信息系統互操作性評估技術研究

李瑋+仇建偉

摘 要： 首先探討互操作性評估需求和基本概念，描述評估和分析過程，并對LISI互操作性等級模型進行了概述。從角色職責、數據模型、指標體系、數據采集方法4方面對互操作性評估系統進行研究和原型設計，介紹了原型系統評估實驗效果。最后給出評估系統局限性分析和技術展望。

關鍵詞： 信息系統； 互操作性； LISI模型； 評估系統

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0084?05

Research on evaluation technology for interoperability of information system

LI Wei， QIU Jian?Wei

（The 15th Research Institute of CETC， Beijing 100083， China）

Abstract： The requirements and basic concepts of interoperability evaluation are discussed. The process of interoperability evaluation and analysis is described. The LISI model is outlined. The evaluation system is researched in the aspects of role responsibility， data model， index system and data acquisition method， and a prototype of the system is designed. The evaluation effect of the prototype system is introduced. The limitation of this evaluation system and the prospect of interoperability evaluation technology are analyzed.

Keywords： information system； interoperability； LISI model； evaluation system

20世紀90年代以來，幾次局部戰爭表明，多軍兵種聯合作戰成為高技術局部戰爭的趨勢，支撐聯合作戰的指揮信息系統技術體制逐步向網絡化、開放性和服務化的系統體系集成和轉型。這要求各級各類信息系統達到最大程度信息和服務的互操作，因此互操作性成為復雜信息系統中的一個重要能力屬性，需要進行評估度量。由于歷史和技術原因，以及各類信息系統之間都存在著或多或少的異質性和異構性，互操作性評估也變得非常棘手和錯綜復雜。美國國防部在1998年系統地規范了信息系統互操作性等級（LISI）評估方法[1]，我軍也參照LISI頒布了相應標準。在LISI模型的推動下，互操作性評估方法的研究得到深化，從系統的互操作性評估擴展到服務的互操作性評估[2?9]。本文根據LISI模型互操作性評估基本思想，研究了互操作性評估方法，提出互操作性評估系統的設計思路并予以實現，最后討論了評估系統的局限性和技術展望。

1 互操作性評估方法

1.1 信息系統互操作性評估基本概念和要求

在信息系統領域，互操作性是一個很寬泛的概念。IEEE標準化術語集給出的互操作性定義是：兩個或多個系統或系統組件交換并使用所交換信息的能力。美國國防部在綜合各方意見后于2001年給出的互操作性定義是：互操作性是指系統、單位或軍事力量之間相互提供和接受服務，以使他們能夠有效共同運作的能力[10]。我軍目前對互操作性所做的定義是：兩個或兩個以上系統或應用之間交換信息并利用所交換信息的能力。

文獻[2]據此綜述了互操作性的3個本質特征：一是互操作性發生在兩個或兩個以上實體之間；二是系統之間能夠交換信息；三是系統間能夠利用所交換的信息。

當今世界各國都非常重視信息系統的互連、互通和互操作問題。C4ISR系統實現一體化最本質的要求是：各系統之間必須是互連的、信息必須是互通共享的、應用上必須是互操作的。互連的目的是為了解決通信子網的異構性問題，產生一個對作戰任務而言單一的通信子網?；ネㄒ鉀Q端系統之間的通信及協作問題，產生一個對作戰任務“透明”的系統。互操作則使整個C4ISR系統成為一個整體，各分系統間相互提供一致的服務支持，并有效的協同工作。顯然，互連是互通的基礎，互連與互通又是互操作的前提，而互操作則是最終目標。

北約指揮控制和咨詢組織（NC3A）在2005年提出了北約聯合作戰環境（NCOE）的概念[11]，其中給出了聯合作戰環境的軟件產品評估測試進程，在聯合作戰環境中選擇產品組件要經過多項評估測試，從組件是否符合產品基本需求開始進行評估、篩選，經過基本指標預選、一致性測試、產品集成測試等步驟，最終要進行互操作性評估測試?？梢娀ゲ僮餍允谴笮拖到y體系中各組件集成測評的最高指標，也是產品采購的高層指南。

