DM2的軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成方法*

肖桃順，沈艷麗

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

DM2的軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成方法*

肖桃順，沈艷麗

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

基于DM2提出與設(shè)計(jì)工具無(wú)關(guān)的軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)集成方法，通過(guò)數(shù)據(jù)集成進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的集成；根據(jù)集成過(guò)程中數(shù)據(jù)處理的需要，分為預(yù)處理、文件合并和冗余處理3個(gè)階段；在描述3個(gè)階段所采用方法的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)階段分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，不僅證明各階段方法的有效性，也證明了基于DM2的體系結(jié)構(gòu)集成方法的可行性和有效性。

DM2，體系結(jié)構(gòu)，集成，軍事電子信息系統(tǒng)

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，軍事電子信息系統(tǒng)在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演越來(lái)越重要的角色。但軍事電子信息系統(tǒng)整體規(guī)模大、涉及領(lǐng)域廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軍事電子信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)過(guò)程中的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往需要很多不同單位或部門的人員參與［1］。所以，集成來(lái)自不同單位或部門人員的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果是形成最終設(shè)計(jì)成果的關(guān)鍵步驟。

但是，當(dāng)前的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)存在描述不規(guī)范、數(shù)據(jù)不一致等問(wèn)題［2］。雖然有方法能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)成果的集成，但都不能擺脫軟件平臺(tái)的限制，無(wú)法高效地解決來(lái)自不同設(shè)計(jì)工具的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果集成的問(wèn)題［3-4］。

最新發(fā)布的美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架（DoD Architecture Framework，DoDAF）除了規(guī)范性文檔，還提供了具備數(shù)學(xué)精度的DoDAF元模型（DoDAF Meta Model，DM2），能夠嚴(yán)格地約束體系結(jié)構(gòu)描述［5］。本文基于DM2進(jìn)行與設(shè)計(jì)工具無(wú)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果集成方法研究。

1 DM2

DoDAF 2.02版發(fā)布于2011年3月，與較早版本關(guān)注體系結(jié)構(gòu)“產(chǎn)品”描述相比，它更關(guān)注體系結(jié)構(gòu)“數(shù)據(jù)”。為了消除規(guī)范化文檔采用自然語(yǔ)言描述而存在的二義性，保證人與計(jì)算機(jī)對(duì)體系結(jié)構(gòu)描述理解一致，DoDAF 2.02版基于國(guó)際國(guó)防企業(yè)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范（International Defence Enterprise Architecture Specification，IDEAS）基礎(chǔ)本體模型［6］構(gòu)建了具備數(shù)學(xué)意義的DM2。

DM2由3個(gè)層次構(gòu)成，分別是概念數(shù)據(jù)模型（Conceptual Data Model，CDM）、邏輯數(shù)據(jù)模型（Logical Data Model，LDM）、物理交換規(guī)范（Physical Exchange Specification，PES）。其中：

（1）CDM定義了頂層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用以創(chuàng)建非技術(shù)術(shù)語(yǔ)的體系結(jié)構(gòu)描述，提供各層次使用者和管理者能夠理解體系結(jié)構(gòu)描述的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

（2）LDM在CDM基礎(chǔ)上增加了技術(shù)信息，基于IDEAS基礎(chǔ)本體將關(guān)系闡述為形式化定義；

（3）PES是基于XML技術(shù)構(gòu)建，在無(wú)二義的LDM基礎(chǔ)上增加特定通用數(shù)據(jù)類型和執(zhí)行屬性，自動(dòng)生成XSD文件。

PES的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)不同體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具之間的數(shù)據(jù)交換，是與軟件工具無(wú)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果集成基礎(chǔ)。PES用于數(shù)據(jù)交換的XSD文件有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中：

（1）IdeasEnvelope是數(shù)據(jù)交換文件的根元素；

（2）IdeasData區(qū)段包括所有需要交換的DM2數(shù)據(jù)元素，通過(guò)XML文檔標(biāo)準(zhǔn)的“ID”和“IDREFS”定義數(shù)據(jù)元素的唯一標(biāo)識(shí)以及對(duì)標(biāo)識(shí)的引用；

