網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估

夏 偉，石 全，王亞東，曹文斌

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.陸軍步兵大學(xué)，石家莊 050003；3.武警指揮學(xué)院，天津 300350）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)化維修是一個不斷發(fā)展、持續(xù)優(yōu)化的復(fù)雜、動態(tài)過程。以網(wǎng)絡(luò)為中心的維修系統(tǒng)逐步取代以平臺為中心的維修系統(tǒng)，節(jié)點之間必須有良好的互操作機(jī)制。在信息系統(tǒng)的通用領(lǐng)域已展開互操作性的評估研究，但在網(wǎng)絡(luò)化維修這一特定領(lǐng)域，缺乏對互操作性優(yōu)劣的評估方法。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化維修互操作平臺，實現(xiàn)對維修領(lǐng)域業(yè)務(wù)、信息、網(wǎng)絡(luò)的集成，從節(jié)點間相互封閉的體系轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己没ゲ僮餍缘捏w系，提出維修信息系統(tǒng)互操作性的評估方法。網(wǎng)絡(luò)化維修互操作平臺在網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

針對存在的主要問題，總結(jié)目前信息系統(tǒng)互操作性評估模型，結(jié)合維修領(lǐng)域特點，提出維修保障信息系統(tǒng)互操作性等級概念模型和基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估方法。

互操作指不同系統(tǒng)之間的信息共享和信息交互操作的過程?；ゲ僮餍灾赶到y(tǒng)之間信息共享和信息交互操作的能力?；ゲ僮髋c互操作性具有相互依存、相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系?；ゲ僮骷聪嗷ダ盟粨Q信息的過程，而互操作性主要是指信息系統(tǒng)間的可互操作的能力。網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)的互操作性通過對信息交換的復(fù)雜程度進(jìn)行描述和評估提供一種標(biāo)準(zhǔn)［1-4］。

1 網(wǎng)絡(luò)化維修保障信息系統(tǒng)互操作性評估

1998 年，LISI 模型適用于網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)整個生命周期，網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)由美國國防部率先提出。2015 年，我國頒布國軍標(biāo)《GJB/Z 144A-2015 指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》，GJB/Z 144A-2015 就是基于LISI 模型編寫的。2015 年，我國基于LISI 模型編寫了頒布國軍標(biāo)《GJB/Z 144A-2015 指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估》?；ゲ僮餍缘燃壞Ｐ偷玫搅似毡檎J(rèn)可并逐漸得到深入研究與應(yīng)用［5］。

依據(jù)LISI 模型，把系統(tǒng)互操作等級指標(biāo)分為5個等級，即：0 級為人工環(huán)境的獨立級互操作性，1級為點到點環(huán)境的連接級互操作性，2 級為分布集成環(huán)境的功能級互操作性，3 級為通用集成環(huán)境的領(lǐng)域級互操作性，4 級為全域集成環(huán)境的跨域級互操作性。

0 級包括獨立級系統(tǒng)，系統(tǒng)之間信息互操作通過人工傳輸或者可移動媒質(zhì)。

1 級系統(tǒng)通過簡單的電子線路連接來實現(xiàn)信息交換。功能有限，在信息融合和傳輸信息中，僅提供少量功能支持信息決策。

2 級的系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)，它允許系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)包含簡單的信息交換和融合，數(shù)據(jù)是異構(gòu)的。

3 級通過廣域網(wǎng)連接，在同一個等級上的信息是共享，在局部領(lǐng)域內(nèi)系統(tǒng)支持融合信息決策。實現(xiàn)一個基于領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型。

4 級的系統(tǒng)可以跨多個領(lǐng)域，多維拓?fù)涞臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。各領(lǐng)域之間的信息進(jìn)行交互、融合。數(shù)據(jù)和應(yīng)用完全是共享的，分布在整個信息空間。

網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性技術(shù)參考等級模型LISI 將這些因素分成PAID：應(yīng)用程序集（A）、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)（P）、網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境（I）和信息格式和數(shù)據(jù)協(xié)議（D）。如表1 所示。滿足網(wǎng)絡(luò)化維修要求，詳細(xì)描述技術(shù)等級模型。

互操作技術(shù)等級模型詳細(xì)地描述了互操作性的功能指標(biāo)，把網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性劃分為5 個等級［6-7］。

1）戰(zhàn)略級（4 級）：實現(xiàn)完全信息交互網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)之間，各裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，適用于總部級裝備維修保障體系構(gòu)建。調(diào)控整個裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)體系，可以適應(yīng)大規(guī)模作戰(zhàn)的裝備維修保障任務(wù)需求。

2）戰(zhàn)役級（3 級）：適應(yīng)某一次戰(zhàn)役系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，裝備維修保障調(diào)控組織內(nèi)部信息系統(tǒng)，但是不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化信息完全交互。

3）戰(zhàn)術(shù)級（2 級）：適用部隊級的裝備維修保障網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)原因內(nèi)部框架影響巨大，統(tǒng)一任務(wù)配置下可以適應(yīng)某一次作戰(zhàn)的裝備維修保障任務(wù)需求。

