基于服务组合的军事行动模型系统分析

郑世明，蒋 捷，高志年，王智新

(1.南京陆军指挥学院作战实验中心，南京 210045;2.东南大学计算机学院，南京 210005)

0 引言

随着计算机技术、仿真技术和信息技术的飞速发展，对武器装备军事行动模型研究的日益深入，广大科研人员研制开发了大量的武器装备军事行动和作战仿真模型，因此而带来的模型开发费用、开发效率、开发质量、开发可信性及可靠性的控制等问题十分突出［1］。对相同或相似的军事问题，科研人员做着大量重复的工作，为了更加有效地对已有军事作战模型进行统一、高效管理和重用，提高军事建模质量和效率，需要建立一个通用的军事行动模型库管理系统来对模型进行有效的管理，军内外已对此类问题进行了大量的研究工作，但问题没有得到很好的解决。20世纪90年代中期，美国国防部(US DoD)发布了建模与仿真主计划(MSMP，modeling and simulation master plan)，第一次提出了创建建模与仿真资源库(MSRR，modeling and simulation resource repository)的需求，对MSRR的内容和组织机制、MSRR系统的技术体系结构、功能组件和层次化结构进行了探讨。北约(NATO)于2000年成立了建模与仿真组(NMSG)，主要目标之一是为未来的模型与仿真的开发及应用提供一系列通用的服务。国内也有多家院校已经开始着手对仿真资源库、模型库及其管理系统进行研究。北京航空航天大学对资源库、模型库及其管理系统已经有了相应的研究，主要是飞行动力学仿真模型库系统;哈尔滨工业大学对MSRR作了一定的研究，提出了符合组件化思想的MSRR概念体系;国防科技大学三院提出了以仿真资源库为核心建立分布式的仿真应用系统;但也应该看到:大部分的建模与仿真活动都没有系统考虑资源的共享，不同的仿真系统往往相互独立，严重影响到建模与仿真的互操作性、可重用性和可信性，增加了不必要的开发、复制和存储冗余，损耗了大量费用。

通过使用Web服务技术、XML技术和元数据技术等建立模型库管理系统，以求解决军事行动模型的表示、存储、重用、管理、共享和运行等问题。

1 基本概念

1.1 元数据

元数据(Metadata)是描述数据的数据［2］，利用元数据描述军事模型资源或支持军事模型的数据等对象数据，使得在军事模型应用过程能更好地识别模型资源、评价模型资源和追踪模型资源在作战仿真中的变化，实现模型资源的有效发现、查找、一体化组织和对模型资源的有效管理。元数据在军事模型描述中的优势表现为

(1)统一的方式对数据进行定义、描述，便于数据抽取。

(2)能以最有效的方式访问数据。

(3)很好地满足模型数据一致性要求。

(4)实现充分共享。元数据具有自描述性的特点，具备数据映射的功能，可以利用特定转换程序对不同元数据元格式进行转换，实现标准化，便于理解、互操作和共享。

(5)统一编码体系。可对元数据元素和结构按照一定的语法和语义规则进行定义和描述，利用元数据可为数字化军事模型资源建立一种机器可理解框架。

1.2 Web 服务

Web服务(Web Service)是基于XML和HTTPS的一种服务，基于简单对象访问协议SOAP(Simple Object Access Protocol)进行通信，使用WSDL(Web Services Description Language)实现对服务的描述，通过统一描述、发现和集成来发现和获得服务的元数据［3］。采用基于Web服务的方式设计模型系统具有以下优点。

◆模型聚合:Web服务具有组合的功能，通过服务组合可以实现更为复杂的服务，将每一个原子模型看成一个服务，在执行联邦模型时实际上就是执行多个原子模型的一种特定组合，通过服务组合实现不同分辨率的模型聚合。

◆数据丰富:Web服务可以分发各种类型的数据(作战文书、态势图像、通信语音和战场实时视频等)

◆屏蔽平台异构性:终端设备、浏览器类型和操作系统没有统一的要求，能满足不同用户的需求。

1.3 XML

可扩展标记语言(XML，extensible markup language)，可以用来标记模型数据、定义模型数据类型，非常适合 Web传输［4］，XML提供统一的方法来描述结构化数据。XML方法的可扩展性、独立性和自描述性等特点，使得XML用于军事模型标准化描述可以解决以下几个问题［5］:①能解决模型描述的通用性问题;②能解决模型发布的独立性问题;③能解决供应商和平台的模型交换和整合问题;④能解决模型检索效率低的问题。

