韓化冰, 楊凡德, 陳 光, 白曉穎

(1.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,北京100084; 2.66072部隊(duì); 3.裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室,北京101416)

一種信息系統(tǒng)互操作性量化評(píng)估方法

韓化冰1,2, 楊凡德3, 陳 光1, 白曉穎1

(1.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,北京100084; 2.66072部隊(duì); 3.裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室,北京101416)

針對(duì)信息系統(tǒng)互操作性評(píng)估問(wèn)題,基于層次分析法和網(wǎng)絡(luò)層次分析法提出一種定量評(píng)估方法。在構(gòu)建包括目標(biāo)層、屬性層、子級(jí)層、性能指標(biāo)層4個(gè)層次劃分的互操作模型的基礎(chǔ)上,利用層次分析法計(jì)算子級(jí)權(quán)重,利用網(wǎng)絡(luò)層次分析法進(jìn)行綜合計(jì)算,并驗(yàn)證了該方法的可行性。

互操作性;層次分析法;網(wǎng)絡(luò)層次分析法;定量評(píng)估

信息系統(tǒng)互操作性是指2個(gè)或2個(gè)以上系統(tǒng)或應(yīng)用之間交換信息并相互利用所交換信息的能力[1]1。隨著信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,諸如網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、數(shù)據(jù)格式?jīng)_突,接口不兼容等互操作性問(wèn)題越來(lái)越突出,導(dǎo)致信息系統(tǒng)間難以共享數(shù)據(jù)和協(xié)同工作。因此,如何評(píng)估和提高信息系統(tǒng)互操作性成為信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。目前為止,相關(guān)部門(mén)和研究機(jī)構(gòu)提出了多種評(píng)估模型[2-8]對(duì)互操作性進(jìn)行評(píng)估。具有代表意義的評(píng)估模型包括：①信息系統(tǒng)互操作性等級(jí)模型[2]30(LISI),該模型把互操作性劃分為——隔離級(jí)、連接級(jí)、功能級(jí)、領(lǐng)域級(jí)和跨域級(jí);② 概念互操作性等級(jí)模型[3](levels of conceptual interoperability model,LCIM),該模型中互操作能力定義為7個(gè)層次——無(wú)互操作性、技術(shù)級(jí)、語(yǔ)法級(jí)、語(yǔ)義級(jí)、應(yīng)用級(jí)、動(dòng)態(tài)級(jí)、概念級(jí);③ 面向互操作性的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)參考模型[4](NATO C3 technical architecture,NC3TA),該模型中互操作性定義為5個(gè)級(jí)別——無(wú)數(shù)據(jù)交換、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交換、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交換、無(wú)縫數(shù)據(jù)共享、無(wú)縫信息共享。上述模型從定性的角度評(píng)估互操作性,但是在工程實(shí)踐方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前,從定量角度評(píng)估的模型方法包括空間向量法[5]、互操作積分法[6]等?？臻g向量法中把互操作性定義為多維空間2點(diǎn)間距離,每個(gè)互操作特征代表一個(gè)空間維度,通過(guò)計(jì)算空間維度差的算術(shù)平均值來(lái)度量互操作性,該方法由于無(wú)法給出特征維度的差值,因此可操作性較差。互操作積分法,通過(guò)定義互操作“自旋”和過(guò)程模型來(lái)評(píng)估互操作性,而過(guò)程模型隨信息系統(tǒng)的變化而變化,不具備普適性,應(yīng)用較為不便。因此,互操作性定量評(píng)估缺乏具體有效的評(píng)估方法,具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文主要做了以下：① 基于信息系統(tǒng)互操作性等級(jí)模型,建立了互操作性評(píng)估層次模型;② 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)層次分析法,提出一種互操作性定量評(píng)估方法,并進(jìn)行了案例分析。