表1 網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作技術(shù)等級模型

4）單裝級（1 級）：適用于裝備的信息系統(tǒng)實時維修，針對單一軍事裝備實現(xiàn)實時掌控，信息系統(tǒng)之間的權(quán)限有明確規(guī)定，與后方維修保障信息系統(tǒng)之間的信息交互。

5）獨立級（0 級）：系統(tǒng)之間沒有功能層次的信息交互，適用于獨立的網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)。

2 網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作指標(biāo)體系

建立相關(guān)評價指標(biāo)層級結(jié)構(gòu)［8］，維修信息互操作性指標(biāo)體系如圖1 所示。

維修信息系統(tǒng)互操作指標(biāo)體系基本框架，屬性分類說明如下［9-10］：

1）規(guī)程類指標(biāo)主要反映了維修系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)制定了安全策略。各作戰(zhàn)任務(wù)具有相同的基本框架以及模型組織形式，依托網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境解決維修領(lǐng)域不同信息系統(tǒng)之間的互操作問題。

2）應(yīng)用類指標(biāo)體現(xiàn)的是系統(tǒng)采用了維修決策分析信息系統(tǒng)集、維修實施作業(yè)信息系統(tǒng)集、維修指揮管理信息系統(tǒng)集，形成網(wǎng)絡(luò)化維修功能集合。

3）基礎(chǔ)設(shè)施類指標(biāo)反映了作為互操作性評估支撐平臺硬件設(shè)施方面的評估指標(biāo)。

4）數(shù)據(jù)類指標(biāo)作為反映互操作能力實現(xiàn)融合不同來源的數(shù)據(jù)信息，規(guī)范了數(shù)據(jù)信息描述格式，克服了因為封閉建設(shè)造成的數(shù)據(jù)查詢方式、數(shù)據(jù)存儲格式和數(shù)據(jù)庫管理的差異。反映互操作性評估數(shù)據(jù)方面的評價指標(biāo)。

3 互操作性指標(biāo)和系統(tǒng)互操作性評估的描述

在對于各項指標(biāo)進(jìn)行評估時，專家或維修信息系統(tǒng)使用人員可以根據(jù)其個人經(jīng)驗、使用體驗等給出一個合理的分?jǐn)?shù)，實現(xiàn)起來較容易。假設(shè)第i 個評估指標(biāo)的分?jǐn)?shù)用pi表示，其中，，其取值范圍為，即。因此，對于一個給定的維修信息系統(tǒng)來說，各評估指標(biāo)的分?jǐn)?shù)可表示為。

對維修信息系統(tǒng)互操作性進(jìn)行總體評估時，若采用分?jǐn)?shù)的形式，顯然不夠直觀，不能貼切地反映互操作性的優(yōu)劣，而用“好”，“一般”，“差”這樣模糊性的語言來描述更符合實際情況。鑒于此，這里對系統(tǒng)的互操作性采用模糊語言的形式進(jìn)行評估。假設(shè)系統(tǒng)互操作型評估用O 表示，將評估結(jié)果即劃分為5 個等級，即O={較好，好，一般，差，較差}［11］。

為避免人為確定多因素權(quán)重的弊端，精準(zhǔn)地體現(xiàn)互操作性等級及其影響因素之間的映射關(guān)系，并且不同指標(biāo)之間還存在著相互作用，某個指標(biāo)的改變都可能造成其他相關(guān)因素的變化。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估及其影響因素之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠映射復(fù)雜函數(shù)關(guān)系的特性，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入系統(tǒng)互操作性等級評估領(lǐng)域［12-13］。

4 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的互操作性評估建模

圖1 維修信息系統(tǒng)互操作性指標(biāo)體系

圖2 評估建模思路

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是Rumelhart 于1985 年基于誤差反向傳播理論提出的，它是一種多層前向網(wǎng)絡(luò)。典型的BP 神經(jīng)元如圖3 所示。

圖3 典型神經(jīng)元模型

其中，pi表示神經(jīng)元的輸入信號；uj表示輸入信號的線性組合，也即神經(jīng)元的輸入；wij表示輸入信號pi到神經(jīng)元j 的連接權(quán)重；θj表示神經(jīng)元的閾值；φ（·）表示神經(jīng)元的激活函數(shù)；vj表示神經(jīng)元的輸出；yj表示神經(jīng)元的輸出。神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型如下：

在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，最常用的結(jié)構(gòu)為三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖2 所示的建模思路和圖3 所示的神經(jīng)元模型，建立評估維修信息系統(tǒng)互操作性的三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖4 所示。

4.1 輸入層設(shè)計

根據(jù)建立的評估指標(biāo)體系可知，一共有13 項評估指標(biāo)，因此，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層包括13 個神經(jīng)元，分別為：標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、管理規(guī)定、安全策略、維修指揮管理、維修實施作業(yè)、維修決策分析、基礎(chǔ)硬件、網(wǎng)絡(luò)通信、安全防護(hù)、系統(tǒng)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)字典。由相關(guān)人員對這13 項指標(biāo)進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。另外，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的要求，需要對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化預(yù)處理，這里采用Matlab 中的mapminmax（）函數(shù)實現(xiàn)。

