羅愛民， 傅 炯

(國防科技大學 信息系統(tǒng)工程重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

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基于體系結構物理交換規(guī)范的作戰(zhàn)活動可執(zhí)行模型構建方法

羅愛民， 傅 炯

(國防科技大學 信息系統(tǒng)工程重點實驗室， 湖南 長沙 410073)

作戰(zhàn)活動是體系結構的核心數(shù)據，保證作戰(zhàn)活動的正確性是提高體系結構質量的關鍵?；贒oDAF2.0提出的體系結構數(shù)據物理交換規(guī)范，定義了作戰(zhàn)活動模型和作戰(zhàn)規(guī)則模型的數(shù)據模型；對基本Petri網交換規(guī)范進行擴展，形成擴展Petri網的數(shù)據交換規(guī)范；建立活動模型相關數(shù)據與擴展Petri網交換規(guī)范的映射規(guī)則，根據映射規(guī)則自動生成作戰(zhàn)活動Petri網模型，并研制了可執(zhí)行模型自動生成工具。最后,通過案例驗證了方法的合理性。

體系結構；可執(zhí)行模型；物理交換規(guī)范；擴展Petri網標記語言

體系結構是系統(tǒng)組成及其關系，以及它們隨時間演進的原則和指南。組成、關系以及指南是體系結構設計的基本要素。作戰(zhàn)活動不僅反映了系統(tǒng)體系結構的功能和流程，而且也決定了信息交換關系和交換內容。因此作戰(zhàn)活動及其流程是體系結構設計的核心內容。在美國國防部體系結構框架(DoD Architecture Framework，DoDAF)2.0提出的DM2[1](DoDAF Meta-model)中，活動也是重要的數(shù)據實體。科學地分析、驗證與評估活動的動態(tài)特性是保證體系結構設計質量的關鍵。利用可執(zhí)行模型進行數(shù)據分析、驗證與評估是體系結構開發(fā)中最常用的方法之一。通過構建體系結構可執(zhí)行模型，可以分析行為合理性、邏輯合理性，驗證評估與活動相關的屬性、性能等。因此，體系結構可執(zhí)行模型構建方法多年來一直受到關注。如Levis等[2-3]將UML模型、IDEF0模型和IDEF3模型轉為有色Petri網(Colored Petri Net,CPN)可執(zhí)行模型；倪楓等[4]將IDEF0模型和IDEF1X模型等轉換為層次有色Petri網(Hierarchical Colored Petri Net,HCPN)模型；文獻[5]將IDEF0模型和IDEF3模型等轉為對象Petri網(Object Petri Net,OPN)可執(zhí)行模型。這些研究都是針對具體的建模方法制定的轉換規(guī)則，生成體系結構可執(zhí)行模型。如采用IDEF0對作戰(zhàn)活動建模，將其轉換為Petri網模型時，一般采用將建模元素-活動轉換為轉移，輸入(輸出)箭頭轉換為位置和弧等。DoDAF2.0中提出了以數(shù)據為中心的體系結構設計方法，體系結構最終以規(guī)范的數(shù)據文件展示，與具體的建模方法和表現(xiàn)形式無關，體系結構數(shù)據值包含數(shù)據的具體內容，沒有每類數(shù)據具體的建模方法以及數(shù)據對應的建模元素。因此，原有的方法不能滿足需求，必須研究基于體系結構數(shù)據規(guī)范的可執(zhí)行模型構建方法。在這方面有學者[6-9]研究了基于DM2的體系結構數(shù)據向Petri網模型轉換的相關問題，在一定程度上解決了可執(zhí)行模型生成時體系結構建模語言多樣化帶來的問題。但這些研究更多是針對體系結構中的一類模型數(shù)據，難以對活動整體數(shù)據進行分析。

本文基于符合物理交換規(guī)范(PES)的體系結構數(shù)據，在擴展Petri網標記語言(PNML)規(guī)范的基礎上，提出了作戰(zhàn)活動的Petri網可執(zhí)行模型構建方法，能夠實現(xiàn)作戰(zhàn)活動數(shù)據直接構建符合PNML規(guī)范的Petri網模型。

1 體系結構數(shù)據模型

1.1 體系結構數(shù)據物理交換規(guī)范

為規(guī)范體系結構數(shù)據收集、共享與交換，DoDAF2.0中提出了PES規(guī)范。按照DoDAF2.0，PES規(guī)范分為2部分(如圖1所示)，即核心數(shù)據(IdeasData)和模型數(shù)據(IdeasViews)部分。其中，IdeasData是按照DM2中定義的類別來組織數(shù)據，并對分布在不同模型中的同一數(shù)據匯總，將不同類數(shù)據組織在不同的目錄下。如分布在不同模型中的information數(shù)據都被匯集在IdeasData的Information目錄下，并且記錄Information的名稱、ID、描述等各類信息。

