基于服務組合的軍事行動模型系統分析

鄭世明，蔣 捷，高志年，王智新

(1.南京陸軍指揮學院作戰實驗中心，南京 210045;2.東南大學計算機學院，南京 210005)

0 引言

隨著計算機技術、仿真技術和信息技術的飛速發展，對武器裝備軍事行動模型研究的日益深入，廣大科研人員研制開發了大量的武器裝備軍事行動和作戰仿真模型，因此而帶來的模型開發費用、開發效率、開發質量、開發可信性及可靠性的控制等問題十分突出［1］。對相同或相似的軍事問題，科研人員做著大量重復的工作，為了更加有效地對已有軍事作戰模型進行統一、高效管理和重用，提高軍事建模質量和效率，需要建立一個通用的軍事行動模型庫管理系統來對模型進行有效的管理，軍內外已對此類問題進行了大量的研究工作，但問題沒有得到很好的解決。20世紀90年代中期，美國國防部(US DoD)發布了建模與仿真主計劃(MSMP，modeling and simulation master plan)，第一次提出了創建建模與仿真資源庫(MSRR，modeling and simulation resource repository)的需求，對MSRR的內容和組織機制、MSRR系統的技術體系結構、功能組件和層次化結構進行了探討。北約(NATO)于2000年成立了建模與仿真組(NMSG)，主要目標之一是為未來的模型與仿真的開發及應用提供一系列通用的服務。國內也有多家院校已經開始著手對仿真資源庫、模型庫及其管理系統進行研究。北京航空航天大學對資源庫、模型庫及其管理系統已經有了相應的研究，主要是飛行動力學仿真模型庫系統;哈爾濱工業大學對MSRR作了一定的研究，提出了符合組件化思想的MSRR概念體系;國防科技大學三院提出了以仿真資源庫為核心建立分布式的仿真應用系統;但也應該看到:大部分的建模與仿真活動都沒有系統考慮資源的共享，不同的仿真系統往往相互獨立，嚴重影響到建模與仿真的互操作性、可重用性和可信性，增加了不必要的開發、復制和存儲冗余，損耗了大量費用。

通過使用Web服務技術、XML技術和元數據技術等建立模型庫管理系統，以求解決軍事行動模型的表示、存儲、重用、管理、共享和運行等問題。

1 基本概念

1.1 元數據

元數據(Metadata)是描述數據的數據［2］，利用元數據描述軍事模型資源或支持軍事模型的數據等對象數據，使得在軍事模型應用過程能更好地識別模型資源、評價模型資源和追蹤模型資源在作戰仿真中的變化，實現模型資源的有效發現、查找、一體化組織和對模型資源的有效管理。元數據在軍事模型描述中的優勢表現為

(1)統一的方式對數據進行定義、描述，便于數據抽取。

(2)能以最有效的方式訪問數據。

(3)很好地滿足模型數據一致性要求。

(4)實現充分共享。元數據具有自描述性的特點，具備數據映射的功能，可以利用特定轉換程序對不同元數據元格式進行轉換，實現標準化，便于理解、互操作和共享。

(5)統一編碼體系?？蓪υ獢祿睾徒Y構按照一定的語法和語義規則進行定義和描述，利用元數據可為數字化軍事模型資源建立一種機器可理解框架。

1.2 Web 服務

Web服務(Web Service)是基于XML和HTTPS的一種服務，基于簡單對象訪問協議SOAP(Simple Object Access Protocol)進行通信，使用WSDL(Web Services Description Language)實現對服務的描述，通過統一描述、發現和集成來發現和獲得服務的元數據［3］。采用基于Web服務的方式設計模型系統具有以下優點。

◆模型聚合:Web服務具有組合的功能，通過服務組合可以實現更為復雜的服務，將每一個原子模型看成一個服務，在執行聯邦模型時實際上就是執行多個原子模型的一種特定組合，通過服務組合實現不同分辨率的模型聚合。

◆數據豐富:Web服務可以分發各種類型的數據(作戰文書、態勢圖像、通信語音和戰場實時視頻等)

◆屏蔽平臺異構性:終端設備、瀏覽器類型和操作系統沒有統一的要求，能滿足不同用戶的需求。

1.3 XML

可擴展標記語言(XML，extensible markup language)，可以用來標記模型數據、定義模型數據類型，非常適合 Web傳輸［4］，XML提供統一的方法來描述結構化數據。XML方法的可擴展性、獨立性和自描述性等特點，使得XML用于軍事模型標準化描述可以解決以下幾個問題［5］:①能解決模型描述的通用性問題;②能解決模型發布的獨立性問題;③能解決供應商和平臺的模型交換和整合問題;④能解決模型檢索效率低的問題。