2 模型库结构设计

2.1 模型库分类与构成

模型库通常由概念模型库、数学模型库和软件模型库3个子库构成，这三者之间是相互对应的关系，具体结构如图1所示。数学模型库总体上可分为作战模型、训练模型和评估模型等［6］;软件模型库则可以按照层次和级别分为原子模型、基本模型、组合模型、成员模型和联邦模型等，采取以上混合、异构和层次化的建模及系统实现方法，主要目的是实现模型组件的可重用和互操作，同时也便于实现各层次模型组件的开发。

图1 军事行动模型库分类和构成

原子模型通常是完成简单计算的函数或程序模块。基本模型指采用不同的建模方法构造的描述仿真实体某一方面特征的模型，组合模型用于实现一个军事实体在整个仿真演练过程中各阶段全部行为的模型。联邦成员模型用于实现由多个独立仿真实体构成的更高层次仿真实体的模型。联邦模型是多个成员模型的组合，是一种最为复杂的军事模型。

2.2 模型字典设计

(1)模型字典库:是基于关系数据库的组织结构形式，在数据库的表空间中存储模型和相关文档的标识信息、模型名称、模型类型、存储位置、模型编写者、编写时间、功能参数和与模型间的关系等信息，以便对模型操作［7］。模型字典库的组成，如图2所示。

图2 模型字典库结构

(2)模型文件:模型的源代码或目标代码(动态链接库)，便于模型调用;

(3)模型文档:模型的相关说明文档，方便用户通过系统查看模型功能的详细描述信息。

模型库主要用于存储各类模型，是系统的核心部分，在逻辑上模型库是各种模型的集合，在软件内容上，则由许多计算机内的程序模型组成，军事行动模型库系统结构，如图3所示。

图3 军事行动模型库系统结构

2.3 基于XML的模型描述

对于模型的描述拟采用基于元数据和XML的方法，用于描述、解释和说明模型的主要性质和特征，以便于对模型进行操作。模型的元数据不仅能指明模型的作用，定义模型信息的内容和位置，而且还能实现模型的管理，描述模型同步需求等功能［8］。

行动模型中的每一个内容块对应一个数据结构，用事先建立的实体类、行动类、任务类及相应的对象表示。如果战场情况判断、行动目标、战法、作战地域和火力手段都以类的形式表达，则模型类中的每个数据成员都可以用类及相应的对象调用、访问和关联而成。火力打击阶段的作战模型的XML结构化描述，见表1。

表1 火力打击阶段的作战模型的XML描述

3 基于Web服务的模型资源管理系统

3.1 系统设计思想和方法

系统总体上采用结构化的思想，根据定义完好的功能和接口协调地集成各个模型库节点，并且按照公共服务支撑的总目标配置具体节点的功能。采用分布式的、开放的、可扩展的、基于标准的、分层的及安全的模型库集成体系结构。在设计的过程中，应该考虑以下的情况:①系统兼容性。系统中现存的各种操作配置要能和未来出现的新技术相匹配。②访问简洁性。为了提高模型的重用性和使用效率，应尽量使模型库的访问和更新过程简单化。③可靠性。在用户向系统输入模型时，必须进行一系列的VV＆A工作。④安全性。在用户填充和查询模型时，为了保证系统的安全性，必须进行统一的身份验证。

3.2 系统分层框架结构设计

基于大型网络数据库开发平台，分类建立模型构件库、建模知识库和模型数据库结构，实现军事行动模型的共享和重用。通过开发基于Web的模型资源管理系统，实现良好的用户界面，为授权用户提供模型的查询、功能调阅和演示，模型组件的下载，联网运行测试，技术咨询等服务，实现模型的资源共享，提高模型的使用效率，采用分层描述的方法，将模型资源系统的体系结构分为四层，它们分别是:资源层、中间件层、Web服务层和应用层，基于Web的军事行动模型资源管理系统分层框架结构，如图4所示。

图4 基于Web的军事行动模型资源管理系统体系结构

资源层:是一个模型资源管理系统的基础，包含了各种静态和动态的资源。这些资源构成相应的资源池，当应用程序需要资源时，通过中间件层抽调相应的资源池中资源来满足模型系统应用的需求，具体资源的选择取决于中间件的任务分配和调度策略，这个过程对于模型应用是透明的。

