余戌曈 吳 玲 盧發(fā)興

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

?

服務化艦載指控系統(tǒng)中服務的匹配與組合*

余戌曈 吳 玲 盧發(fā)興

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

服務的檢索匹配和組合優(yōu)化是服務化指控系統(tǒng)中服務組織的關(guān)鍵技術(shù)。從服務種類與服務粒度兩方面進行服務的劃分建模,結(jié)合指控系統(tǒng)的特點分析了現(xiàn)有服務檢索匹配的主要技術(shù)與服務組合優(yōu)化的模式;提出采用刻面與屬性值相結(jié)合的方法實現(xiàn)服務化指控系統(tǒng)的服務檢索匹配,并采用半固定組合模式分成組合策劃與優(yōu)化選擇兩個階段實現(xiàn)服務組合優(yōu)化,從而提供了服務化指控系統(tǒng)實現(xiàn)的一種可行途徑。

服務化; 艦載指控系統(tǒng); 服務匹配; 服務組合

Class Number TP393

1 引言

隨著新的作戰(zhàn)思想、概念和技術(shù)的發(fā)展,未來海戰(zhàn)強調(diào)作戰(zhàn)單元間的廣泛、深入和高效的協(xié)同作戰(zhàn)能力,服務化指控系統(tǒng)正在逐漸改變指揮控制的實現(xiàn)方式,它打破傳統(tǒng)的指揮控制層次結(jié)構(gòu),建立以網(wǎng)絡為中心的開放、靈活的指揮控制體系。服務化指揮控制系統(tǒng)將指揮控制流程中的各個功能映射為服務,功能執(zhí)行單元映射為服務提供者;通過建立可用服務集合,并針對具體任務通過服務的檢索、匹配、組合與優(yōu)化,將多個可能位于不同平臺的指控業(yè)務服務提供單元進行跨平臺動態(tài)靈活組合,最終形成完整的任務執(zhí)行流程,從而使服務化的指揮控制具有面向任務的靈活性和資源的高度利用等特點。

目前,面向服務技術(shù)在指揮控制系統(tǒng)的研究主要體現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)框架[1～4],系統(tǒng)構(gòu)造集成[5～6]和底層實現(xiàn)技術(shù)[7～8]等方面,對系統(tǒng)應用層中服務組織的研究較少。文獻[9]闡明了對服務的組織過程,但未具體闡述其實現(xiàn)技術(shù)。本文圍繞艦艇服務化指揮控制系統(tǒng)的特點,對艦載指控系統(tǒng)服務的劃分建模、指控業(yè)務服務檢索匹配和組合優(yōu)化的主要技術(shù)進行研究。

2 艦載指控系統(tǒng)服務劃分建模

艦載指控系統(tǒng)由多個異構(gòu)的分系統(tǒng)組成,如傳感器系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)。各個分系統(tǒng)可提供相應功能,承擔相應任務。實現(xiàn)服務化指控系統(tǒng)的首要任務是將各個功能進行封裝,形成服務集合。服務劃分建模的有效性制約著系統(tǒng)運行的效率,其中關(guān)鍵是對服務的種類和粒度的劃分。

· 服務種類:艦載指控系統(tǒng)提供了如包含艦艇作戰(zhàn)的作戰(zhàn)服務和包含一般信息系統(tǒng)的通用服務等。這些服務的通用性大不相同,對網(wǎng)絡環(huán)境和實時性的要求差異也較大。將各服務進行歸類,那些私有性較強的服務應定為專屬服務,那些被頻繁調(diào)用且支持其他服務運行的服務應定為通用服務。

如圖1所示,艦載指控系統(tǒng)的服務可分為四大類:支撐服務、過程管理服務、指控基礎服務和指控業(yè)務服務。支撐服務類是為系統(tǒng)運行提供支持的基礎服務。過程管理服務類是對各服務全生命周期進行監(jiān)控,保證所有服務有序高效的調(diào)用。指控基礎服務類是為艦艇指揮與控制提供相關(guān)基礎保障服務。指控業(yè)務服務類是為完成艦艇作戰(zhàn)使命提供作戰(zhàn)應用業(yè)務功能的服務,也是最為重要的一類服務。