2 模型庫結構設計

2.1 模型庫分類與構成

模型庫通常由概念模型庫、數學模型庫和軟件模型庫3個子庫構成，這三者之間是相互對應的關系，具體結構如圖1所示。數學模型庫總體上可分為作戰模型、訓練模型和評估模型等［6］;軟件模型庫則可以按照層次和級別分為原子模型、基本模型、組合模型、成員模型和聯邦模型等，采取以上混合、異構和層次化的建模及系統實現方法，主要目的是實現模型組件的可重用和互操作，同時也便于實現各層次模型組件的開發。

圖1 軍事行動模型庫分類和構成

原子模型通常是完成簡單計算的函數或程序模塊?；灸Ｐ椭覆捎貌煌慕７椒嬙斓拿枋龇抡鎸嶓w某一方面特征的模型，組合模型用于實現一個軍事實體在整個仿真演練過程中各階段全部行為的模型。聯邦成員模型用于實現由多個獨立仿真實體構成的更高層次仿真實體的模型。聯邦模型是多個成員模型的組合，是一種最為復雜的軍事模型。

2.2 模型字典設計

(1)模型字典庫:是基于關系數據庫的組織結構形式，在數據庫的表空間中存儲模型和相關文檔的標識信息、模型名稱、模型類型、存儲位置、模型編寫者、編寫時間、功能參數和與模型間的關系等信息，以便對模型操作［7］。模型字典庫的組成，如圖2所示。

圖2 模型字典庫結構

(2)模型文件:模型的源代碼或目標代碼(動態鏈接庫)，便于模型調用;

(3)模型文檔:模型的相關說明文檔，方便用戶通過系統查看模型功能的詳細描述信息。

模型庫主要用于存儲各類模型，是系統的核心部分，在邏輯上模型庫是各種模型的集合，在軟件內容上，則由許多計算機內的程序模型組成，軍事行動模型庫系統結構，如圖3所示。

圖3 軍事行動模型庫系統結構

2.3 基于XML的模型描述

對于模型的描述擬采用基于元數據和XML的方法，用于描述、解釋和說明模型的主要性質和特征，以便于對模型進行操作。模型的元數據不僅能指明模型的作用，定義模型信息的內容和位置，而且還能實現模型的管理，描述模型同步需求等功能［8］。

行動模型中的每一個內容塊對應一個數據結構，用事先建立的實體類、行動類、任務類及相應的對象表示。如果戰場情況判斷、行動目標、戰法、作戰地域和火力手段都以類的形式表達，則模型類中的每個數據成員都可以用類及相應的對象調用、訪問和關聯而成?；鹆Υ驌綦A段的作戰模型的XML結構化描述，見表1。

表1 火力打擊階段的作戰模型的XML描述

3 基于Web服務的模型資源管理系統

3.1 系統設計思想和方法

系統總體上采用結構化的思想，根據定義完好的功能和接口協調地集成各個模型庫節點，并且按照公共服務支撐的總目標配置具體節點的功能。采用分布式的、開放的、可擴展的、基于標準的、分層的及安全的模型庫集成體系結構。在設計的過程中，應該考慮以下的情況:①系統兼容性。系統中現存的各種操作配置要能和未來出現的新技術相匹配。②訪問簡潔性。為了提高模型的重用性和使用效率，應盡量使模型庫的訪問和更新過程簡單化。③可靠性。在用戶向系統輸入模型時，必須進行一系列的VV＆A工作。④安全性。在用戶填充和查詢模型時，為了保證系統的安全性，必須進行統一的身份驗證。

3.2 系統分層框架結構設計

基于大型網絡數據庫開發平臺，分類建立模型構件庫、建模知識庫和模型數據庫結構，實現軍事行動模型的共享和重用。通過開發基于Web的模型資源管理系統，實現良好的用戶界面，為授權用戶提供模型的查詢、功能調閱和演示，模型組件的下載，聯網運行測試，技術咨詢等服務，實現模型的資源共享，提高模型的使用效率，采用分層描述的方法，將模型資源系統的體系結構分為四層，它們分別是:資源層、中間件層、Web服務層和應用層，基于Web的軍事行動模型資源管理系統分層框架結構，如圖4所示。

圖4 基于Web的軍事行動模型資源管理系統體系結構

資源層:是一個模型資源管理系統的基礎，包含了各種靜態和動態的資源。這些資源構成相應的資源池，當應用程序需要資源時，通過中間件層抽調相應的資源池中資源來滿足模型系統應用的需求，具體資源的選擇取決于中間件的任務分配和調度策略，這個過程對于模型應用是透明的。