圖4 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)維修信息系統(tǒng)互操作性評估模型

4.2 隱含層結(jié)構(gòu)設(shè)計

隱含層的結(jié)構(gòu)可顯著影響B(tài)P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度和泛化能力，因此，隱含層結(jié)構(gòu)設(shè)計是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要一步，主要包括確定隱含層數(shù)量和隱含層中神經(jīng)元的數(shù)目兩方面內(nèi)容。

需要說明的是，三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非最優(yōu)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，有時采用多個隱含層的網(wǎng)絡(luò)能提高網(wǎng)絡(luò)處理能力，減少預(yù)測誤差，從而得到更好的預(yù)測結(jié)果。但是，增加隱含層數(shù)勢必會增加訓(xùn)練復(fù)雜程度，延長訓(xùn)練時間。而對于三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度也可通過增加隱含層的節(jié)點數(shù)目來提高，鑒于此，采用三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即包含一個隱含層。

隱含層神經(jīng)元數(shù)目是決定網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)。若隱含層神經(jīng)元數(shù)目太少，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從樣本數(shù)據(jù)中獲取信息的能力會受限，在進(jìn)行評估時容易陷入局部最優(yōu)，甚至可能得不到理想的網(wǎng)絡(luò)模型；如果隱含層神經(jīng)元數(shù)目過多，則非規(guī)律性信息會呈現(xiàn)“過度吻合”，這會導(dǎo)致學(xué)習(xí)時間較長，且得到的評估誤差也可能較大。對于隱含層神經(jīng)元數(shù)目的確定并沒有規(guī)范的方法，采用經(jīng)驗公式n=2×m+1（n為隱含層神經(jīng)元數(shù)量，m 為輸入層神經(jīng)元數(shù)量）確定隱含層神經(jīng)元數(shù)量。由于評估指標(biāo)數(shù)量為13，即m=13，則n 的值取27。

4.3 輸出層設(shè)計

4.4 激活函數(shù)的選擇

根據(jù)需要解決的問題，采用Sigmoid 函數(shù)作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)，其基本形式可表示為：

Sigmoid 函數(shù)形狀會隨α 的變化而產(chǎn)生變化，具體如圖5 所示。通過圖5 可以看出，Sigmoid 函數(shù)，將輸出壓縮到區(qū)間［0，1］之間。取一種常用的形式，即α=1。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的激活函數(shù)采用線性函數(shù)purlin（）。

圖5 Sigmoid 函數(shù)形狀與α 的關(guān)系

4.5 模型的實現(xiàn)

采用Matlab 中的工具箱實現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練與驗證。首先，導(dǎo)入訓(xùn)練集，并采用函數(shù)mapminmax（）函數(shù)歸一化訓(xùn)練數(shù)據(jù)；其次，調(diào)用函數(shù)newff（）新建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為1 000 次（net.trainParam.epochs=1 000），訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)置為0.01（net.trainParam.goal=0.01），設(shè)置學(xué)習(xí)速率為0.1（LP.lr=0.1）。然后，調(diào)用tain（）函數(shù)對BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)。最后，調(diào)用sim（）函數(shù)利用學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)對得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗證。

4.6 等級評估結(jié)果

邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家針對圖2 所示的指標(biāo)進(jìn)行打分，并給出網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級總體評估。為了得到科學(xué)、合理的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練樣本包括29 組數(shù)據(jù)，用于訓(xùn)練BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到符合要求的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；檢驗樣本包括15 組數(shù)據(jù)，用于檢驗BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有效性。

采用MATLAB 2014a 中BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，首先采用29 組訓(xùn)練樣本對其進(jìn)行訓(xùn)練，然后將訓(xùn)練好的模型采用15 組檢驗樣本進(jìn)行測試。其訓(xùn)練迭代誤差、誤差梯度變化分別如圖6 和圖7 所示。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果如下頁表2 所示。從表2 中可以看出，在15 組檢驗樣本中，只有編號為30 的樣本的評估結(jié)果與專家評估結(jié)果不同，即專家評估結(jié)果為好，而BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果為一般。其余14組檢驗樣本的評估結(jié)果與專家評估結(jié)果均一致，評估準(zhǔn)確率為14/15=93.33%，能夠滿足適用要求，從而驗證了建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型的有效性。

圖6 均方誤差隨迭代次數(shù)的變化

圖7 均方誤差梯度隨迭代次數(shù)的變化

5 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估，是在網(wǎng)絡(luò)平臺環(huán)境下對各級各類維修信息系統(tǒng)進(jìn)行可集成度的評估，在分析常見幾種信息系統(tǒng)互操作性評估模型的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作性等級評估LISI 模型。運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完善充實維修信息系統(tǒng)互操作性評價，對樣本進(jìn)行檢測，從而驗證了建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型的有效性。本文提出一種在網(wǎng)絡(luò)化維修領(lǐng)域側(cè)重定性的互操作性等級評估的方法，用于指導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)和評估。

表2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估結(jié)果