（3）IdeasViews區(qū)段詳述DoDAF視圖構(gòu)成，并通過(guò)“IDREFS”引用IdeasData區(qū)段內(nèi)的數(shù)據(jù)元素；

（4）constraints通過(guò)XML文檔標(biāo)準(zhǔn)“key”和“keyref”，定義了IdeasEnvelop區(qū)段內(nèi)“IDFEFS”所指向的具體“ID”。

圖1 PES的XSD結(jié)構(gòu)

2 基于DM2的體系結(jié)構(gòu)集成

在軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，使用相同軟件工具設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)成果集成是很容易實(shí)現(xiàn)的，而使用不同軟件工具設(shè)計(jì)的卻很難集成。雖然體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具大都能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)成果導(dǎo)出成與平臺(tái)無(wú)關(guān)的XML數(shù)據(jù)文件，但這些XML數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)不一致，往往需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換才能集成，如圖2所示。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程很復(fù)雜，造成體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果集成效率低下。

圖2 當(dāng)前設(shè)計(jì)成果集成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

DM2為軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換規(guī)范。設(shè)計(jì)工具將設(shè)計(jì)成果導(dǎo)出成符合PES的XML數(shù)據(jù)，就可以基于DM2對(duì)這些數(shù)據(jù)文件進(jìn)行集成，最終實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)成果集成，見(jiàn)圖3。集成后的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果依然是基于DM2的數(shù)據(jù)，可以廣泛應(yīng)用于分析、匯報(bào)、驗(yàn)證、進(jìn)一步設(shè)計(jì)等。

圖3 基于DM2的設(shè)計(jì)成果集成

基于DM2的體系結(jié)構(gòu)集成就是對(duì)設(shè)計(jì)工具導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行集成，這里根據(jù)集成過(guò)程中數(shù)據(jù)處理的需要，分為預(yù)處理階段、合并階段和冗余處理階段。

2.1 預(yù)處理階段

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果被設(shè)計(jì)工具導(dǎo)出成符合PES的XML數(shù)據(jù)文件。這些XML文件必須是有效的，既要符合XML語(yǔ)法，又要遵循PES的XSD。本文使用XMLSpy2011對(duì)XML數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

PES采用XML文檔標(biāo)準(zhǔn)“ID”定義數(shù)據(jù)元素的標(biāo)識(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)元素的ID在文檔范圍內(nèi)都是唯一的。對(duì)于來(lái)源不同的有效體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果XML數(shù)據(jù)文件，每個(gè)文件內(nèi)元素的ID都是唯一的，但不同文件的元素放在一起的話，ID就很可能會(huì)出現(xiàn)沖突。如果在后續(xù)過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)元素ID存在沖突，處理起來(lái)非常復(fù)雜，會(huì)造成資源浪費(fèi)，降低集成效率。

預(yù)處理階段主要對(duì)不同來(lái)源的有效XML數(shù)據(jù)文件基于DM2進(jìn)行ID全局化處理，步驟如下：（1）加載PES和待集成的XML數(shù)據(jù)文件；（2）給每個(gè)XML數(shù)據(jù)文件分配唯一的編碼；（3）選擇一個(gè)未處理的XML數(shù)據(jù)文件；

（4）遍歷數(shù)據(jù)文件IdeasData區(qū)段和IdeasViews區(qū)段未處理的數(shù)據(jù)元素，根據(jù)PES對(duì)元素類型的定義，將元素屬性中的ID和IDREFS字符串后部連接上該文件的編碼；

