體系的互操作等級評估方法

邱 凱，高嵐嵐，紀(jì) 坤

（軍事科學(xué)院，北京 100091）

0 引言

體系是指由若干相互聯(lián)系的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)有特定功能的有機(jī)整體［1］，例如網(wǎng)絡(luò)信息體系、作戰(zhàn)體系和武器裝備體系等［2-4］。體系具有幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：1）分布性，即構(gòu)成體系的各個(gè)子系統(tǒng)可能分布在不同地方；2）獨(dú)立性，即各個(gè)子系統(tǒng)具有各自的功能、相對獨(dú)立；3）整體性，即所有子系統(tǒng)不是零散的，而是相互聯(lián)系組成一個(gè)整體；4）涌現(xiàn)性，即體系的功能并不是各個(gè)子系統(tǒng)功能的線性疊加；5）演化性，即體系不是一成不變的，會(huì)隨著外界環(huán)境和技術(shù)的發(fā)展而不斷演化。雖然體系的各個(gè)子系統(tǒng)具有較強(qiáng)的分布性和獨(dú)立性，但是它們組合在一起卻構(gòu)成了一個(gè)整體，而且具備涌現(xiàn)行為，能夠不斷演化發(fā)展，這就要求體系整體上具有較好的互操作性?；ゲ僮餍钥梢岳斫鉃椴煌到y(tǒng)之間可以互相進(jìn)行操作［5］，也就是說，互操作主要描述的是不同系統(tǒng)之間的協(xié)同情況，即系統(tǒng)之間能夠交換并且利用對方的信息。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的系統(tǒng)不再是一個(gè)孤立的單元，而是要融入相應(yīng)的體系中，才能發(fā)揮更大的作用，因而互操作性也就變得越來越重要。

既然互操作性這么重要，那么又如何來度量互操作呢？由于系統(tǒng)的種類龐雜，類型不同，功能各異，目前還沒有通用的方法能夠?qū)λ蓄愋拖到y(tǒng)的互操作性進(jìn)行度量，通常局限于某一領(lǐng)域或類型的系統(tǒng)。互操作性的度量有兩個(gè)關(guān)鍵，一個(gè)是等級模型，另一個(gè)是評估方法。關(guān)于模型，美國國防部提出了信息系統(tǒng)互操作性等級模型LISI［6］，類似的還有組織互操作性成熟度模型OIM、層次化概念互操作模型LCIM、C3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)互操作性參考模型NC3TA、增強(qiáng)型互操作成熟度模型等［7-10］。這些模型通常將系統(tǒng)的互操作性分為若干個(gè)等級，并通過一些關(guān)鍵屬性來描述互操作性的等級效果。關(guān)于方法，李瑋基于LISI 模型，給出了信息系統(tǒng)互操作指標(biāo)體系基本框架，但是沒有給出具體的等級評估方法［11］；張雪松從物理域、信息域、認(rèn)知域、社會(huì)域4個(gè)角度構(gòu)建了全域互操作模型［12］，將互操作能力等級分為7 級，度量了系統(tǒng)的聯(lián)通性、傳播性、一致性和適應(yīng)性，但是沒有說清楚互操作能力指標(biāo)和互操作等級之間的關(guān)系；張劭陽提出了評價(jià)系統(tǒng)互操作的6 個(gè)指標(biāo)——連接性、可用性、解析、傳輸、執(zhí)行、反饋，但是沒有給出具體的互操作水平評估方法［13］；夏偉針對網(wǎng)絡(luò)化維修這一領(lǐng)域，基于LISI 模型構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化維修信息系統(tǒng)互操作技術(shù)等級模型和互操作性指標(biāo)體系，提出了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評估方法［14］；李陽等基于增強(qiáng)型互操作成熟度模型，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)信息體系的互操作指標(biāo)體系，根據(jù)各屬性指標(biāo)的等級評價(jià)結(jié)果綜合得出體系的互操作等級［15-16］。

總的來說，現(xiàn)有關(guān)于互操作評估的文獻(xiàn)整體上有兩個(gè)問題：1）大多數(shù)針對單個(gè)系統(tǒng)且僅給出了互操作等級模型，缺少評估方法；2）把體系當(dāng)成一個(gè)整體看待時(shí)，沒有考慮構(gòu)成體系的各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行和區(qū)域分布等特點(diǎn)。本文基于增強(qiáng)型互操作成熟度模型，構(gòu)建了體系的互操作能力指標(biāo)體系，通過定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合，從單體系要素和體系要素間的互操作等級演化出體系的互操作等級。

1 互操作概念

互操作這一概念目前還沒有統(tǒng)一的定義。美國國防部認(rèn)為，互操作性是指不同的系統(tǒng)、單元或力量之間互相提供服務(wù)和接受服務(wù)并有效協(xié)同運(yùn)作的能力，而IEEE 將互操作性定義為不同系統(tǒng)或要素之間交換信息和使用已交換信息的能力。這些定義主要是針對兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)之間的，互操作性是對不同系統(tǒng)之間協(xié)同運(yùn)作能力的重要度量。由于體系是由多個(gè)相互聯(lián)系的系統(tǒng)或要素組成的，所以對于一個(gè)體系而言，互操作性仍然是對體系進(jìn)行評估的重要度量。體系的互操作性是指各體系要素之間交換信息并協(xié)同運(yùn)作的能力，是對系統(tǒng)互操作概念的拓展。