1 互操作性評(píng)估層次模型

互操作性評(píng)估層次模型是在LISI標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立的方法模型。其中,LISI成熟度模型[2]30根據(jù)分布環(huán)境,把互操作性定義為5個(gè)等級(jí)：隔離級(jí)、連接級(jí)、功能級(jí)、領(lǐng)域級(jí)和企業(yè)級(jí),每個(gè)等級(jí)又分為若干子級(jí);LISI參考模型[2]43依據(jù)信息、服務(wù)交互的要求和特征差異定義了4類(lèi)互操作性屬性,即規(guī)程(P)、應(yīng)用(A)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(I)和數(shù)據(jù)(D)。規(guī)程屬性包括與標(biāo)準(zhǔn)、安全策略、管理和操作方面有關(guān)互操作的定義和要求,應(yīng)用屬性則包括信息系統(tǒng)之間的功能交互要求,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)屬性描述了信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩胶图軜?gòu)特點(diǎn),數(shù)據(jù)屬性的互操作性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)類(lèi)型、格式和數(shù)據(jù)語(yǔ)義的一致性方面。LISI在綜合了成熟度模型和參考模型的劃分方法后給出信息系統(tǒng)互操作性能力模型[2]54。

本文基于LISI能力模型,采用層次分析法[9]121構(gòu)造信息系統(tǒng)互操作性評(píng)估層次模型,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)互操作性層次模型

該層次模型共分為4層,分別為目標(biāo)層、屬性層、子級(jí)層、性能指標(biāo)層。

1)目標(biāo)層：互操作性(interoperability);

2)屬性層：規(guī)程(P)、應(yīng)用(A)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(I)、數(shù)據(jù)(D);

3)子級(jí)層：{PiAiIiDi},每一個(gè)元素代表能力模型中的相應(yīng)子級(jí);

4)性能指標(biāo)層：{PijAijIijDij},每一個(gè)元素代表相應(yīng)子級(jí)中的不同的性能指標(biāo)。

2 互操作性量化評(píng)估

2.1 子級(jí)權(quán)重計(jì)算

子級(jí)權(quán)重計(jì)算包括子級(jí)層和性能指標(biāo)層元素的權(quán)重向量計(jì)算。例如規(guī)程屬性,包括10個(gè)子級(jí),即{P1P2…P10},首先根據(jù)層次分析法構(gòu)造子級(jí)與子級(jí)兩兩對(duì)比的判斷矩陣WP,如式(1)所示,其中wij表示2個(gè)子級(jí)間的權(quán)重關(guān)系,根據(jù)目標(biāo)相對(duì)重要性等級(jí)表[10]進(jìn)行定義。能力模型中子級(jí)層次越高,則其表現(xiàn)的互操作性也就越強(qiáng),因此在定義子級(jí)層子級(jí)間的權(quán)重關(guān)系時(shí),應(yīng)該滿(mǎn)足高子級(jí)權(quán)重大于低子級(jí)權(quán)重。因此,規(guī)程屬性子級(jí)的歸一化權(quán)重向量WP應(yīng)有WP1＜WP2＜WP3＜…＜WP10。

其次,用幾何平均法求歸一化權(quán)重向量WP。先計(jì)算WP的列向量的幾何平均值,然后進(jìn)行歸一化,得到規(guī)程屬性子級(jí)的歸一化權(quán)重向量,如式(2)、式(3)所示,wi表示W(wǎng)P中第i個(gè)子級(jí)的權(quán)重。

然后計(jì)算WP的最大特征根λmax,計(jì)算方法如式(4)所示。

最后,通過(guò)W的最大特征根λ[9]131-132對(duì)

PmaxWP進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。即比較WP最大特征根λmax與WP的臨界值特征根λ′max的大小,其中λ′max由表1根據(jù)WP的階數(shù)來(lái)定義。如果λmax＜λ′max,則WP成立,否則需要重新更正WP中的權(quán)重關(guān)系,直到令λmax＜λ′max,此時(shí)求得的目標(biāo)權(quán)重向量接近實(shí)際權(quán)重向量。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)[9]131-132