Web服务层:Web服务层由服务发布、服务发现、服务描述、服务调用、服务传输和服务管理等组成。在Web服务层将所有模型资源(逻辑的与物理的)都被建模为服务。利用XML与WSDL这样的服务机制，为所有模型资源指定标准的接口、行为与交互。

中间件层:为了解决不同平台之间的异构性，一般需要在现有的网络结构上配置一个可扩展的中间件层。这个中间件层包含一系列工具和协议软件包，能屏蔽资源层中资源的分布、异构和动态特性，向应用层提供透明、一致的应用环境［7］。

应用层:Web客户端通过提供友好的输入界面帮助用户更准确地提交各种模型应用请求，按照模型服务的应用领域和系统功能提供相应的主题词表和导航目录。Web用户通过浏览器可以进行各种应用的访问，实现模型运行、模型互联、模型检索、作战仿真和模型分析与评估等。

3.3 应用实例

下面以用户执行一次模型调用任务为例，介绍模型组合调用的具体过程，主要分10个步骤完成，具体如图5所示。

图5 模型组合调用流程

(1)模型调用任务请求:在应用层由客户端启动应用程序，向中间件层发出服务请求;

(2)模型服务解析:在中间件层，对模型调用请求服务进行相关解析;

(3)模型调度:启用模型调度管理与分配管理，进行模型组合调用，由相应组件进行服务分配、管理和调度;

(4)服务订阅和绑定:通过中间件基础设施、服务分配与管理和调度管理向Web服务层订阅模型服务，Web服务层执行中间层服务调用操作，根据模型任务规模和资源需求创建多粒度的模型服务，通过服务的组合实现模型的组合，完成对不同分辨率模型的综合集成;

(5)服务→资源的映射:通过创建模型服务实例绑定军事模型服务所需的数据资源、模型资源和算法资源等;

(6)模型任务执行:根据用户需求的参数，利用数据资源、模型资源和算法资源等，执行模型组合运行的任务;

(7)模型运行状态信息发布:按相反的路径，通过中间件向客户端发布模型执行的状态信息和执行过程的资源属性信息;

(8)模型运行结果通知:在应用层以可视化的方式向用户显示运行结果;

(9)用户满意度反馈:返回用户对模型结果的评价与分析;

(10)资源释放:模型任务运行结束后，撤销服务并释放占用的各种资源。

3.4 模型库资源管理系统实现

3.4.1 模型资源目录管理

采用创建模型目录树的方式进行层次化管理，将所有模型按一定类型分类管理和显示，创建一个模型目录树，需要在模型字典库中将每个模型按照树型结构进行层次分类编号，如图6所示。

图6 模型资源目录树

3.4.2 系统功能模块管理

模型库管理系统是一个支持模型生成、存储、维护、运行和应用的软件系统，以适当的存储模式进行模型提取、访问、更新和合成等操作，还要强调模型的表示、组织与应用［9］。军事行动模型库管理系统是对军事行动模型库进行有效管理的系统，它是一个用于模型存储、维护、运行、生成和应用的用户友好的计算机软件系统。用户可以通过模型管理系统而灵活地访问、更新、生成和运行模型。以模型库为基础的应用程序必须通过模型库管理系统来访问模型库［10，11］，其主要的功能结构如图7所示。

图7 军事行动模型库管理系统功能结构

3.4.3 系统特点及前景

采用基于Web的分布式技术对知识库、构件库、数据库、模型字典库和模型文件等模型资源构成的军事行动模型库系统进行管理。不仅很容易实现模型的高度共享，扩大模型的应用范围，还表现为以下特点:(1)访问可靠性;(2)界面友好性;(3)可扩展性;(4)平台无关性;(5)安全性。

模型资源管理是军事建模与仿真的基础性工作，对于作战理论创新、提高体系对抗能力和作战实验水平具有极其重要的作用，其推广应用前景主要有以下几个方面:(1)构建相对合理的军事行动体系，是进行体系对抗评估的重要基础;(2)构建军事行动模型库，有助于实现体系对抗主要环节的规范化、标准化，适应体系作战在转型时期的现实需要;(3)构建军事行动模型资源管理系统，为体系作战仿真及训练提供必要的决策支持。

4 结语

使用基于Web服务的技术建立军事行动模型库系统，不仅能够对已有模型进行有效地管理，更有利于开发大量新的模型，同时，便于建模人员和军事人员不受建模过程约束，以适应军事训练方式、军事技术的变化与发展需要，增强模型库的通用性、重用性、可靠性和可维护性，不断提高军事模型资源的建设水平。

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