基于云架構(gòu)的模型資源重用組合技術(shù)研究

楊 光

（中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

近些年來，在海軍試驗和訓(xùn)練的發(fā)展和應(yīng)用過程中，軍地各單位積累了大量的模型、系統(tǒng)等資源，由于是“自抓自建”，技術(shù)體制不盡相同，各種資源相互孤立，現(xiàn)有模型資源重用率低。通過研究模型的重用組合方法，將異類異構(gòu)的試驗、訓(xùn)練模型資源進行重用與組合，能有效降低海軍作戰(zhàn)試訓(xùn)系統(tǒng)論證評估和開發(fā)構(gòu)造成本，提高資源利用效率。

目前，對海軍試訓(xùn)模型資源重用與組合的研究，多集中在模型的接口標(biāo)準(zhǔn)計化、層次化建模、基于Petri網(wǎng)的仿真概念模型框架組合建模等方面［1～2］，這些方法一定程度上可以實現(xiàn)試訓(xùn)模型的重用和移植，有效提高應(yīng)用開發(fā)效率。但隨著大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)的發(fā)展，云架構(gòu)下海軍試訓(xùn)模型的動態(tài)組合和重用方法的將成為未來研究重點。

2 海軍試訓(xùn)模型資源重用組合技術(shù)概述

海軍試驗?zāi)Ｐ唾Y源涵蓋了從系統(tǒng)論證、研制、裝備鑒定的全過程。從建模的全生命周期角度來分有需求模型、概念模型、設(shè)計模型、可執(zhí)行模型、運行模型等；從模型的表現(xiàn)形式來分有結(jié)構(gòu)化模型、半結(jié)構(gòu)化模型、非結(jié)構(gòu)化模型；從模型的粒度來分有原子模型、組合模型、組件模型、系統(tǒng)模型等；從實現(xiàn)功能角度分有計算模型、數(shù)學(xué)模型、動力學(xué)模型等；從模型實體屬性來講包括“空中、水面、水下、岸上”四大種類、“敵、我”兩大屬性。在本文中，模型重用與自動裝配的研究對象為海軍試驗過程中涉及的所有模型。

模型重用的核心思想是［3］：模型重用以降低系統(tǒng)開發(fā)成本、提高建模效率和質(zhì)量為目標(biāo)，通過建立可重用模型或者再利用已有的模型為手段，是一個系統(tǒng)化、工程化、標(biāo)準(zhǔn)化的過程。對海軍作戰(zhàn)試驗系統(tǒng)來講，模型重用主要有以下3種應(yīng)用場景：1）海軍試訓(xùn)系統(tǒng)更新，在之前版本的試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一些新功能，或者有其他方面的更新，形成新的試驗系統(tǒng)；2）海軍試訓(xùn)系統(tǒng)移植，海軍試訓(xùn)系統(tǒng)需要一直到新的軟件平臺下，需要適應(yīng)跨領(lǐng)域、跨平臺帶來的異構(gòu)性；3）需要創(chuàng)建新的海軍試訓(xùn)系統(tǒng)，評估確認(rèn)已有的模型資源能夠滿足新的試驗系統(tǒng)需求時，對模型資源加以重用，最后進行校驗。

在模型重用實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)中，基于云架構(gòu)的模型重用是近年來的研究熱點，文獻［4～5］提出了建模仿真即服務(wù)（modelingandsimulationasa sservice，MSaaS）的概念并指出基于云計算框架的服務(wù)也可以具有云的按需分配資源、高速網(wǎng)絡(luò)、快速響應(yīng)等優(yōu)點。這些特點都為模型重用在云環(huán)境下的應(yīng)用提供了很好的支撐。

3 海軍試訓(xùn)模型資源重用框架設(shè)計

傳統(tǒng)的MAMSaaS架構(gòu)（Mashup Architecture with Modeling and Simulation as a Service）有四層（云、盒子、接線、混合架構(gòu)）［6～7］，為了滿足海軍試驗?zāi)Ｐ唾Y源滿足按需服務(wù)，動態(tài)組合的需求，提高模型重用組合效率，本文增加了標(biāo)簽數(shù)據(jù)層，設(shè)計了一種新的基于語義盒子的混合架構(gòu)。如圖1中所示，分為基礎(chǔ)資源層、服務(wù)層和端應(yīng)用層。

云資源層：它負(fù)責(zé)支持云基礎(chǔ)架構(gòu)和部署MSaaS。云基礎(chǔ)架構(gòu)包括云計算單元（用于構(gòu)建和執(zhí)行試驗系統(tǒng)）和云存儲單元（用于共享M＆amp;S資源）。此外，該層還負(fù)責(zé)通過按需使用MSaaS中間件來部署用戶提供的M＆amp;S資源，將其作為云中的MSaaS。