2.2 綜合權(quán)重計(jì)算

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)[11]是T.L.Saaty教授于1996年提出,用以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的決策科學(xué)方法。ANP的優(yōu)勢(shì)是允許決策者考慮復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中各部分的相互作用,符合現(xiàn)實(shí)生活中決策問(wèn)題的實(shí)際過(guò)程。ANP最主要的工作是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)層,它反映元素組內(nèi)各元素或者元素組間的相互關(guān)系。本文在綜合權(quán)重計(jì)算中引入ANP對(duì)系統(tǒng)互操作性能力進(jìn)行分析,建立模型如圖2所示。

圖2 信息系統(tǒng)互操作性評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

該網(wǎng)絡(luò)層次模型網(wǎng)絡(luò)層中,定義了2個(gè)相互作用的元素組,分別是屬性元素組CE和系統(tǒng)元素組CS,CE元素組包括規(guī)程(P)、應(yīng)用(A)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(I)、數(shù)據(jù)(D)4個(gè)元素,CS系統(tǒng)元素組包括系統(tǒng)1,系統(tǒng)2,…,系統(tǒng)N。在評(píng)估過(guò)程中,不僅考慮CE對(duì)于CS的影響,而且考慮CS對(duì)于CE的反饋?zhàn)饔?既衡量基于不同屬性各系統(tǒng)互操作性的相對(duì)權(quán)重,同時(shí)衡量基于不同系統(tǒng)的互操作實(shí)現(xiàn)情況,各個(gè)屬性間的相對(duì)權(quán)重。

2.2.2 計(jì)算步驟

權(quán)重綜合計(jì)算是基于網(wǎng)絡(luò)層次法進(jìn)行的,流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)互操作性決策流程圖

式中：T={TP,TA,TI,TD}表示對(duì)應(yīng)的互操作屬性(P、A、I、D);i表示屬性子級(jí)序數(shù);yj表示子級(jí)中性能指標(biāo)序數(shù);l、r根據(jù)屬性定義而定;θij用來(lái)判定系統(tǒng)是否滿(mǎn)足相應(yīng)互操作性能指標(biāo),滿(mǎn)足時(shí)θij為“1”,否則為“0”。

然后根據(jù)屬性權(quán)重矩陣構(gòu)造基于各個(gè)屬性的系統(tǒng)間兩兩判斷矩陣和基于評(píng)估系統(tǒng)的屬性間兩兩判斷矩陣(注：由于判斷矩陣中的權(quán)重比由屬性權(quán)重矩陣中具體數(shù)值定義,判斷矩陣不會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng),因此可以忽略一致性檢驗(yàn)),計(jì)算后得到各矩陣的歸一化特征向量,構(gòu)造超矩陣,最后得到評(píng)估結(jié)果,判斷最優(yōu)互操作性系統(tǒng)。

1)構(gòu)造判斷矩陣。以CE中的元素依次為準(zhǔn)則,構(gòu)造判斷矩陣,即分別基于P、A、I、D 4個(gè)屬性,兩兩比較CS中的元素權(quán)重,得到CE對(duì)CS的歸一化影響矩陣W21,其列向量表示系統(tǒng)間基于某個(gè)屬性的權(quán)重比例關(guān)系。反之,得到CS對(duì)CE的歸一化反饋影響矩陣W12,其列向量表示基于系統(tǒng)的屬性權(quán)重向量,如式(6)所示。

其中,子級(jí)權(quán)重和指標(biāo)權(quán)重由層次分析法求得,與被評(píng)估系統(tǒng)無(wú)關(guān);0-1矩陣代表被評(píng)估系統(tǒng)的互操作實(shí)現(xiàn)情況,三者結(jié)合共同決定系統(tǒng)互操作性屬性權(quán)重量化結(jié)果WT,如式(5)所示。

2)構(gòu)造未加權(quán)超矩陣。未加權(quán)超矩陣由網(wǎng)絡(luò)層所有元素組及其元素的權(quán)重排序向量聯(lián)合構(gòu)成。歸一化特征向量矩陣W*ij為超矩陣W的子塊。超矩陣W*表達(dá)式為