圖1 指控系統(tǒng)服務分類

· 服務粒度:服務粒度的設定是影響服務化指控系統(tǒng)運行的性能的重要因素。服務粒度的設置可大可小,理論上大粒度的服務劃分,對系統(tǒng)的實現(xiàn)較為容易,但服務內(nèi)部的功能仍是緊耦合,運作不夠靈活;小粒度的服務劃分提高了服務的通用性和復用性,但會造成大型系統(tǒng)的服務數(shù)量成指數(shù)式增長。因此服務的粒度設定須合適,既能滿足系統(tǒng)隨需應變、柔性重組的要求,又能滿足指控系統(tǒng)的對系統(tǒng)反應時間和網(wǎng)絡時延要求。

3 指控業(yè)務服務檢索匹配

擁有大量指控業(yè)務服務的作戰(zhàn)網(wǎng)絡必須以一種易于分類管理而又方便檢索的機制來管理服務。服務匹配是系統(tǒng)根據(jù)用戶提交的服務請求,在大量備選服務中準確迅速地篩選出滿足需求的服務。服務檢索匹配方法大致分為基于關(guān)鍵字匹配[10～12]、基于屬性值匹配[13]、基于刻面分類匹配[14～17]、基于本體語義匹配[18～21]等。

· 基于關(guān)鍵詞的服務匹配:利用若干關(guān)鍵詞來揭示服務的語義。服務的匹配就轉(zhuǎn)化為一個或多個關(guān)鍵詞組成服務描述與服務請求之間的匹配。該匹配方法的優(yōu)點是提取算法簡單、快捷、實現(xiàn)相對容易,缺點是不能有效表達關(guān)鍵字間的語義信息,導致匹配效率有限。

· 基于屬性值的服務匹配:將服務描述分成幾個屬性,每個屬性在描述服務時被賦予具體的關(guān)鍵詞或特定的屬性值,服務的匹配是對各個服務描述的屬性進行匹配,從而提高匹配能力,但仍然有局限性。

· 基于刻面分類的服務匹配:服務描述由一組描述服務本質(zhì)特征的刻面(facet)所組成。每個刻面從不同的視角對服務進行精確的分類。每個刻面具有一組術(shù)語(關(guān)鍵詞),術(shù)語之間具有一般特殊關(guān)系而形成結(jié)構(gòu)化的術(shù)語空間,術(shù)語僅限在給定的刻面之中取值?？堂嫫ヅ鋸娜舾刹煌木S度對復雜對象的描述進行匹配,具有屬性值匹配和關(guān)鍵詞匹配方法的優(yōu)點。

· 基于本體語義的服務匹配:引入本體的概念,定義了一套通用的屬性來描述服務的非功能性特征和功能性特征,為服務的整體描述提供了一個粗略的框架結(jié)構(gòu),在語義和知識層次上進行匹配。然而不足的是,高度概括性和一般性使得服務的很多屬性類型都沒有具體定義,很難對兩個服務描述進行比較,其本體描述和邏輯推理較為復雜,造成了匹配效率低下。

目前在服務匹配的研究應用領(lǐng)域使用最多的是基于本體的語義Web服務發(fā)現(xiàn)與匹配技術(shù),原因在于Web服務數(shù)量極其龐大,且各個廠商按照各自需求進行開發(fā)導致Web服務種類繁多,因此基于本體語義的服務發(fā)現(xiàn)匹配技術(shù)能使用戶很好地理解服務的信息。但指控業(yè)務服務由于其特殊性,在總量、種類上與Web服務相比都小得多,但其主要特點是要求用戶必須精確快速地發(fā)現(xiàn)匹配所需服務,因此基于本體語義的服務描述過于復雜,不適合在指控業(yè)務服務中應用。指控業(yè)務服務的檢索匹配可以采用刻面方法與屬性值方法相結(jié)合。

刻面是根據(jù)用戶在檢索匹配服務時感興趣的服務分類屬性來確定,略去次要信息,提高匹配效率。另外各個刻面的術(shù)語空間是一個有限不定集合,即一個服務的加入,描述它的術(shù)語應選擇術(shù)語空間中已有的術(shù)語或是添加新的術(shù)語來擴展術(shù)語空間,實現(xiàn)了服務的精確匹配。另外,服務的刻面與術(shù)語在隨著更多新的指控業(yè)務服務的加入而不斷完善,艦載指控業(yè)務服務可簡單的刻面分類成如圖2所示。

