夏 偉，石 全，王亞東，曹文斌

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.陸軍步兵大學，石家莊 050003；3.武警指揮學院，天津 300350）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)化維修是一個不斷發(fā)展、持續(xù)優(yōu)化的復雜、動態(tài)過程。以網(wǎng)絡(luò)為中心的維修系統(tǒng)逐步取代以平臺為中心的維修系統(tǒng)，節(jié)點之間必須有良好的互操作機制。在信息系統(tǒng)的通用領(lǐng)域已展開互操作性的評估研究，但在網(wǎng)絡(luò)化維修這一特定領(lǐng)域，缺乏對互操作性優(yōu)劣的評估方法。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化維修互操作平臺，實現(xiàn)對維修領(lǐng)域業(yè)務(wù)、信息、網(wǎng)絡(luò)的集成，從節(jié)點間相互封閉的體系轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己没ゲ僮餍缘捏w系，提出維修信息系統(tǒng)互操作性的評估方法。網(wǎng)絡(luò)化維修互操作平臺在網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

針對存在的主要問題，總結(jié)目前信息系統(tǒng)互操作性評估模型，結(jié)合維修領(lǐng)域特點，提出維修保障信息系統(tǒng)互操作性等級概念模型和基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估方法。

互操作指不同系統(tǒng)之間的信息共享和信息交互操作的過程?；ゲ僮餍灾赶到y(tǒng)之間信息共享和信息交互操作的能力?；ゲ僮髋c互操作性具有相互依存、相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。互操作即相互利用所交換信息的過程，而互操作性主要是指信息系統(tǒng)間的可互操作的能力。網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)的互操作性通過對信息交換的復雜程度進行描述和評估提供一種標準［1-4］。

1 網(wǎng)絡(luò)化維修保障信息系統(tǒng)互操作性評估

1998 年，LISI 模型適用于網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)整個生命周期，網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)由美國國防部率先提出。2015 年，我國頒布國軍標《GJB/Z 144A-2015 指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》，GJB/Z 144A-2015 就是基于LISI 模型編寫的。2015 年，我國基于LISI 模型編寫了頒布國軍標《GJB/Z 144A-2015 指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》?；ゲ僮餍缘燃壞Ｐ偷玫搅似毡檎J可并逐漸得到深入研究與應(yīng)用［5］。

依據(jù)LISI 模型，把系統(tǒng)互操作等級指標分為5個等級，即：0 級為人工環(huán)境的獨立級互操作性，1級為點到點環(huán)境的連接級互操作性，2 級為分布集成環(huán)境的功能級互操作性，3 級為通用集成環(huán)境的領(lǐng)域級互操作性，4 級為全域集成環(huán)境的跨域級互操作性。

0 級包括獨立級系統(tǒng)，系統(tǒng)之間信息互操作通過人工傳輸或者可移動媒質(zhì)。

1 級系統(tǒng)通過簡單的電子線路連接來實現(xiàn)信息交換。功能有限，在信息融合和傳輸信息中，僅提供少量功能支持信息決策。

2 級的系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)，它允許系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)包含簡單的信息交換和融合，數(shù)據(jù)是異構(gòu)的。

3 級通過廣域網(wǎng)連接，在同一個等級上的信息是共享，在局部領(lǐng)域內(nèi)系統(tǒng)支持融合信息決策。實現(xiàn)一個基于領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型。

4 級的系統(tǒng)可以跨多個領(lǐng)域，多維拓撲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。各領(lǐng)域之間的信息進行交互、融合。數(shù)據(jù)和應(yīng)用完全是共享的，分布在整個信息空間。

網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性技術(shù)參考等級模型LISI 將這些因素分成PAID：應(yīng)用程序集（A）、規(guī)程和標準（P）、網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境（I）和信息格式和數(shù)據(jù)協(xié)議（D）。如表1 所示。滿足網(wǎng)絡(luò)化維修要求，詳細描述技術(shù)等級模型。

互操作技術(shù)等級模型詳細地描述了互操作性的功能指標，把網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性劃分為5 個等級［6-7］。

1）戰(zhàn)略級（4 級）：實現(xiàn)完全信息交互網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)之間，各裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，適用于總部級裝備維修保障體系構(gòu)建。調(diào)控整個裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)體系，可以適應(yīng)大規(guī)模作戰(zhàn)的裝備維修保障任務(wù)需求。

2）戰(zhàn)役級（3 級）：適應(yīng)某一次戰(zhàn)役系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，裝備維修保障調(diào)控組織內(nèi)部信息系統(tǒng)，但是不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化信息完全交互。

3）戰(zhàn)術(shù)級（2 級）：適用部隊級的裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)原因內(nèi)部框架影響巨大，統(tǒng)一任務(wù)配置下可以適應(yīng)某一次作戰(zhàn)的裝備維修保障任務(wù)需求。