盒子層：它表示用于M＆amp;S的混合組件（稱為Boxes）。盒子可以有不同的類別，每個盒子有統(tǒng)一的盒子簽名標(biāo)識，并且它有自己的處理輸入消息的功能和視覺形式，而簽名標(biāo)識以模型的層次化、服務(wù)化的描述為基礎(chǔ)。

接線層：它負(fù)責(zé)將盒子連接到混合組件中。盒子可以通過它們的輸入/輸出連接彼此，而這些輸入和輸出在它們的盒子簽名中被標(biāo)識出。一個盒子可以在不同的混合組件中重用和重新連接以作新的用途。

圖1 海軍試驗?zāi)Ｐ唾Y源重用框架

混合架構(gòu)層：它負(fù)責(zé)選擇和連接盒子，并運行應(yīng)用程序。它們可以添加盒子、接線和在運行時可視化結(jié)果。

標(biāo)簽數(shù)據(jù)層：該層使用標(biāo)簽挖掘和學(xué)習(xí)算法維護和學(xué)習(xí)盒子的標(biāo)簽樹?？梢詮暮凶又型诰驑?biāo)簽簽名，使用學(xué)習(xí)算法從盒子標(biāo)簽簽名構(gòu)建表轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)模式。

依據(jù)服務(wù)化、多層次的模型描述，將海軍試訓(xùn)模型資源的方法和具有的功能作為MSaaS來實現(xiàn)，使用云平臺的中間件將模型共享到云資源池中。

盒子從各種服務(wù)接收異構(gòu)數(shù)據(jù)。盒子模塊規(guī)范特定功能并將數(shù)據(jù)發(fā)送給其他盒子；它們可以共享或發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)。盒子有四種基本類型：MSaaS、WebAPI、Widget和OperatorBox。

MSaaSBox：它使用云層中的MSaaS服務(wù)來處理輸入數(shù)據(jù)，以及輸出結(jié)果。云層充當(dāng)存儲庫接口來作為MSaaS公開M＆amp;S資源，用戶可以通過使用HTTP方法如GET/PUT/POST/DELETE聯(lián)系到相應(yīng)的模型資源。

WebAPIBox：它調(diào)用現(xiàn)有的開放WebAPI并遵循WS（WebService）原則，暴露功能。

WidgetBox：是一個輕量級的Web應(yīng)用程序，可以在Web瀏覽器上顯示數(shù)據(jù)。它們?yōu)樘囟〝?shù)據(jù)提供可視化表示。它們可以重復(fù)使用于Web開發(fā)或其他混合平臺。

OperatorBox：它基于定制的流程從其他盒子中獲取輸入數(shù)據(jù)并生成輸出，用于解決盒子之間的不一致的問題（即具有類似端口的盒子不能直接連接），可以被視為盒子之間的轉(zhuǎn)換器。

雖然盒子有不同的類型，但它們以類似的方式管理。每個盒子都是打包在一個單獨的存檔文件中，因此可以開發(fā)、下載和安裝在不同的服務(wù)器上，每個盒子包裝有三個部分，如下：

1）盒子簽名：為了管理不同的盒子，設(shè)計了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。

BX= ＜Bn，Bt，Bd，Bs，Ba，Bp，Bm＞是盒子的一般信息，I=｛p｝是一組輸入端口，O=｛p｝是盒子的一組輸出端口，P= ＜Pn，Pt，Pd＞包括端口名稱、類型和描述。

結(jié)合仿真資源的相關(guān)描述，盒子簽名用每個盒子的基本信息（BX）、輸入端口（I）和輸出端口（O）進行標(biāo)識?；拘畔ㄆ涿QBn、類型Bt（例如MSaaS、WebAPI、Widget、Operator）、描述 Bd、子類型Bs、作者Ba、路徑Bp，以及方法Bm（相關(guān)WS的方法名稱）。一個盒子可以有多個輸入和輸出端口，用于連接混合架構(gòu)中的盒子。每個輸入或輸出包括端口名稱、類型（端口中的消息類型）和描述（描述端口的文本）。

2）盒子函數(shù)：每個盒子都有一個響應(yīng)輸入事件的函數(shù)。盒子是事件驅(qū)動的，當(dāng)輸入事件到來時，它會觸發(fā)盒子中的一個函數(shù)，通過輸出端口發(fā)送數(shù)據(jù)。不同類型的盒子具有不同的函數(shù)。對于MSaaSBox，它結(jié)合了與同一實驗相關(guān)的多個MSaaS到一個盒子。