圖1 PES規(guī)范根目錄

IdeasViews主要是各模型包含的數(shù)據及其表現(xiàn)形式等，它按照模型類別來組織模型中包含的數(shù)據。一般來講，IdeasViews按照IdeasViews→ViewName(視圖名稱)→ModelName(模型名稱)→…(模型數(shù)據)的層次關系來組織數(shù)據。

PES作為一種推薦的體系結構數(shù)據交換規(guī)范，正在成為不同體系結構框架進行數(shù)據交換的規(guī)范。目前已經有一些工具支持該規(guī)范，如No Magic公司旗下的MagicDraw和Cameo Enterprise Architecture[10]系列建模工具等。

1.2 作戰(zhàn)活動模型的設計

活動作為體系結構中設計的核心內容，通常需要從不同側面進行描述。一般可采用活動模型、規(guī)則模型、時序圖等。因此，活動的描述內容分布在不同的模型中。如DoDAF2.0中作戰(zhàn)視角的作戰(zhàn)活動模型(OV-5b)、作戰(zhàn)規(guī)則模型(OV-6a)和作戰(zhàn)事件跟蹤關系(OV-6c)等。本文重點研究作戰(zhàn)活動模型和作戰(zhàn)規(guī)則模型組合生成可執(zhí)行模型的構建方法。根據作戰(zhàn)活動模型的定義和DM2中定義的活動元模型，建立作戰(zhàn)活動OV-5b模型的元模型如圖2所示。圖中各模型的含義見DM2相關文檔。

根據作戰(zhàn)規(guī)則模型的定義以及DM2定義的活動元模型，建立作戰(zhàn)規(guī)則模型(OV-6a)的元模型如圖3所示。

圖2 OV-5b元模型

圖3 OV-6a元模型

以上述元模型為基礎，利用具體的建模方法可以設計作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)規(guī)則。在具體建模方式上，作戰(zhàn)活動模型可選擇IDEF0建模語言。作戰(zhàn)規(guī)則模型可采用活動圖描述。為更好地描述規(guī)則執(zhí)行中信息的輸入和輸出關系，在基本活動圖的基礎上擴展2個建模元素：輸入信息和輸出信息，它們分別表示每個規(guī)則模型執(zhí)行過程中與外界交換的信息元素。

為精確描述作戰(zhàn)活動及其執(zhí)行過程，在體系結構設計中，作戰(zhàn)活動模型描述活動的組成及其相互關系，作戰(zhàn)規(guī)則模型是對活動執(zhí)行細節(jié)的詳細說明。因此，作戰(zhàn)活動模型與作戰(zhàn)規(guī)則模型必須相互關聯(lián)。在體系結構設計中，針對OV-5b中葉子活動，分別建立相應的作戰(zhàn)規(guī)則模型，這樣形成對作戰(zhàn)活動細化的描述。在圖2中，利用RuleConstrainsActivity關系數(shù)據可以建立OV-5b中的Activity和OV-6a定義Rule的關系，對作戰(zhàn)活動進行細化說明。

由于建立了作戰(zhàn)活動與作戰(zhàn)規(guī)則的關聯(lián)關系，因此在設計中要對作戰(zhàn)活動與作戰(zhàn)規(guī)則進行數(shù)據一致性檢查。重點檢查作戰(zhàn)活動與關聯(lián)的作戰(zhàn)規(guī)則在輸入、輸出信息上是否一致，保證作戰(zhàn)活動需要消耗的信息(輸入信息)、作戰(zhàn)活動產生的信息(輸出信息)與關聯(lián)作戰(zhàn)規(guī)則定義的輸入和輸出信息保持一致。

2 作戰(zhàn)活動模型的Petri網模型構建

通?？蓤?zhí)行模型的類型有多種選擇，本文選用的可執(zhí)行模型是Petri 網模型。

2.1 擴展PNML數(shù)據規(guī)范

PNML是一種基于XML的Petri網數(shù)據建模語言，是一種常用的Petri網模型數(shù)據交換的規(guī)范。為保證生成的可執(zhí)行模型能夠在不同的Petri網建模工具中使用，研究生成了符合PNML規(guī)范的Petri網模型。

對象Petri網[11]是一種支持對象、層次化的Petri網，是對基本Petri網的擴展。標準PNML規(guī)范主要針對基本Petri網，只包含了位置(place)、轉移(transition)和弧(arc)3類信息，不能支持層次化建模。因此，要支持對象Petri網數(shù)據交換，必須對PNML進行擴展。為此，引入模塊(module)、輸入位置(referenceImportPlace)、輸出位置(referenceExportPlace)等概念。Module相當于對象Petri網中對象的概念，Module包含位置、轉移、弧、輸入位置、輸出位置和模塊實例。Module中也可以嵌含其他對象的實例。