1.1 互操作成熟度模型

要衡量系統(tǒng)或者體系的互操作性，需要先構(gòu)建互操作成熟度模型。美國國防部1998 年提出的LISI非常具有代表性［6］。LISI 的目的是為國防部提供一個(gè)成熟度模型，根據(jù)相關(guān)的流程規(guī)范確定待開發(fā)信息系統(tǒng)的互操作需求，評估現(xiàn)有系統(tǒng)對需求的滿足程度，并選擇實(shí)用的方案提高系統(tǒng)的互操作等級。LISI 主要包括互操作成熟度模型、參考模型和能力模型等，其中LISI 互操作成熟度模型將系統(tǒng)的互操作性劃分為5 個(gè)等級，LISI 參考模型通過規(guī)程、應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)4 個(gè)屬性來描述互操作性的5 個(gè)等級，LISI 能力模型將5 個(gè)等級又進(jìn)行了細(xì)分，并且定義了在每一個(gè)子等級上各屬性對應(yīng)的能力閾值。

雖然LISI 的應(yīng)用非常廣泛，但是經(jīng)過多年發(fā)展，特別是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)大量融入信息系統(tǒng)，互操作的內(nèi)涵有必要進(jìn)行補(bǔ)充和完善，故曹江等在2015 年提出了增強(qiáng)型互操作成熟度模型［10］。增強(qiáng)型互操作成熟度模型將互操作劃分為6 個(gè)等級，并通過結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、設(shè)施、安全、運(yùn)維和數(shù)據(jù)6 個(gè)屬性來描述互操作等級，如下頁表1 所示。和LISI相比，增強(qiáng)型互操作成熟度模型增加了安全和運(yùn)維屬性，這是因?yàn)殡S著技術(shù)進(jìn)步和對抗加劇，安全和保密已經(jīng)成為信息系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)由于系統(tǒng)復(fù)雜化、體系化，運(yùn)維也成為描述互操作性的關(guān)鍵一環(huán)。

表1 增強(qiáng)型互操作成熟度模型Table 1 The enhanced interoperability maturity model

1.2 互操作能力指標(biāo)體系

增強(qiáng)型互操作成熟度模型雖然融合了LISI 互操作成熟度模型和LISI 參考模型，但是并沒有和LISI 能力模型相對應(yīng)的各評價(jià)屬性的能力閾值，因而還不能直接用來對系統(tǒng)或體系的互操作性進(jìn)行定量評估。為此本文在增強(qiáng)型互操作成熟度模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建體系的互操作能力指標(biāo)體系如下頁圖1 所示。互操作能力包含6 個(gè)屬性，用Ai表示；每個(gè)屬性又包含若干能力指標(biāo)或效果，用Ik表示。

圖1 互操作能力指標(biāo)體系Fig.1 Interoperability index system

互操作能力具有結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、設(shè)施、安全、運(yùn)維和數(shù)據(jù)6 個(gè)屬性，每個(gè)屬性都可以通過若干個(gè)能力指標(biāo)或能力效果進(jìn)行度量。圖1 給出的是比較通用的能力指標(biāo)/效果集合，在對具體的一個(gè)體系進(jìn)行評估時(shí)，度量指標(biāo)可能會(huì)有所不同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一定的調(diào)整。

1.3 體系互操作等級評估流程

針對某一具體的體系，例如網(wǎng)絡(luò)信息體系、武器裝備體系等，可以按照圖2 所示的流程對互操作等級進(jìn)行評估。

圖2 體系互操作等級評估流程Fig.2 Evaluation process of the interoperability level of the system

評估過程分為4 個(gè)步驟：

1）確定屬性對應(yīng)的能力效果。體系由若干體系要素構(gòu)成，針對每個(gè)體系要素，確定互操作能力6個(gè)屬性的能力效果相關(guān)信息，用于后續(xù)計(jì)算。

2）計(jì)算單體系要素的互操作等級。對每一個(gè)體系要素，根據(jù)其能力效果等級和權(quán)重，通過能力效果等級初評、歸一化、權(quán)重計(jì)算和頻度分析，計(jì)算互操作等級。

3）計(jì)算體系要素間的互操作等級。對于每對體系要素，計(jì)算兩者之間的互操作等級。

4）計(jì)算體系互操作等級。根據(jù)體系要素間的互操作等級，形成體系互操作圖，計(jì)算體系的互操作等級。

2 單體系要素互操作等級評估

為了表述的準(zhǔn)確性，對問題邊界及涉及要素做出假設(shè)?；ゲ僮鲗傩约嫌洖?/p>

互操作能力效果集合記為

其中，NA=6，NI與具體體系有關(guān)，本文NI=28?；ゲ僮髂芰τ蠰（L=6）個(gè)等級，分別為等級0～5。單體系要素互操作等級評估過程如下頁圖3 所示，包括4 個(gè)步驟。

