網絡信息體系信息流程挖掘方法研究

林文祥,劉德生

(航天工程大學復雜電子系統仿真重點實驗室,北京 101416)

信息技術和網絡技術的迅猛發展及其在軍事領域的廣泛應用,使得現代戰爭作戰體系的組織方式、結構特征、運用模式都發生了革命性的變化,網絡信息體系正是這種變化的物化反映,也是我軍對信息時代戰爭規律的創新性認知。網絡信息體系信息架構作為網絡信息體系頂層設計的核心架構產品,通過刻畫網絡信息體系信息活動的依賴關系和信息在體系中的有序流動,以“流程”的形式反映了網絡信息體系“信息主導”這一主要特征。目前網絡信息體系信息架構設計方法比較成熟,并有相關的設計工具提供支撐,可以得到圖形化的信息架構產品。這類產品是對網絡信息體系當前以及未來一段時間信息架構的靜態建模,為了確保所建模型能夠比較真實地反映設計者的設計目標和現實系統的信息活動特征,需要對信息架構模型加以驗證和優化。

流程挖掘是近二十年來的新興技術,跨數據挖掘領域和業務流程建模領域,通過對信息系統中的事件日志進行挖掘,提取出結構化的業務流程,為管理者提供真實流程的運行情況,以便進一步驗證、分析與改進,使用流程挖掘技術進行信息架構的驗證與優化是一個可行的思路。

1 網絡信息體系與信息架構

1.1 網絡信息體系概述

聯合作戰體系是信息化條件下未來戰爭的主要形式,面向聯合作戰體系的思考,不同的大國軍隊有不同的預測,即對未來戰爭的設計。從我軍來看,聯合作戰體系在一定程度上等同于網絡信息體系,一個側重戰場應用,一個側重為戰建設,即主戰和主建的區別,如圖1所示。在現在和未來很長的一段時間內,網絡信息體系是我軍抓建一體化聯合作戰的重要著力點,是對聯合作戰體系的一種全局性規劃、頂層性指導以及基礎性支撐,它是我軍著眼國防和軍隊全面深化改革,面向未來信息化、智能化、體系化的作戰形態演化趨勢,結合我軍當前由機械化向信息化、智能化加速融合的發展現狀,創新提出的戰略性、引領性概念。當前,網絡信息體系已經成為當前我軍塑造信息化裝備體系、提升信息化聯合作戰能力的核心理念和重要抓手。

圖1 網絡信息體系的定位

網絡信息體系是以“網絡中心、信息主導、體系支撐”為主要特征,涵蓋物理域、信息域、認知域、社會域的復雜巨系統,是按照統一的體系架構、統一的技術體制和標準規范構建,以聯合作戰任務規劃和信息資源共享利用為重點,以全軍共用的信息基礎設施為支撐,集成聯合情報系統、聯合指控系統、武器裝備系統、作戰支撐保障系統的有機整體。

在網絡信息體系中,“網絡”是指以網絡為中心,這里的網絡并不是指互聯網,而是指可互聯互通乃至互操作的各作戰單元的一種聯合形態,它以信息柵格網為基礎,以戰場感知網、指揮決策網、武器控制網和綜合保障網四個作戰應用網為基本組成,形成的一個邏輯上以信息流鏈接的網絡;“信息”是指以信息為主導,信息是整個網絡信息體系的靈魂,信息流在柵格中有序流動,在一定權限下,可在網絡中實現信息的獲取、傳輸、處理、共享乃至保護內部信息暢通、與外部干擾信息對抗;“體系”是指以體系為支撐,是對網絡和信息發展和結合的一種頂層設計及規劃,在體系思想的指導下,以信息基礎設施為支撐,將涵蓋各域的聯合情報系統、聯合指控系統、武器裝備系統、作戰支撐保障系統聯為一體,避免出現1+1<2的負面涌現。

1.2 網絡信息體系組成

網絡信息體系是信息化條件下聯合作戰體系的基本形態,涵蓋作戰理論、指揮結構以及時間、空間等作戰要素。網絡信息體系可物化為信息基礎設施、聯合指控系統、聯合情報系統、作戰支撐系統和武器裝備系統,組成結構如圖2所示。