圖2 艦載指控業(yè)務服務刻面分類

屬性值的匹配是將指控業(yè)務服務相關(guān)戰(zhàn)技術(shù)性能參數(shù)進行匹配,是對刻面匹配的補充,是指控業(yè)務服務在類別上匹配成功的基礎上,在性能參數(shù)上匹配成功。

指控業(yè)務服務檢索匹配采用上述方法,有三個基本問題需要解決: 1) 服務描述刻面的選取; 2) 服務刻面下術(shù)語的選取; 3) 服務的屬性參數(shù)選取。解決了上述三個問題,則經(jīng)過服務檢索匹配得到的服務集合即是可以滿足用戶需求的服務集合。

4 指控業(yè)務服務組合優(yōu)化

作戰(zhàn)需求通常復雜多變,單個指控業(yè)務服務是無法滿足作戰(zhàn)需求的,只有組合多個指控業(yè)務服務共同協(xié)作,才能完成特定的作戰(zhàn)任務。這種組合的結(jié)果往往表現(xiàn)為一個自動執(zhí)行的處理流程,需要去協(xié)調(diào)一個流程中服務調(diào)用的順序、對服務之間的數(shù)據(jù)流進行管理等,并且需要提供有效性、可靠性和可持續(xù)性的支持。

服務組合優(yōu)化機制可分探測性組合(Explorative Composition)、半固定組合(Semi-fixed Composition)和固定組合(Fixed Composition)三類[22～23]。在探測性組合中,服務組合的計劃是服務中介根據(jù)用戶需求動態(tài)生成的。用戶首先提交對所需服務的要求,服務中介根據(jù)當前需求信息實時進行服務組合優(yōu)化。該類型的服務組合的特點是服務組合即時構(gòu)造,系統(tǒng)靈活性更高,但需要動態(tài)構(gòu)筑組合服務和綁定服務,運算規(guī)模與復雜度明顯提高。半固定組合中,代表組合服務結(jié)構(gòu)的組合定義是固定的,只是具體的服務綁定在運行階段完成。系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求從已有模板庫中選擇某個模板或某些模版來組合服務,雖然系統(tǒng)受限于模板庫的規(guī)模,但運算量大大減少。在固定組合中,組合定義中組合服務的結(jié)構(gòu)以及具體服務都是固定,該類型組合實現(xiàn)較簡單,但靈活性不夠。

由于服務化指控系統(tǒng)強實時性的特點,服務組合優(yōu)化更多的應采用半固定組合方式。半固定組合方式將服務組合優(yōu)化流程分成組合策劃和優(yōu)化選擇兩個階段[24]。

指控業(yè)務服務的組合策劃階段一般是戰(zhàn)前由設計人員在設計時完成。設計人員根據(jù)武器裝備運用流程和交互協(xié)議,制定可行的服務組合策略方案,建立組合方案庫,一般步驟[25]是:

1)一個滿足作戰(zhàn)需求的服務,其輸入數(shù)據(jù)用戶無法滿足,則該服務為目標服務。然后去發(fā)現(xiàn)一個或多個中間服務,使得該中間服務的輸出數(shù)據(jù)與目標服務的輸入數(shù)據(jù)相匹配。

2)如果對于找到的中間服務仍存在無法滿足的輸入,則以該中間服務為目標服務,繼續(xù)查找與輸出數(shù)據(jù)之相匹配的中間服務。

3)不斷重復上述步驟,直到找到一組中間服務,這組服務中的所有輸入數(shù)據(jù)用戶都可滿足。

完成組合策劃階段后,會產(chǎn)生能完成相同作戰(zhàn)任務的服務往往有多種服務組合方式的情況,這就要求在戰(zhàn)時根據(jù)當前條件,選擇出優(yōu)化的服務組合,即優(yōu)化選擇階段。

抽象服務表示一類具體服務,動態(tài)服務組合中,組合方案生成階段僅僅生成一套“抽象服務”的執(zhí)行序列,只有到組合方案執(zhí)行階段,合適的“具體服務”才會綁定上去[26],如圖3所示。