表1 網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作技術(shù)等級模型

4）單裝級（1 級）：適用于裝備的信息系統(tǒng)實時維修，針對單一軍事裝備實現(xiàn)實時掌控，信息系統(tǒng)之間的權(quán)限有明確規(guī)定，與后方維修保障信息系統(tǒng)之間的信息交互。

5）獨立級（0 級）：系統(tǒng)之間沒有功能層次的信息交互，適用于獨立的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作指標體系

建立相關(guān)評價指標層級結(jié)構(gòu)［8］，維修信息互操作性指標體系如圖1 所示。

維修信息系統(tǒng)互操作指標體系基本框架，屬性分類說明如下［9-10］：

1）規(guī)程類指標主要反映了維修系統(tǒng)采用標準架構(gòu)制定了安全策略。各作戰(zhàn)任務(wù)具有相同的基本框架以及模型組織形式，依托網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境解決維修領(lǐng)域不同信息系統(tǒng)之間的互操作問題。

2）應(yīng)用類指標體現(xiàn)的是系統(tǒng)采用了維修決策分析信息系統(tǒng)集、維修實施作業(yè)信息系統(tǒng)集、維修指揮管理信息系統(tǒng)集，形成網(wǎng)絡(luò)化維修功能集合。

3）基礎(chǔ)設(shè)施類指標反映了作為互操作性評估支撐平臺硬件設(shè)施方面的評估指標。

4）數(shù)據(jù)類指標作為反映互操作能力實現(xiàn)融合不同來源的數(shù)據(jù)信息，規(guī)范了數(shù)據(jù)信息描述格式，克服了因為封閉建設(shè)造成的數(shù)據(jù)查詢方式、數(shù)據(jù)存儲格式和數(shù)據(jù)庫管理的差異。反映互操作性評估數(shù)據(jù)方面的評價指標。

3 互操作性指標和系統(tǒng)互操作性評估的描述

在對于各項指標進行評估時，專家或維修信息系統(tǒng)使用人員可以根據(jù)其個人經(jīng)驗、使用體驗等給出一個合理的分數(shù)，實現(xiàn)起來較容易。假設(shè)第i 個評估指標的分數(shù)用pi表示，其中，，其取值范圍為，即。因此，對于一個給定的維修信息系統(tǒng)來說，各評估指標的分數(shù)可表示為。

對維修信息系統(tǒng)互操作性進行總體評估時，若采用分數(shù)的形式，顯然不夠直觀，不能貼切地反映互操作性的優(yōu)劣，而用“好”，“一般”，“差”這樣模糊性的語言來描述更符合實際情況。鑒于此，這里對系統(tǒng)的互操作性采用模糊語言的形式進行評估。假設(shè)系統(tǒng)互操作型評估用O 表示，將評估結(jié)果即劃分為5 個等級，即O={較好，好，一般，差，較差}［11］。

為避免人為確定多因素權(quán)重的弊端，精準地體現(xiàn)互操作性等級及其影響因素之間的映射關(guān)系，并且不同指標之間還存在著相互作用，某個指標的改變都可能造成其他相關(guān)因素的變化。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估及其影響因素之間復雜的非線性關(guān)系，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠映射復雜函數(shù)關(guān)系的特性，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入系統(tǒng)互操作性等級評估領(lǐng)域［12-13］。

4 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互操作性評估建模

圖1 維修信息系統(tǒng)互操作性指標體系

圖2 評估建模思路

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是Rumelhart 于1985 年基于誤差反向傳播理論提出的，它是一種多層前向網(wǎng)絡(luò)。典型的BP 神經(jīng)元如圖3 所示。

圖3 典型神經(jīng)元模型

其中，pi表示神經(jīng)元的輸入信號；uj表示輸入信號的線性組合，也即神經(jīng)元的輸入；wij表示輸入信號pi到神經(jīng)元j 的連接權(quán)重；θj表示神經(jīng)元的閾值；φ（·）表示神經(jīng)元的激活函數(shù)；vj表示神經(jīng)元的輸出；yj表示神經(jīng)元的輸出。神經(jīng)元的數(shù)學模型如下：

在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，最常用的結(jié)構(gòu)為三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖2 所示的建模思路和圖3 所示的神經(jīng)元模型，建立評估維修信息系統(tǒng)互操作性的三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖4 所示。

4.1 輸入層設(shè)計

根據(jù)建立的評估指標體系可知，一共有13 項評估指標，因此，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層包括13 個神經(jīng)元，分別為：標準結(jié)構(gòu)、管理規(guī)定、安全策略、維修指揮管理、維修實施作業(yè)、維修決策分析、基礎(chǔ)硬件、網(wǎng)絡(luò)通信、安全防護、系統(tǒng)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)字典。由相關(guān)人員對這13 項指標進行打分，分數(shù)作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。另外，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的要求，需要對輸入數(shù)據(jù)進行歸一化預處理，這里采用Matlab 中的mapminmax（）函數(shù)實現(xiàn)。