（5）重復(fù)步驟（3）、步驟（4），直到所有XML數(shù)據(jù)文件都被處理完成為止。

為驗(yàn)證預(yù)處理的有效性，假設(shè)用兩種不同的設(shè)計(jì)工具（設(shè)為a和b）完成軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)，用工具a設(shè)計(jì)了系統(tǒng)視圖SV-1，用b設(shè)計(jì)了作戰(zhàn)視圖OV-2?；贒M2生成有效的SV-1.xml和OV-2.xml兩個(gè)數(shù)據(jù)文件，見(jiàn)圖4。其中，SV-1描述“防空雷達(dá)”根據(jù)“偵察命令”執(zhí)行“空域偵察”，形成“空域情報(bào)”，生成的SV-1.xml片段見(jiàn)圖5；OV-2描述“防空指揮部”根據(jù)“空域情報(bào)”進(jìn)行“防空指揮”，發(fā)布“偵察命令”，生成的OV-2.xml片段見(jiàn)圖6。

圖4 來(lái)自不同設(shè)計(jì)工具的設(shè)計(jì)成果

圖5 SV-1.xml片段

圖6 OV-2.xml片段

比較圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)采用的DM2版本為2.02，ID存在多處沖突。對(duì)SV-1.xml和OV-2. xml進(jìn)行預(yù)處理，SV-1.xml編碼為1，OV-2.xml編碼為2，處理后的結(jié)果示例見(jiàn)圖7，使用XMLSpy2011驗(yàn)證文件依然是有效的。

圖7 預(yù)處理后的OV-2.xml片段

2.2 文件合并

文件合并過(guò)程是基于XML文件合并技術(shù)將所有預(yù)處理完成的數(shù)據(jù)文件合并成一個(gè)數(shù)據(jù)文件。基于DM2的體系結(jié)構(gòu)集成文件合并階段主要處理IdeasData區(qū)段和IdeasViews區(qū)段的合并操作，具體方法如下：

（1）在待合并數(shù)據(jù)文件中選擇一個(gè)設(shè)置為目標(biāo)數(shù)據(jù)文件；

（2）從其他未被合并的數(shù)據(jù)文件中選擇一個(gè)；

（3）將選中數(shù)據(jù)文件中IdeasData元素的子元素轉(zhuǎn)移到目標(biāo)數(shù)據(jù)文件IdeasData元素的子元素；

（4）重復(fù)步驟（3），直到選中文件中IdeasData元素所有子元素被處理；

（5）將選中數(shù)據(jù)文件中IdeasViews元素的子元素轉(zhuǎn)移到目標(biāo)數(shù)據(jù)文件IdeasViews元素的子元素；

（6）重復(fù)步驟（5），直到選中文件中IdeasViews元素的所有子元素被處理；

（7）重復(fù)步驟（2）～步驟（6），直到?jīng)]有文件未被合并。

這里采用 2.1節(jié)預(yù)處理后的 SV-1.xml和OV-2.xml進(jìn)行文件合并實(shí)驗(yàn)，最后形成的文件命名為SV-1_OV-2.xml，經(jīng)XMLSpy2011驗(yàn)證是有效的，其片段見(jiàn)圖8。

圖8 SV-1_OV-2.xml片段

2.3 冗余處理

文件合并后的數(shù)據(jù)一般是存在冗余的，不僅浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，還會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。基于DM2的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成的冗余處理階段主要檢查合并后的數(shù)據(jù)文件內(nèi)存在的冗余，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

由于合并主要集中在 IdeasData區(qū)段和IdeasViews區(qū)段，而從PES對(duì)元素結(jié)構(gòu)的定義還可以發(fā)現(xiàn) IdeasViews區(qū)段主要通過(guò) IDREFS引用IdeasData區(qū)段的元素，所以冗余處理主要針對(duì)IdeasData區(qū)段。對(duì)IdeasViews區(qū)段，只需要將所有IDREFS引用的ID替換成非冗余元素的ID就可以了。基于DM2對(duì)合并文件進(jìn)行冗余處理的方法如下：