圖3 服務的優(yōu)化選擇

指控業(yè)務服務QoS度量可分為戰(zhàn)術(shù)指標與技術(shù)指標,以對空作戰(zhàn)為例,戰(zhàn)術(shù)指標可為毀傷效能、完成時間、資源消耗量等,技術(shù)指標可為服務網(wǎng)絡延遲、帶寬、響應時間等。

根據(jù)子服務的實時性能參數(shù)對所合成的服務進行優(yōu)化,因此服務優(yōu)化選擇就轉(zhuǎn)化為以QoS度量為目標函數(shù)的組合最優(yōu)化問題。該類問題的解決可用傳統(tǒng)經(jīng)典算法與現(xiàn)代智能算法兩類算法。傳統(tǒng)經(jīng)典算法中可采用啟發(fā)式算法來獲得滿意解,具有算法復雜性低、求解速度快的優(yōu)點,而智能算法可采用模擬退火算法[27～28]、蟻群算法[29～30]、遺傳算法[31～32]、禁忌算法[33]、粒子群算法[34～35]等,以獲得問題的最優(yōu)解。

5 結(jié)語

服務化指控系統(tǒng)是未來指控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,是實現(xiàn)編隊指控一體化的必經(jīng)之路。目前服務化指控系統(tǒng)的研究尚處探索階段,仍有許多觀點和技術(shù)尚未成熟。指控業(yè)務的組織調(diào)用是服務化指控系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題,本文僅對服務化指控系統(tǒng)中服務在劃分建模、檢索匹配、組合優(yōu)化的主要技術(shù)進行了簡要分析,下一步還將深入研究各相關(guān)技術(shù)的具體實現(xiàn)。

[1] 郭勇.構(gòu)建面向服務(SOA)的軍事信息系統(tǒng)[J].艦船電子工程,2010,30(9):5-9.

[2] 金欣,閆晶晶,趙克儉.面向聯(lián)合作戰(zhàn)的服務化指控系統(tǒng)軟件架構(gòu)研究[C]//北京:第二屆中國指揮控制大會論文集,2014:107-111.

[3] 王珩,黃松華,易侃.指揮控制服務交互方法研究[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2010,1(3):30-35.

[4] 趙恒,王振宇.SOA在海戰(zhàn)場綜合電子信息系統(tǒng)中應用的構(gòu)想[J].艦船科學技術(shù),2006,28(6):17-21.

[5] 黃坤,石朝明,董曉明.面向服務的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)集成框架研究與原理驗證[J].中國艦船研究,2013,8(2):1-5.

[6] 鄭文恩,劉劍,肖明彥.面向服務架構(gòu)的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機仿真,2014,31(5):4-8.

[7] 安儒奎,邢昌風,吳玲.面向服務的C2系統(tǒng)集成實現(xiàn)方式比較[J].計算機與數(shù)字工程,2014,42(9):1657-1662.

[8] 周曉明,初寧.指揮控制系統(tǒng)服務化研究[J].指揮控制與仿真,2010,32(3):12-14.

[9] 盧發(fā)興,王航宇,劉樹衎.基于服務的多平臺火力一體化指揮與控制[C]//北京:第一屆中國指揮控制大會論文集,2013:48-51.

[10] Mahleko B, Wombaeher A, Fankhauser P. A grammar-based index for matching business processes[C]//Proceedings of International Conference on Web Service(ICWS’05),2005:21-30.

[11] Yau S S, Liu Junwei. Service functionality indexing and matching for service-based systems[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Services Computing(SCC’08),2008:461-468.

[12] Li Kuang, Li Ying, Wu Jian, et al. Inverted indexing for composition-oriented service discovery[C]//Proceedings of 2007 IEEE International Conference on Web Services(ICWS’07),2007:257-364.

[13] Frakes WB, Pole TP. An Empirical Study of Representation Methods for Reusable Software Components[J]. IEEE Transaction on Software Engineering,1994,20(8):617-630.

[14] 王淵峰.基于刻面描述的構(gòu)件檢索算法研究[D].上海:復旦大學,2002.

[15] 施煒,賈曉輝,鄧志凌,等.構(gòu)件檢索的刻面索引研究[J].計算機科學,2005,32(7):205-208.