3)確定元素組權(quán)重。CE以及CS內(nèi)部元素之間相互獨(dú)立,互不影響,所以W11及W22均為0。則元素組歸一化排序向量組成的元素組權(quán)重矩陣為

4)加權(quán)超矩陣。加權(quán)超矩陣的表達(dá)式為

5)穩(wěn)定處理。在此使用冪法,求超矩陣的n次方,當(dāng)矩陣中列向量不變時(shí)即可。通過(guò)穩(wěn)定處理后,得到極限超矩陣,決定被測(cè)系統(tǒng)互操作性性能比較關(guān)系和各屬性對(duì)于判斷結(jié)果的影響權(quán)重。

3 實(shí)例分析

本文結(jié)合互操作性量化評(píng)估方法給出以下實(shí)例分析。被評(píng)估的目標(biāo)系統(tǒng)分別為S1、S2、S3,且系統(tǒng)屬性均達(dá)到LISI能力模型中的3c等級(jí)。首先通過(guò)層次分析法計(jì)算子級(jí)權(quán)重和性能指標(biāo)權(quán)重。如表2所示,P、A、I、D屬性的層次權(quán)重向量依次為WP、WA、WI和WD,分別代表屬性中相應(yīng)子級(jí)的權(quán)重向量,子級(jí)越高,則權(quán)重越大。

其中，F(xiàn)t,t+n是在t+n到期的期貨合約在時(shí)期t的價(jià)格，st,t+n為時(shí)期t+n的現(xiàn)貨價(jià)格，Φt是時(shí)期t的信息集，Et為時(shí)期t的信息集下的條件期望。上式意味著：在給定的t時(shí)信息集下，t+n到期的期貨合約在t時(shí)的價(jià)格是t+n時(shí)現(xiàn)貨價(jià)格st,t+n的無(wú)偏估計(jì)。隨著時(shí)間的推移，新信息不斷累積并增加到已有的信息集合中。T時(shí)期的信息集于是包含所有隨后的信息集，就是說(shuō)對(duì)于所有的時(shí)期t，當(dāng)τ≥0時(shí)，有Φt+τ ≥Φt，考慮兩個(gè)不同時(shí)期但到期日相同的期貨價(jià)格Ft,T和Ft+τ,,T(T代表到期日)，如果市場(chǎng)是有效的，則有：

表2 子級(jí)權(quán)重向量表

表2說(shuō)明如下：

1)P、A、I、D各屬性子級(jí)的性能指標(biāo)參照文獻(xiàn)[1]中表2及附錄A所列,并組成本屬性性能指標(biāo)矩陣,例如P51表示P屬性的第5子級(jí)的第一個(gè)性能指標(biāo),以此類(lèi)推;

2)根據(jù)層次分析法取得指標(biāo)層權(quán)重向量矩陣,確定性能指標(biāo)在該子級(jí)中的權(quán)重;

3)對(duì)照上述性能指標(biāo)描述S1、S2、S3互操作性的實(shí)現(xiàn)情況,如果滿(mǎn)足相應(yīng)性能指標(biāo),元素定義為“1”,否則定義為“0”。

現(xiàn)由S1、S2、S3的互操作性實(shí)現(xiàn)情況得到其屬性互操作性0-1矩陣(表示略)。由圖3所示,系統(tǒng)互操作性屬性權(quán)重矩陣由子級(jí)權(quán)重向量、指標(biāo)層權(quán)重矩陣和系統(tǒng)0-1矩陣共同決定,并根據(jù)式(5)計(jì)算得到。因此,系統(tǒng)S1、S2、S3的互操作性屬性權(quán)重矩陣如式(10)所示,對(duì)應(yīng)值表示該系統(tǒng)相關(guān)屬性的實(shí)現(xiàn)權(quán)重。

式(11)～式(14)表示基于屬性元素,系統(tǒng)之間的成對(duì)判斷矩陣,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到系統(tǒng)元素的歸一化權(quán)重向量VS。