擴展PNML規(guī)范分為Page和Module 2部分。其中，Page為Petri網的頂層頁面，包含位置、轉移、弧、輸入位置、輸出位置、模塊實例(instance)，如圖4所示。需要說明的是，輸入位置和輸出位置是由位置擴展得到的Petri網元素，它們是模塊輸入接口和輸出接口，目的是用于模塊實例和轉移之間的連接。

圖4 Page基本規(guī)范

擴展后的PNML可以作為對象Petri網的數(shù)據規(guī)范，支持對象Petri網的XML文件存儲。

2.2 轉換方法

建立體系結構Petri網模型的過程如圖5所示。從圖中可以看出，建立PES中活動數(shù)據與擴展PNML規(guī)范中各元素之間的映射關系是構建作戰(zhàn)活動Petri網模型的關鍵。

圖5 體系結構Petri網模型構建過程

在分析PES中關于活動元模型和擴展PNML規(guī)范中數(shù)據元素映射關系的基礎上，建立活動數(shù)據模型轉化為對象Petri網模型的轉換規(guī)則，如表1和表2所示。表中：A表示非葉子活動；a1表示關聯(lián)屬性RuleConstrainsActivity關系不為空的葉子活動；a2表示關聯(lián)屬性RuleConstrainsActivity關系為空的葉子活動。

在上述轉換規(guī)則的基礎上，利用Java平臺設計實現(xiàn)了活動的可執(zhí)行模型轉換工具，實現(xiàn)了作戰(zhàn)活動數(shù)據到擴展PNML數(shù)據轉換功能，即利用體系結構中的活動數(shù)據，生成了對象Petri網可執(zhí)行模型。

表1 OV-5b核心數(shù)據轉換規(guī)則

表2 OV-6a核心數(shù)據轉換規(guī)則

3 案例分析

下面以殲擊機防空為例[12]來驗證本文提出的方法。某指揮所負責對某一高度敏感區(qū)域執(zhí)行防空任務。如果雷達在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)目標，通知殲擊機升空迎擊。在戰(zhàn)爭狀態(tài)下，目標進入攻擊范圍擊毀該目標。在和平狀態(tài)下，發(fā)送電子應答信息。若對方無應答，就當作敵方目標驅逐；若為友軍目標，則返回基地。該過程包括感知、指揮和交戰(zhàn)等作戰(zhàn)活動，并針對指揮活動建立規(guī)則模型。

針對上述案例采用國防科技大學研制的體系結構設計工具設計體系結構，得到滿足PES規(guī)范的體系結構數(shù)據。利用開發(fā)的可執(zhí)行模型轉換工具，對體系結構數(shù)據轉換后，生成滿足擴展PNML規(guī)范的XML文件，其中指揮活動及其執(zhí)行規(guī)則部分數(shù)據如下所示。

id=" "

在對象Petri網建模環(huán)境中打開轉換得到的XML文件，對應的Petri 網模型如圖6所示。圖6a)對應作戰(zhàn)活動模型，圖6b)對應“指揮”活動的規(guī)則模型。

a) 防空作戰(zhàn)活動頂層Petri網模型 b) 指揮規(guī)則Petri網模型 圖6 防空作戰(zhàn)活動轉換后對應的Petri網模型

4 結 束 語

本文針對體系結構中活動的設計與驗證問題，以遵循PES規(guī)范的體系結構數(shù)據文件為基礎，將活動數(shù)據轉換成符合PNML規(guī)范的數(shù)據，實現(xiàn)了活動的對象Petri網模型生成，為分析、驗證和評估活動相關的屬性、性能提供支持。該方法直接利用體系結構數(shù)據構建可執(zhí)行模型，與體系結構模型和數(shù)據的表現(xiàn)形式無關，體現(xiàn)以數(shù)據為中心的設計思想。該方法可以推廣到體系結構其他數(shù)據的可執(zhí)行模型。

References)

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(編輯：李江濤)

Construction Method of an Operational Activity Executable Model Based on the Physical Exchange Specification of Architecture

LUO Aimin, FU Jiong

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory,National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

Operational activities constitute the core data of the architecture and the correction of operational activities is key to enhance architectural quality. The DoDAF2.0-based data physical exchange specification (PES) defines data models in the operational activity model and operation rule model; it extends the basic Petri network switching criterion and forms a data exchange criterion for extended Petri net; the paper also establishes a mapping rule of exchange criterion between data related to activity model and extended Petri net, which is the basis in automatically generating operational activity Petri net model, and develops an executable model automatic generating tool. In the end, the paper verifies the reasonability of the method by case study.

architecture; executable model; physical exchange specification (PES); extended Petri net markup language (PNML)

2016-04-11

國家自然科學基金資助項目(71571189)

羅愛民(1970-)，女，教授，博士，主要研究方向為信息系統(tǒng)工程。amluo@nudt.edu.cn

TP311

2095-3828(2016)06-0127-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.024