[16] 舒遠仲,陳志勇,彭曉紅,等.基于刻面分類描述的構(gòu)件檢索方法研究[J].計算機工程與科學,2010,32(11):156-160.

[17] 付青華,林寧,馮惠,等.基于刻面分類的構(gòu)件檢索系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件,2010,27(6):57-66.

[18] Martin D, Burstein M, McDermott D, et al. Bringing semantics to Web services with OWL-S[C]//Proceedings of International Conference on World Wide Web,2007,10:243-277.

[19] Syeda-Mahmood T, Shah G, Akkiraju R, et al. Searching service repositories by combining semantic and ontological matching[C]//Proceedings of 3rd International Conference on Web Services(ICWS’05),2005:13-20.

[20] 李偉平,高福亮,祝旭巍.一種基于語義的服務搜索與匹配方法[J].小型微型計算機系統(tǒng),2011,32(9):1728-1733.

[21] 吳健,吳朝暉,李瑩,等.基于本體論和詞匯語義相似度的Web服務發(fā)現(xiàn)[J].計算機學報,2005,28(4):2054-2062.

[22] Jian Yang. Mike Papazoglou Web component: a substrate for web service reuse and composition[J]. Lecture Notes in Computer Science,2002,2348:21-36.

[23] 耿暉.面向服務的業(yè)務級資源組織方法研究[D].北京:中國科學院研究生院(計算技術(shù)研究所),2004:2-3.

[24] 李俊,鄭小林,陳松濤,等.一種高效的服務組合優(yōu)化算法[J].中國科學:信息科學,2012,42(3):280-289.

[25] 劉矛.基于Agent的Web服務組合技術(shù)的研究[D].遼寧:大連海事大學,2007:25-28.

[26] Yasmini Charif, Nicolas Sabouret. An Overview of Semantic Web Services Composition Approaches[J]. Electronic Notes in Theoretical Computer Science,2006,146:33-41.

[27] 佟萍.模擬退火算法在Web服務合成中的應用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2003,16(3):220-222.

[28] Liu Qing, Zhang Shilong, Yang Rui. Web services composition with QoS bound based on simulated annealing algorithm[J]. Journal of Southeast University(English edition),2008,24(3):308-311.

[29] 王創(chuàng)偉,錢雪忠.蟻群算法在服務組合問題中的應用研究[J].計算機工程與設計,2007,28(24):5912-5914.

[30] 夏亞梅,程渤,陳俊亮,等.基于改進蟻群算法的服務組合優(yōu)化[J].計算機學報,2012,35(2):270-281.

[31] 毛一梅,樂嘉錦.基于遺傳算法的Web服務組合優(yōu)化[J].計算機應用與軟件,2008,25(11):199-201.

[32] 陳亮,孫敏.基于免疫遺傳算法的Web服務組合方法[J].計算機工程,2010,36(10):226-230.

[33] 董宗然,李迎秋,陳明華.基于禁忌搜索算法的Web服務組合優(yōu)化[J].計算機工程與設計,2010,31(5):942-945.

[34] 徐濤,王新環(huán).基于多目標粒子群優(yōu)化算法的Web服務組合[J].計算機工程與設計,2010,31(18):4076-4080.

[35] 吳黎兵,楊科,聶雷,等.基于改進粒子群算法的Web服務組合推優(yōu)方法[J].華中科技大學學報(自然科學版),2014,42(10):69-73.

Service Matching and Composition in Service Enable Shipborne C2 System

YU Xutong WU Ling LU Faxing

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Services searching, matching, composition and optimization are the key technologies of services organization in enable C2 system. Services are parted and modeled from the types and granularity. The services searching and matching technologies and the modes of services composition and optimization are analyzed combined with the characteristics of the C2 system. The combination method of faceted scheme and attribute value should be adopted to search and match the services in the service enable C2 system. The mode of semi-fixed composition, dividing into the stage of combination and optimization, should be adopted to compose and optimize the services. Thus, a feasible way is provided to realize the service enable C2 system.

service enable, shipborne C2 system, service matching, service composition

2015年6月5日,

2015年7月29日

余戌曈,男,碩士研究生,研究方向:艦載作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)服務化。吳玲,女,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:艦載作戰(zhàn)指揮輔助決策。盧發(fā)興,男,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:艦載火力控制。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.007