圖2 網絡信息體系組成結構

信息基礎設施是網絡信息體系發揮作用的戰場“神經”,包括信息處理中心、通信網絡設施、時空基準校對、信息安全保密等共用設施,是構建信息柵格網,實現各系統之間互聯互通互操作的根本。

聯合指控系統是網絡信息體系發揮作用的戰場“大腦”,包括以指揮員為核心的各類共用資源和指控應用軟件,發揮作戰態勢分析、作戰任務籌劃、作戰指令下達等功能,為實施聯合作戰提供決策支持。

聯合情報系統是網絡信息體系發揮作用的戰場“眼睛”,包括天基情報獲取系統、空基情報獲取系統、陸基情報獲取系統和?；閳螳@取系統。聯合情報獲取系統為各級指揮機構、作戰單元提供情報支援,為實施聯合作戰提供戰場態勢信息。

作戰支撐保障系統是網絡信息體系發揮作用的戰場“堅盾”,包括裝備保障、導航測繪、氣象水文和后勤政工等服務,既有裝備方面的物質保障,也有政工方面的精神保障。

武器裝備系統是網絡信息體系發揮作用的戰場“利劍”,包括各軍兵種的武器裝備系統,是聯合作戰體系中實施對敵打擊的直接作用單元,主要是將上級的作戰分析和作戰計劃轉化為現實的作戰效果。

1.3 網絡信息體系信息架構

信息架構的概念最早由時任美國建筑師協會會長的理查德·索·烏曼(Richard Saul Wurman)于1976年創造的,后來在網頁設計領域被廣泛應用。在網絡信息體系領域,信息架構附加了軍事領域作戰新形態的新的意義。實現一體化聯合作戰能力的提升,組織和協調好信息流運行必不可少,網絡信息體系信息架構即為此服務。

網絡信息體系信息架構是信息主導思想的主要體現,也是信息主導(Inf-ProA)體系結構設計方法中的核心架構,用于指導體系規劃、建設和設計決策。信息架構從體系行為的角度關注信息處理加工的活動、過程、規則等,強調體系能力在具體信息活動下達到的效果。其核心是識別和定義支撐并驅動體系作戰/業務的信息活動、提出體系的信息能力發展要求。

網絡信息體系信息架構從與系統實現無關的角度,設計信息活動流程及其能力效果要求,是連接網絡信息體系需求架構和系統架構之間橋梁,對底層技術架構也起到了指導和約束作用。信息架構對信息活動、活動規則、能力效果等的設計和描述,規范了體系的信息流,驅動了指揮流的優化和轉型,使作戰體系更好地服務于使命任務的要求。

1.4 信息活動特征分析

網絡信息體系信息架構根據不同領域要求和任務特點,可分為五個視角,分別是全視角(All Viewpoint,簡稱AV)、信息活動視角(Information Activity Viewpoint,簡稱IAV)、能力視角(Capability Viewpoint,簡稱CV)、知識視角(Knowledge Viewpoint,簡稱KV)和標準規范視角(Standard Viewpoint,簡稱StdV)。

信息活動視角IAV是信息架構的主視角之一,它描述了體系的信息活動以及活動過程,以信息活動過程作為主體勾畫出體系的運作結構。在IAV的眾多模型產品中,信息活動過程(IAV-1a)模型是信息活動視角和信息架構的核心模型之一,用于對信息的加工處理過程進行描述,包括信息活動、信息流、信息界面等設計要素。IAV-1a模型確定了支撐需求架構的信息活動流程,從合理的信息加工處理需求梳理和提取體系的信息活動,該模型把活動與過程合并成一個對象設計,活動由過程實現,過程是活動的集合,兩者是一個整體。信息活動將輸入的信息進行加工處理,并產生輸出信息,活動之間通過信息流連接,信息流將一個信息活動的輸出連接至另外一個信息活動的輸入,直至輸出至信息端,實現一個完整的信息活動流程。IAV-1a采用如圖3所示的信息活動過程模型進行描述,由信息活動、輸入界面、輸出界面、信息流和信息端組成。

圖3 信息活動過程模型示例

IAV-1a模型本質是信息活動流程,基本組成為信息活動單元,信息活動是加工處理信息行為的統稱,具有以下三個特點:

第一是變換性。即信息在活動過程中產生輸入輸出變換;輸入的信息一定會變換為另一類輸出信息,可能變換內容、意義、格式或介質等;無變換的數據傳輸不被定義為信息活動。

第二是并行性?；顒舆^程之間承載的是數據交換,沒有時序關系,各類活動是并行展開的。

第三是持續性。即信息活動是主動和持續不間斷的過程,即便沒有新的輸入數據也會依據經驗、知識或原有數據產生輸出數據。

2 面向網絡信息體系信息架構的流程挖掘方法研究

IAV-1a模型作為信息活動視角和信息架構的核心產品,在很大程度上能代表信息架構的設計理念和內在含義,對信息架構的驗證與優化可落腳于對IAV-1a模型確定的信息活動流程的研究,驗證方法的選擇上可從工作流驗證上啟發獲得。

2.1 信息流程驗證與優化方法研究

工作流是一項比較成熟的研究領域,但許多工作流管理系統都缺乏有效的方法和工具來保證工作流的合理性。根據工作流過程定義中可能出現錯誤的類型,可以將工作流驗證的方法分為語法驗證、結構驗證和語義驗證。語法驗證主要是確定工作流模型是否符合規定的語法和規則,結構驗證則是確定工作流模型是否存在類似死鎖、死循環等問題的結構沖突,語義驗證主要是確定工作流模型是否符合現實中的邏輯,防止工作流在運行時出現停滯或者在設計時選擇了不符合現實邏輯的路徑。

語義驗證是層次最高、完整度最大,同時也是難度最大的驗證。流程挖掘是解決這一問題的有效手段。流程挖掘是一種利用流程運行產生的日志數據來發現真實流程的技術,并可對流程模型進行一致性檢驗和模型增強。使用流程挖掘技術進行語義驗證,其優勢在于:一是解決了大規模的工作流語義驗證難題,規則語義體現在流程挖掘技術自行挖掘的流程模型,現實執行成功的流程模型必然符合實際邏輯，語義暢通,使用流程挖掘算法對事件日志挖掘,不需要設計者或者專家通過經驗去判斷是否存在語義錯誤,在模型的實際推行中,操作人員必然會進行合理語義的轉化,而且流程挖掘在挖掘體量大的模型上已經比較成熟,解決了模型規模的約束;二是解決了不同建模方法帶來語義驗證難題,流程挖掘的基礎是事件日志數據,不需要根據建模思想獲得驗證原理,不論是什么樣的建模思想獲得的模型,都會以各種形式化的方式表達出來并部署運行,最終形成事件日志數據,解決了統一驗證的問題;三是解決了對復雜工作流結構的語義驗證難題,流程挖掘可以實現對復雜流程模型結構的挖掘,如短循環結構、非自由選擇結構等,這表明了可以對復雜結構的流程模型進行語義驗證。

流程發現是流程挖掘的基本應用場景,運用流程挖掘方法,可以實現對真實信息流程的發現,通過對事件日志和真實信息流程的分析,驗證真實流程與設計的IAV-1a模型產品是否一致,并針對不一致現象進行優化。

2.2 信息架構流程挖掘技術框架

流程挖掘技術起源于軟件工程領域,現主要應用于業務流程的挖掘,流程模型中的主體是業務流程活動,而網絡信息體系信息架構中各要素節點是信息活動,將流程挖掘技術應用于網絡信息體系信息架構的驗證與優化,首先要分析信息活動特性,解決特性的不一致帶來的方法不適用問題。

1)信息活動的變換性分析

變換性在一個簡潔有效的流程活動中是基本通用的,一個業務流程活動如果在輸入和輸出前后信息沒有絲毫變化,那這個流程步驟是冗余的,在設計階段應予以剔除。但在網絡信息體系中,為了全域互聯互通,可能存在僅為了傳輸更遠距離而進行的中繼傳輸,如果在傳輸過程中對信息沒有任何變換修改,可被稱作透明傳輸,這種活動不符合信息活動特性,不能作為信息活動節點,在信息流程設計階段應該不予展示;不過事實上,遠距離的中繼傳輸一般也會對信息的格式進行轉換,以方便傳輸消耗更少能量,因此非信息變換的流程活動甚少存在。綜上分析,信息流程活動和業務流程活動之間的映射,變換性并不會帶來十分嚴重沖突,一個合理的信息流程活動必然至少能對應上一個合理的業務流程活動,而合理的業務流程活動也能找到每個業務活動所需的信息活動支撐,對應上信息活動流程。這是二者性質上的相似性,是可以互相轉換和在一定程度上等同的基礎,也是流程挖掘方法技術引入信息流程的理論依據。