Web服務層:Web服務層由服務發布、服務發現、服務描述、服務調用、服務傳輸和服務管理等組成。在Web服務層將所有模型資源(邏輯的與物理的)都被建模為服務。利用XML與WSDL這樣的服務機制，為所有模型資源指定標準的接口、行為與交互。

中間件層:為了解決不同平臺之間的異構性，一般需要在現有的網絡結構上配置一個可擴展的中間件層。這個中間件層包含一系列工具和協議軟件包，能屏蔽資源層中資源的分布、異構和動態特性，向應用層提供透明、一致的應用環境［7］。

應用層:Web客戶端通過提供友好的輸入界面幫助用戶更準確地提交各種模型應用請求，按照模型服務的應用領域和系統功能提供相應的主題詞表和導航目錄。Web用戶通過瀏覽器可以進行各種應用的訪問，實現模型運行、模型互聯、模型檢索、作戰仿真和模型分析與評估等。

3.3 應用實例

下面以用戶執行一次模型調用任務為例，介紹模型組合調用的具體過程，主要分10個步驟完成，具體如圖5所示。

圖5 模型組合調用流程

(1)模型調用任務請求:在應用層由客戶端啟動應用程序，向中間件層發出服務請求;

(2)模型服務解析:在中間件層，對模型調用請求服務進行相關解析;

(3)模型調度:啟用模型調度管理與分配管理，進行模型組合調用，由相應組件進行服務分配、管理和調度;

(4)服務訂閱和綁定:通過中間件基礎設施、服務分配與管理和調度管理向Web服務層訂閱模型服務，Web服務層執行中間層服務調用操作，根據模型任務規模和資源需求創建多粒度的模型服務，通過服務的組合實現模型的組合，完成對不同分辨率模型的綜合集成;

(5)服務→資源的映射:通過創建模型服務實例綁定軍事模型服務所需的數據資源、模型資源和算法資源等;

(6)模型任務執行:根據用戶需求的參數，利用數據資源、模型資源和算法資源等，執行模型組合運行的任務;

(7)模型運行狀態信息發布:按相反的路徑，通過中間件向客戶端發布模型執行的狀態信息和執行過程的資源屬性信息;

(8)模型運行結果通知:在應用層以可視化的方式向用戶顯示運行結果;

(9)用戶滿意度反饋:返回用戶對模型結果的評價與分析;

(10)資源釋放:模型任務運行結束后，撤銷服務并釋放占用的各種資源。

3.4 模型庫資源管理系統實現

3.4.1 模型資源目錄管理

采用創建模型目錄樹的方式進行層次化管理，將所有模型按一定類型分類管理和顯示，創建一個模型目錄樹，需要在模型字典庫中將每個模型按照樹型結構進行層次分類編號，如圖6所示。

圖6 模型資源目錄樹

3.4.2 系統功能模塊管理

模型庫管理系統是一個支持模型生成、存儲、維護、運行和應用的軟件系統，以適當的存儲模式進行模型提取、訪問、更新和合成等操作，還要強調模型的表示、組織與應用［9］。軍事行動模型庫管理系統是對軍事行動模型庫進行有效管理的系統，它是一個用于模型存儲、維護、運行、生成和應用的用戶友好的計算機軟件系統。用戶可以通過模型管理系統而靈活地訪問、更新、生成和運行模型。以模型庫為基礎的應用程序必須通過模型庫管理系統來訪問模型庫［10，11］，其主要的功能結構如圖7所示。

圖7 軍事行動模型庫管理系統功能結構

3.4.3 系統特點及前景

采用基于Web的分布式技術對知識庫、構件庫、數據庫、模型字典庫和模型文件等模型資源構成的軍事行動模型庫系統進行管理。不僅很容易實現模型的高度共享，擴大模型的應用范圍，還表現為以下特點:(1)訪問可靠性;(2)界面友好性;(3)可擴展性;(4)平臺無關性;(5)安全性。

模型資源管理是軍事建模與仿真的基礎性工作，對于作戰理論創新、提高體系對抗能力和作戰實驗水平具有極其重要的作用，其推廣應用前景主要有以下幾個方面:(1)構建相對合理的軍事行動體系，是進行體系對抗評估的重要基礎;(2)構建軍事行動模型庫，有助于實現體系對抗主要環節的規范化、標準化，適應體系作戰在轉型時期的現實需要;(3)構建軍事行動模型資源管理系統，為體系作戰仿真及訓練提供必要的決策支持。

4 結語

使用基于Web服務的技術建立軍事行動模型庫系統，不僅能夠對已有模型進行有效地管理，更有利于開發大量新的模型，同時，便于建模人員和軍事人員不受建模過程約束，以適應軍事訓練方式、軍事技術的變化與發展需要，增強模型庫的通用性、重用性、可靠性和可維護性，不斷提高軍事模型資源的建設水平。

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