型将系统的互操作性划分为5 个等级，LISI 参考模型通过规程、应用、基础设施和数据4 个属性来描述互操作性的5 个等级，LISI 能力模型将5 个等级又进行了细分，并且定义了在每一个子等级上各属性对应的能力阈值。

虽然LISI 的应用非常广泛，但是经过多年发展，特别是大数据、云计算等新技术大量融入信息系统，互操作的内涵有必要进行补充和完善，故曹江等在2015 年提出了增强型互操作成熟度模型［10］。增强型互操作成熟度模型将互操作划分为6 个等级，并通过结构、应用、设施、安全、运维和数据6 个属性来描述互操作等级，如下页表1 所示。和LISI相比，增强型互操作成熟度模型增加了安全和运维属性，这是因为随着技术进步和对抗加剧，安全和保密已经成为信息系统的重要组成部分，同时由于系统复杂化、体系化，运维也成为描述互操作性的关键一环。

表1 增强型互操作成熟度模型Table 1 The enhanced interoperability maturity model

1.2 互操作能力指标体系

增强型互操作成熟度模型虽然融合了LISI 互操作成熟度模型和LISI 参考模型，但是并没有和LISI 能力模型相对应的各评价属性的能力阈值，因而还不能直接用来对系统或体系的互操作性进行定量评估。为此本文在增强型互操作成熟度模型的基础上，构建体系的互操作能力指标体系如下页图1 所示。互操作能力包含6 个属性，用Ai表示；每个属性又包含若干能力指标或效果，用Ik表示。

图1 互操作能力指标体系Fig.1 Interoperability index system

互操作能力具有结构、应用、设施、安全、运维和数据6 个属性，每个属性都可以通过若干个能力指标或能力效果进行度量。图1 给出的是比较通用的能力指标/效果集合，在对具体的一个体系进行评估时，度量指标可能会有所不同，需要根据实际情况进行一定的调整。

1.3 体系互操作等级评估流程

针对某一具体的体系，例如网络信息体系、武器装备体系等，可以按照图2 所示的流程对互操作等级进行评估。

图2 体系互操作等级评估流程Fig.2 Evaluation process of the interoperability level of the system

评估过程分为4 个步骤：

1）确定属性对应的能力效果。体系由若干体系要素构成，针对每个体系要素，确定互操作能力6个属性的能力效果相关信息，用于后续计算。

2）计算单体系要素的互操作等级。对每一个体系要素，根据其能力效果等级和权重，通过能力效果等级初评、归一化、权重计算和频度分析，计算互操作等级。

3）计算体系要素间的互操作等级。对于每对体系要素，计算两者之间的互操作等级。

4）计算体系互操作等级。根据体系要素间的互操作等级，形成体系互操作图，计算体系的互操作等级。

2 单体系要素互操作等级评估

为了表述的准确性，对问题边界及涉及要素做出假设。互操作属性集合记为

互操作能力效果集合记为

其中，NA=6，NI与具体体系有关，本文NI=28。互操作能力有L（L=6）个等级，分别为等级0～5。单体系要素互操作等级评估过程如下页图3 所示，包括4 个步骤。

图3 单体系要素互操作等级评估过程Fig.3 Evaluation process of interoperability level of elements in a single system

2.1 能力效果等级初评

针对互操作能力效果集合中的每项能力效果Ik（k=1，2，…，NI），根据评估需要确定对各能力效果等级的要求，记为

满足

对每个能力效果，评估人员根据能力效果的度量方法和量纲，确定能力效果的等级初评分，这些值可以来自统计、仿真、专家评定等，用一个向量表示

满足

2.2 能力效果等级归一化

为了统一各能力效果的等级标准，需要对能力效果的等级初评分分别进行折算，例如将等级rk映射成L-1，得到归一化的能力效果等级向量，其中

2.3 能力效果权重计算

根据互操作能力、属性和能力效果之间的逻辑关系，首先确定互操作属性相对于互操作能力的重要度，其次确定能力效果相对于属性的重要度，最后通过综合得到能力效果对于互操作能力的全局权重，具体过程如下。

2.3.1 确定互操作属性相对于互操作能力的重要度

2.3.2 确定能力效果相对于属性的重要度

每项属性Ai对应一组能力效果，属性与能力效果之间的关联用矩阵表示。cik取值为5、3、1 时分别表示能力效果的重要度为极度重要、很重要和一般重要，4、2 介于上述三者之间，cik=0 表示能力效果与属性不相关，。

2.3.3 计算能力效果相对于互操作能力的全局权重

1）将能力效果Ik相对属性Ai的重要度cik归一化为

2）将属性Ai的重要度zi归一化为

3）计算能力效果Ik相对互操作能力的原始权重

归一化得到

2.4 能力效果等级频度分析

经过归一化后得到的能力效果等级存在非整数的情况，因此，在将能力效果等级向量U 转化为频度向量时，定义如下函数

能力效果等级频度向量V 反映了能力效果等级的总体分布情况，从中可以得到不同等级的能力效果的比例，选取占比最高的等级作为单体系要素互操作等级

3 体系要素间互操作等级评估

按照单体系要素互操作等级评估方法，分别确定每一个体系要素的互操作等级，然后对比每两个体系要素的互操作等级，其中，较低的等级就是两体系要素间互操作的期望等级，即

体系要素间的实际互操作等级可能会低于上述期望等级EAmn。例如，如果两要素的固有互操作等级都较高，但是两者之间的通信协议不兼容，那么就会降低实际的互操作等级。因此，在能够获得两要素的具体情况下，需要根据实际情况对EAmn进行修正。体系要素间的互操作等级矩阵为

其中，EAmn表示体系要素m 和n 之间的互操作等级；对角线上的元素EAnn=EAn，表示要素n 的固有互操作等级。

4 体系的互操作等级评估

如果把体系中的每一个要素看成一个节点，各体系要素间由边连接，就可以通过互操作等级矩阵构造出一个体系的互操作图，如图4所示。其中，X 是节点集，MEA是图的邻接矩阵，也可称为边权重矩阵。

图4 体系互操作图Fig.4 Diagramof the interoperability of the system

如果两个体系要素之间的互操作等级EAmn＜L-1，可能是两要素间的互操作等级偏低，没有达到理想值；也有可能是这两个要素之间本来就不需要太高的互操作等级，即其理想互操作等级EImn＜L-1，甚至还存在EImn=0，即这两个要素之间不需要互操作。因此，需要先根据体系的顶层设计确定体系要素间的理想互操作等级EImn，然后根据EImn对EAmn进行如下的归一化处理

5 结论

现有关于互操作评估的文献大多是针对单个系统考虑的，且没有给出具体的互操作等级评估方法，或者把体系当成一个整体看待，而没有考虑构成体系的各系统独立运行和区域分布等特点的问题，本文在增强型互操作成熟度模型的基础上，构建了体系的互操作能力指标体系，采取先分解再综合的思路，将体系分解为若干个体系要素，通过确定属性对应的能力效果、计算单个体系要素的互操作等级、计算体系要素间的互操作等级等步骤，最终构建体系互操作图并得到体系的互操作等级。