3）盒子視圖：每個盒子也可以在Web瀏覽器中顯示。盒子有用于可視化目的文件，對于MSaaS和WebAPI的盒子，它們的視圖可以是它們的簽名或執(zhí)行狀態(tài)。對于Widget盒子，它們可以重用現(xiàn)有小部件中的相關(guān)文件。用戶也可以自定義這些文件以更改視圖數(shù)據(jù)的顯示方式。

每個盒子都打包在一個存檔文件中，這個文件包含一個盒子簽名、盒子函數(shù)和盒子視圖。

盒子的一個關(guān)鍵特征是它們可以相互連接，這就是所謂的盒子接線。接線用于通過輸入和輸出組合不同的盒子。

B=｛Bx，By……｝是一組盒子，｛Bx.I，By.O｝是盒子的一系列連接，盒子接線是盒子和它們之間的連接的組合。每個接線（W）包含一組方框｛Bx，By……｝和連接｛Bx.I，By.O｝。例如Bx.I，By.O表示盒子By的輸出端口O可以連接到盒子Bx的輸入端口I。盒子通過其輸出端口上的事件通知他們的更改；其他盒子可以通過輸入端口接受這些事件。通過接線盒子，用戶可以在多個試訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建場景中，在不了解內(nèi)部細(xì)節(jié)的情況下重復(fù)使用它們。

盒子和布線機制可用于構(gòu)建復(fù)合模型。它基于可視化表示的盒子之間的數(shù)據(jù)流和事件的機制。

M＆amp;Smashup（模型組合）由一系列盒子（B），盒子接線（W）和用戶工作區(qū)（U）組成。用戶可以擁有不同的工作區(qū)。在任何工作區(qū)中，用戶都會通過它們的輸入/輸出端口選擇盒子和盒子接線。用戶可以擁有不同的工作區(qū)。在任何工作區(qū)中，用戶都會通過它們的輸入/輸出端口選擇盒子和盒子接線。標(biāo)簽數(shù)據(jù)層可以在經(jīng)過語義提取后，通過推理引擎，幫助選擇，簡化選線/布線。

圖2是資源組合的一個示例。它由六個盒子組成（B1到B6），通過交換數(shù)據(jù)相互操作?？紤]一下有MSaaS盒子B1和B2，WebAPI盒子B3和B4，Operator盒子B5和Widget盒子B6。用戶可以通過連接這些盒子來構(gòu)建Mashup架構(gòu)。在運行時，B1中生成的數(shù)據(jù)將傳遞給B3并觸發(fā)B3的函數(shù)，然后B3將其數(shù)據(jù)輸出到B2。類似的行為也會發(fā)生在其他的盒子之間。

圖2 盒子/接線/組合示例圖

4 基于云架構(gòu)的海軍試訓(xùn)模型資源組合技術(shù)

圖3 模型資源組合方法示意圖

模型資源組合方法如圖3所示，在海軍試驗?zāi)Ｐ唾Y源重用框架的基礎(chǔ)上，首先將需要裝配的物理資源進行虛擬化描述，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬資源，形成服務(wù)之后，加入模型的云資源池。針對具體的任務(wù)采用資源搜索匹配算法尋找出動態(tài)能力滿足需求的虛擬資源，然后通過運行調(diào)度算法進行管理，實現(xiàn)海軍試訓(xùn)模型資源的組合。

目前仿真模型組合方法可以分為兩類：語法組合和語義組合［3］?；谡Z法的組合主要是解決模型接口的匹配問題，如數(shù)據(jù)船體、時間同步等；語義組合主要是通過“行為等同替換”的思想，用組合后具備相同行為的組合模型表示被建模系統(tǒng)，確保組合模型對于被建模系統(tǒng)是有效的。語法組合是語義組合的基礎(chǔ)。這兩種方法都解決了通用模型組合的一般問題，但是由于組合建模還依賴領(lǐng)域知識，例如如何根據(jù)海軍試訓(xùn)裝備模型知識確定組合模型的子模型、組合模型的子模型受到的約束條件、如何根據(jù)領(lǐng)域知識確定組合的有效性、如何表達用戶的特殊需求等。本文采用一種基于推理的服務(wù)化模型動態(tài)組合方法。