（1）設(shè)置冗余分組為空；

（2）根據(jù)PES對(duì)元素的定義，對(duì)IdeasData元素的子元素進(jìn)行分組，將同類型的子元素歸為一組；

（3）取出一個(gè)未處理的分組；

（4）從分組中取出一個(gè)元素，并與該分組中剩下的元素兩兩比較，如果出現(xiàn)與其相同的元素（這里簡(jiǎn)化處理，兩個(gè)元素名稱完全相同則判定為元素相同），則將該元素判定為冗余，從該分組轉(zhuǎn)移到冗余元素集合，記錄該冗余元素的替代ID為取出元素的ID，并在IdeasData子元素中移除該元素；

（5）重復(fù)步驟（4），直到分組中所有元素處理完成；

（6）重復(fù)步驟（3）～步驟（5）直到所有分組都被處理完；

（7）如果冗余分組為空，則合并文件不存在冗余，結(jié)束；如果不為空，則進(jìn)行步驟（8）；

（8）根據(jù)PES的定義，對(duì)IdeasData元素的子元素中存在的IDREFS，與冗余分組中所有元素ID進(jìn)行比較，將引用冗余元素的ID換成步驟（4）中記錄的冗余元素替代ID。

（9）對(duì)IdeaViews元素進(jìn)行遍歷，將所有的IDREFS都與冗余分組中所有元素ID進(jìn)行比對(duì)，將引用冗余元素的ID替換成步驟（4）中記錄的冗余元素替代ID，直到遍歷結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)使用2.2節(jié)合并試驗(yàn)形成的SV-1_OV-2. xml，應(yīng)用冗余處理方法得到數(shù)據(jù)集成的最終結(jié)果，片段見(jiàn)圖9所示。冗余處理后的SV-1_OV-2.xml文件，不僅僅是節(jié)省了存儲(chǔ)空間，而且也實(shí)現(xiàn)了軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的集成，如圖10所示。

圖9 冗余處理后的SV-1_OV-2.xml片段

圖10 冗余處理前后邏輯轉(zhuǎn)換

4 結(jié)束語(yǔ)

DM2的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，推進(jìn)了體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的規(guī)范性，使設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重用和共享更便捷，為軍事電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不同軟件工具設(shè)計(jì)的成果集成奠定了基礎(chǔ)。本文基于DM2研究軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)集成方法，通過(guò)預(yù)處理、文件合并、冗余處理3個(gè)階段完成對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的集成，并結(jié)合試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)階段的方法進(jìn)行驗(yàn)證。但本文由于篇幅所限，對(duì)每個(gè)階段的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，也沒(méi)有闡述詳盡的算法，重點(diǎn)凸顯各階段對(duì)軍事電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果集成的意義。

［1］宦國(guó)楊，于國(guó)榮，于 輝.軍事電子信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)方法研究［J］.軍事通信技術(shù)，2006，26（4）：31-34，38.

［2］呂 翔，姜志平，羅愛(ài)民，等.C4ISR體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的研究現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，20（4）：495-499.

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［4］楊 勇，陳昌祥.信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)集成研究方法［J］.通信技術(shù)，2012，45（7）：48-50.

［5］梁振興，沈艷麗.體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展及應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

［6］肖桃順.基于UML的IDEAS基礎(chǔ)模型語(yǔ)法和語(yǔ)義研究［J］.科協(xié)論壇，2012，17（9）：93-94.

DM2-Based Integration Method of Architecture Data Designed for Military Electronic Information Systems

XIAO Tao-shun，SHEN Yan-li
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China）

Military electronic information systems architecture integration method based on DM2 is brought forward in this paper.It implements the integration of architecture designed via integration of the data.According to the requirements for data processing，the integration takes three steps as pretreatment，combination and prune.The ways used to implement the steps are introduced.In each step，experiment is carried out to validate the validity of the way used.All the experiments testify the feasibility and validity of the method based on DM2 for the architecture integration.

DM2，architecture，integration，military electronic information systems

E917

A

1002-0640（2014）09-0117-05

2013-07-12

2013-09-17

總裝“十二五”武器裝備預(yù)研基金資助項(xiàng)目（51306010201）

肖桃順（1982- ），男，河北武安人，碩士。研究方向：軍事電子信息系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)。