式(15)～式(17)表示基于系統(tǒng)元素的屬性間成對(duì)判斷矩陣,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到屬性元素的歸一化權(quán)重向量VE。

1)基于規(guī)程屬性(P)的系統(tǒng)間的成對(duì)判斷矩陣

3)基于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)屬性(I)的系統(tǒng)間的成對(duì)判斷矩陣

4)基于數(shù)據(jù)屬性(D)的系統(tǒng)間的成對(duì)判斷矩陣

5)基于“S1”的屬性間的成對(duì)判斷矩陣

6)基于“S2”的屬性間的成對(duì)判斷矩陣

7)基于“S3”的屬性間的成對(duì)判斷矩陣

由上述矩陣中的特征向量構(gòu)成初級(jí)超矩陣,如式(18)所示。

以上初始超矩陣W*分為4個(gè)元素組,由于CE和CS中內(nèi)部元素互相獨(dú)立,互不影響,所以w*11和w*22子塊為零矩陣。結(jié)合式(8)和式(9)得到本實(shí)例加權(quán)矩陣。然后對(duì)加權(quán)超矩陣進(jìn)行穩(wěn)定處理,在此對(duì)其自乘5次(自乘次數(shù)可自行決定,當(dāng)矩陣中各列向量保持不變),得到穩(wěn)定的極限超矩陣,如式(19)所示。

根據(jù)式(19)中的計(jì)算結(jié)果,得到系統(tǒng)S1、S2、 S3之間的互操作能力比較結(jié)果為

各屬性影響權(quán)重：WI＞W(wǎng)D＞W(wǎng)A＞W(wǎng)P。因此,在進(jìn)行系統(tǒng)互操作性決策中,采用互操作性量化評(píng)估方法對(duì)多目標(biāo)的屬性的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際評(píng)估,可以較為容易得到宏觀(guān)的其有實(shí)際意義的判斷結(jié)果。在本實(shí)例中,應(yīng)選擇S1作為最佳互操作性信息系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出互操作性評(píng)估層次模型,并定義了目標(biāo)層、屬性層、子級(jí)層、性能指標(biāo)層的層次結(jié)構(gòu)。并結(jié)合層次分析法和網(wǎng)絡(luò)層次分析法給出定量評(píng)估信息系統(tǒng)互操作性的理論方法。然后按照上述算法給出驗(yàn)證案例,說(shuō)明該算法的有效性和實(shí)用價(jià)值。目前,已知的大多數(shù)互操作性評(píng)估框架很難直接應(yīng)用于信息系統(tǒng)互操作性定量評(píng)估過(guò)程,本研究作為一個(gè)早期的嘗試,通過(guò)劃分互操作性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu),定義和計(jì)算信息系統(tǒng)中互操作性能指標(biāo)的權(quán)重,實(shí)現(xiàn)了從定性評(píng)估到定量評(píng)估的過(guò)度。未來(lái)的研究工作包括細(xì)化性能指標(biāo)體系以及應(yīng)用推廣等等。

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(編輯：李江濤)

An Approach for Quantitative Assessment of Interoperability of Information Systems

HAN Huabing1,2, YANG Fande3, CHEN Guang1, BAI Xiaoying1

(1.Department of Computer Science and Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;
2.66072 Troops,China; 3.Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

The paper proposes quantitative approach for evaluating the interoperability of information systems based on analytic hierarchical process(AHP)and analytic network process(ANP) methods.It uses levels of information systems interoperability(LISI)standard to construct a hierarchical interoperability model including four levels of goals,attributes,sub-level,and indexes.It calculates the weights at two levels of sub-level and indexes following AHP,and the comprehensive weights following ANP.A case study is exercised to illustrate the proposed approach.

interoperability;analytic hierarchical process(AHP);analytic network process (ANP);quantitative assessment

TP 311.5

2095-3828(2014)02-0118-06

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.027

2013-04-19

部委級(jí)資助項(xiàng)目

韓化冰(1983-),男,碩士研究生.主要研究方向：軟件工程.hh4094408@163.com.