圖3 單體系要素互操作等級評估過程Fig.3 Evaluation process of interoperability level of elements in a single system

2.1 能力效果等級初評

針對互操作能力效果集合中的每項(xiàng)能力效果Ik（k=1，2，…，NI），根據(jù)評估需要確定對各能力效果等級的要求，記為

滿足

對每個(gè)能力效果，評估人員根據(jù)能力效果的度量方法和量綱，確定能力效果的等級初評分，這些值可以來自統(tǒng)計(jì)、仿真、專家評定等，用一個(gè)向量表示

滿足

2.2 能力效果等級歸一化

為了統(tǒng)一各能力效果的等級標(biāo)準(zhǔn)，需要對能力效果的等級初評分分別進(jìn)行折算，例如將等級rk映射成L-1，得到歸一化的能力效果等級向量，其中

2.3 能力效果權(quán)重計(jì)算

根據(jù)互操作能力、屬性和能力效果之間的邏輯關(guān)系，首先確定互操作屬性相對于互操作能力的重要度，其次確定能力效果相對于屬性的重要度，最后通過綜合得到能力效果對于互操作能力的全局權(quán)重，具體過程如下。

2.3.1 確定互操作屬性相對于互操作能力的重要度

2.3.2 確定能力效果相對于屬性的重要度

每項(xiàng)屬性Ai對應(yīng)一組能力效果，屬性與能力效果之間的關(guān)聯(lián)用矩陣表示。cik取值為5、3、1 時(shí)分別表示能力效果的重要度為極度重要、很重要和一般重要，4、2 介于上述三者之間，cik=0 表示能力效果與屬性不相關(guān)，。

2.3.3 計(jì)算能力效果相對于互操作能力的全局權(quán)重

1）將能力效果Ik相對屬性Ai的重要度cik歸一化為

2）將屬性Ai的重要度zi歸一化為

3）計(jì)算能力效果Ik相對互操作能力的原始權(quán)重

歸一化得到

2.4 能力效果等級頻度分析

經(jīng)過歸一化后得到的能力效果等級存在非整數(shù)的情況，因此，在將能力效果等級向量U 轉(zhuǎn)化為頻度向量時(shí)，定義如下函數(shù)

能力效果等級頻度向量V 反映了能力效果等級的總體分布情況，從中可以得到不同等級的能力效果的比例，選取占比最高的等級作為單體系要素互操作等級

3 體系要素間互操作等級評估

按照單體系要素互操作等級評估方法，分別確定每一個(gè)體系要素的互操作等級，然后對比每兩個(gè)體系要素的互操作等級，其中，較低的等級就是兩體系要素間互操作的期望等級，即

體系要素間的實(shí)際互操作等級可能會(huì)低于上述期望等級EAmn。例如，如果兩要素的固有互操作等級都較高，但是兩者之間的通信協(xié)議不兼容，那么就會(huì)降低實(shí)際的互操作等級。因此，在能夠獲得兩要素的具體情況下，需要根據(jù)實(shí)際情況對EAmn進(jìn)行修正。體系要素間的互操作等級矩陣為

其中，EAmn表示體系要素m 和n 之間的互操作等級；對角線上的元素EAnn=EAn，表示要素n 的固有互操作等級。

4 體系的互操作等級評估

如果把體系中的每一個(gè)要素看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，各體系要素間由邊連接，就可以通過互操作等級矩陣構(gòu)造出一個(gè)體系的互操作圖，如圖4所示。其中，X 是節(jié)點(diǎn)集，MEA是圖的鄰接矩陣，也可稱為邊權(quán)重矩陣。

圖4 體系互操作圖Fig.4 Diagramof the interoperability of the system

如果兩個(gè)體系要素之間的互操作等級EAmn＜L-1，可能是兩要素間的互操作等級偏低，沒有達(dá)到理想值；也有可能是這兩個(gè)要素之間本來就不需要太高的互操作等級，即其理想互操作等級EImn＜L-1，甚至還存在EImn=0，即這兩個(gè)要素之間不需要互操作。因此，需要先根據(jù)體系的頂層設(shè)計(jì)確定體系要素間的理想互操作等級EImn，然后根據(jù)EImn對EAmn進(jìn)行如下的歸一化處理

5 結(jié)論

現(xiàn)有關(guān)于互操作評估的文獻(xiàn)大多是針對單個(gè)系統(tǒng)考慮的，且沒有給出具體的互操作等級評估方法，或者把體系當(dāng)成一個(gè)整體看待，而沒有考慮構(gòu)成體系的各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行和區(qū)域分布等特點(diǎn)的問題，本文在增強(qiáng)型互操作成熟度模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了體系的互操作能力指標(biāo)體系，采取先分解再綜合的思路，將體系分解為若干個(gè)體系要素，通過確定屬性對應(yīng)的能力效果、計(jì)算單個(gè)體系要素的互操作等級、計(jì)算體系要素間的互操作等級等步驟，最終構(gòu)建體系互操作圖并得到體系的互操作等級。