圖4 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)維修信息系統(tǒng)互操作性評估模型

4.2 隱含層結(jié)構(gòu)設(shè)計

隱含層的結(jié)構(gòu)可顯著影響B(tài)P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練速度和泛化能力，因此，隱含層結(jié)構(gòu)設(shè)計是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要一步，主要包括確定隱含層數(shù)量和隱含層中神經(jīng)元的數(shù)目兩方面內(nèi)容。

需要說明的是，三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非最優(yōu)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，有時采用多個隱含層的網(wǎng)絡(luò)能提高網(wǎng)絡(luò)處理能力，減少預測誤差，從而得到更好的預測結(jié)果。但是，增加隱含層數(shù)勢必會增加訓練復雜程度，延長訓練時間。而對于三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度也可通過增加隱含層的節(jié)點數(shù)目來提高，鑒于此，采用三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即包含一個隱含層。

隱含層神經(jīng)元數(shù)目是決定網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)。若隱含層神經(jīng)元數(shù)目太少，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從樣本數(shù)據(jù)中獲取信息的能力會受限，在進行評估時容易陷入局部最優(yōu)，甚至可能得不到理想的網(wǎng)絡(luò)模型；如果隱含層神經(jīng)元數(shù)目過多，則非規(guī)律性信息會呈現(xiàn)“過度吻合”，這會導致學習時間較長，且得到的評估誤差也可能較大。對于隱含層神經(jīng)元數(shù)目的確定并沒有規(guī)范的方法，采用經(jīng)驗公式n=2×m+1（n為隱含層神經(jīng)元數(shù)量，m 為輸入層神經(jīng)元數(shù)量）確定隱含層神經(jīng)元數(shù)量。由于評估指標數(shù)量為13，即m=13，則n 的值取27。

4.3 輸出層設(shè)計

4.4 激活函數(shù)的選擇

根據(jù)需要解決的問題，采用Sigmoid 函數(shù)作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)，其基本形式可表示為：

Sigmoid 函數(shù)形狀會隨α 的變化而產(chǎn)生變化，具體如圖5 所示。通過圖5 可以看出，Sigmoid 函數(shù)，將輸出壓縮到區(qū)間［0，1］之間。取一種常用的形式，即α=1。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的激活函數(shù)采用線性函數(shù)purlin（）。

圖5 Sigmoid 函數(shù)形狀與α 的關(guān)系

4.5 模型的實現(xiàn)

采用Matlab 中的工具箱實現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓練與驗證。首先，導入訓練集，并采用函數(shù)mapminmax（）函數(shù)歸一化訓練數(shù)據(jù)；其次，調(diào)用函數(shù)newff（）新建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將訓練次數(shù)設(shè)置為1 000 次（net.trainParam.epochs=1 000），訓練目標設(shè)置為0.01（net.trainParam.goal=0.01），設(shè)置學習速率為0.1（LP.lr=0.1）。然后，調(diào)用tain（）函數(shù)對BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練，得到訓練后的網(wǎng)絡(luò)。最后，調(diào)用sim（）函數(shù)利用學習樣本數(shù)據(jù)對得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行驗證。

4.6 等級評估結(jié)果

邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家針對圖2 所示的指標進行打分，并給出網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級總體評估。為了得到科學、合理的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓練樣本包括29 組數(shù)據(jù)，用于訓練BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到符合要求的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；檢驗樣本包括15 組數(shù)據(jù)，用于檢驗BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性。

采用MATLAB 2014a 中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，首先采用29 組訓練樣本對其進行訓練，然后將訓練好的模型采用15 組檢驗樣本進行測試。其訓練迭代誤差、誤差梯度變化分別如圖6 和圖7 所示。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果如下頁表2 所示。從表2 中可以看出，在15 組檢驗樣本中，只有編號為30 的樣本的評估結(jié)果與專家評估結(jié)果不同，即專家評估結(jié)果為好，而BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果為一般。其余14組檢驗樣本的評估結(jié)果與專家評估結(jié)果均一致，評估準確率為14/15=93.33%，能夠滿足適用要求，從而驗證了建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型的有效性。

圖6 均方誤差隨迭代次數(shù)的變化

圖7 均方誤差梯度隨迭代次數(shù)的變化

5 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估，是在網(wǎng)絡(luò)平臺環(huán)境下對各級各類維修信息系統(tǒng)進行可集成度的評估，在分析常見幾種信息系統(tǒng)互操作性評估模型的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估LISI 模型。運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完善充實維修信息系統(tǒng)互操作性評價，對樣本進行檢測，從而驗證了建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型的有效性。本文提出一種在網(wǎng)絡(luò)化維修領(lǐng)域側(cè)重定性的互操作性等級評估的方法，用于指導系統(tǒng)的開發(fā)和評估。

表2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果