對于不同層次的試驗訓(xùn)練而言，需要將多個不同層次的模型集成起來聯(lián)合執(zhí)行，大到海軍全軍訓(xùn)練的戰(zhàn)略模型、集團軍戰(zhàn)役訓(xùn)練模型和師團戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練模型，小到單件武器的平臺級模型甚至單平臺中探測、火控的單元模型，重點是要解決多模型間不同語義的理解和綜合集成［9］。每個Box都是以服務(wù)的形式采用服務(wù)總線架構(gòu)完成注冊，來實現(xiàn)服務(wù)的在時空上的實時性。在組合過程中，模型被封裝成服務(wù)，根據(jù)模型的復(fù)雜程度將服務(wù)劃分為原子服務(wù)、基本服務(wù)、復(fù)雜服務(wù)和組合服務(wù)4種類型。

1）原子服務(wù)

原子服務(wù)對應(yīng)于原子組件，是直接將單個組件模型直接封裝形成的原子服務(wù)，這里的原子服務(wù)包括兩種：一種是不具備獨立功能的原子服務(wù)，這種模型單獨使用，一般不具備行動能力，必須與其他組件或服務(wù)組合才具有行動能力，如平臺組件等；另一種是具有獨立功能的原子服務(wù)。如輔助組件，這些組件直接封裝后形成的原子服務(wù)，不需要依賴于其他的組件就能獨立完成相應(yīng)的任務(wù)

2）基本服務(wù)

基本服務(wù)是指將原子組件按照一定的方式組裝后形成具有一定作戰(zhàn)行動能力的服務(wù)，以具備基本行動能力為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通常組成此類服務(wù)的原子組件不超過10個。

3）復(fù)雜服務(wù)

復(fù)雜服務(wù)是針對基本服務(wù)的，是指具有多種作戰(zhàn)行動能力的基本服務(wù)組合而成的服務(wù)。這種服務(wù)可能有兩種方式組合而成：一種是以基本服務(wù)為基礎(chǔ)對象構(gòu)建，通過將多個基本服務(wù)組合形成，具有多種行動能力；另一種是通過將多個作戰(zhàn)行動組件按照一定的順序組合，形成一個完整的作戰(zhàn)行動過程，這種復(fù)雜服務(wù)可以提供對某一次戰(zhàn)斗行動的仿真。對于不很關(guān)注每一個行動細(xì)節(jié)的情況下，利用這種服務(wù)可以簡化仿真過程，提高模型運行效率。

4）組合服務(wù)

自動服務(wù)組合主要需完成以下幾個步驟：服務(wù)的形式化描述，按照領(lǐng)域本體和描述邏輯的規(guī)范使得服務(wù)具有語義功能；模型經(jīng)組合后形成RDF（Resource Description Framework）文檔，按照服務(wù)描述的規(guī)范對其進行封裝，并在UDDI（Universal Description Discoveryand Integration）中心進行服務(wù)的注冊與發(fā)布；按照用戶的需求，自動找出滿足要求的服務(wù)集合，并根據(jù)相關(guān)的算法進行選擇、綁定，明確接口關(guān)系和執(zhí)行順序，同時進行服務(wù)流程化描述；按照相關(guān)算法對發(fā)現(xiàn)和選擇的服務(wù)進行自動組合、驗證和執(zhí)行。

模型組合的基本過程如圖4所示。首先由用戶提出申請需求服務(wù)，即對所需模型服務(wù)進行描述，根據(jù)模型接口描述和功能描述，進行語義提取與轉(zhuǎn)換，語義提取是與模型知識庫進行比對的過程，并將提取的語義轉(zhuǎn)換成組合推理引擎能夠識別的語言，在組合規(guī)則庫和模型知識庫的共同作用下，推理引擎按照模型組合服務(wù)流程對模型進行組合封裝，然后將組合結(jié)果反饋，并進行模型組合性驗證，最后將組合結(jié)果以服務(wù)的方式提供給用戶直接使用。而在推理的過程中，隨著系統(tǒng)的運行，模型組合的語境會動態(tài)改變，同時模型組合語境的內(nèi)容也會為推理引擎提供條件限制，影響組合過程運行。

圖4 模型組合過程示意圖

圖5 模型組合算法

整個模型資源組合算法如圖5，分別從模型資源服務(wù)的發(fā)布者、請求者和推理過程這三個角度對模型組合服務(wù)的執(zhí)行流程進行具體分析，如圖5所示。

5 結(jié)語

本文從海軍聯(lián)合試驗系統(tǒng)構(gòu)建對模型資源的重用需求入手，研究了模型重用的基本原理，借鑒云資源管理平臺MSaaS的概念以及語義組合與檢索匹配的方法，提出一種基于語義盒子的海軍試訓(xùn)模型重用框架，研究了該框架下海軍試訓(xùn)模型的組合原理和組合過程，為海軍試訓(xùn)模型的重用與組合方法研究提供了一種參考。