圖4是一個簡要的彈道導彈戰略預警攔擊作戰的業務流程,其中每個業務流程活動都需要信息活動支撐,如戰前規劃階段的作戰單元配置,其輸入需要知道敵情我情和戰場環境,輸出的是作戰單元配置的各類信息;再比如任務規劃與指令下達,輸入的是目標的各類信息,輸出的是作戰計劃和作戰指令等。

圖4 簡要反導指揮流程

2)信息活動的并行性分析

并行性可以理解為,對于整個體系而言,當體系進入運行狀態,所有的作戰節點都將進入工作(待命)狀態,其承載的信息活動將按照各自既定的規則獨立運轉。從宏觀上看,對同一個批次數據的信息加工處理行為是有時序的,但對于同一時刻而言,各信息活動之間是并發執行的。這是一種時間優化的體現,也是流程活動的通用性質,只要輸入了某流程活動,在無其他沖突的條件下,即會立刻執行,以實現執行效率的提高。以圖4為例,信息流程2的早期預警與信息流程1的遠程跟蹤可能是同時發生,并不需要等待信息流程1完全執行完畢?？深惐葮I務流程的并行性解決措施,每個初始的業務流程活動均有唯一案例ID,并會伴隨至流程結束,記錄下所有的活動,憑借ID即可收攏同一流程的所有活動。

3)信息活動的持續性分析

持續性則是指在作戰過程中,各信息處理活動均按照各自的信息處理周期對最近接收到的輸入信息進行加工,即使沒有輸入信息,在規定時間內也會輸出信息,這與一般業務活動有本質區別,業務流程活動屬于事件驅動型,只有當某個動作輸入,活動才會啟動,繼而延續執行下去。持續性帶來的是事件日志獲取的難題,持續性使得事件日志在記錄中出現了許多冗余無用信息,同時也容易造成信息活動之間連接的混亂。例如在圖4中,對來襲導彈的早期預警信息活動是始終運行的,只是在絕大部分時間,輸入不變,輸出也是同樣的無預警信號。

針對信息流程活動的持續性特點帶來的日志獲取難題,可對起始段信息輸出有變化的數據再賦予案例ID、記錄并追蹤賦有案例ID的信息流程情況,進而將信息流程活動按時間周期運轉轉變為業務流程的事件驅動,以便分清屬于同一執行實例的活動,同時還略去了一些自運轉、無改變的信息活動,減少了事件日志的復雜性。

分析信息活動特性,并解決信息活動的特性帶來的方法不適用性問題后,使用流程挖掘技術驗證與優化信息架構是一條可行之路,其技術框架如圖5所示。

實現流程挖掘技術在網絡信息體系信息架構驗證與優化領域的應用,可分為四個層面進行準備。

一是數據層,數據層設計了數據獲取方式。在前文對信息活動特性的分析中,擬采取打標賦予案例ID的方式對所需的信息活動進行篩選和記錄,但真實的信息流程記錄規則和記錄的數據難以獲得,方法的有效性難以驗證,等待真實數據也難以開展流程挖掘與信息架構的研究,需使用仿真軟件產生日志數據以供學術研究?？墒褂肅PN Tools進行Petri網仿真,根據需求模擬不同的信息流程以產生不同性質的事件日志,針對性做不同處理。日志的預處理過程可深入研究的內容包括日志的清洗、日志的集成、日志格式轉換和日志的消減。CPN Tools仿真可為理論研究提供日志數據基礎,為流程挖掘的實際應用做好鋪墊。

圖5 信息架構流程挖掘技術實現框架

二是邏輯層,邏輯層設計了方法實現的基本邏輯和步驟。首先從信息架構的IAV-1a模型產品中提取信息活動流程,此流程對上代表了信息架構的指導思想,對下可作為實際部署的信息流程的結構化表示,是信息架構理論與實際中間的橋梁;其次從記錄信息活動執行情況的軟件系統中獲取真實流程的事件日志,進行信息流程挖掘的數據準備;然后對事件日志進行預處理,事件日志是系統記錄的活動執行情況,必然會存在日志記錄錯誤,日志包含噪聲等問題,為了挖掘出真實、準確的信息流程,必須對事件日志進行噪聲處理;接下來使用流程挖掘算法對真實信息流程實施挖掘,可使用的成熟算法包括具有嚴密的邏輯推理和因果關系的α算法、針對噪聲處理的啟發式算法、基于智能優化思想的遺傳挖掘算法、基于機器學習思想決策挖掘算法和針對非結構化日志的模糊挖掘算法等,算法各有優缺點,可應用于不同場景,通過合適的流程挖掘算法挖掘出真實流程,并作為依據對IAV-1a模型提取的信息流程進行驗證與優化;最后設計典型案例,表明流程挖掘方法在不同的應用場景下,實施驗證與優化的重要意義,通過對設計的信息流程活動的一致性檢驗與增強,反饋于信息架構及其IAV-1a模型產品的驗證與優化。

三是控制層,控制層設計了對算法程序進行編寫和控制的工具。對于事件日志噪聲等問題擬采取MATLAB進行處理,MATLAB是進行數據分析的專業數學軟件,使用簡單易上手,使用其進行日志處理較為方便;對于流程挖掘算法的編寫或改進擬采取Eclipse作為軟件基礎,這是由于流程挖掘官網的開源插件的工程包均為Eclipse項目,Eclipse軟件與ProM軟件也有相應的接口,可從Eclipse調用啟動ProM驗證所設計的插件效果。

四是展示層,展示層主要將挖掘的信息流程以模型的方式進行展示。信息流程展示基于ProM平臺使用JAVA語言開發,將挖掘的流程模型以Petri網、BPMN、流程樹等形式在ProM平臺上表示出來,實現挖掘結果的可視化。

3 案例描述

本文設計一個典型的彈道導彈戰略預警攔擊作戰信息架構,基于體系架構開發與驗證分析平臺,生成的彈道導彈戰略預警攔擊作戰信息活動過程(IAV-1a)模型的一級模型如圖6所示。

圖6 反導案例信息活動過程(IAV-1a)模型

一級模型展示的是彈道導彈戰略預警攔擊作戰信息活動過程的一個整體信息流程。將此一級模型轉換為Petri網形式的信息活動流程,如圖7所示。

圖7 反導案例對應的信息流程Petri網模型

此信息流程活動由設計的信息架構信息活動視角的信息活動流程模型提取得來,是技術框架真實的研究對象,是事件日志獲取的依據,也是實施流程挖掘研究的基礎和挖掘目標。

使用CPN Tools仿真軟件生成事件日志數據,如圖8所示。其中活動與字母的對應關系,如表1所示。

圖8 CPN Tools仿真模型

表1 信息活動與字母對應關系

使用算法插件挖掘事件日志,挖掘結果如圖9所示。

圖9 α算法挖掘結果

從整個案例來看,信息活動過程模型建立了流程挖掘算法與信息架構之間橋梁,證明了設計的技術框架在技術路線上是可行的;從挖掘結果來看,挖掘的流程模型反映了真實的信息流程,達到了預期的目的,證明了流程挖掘方法確實可以將挖掘結果作為信息架構驗證與優化的依據。

4 結束語

網絡信息體系信息架構的設計更多的是領域專家的經驗和對未來戰爭的預測和把握,生成的靜態結構模型產品合理性難以把握,信息架構的驗證與優化是亟待解決的難題。本文從網絡信息體系的概念出發,分析信息架構的內涵特征,針對信息架構核心視角之一的信息活動視角的IAV-1a模型產品,提出引入流程挖掘方法用于信息架構的語義驗證,分析信息活動與業務流程活動的特性,給出面向網絡信息體系信息架構驗證與優化的流程挖掘技術框架,最后以設計的反導案例驗證所提技術路線的可行性。

在進一步的研究中,還需要根據所提的技術框架開展深入研究,包括結合軍事領域的特點對流程挖掘方法的改進和對復雜的網絡信息體系信息架構的驗證與優化。