1.2 互操作性評估與分析過程

本文以系統連接性和功能性為重點，提出一種基于體系結構的系統互操作性評估過程框架。框架包括4個評估過程和1個管理過程。

1.2.1 系統功能分析過程

該過程重點采用體系結構方法和系統工程方法完成需求分析、活動到系統和系統到系統功能的映射、單獨系統功能和活動流程分析，分析回答如下問題：

（1） 復雜系統體系結構是否提供支持期望的使命能力的功能；

（2） 構成的系統是否正確性。

本過程完成了系統體系結構基本信息的注冊，使命需求和操作概念的陳述，系統功能映射關系描述，單獨的系統非功能屬性描述。

1.2.2 系統連接性檢查過程

連接性檢查過程采用體系結構方法，重點分析系統（物理和邏輯）接口映射，完成靜態互操作性評估，回答如下問題：

（1） 系統連接性和接口的數據內容是否正確；

（2） 邏輯接口是否正確地連接；

（3） 系統是否正確地連接；

（4） 適當的標準是否已經采納。

對單獨系統而言，能夠確定數據/媒體格式所遵循的標準或建立這些數據/媒體格式標準需求，對多系統確定邏輯接口的連接性問題。這些分析結果能支持系統體系互操作性方案的制定。

1.2.3 系統性能和行為度量過程

該過程主要分析如下問題：

（1） 體系結構怎樣良好地執行以提供使命的能力；

（2） 體系結構能以用戶接受的方式運行嗎；

（3） 系統中的數據精確度和時限是否正確或得到滿足。

本過程針對系統體系各項互操作性功能、性能進行度量，從而根據系統工程方法解決動態互操作性分析。

1.2.4 系統改進策略過程

該過程采用體系結構方法和系統工程方法完成基于能力的系統演化分析，把系統、技術和標準的發展與系統采辦政策相結合，制定系統改進策略和改進的采辦計劃。

1.2.5 互操作性評估數據管理過程

該過程采用體系結構方法完成基于技術體系和系統實現產品的評估指標分析，建立系統互操作性評估方法和基礎數據環境，最終生成面向項目的互操作性評估問卷。

2 LISI互操作性等級模型

信息系統互操作性級別是美國國防部C4ISR工作組的工作成果，它開始于1993年，發布于1998年。LISI分析了信息系統之間存在的普遍互操作需求，根據系統間信息交互的復雜性、交互的特點以及需要完成的功能，定義了邏輯上應用于系統之間交互和共享信息的“成熟度”的5個互操作性等級：

4級：全球環境的企業級互操作性；

3級：集成環境的領域及互操作性；

2級：分布式環境的功能級互操作性；

1級：點到點環境的連接級互操作性；

0級：人工環境的隔離級互操作系。

由于從一個等級變為下一個等級往往需要較大的互操作性能變化，因此在每一個等級中，又定義了若干子級，從而提供必要的、附加的間隔尺度，以反映較小的互操作性能變化（如2a子級、3b子級）。在每個成熟等級內，有很多因素影響信息系統互操作的能力，LISI將這些因素分成4類關鍵屬性：規程（P）、應用（A）、基礎設施（I）和數據（D），總稱PAID，來確定為達到各種層次的互操作所需要的性能集和可利用的技術實現。表1給出了各個互操作性等級簡要的PAID屬性描述。

表1 各個互操作性等級簡要的PAID屬性

為了給信息系統互操作性評估提供依據，LISI設定了互操作性能力模型，如表2所示。它定義了為獲得每一等級的互操作性所需的系統屬性值，并提供了詳細的等級描述。在不同等級上的各種屬性有對應于各種評價體系，系統的互操作性若要達到某一等級，該系統必須滿足等級上所有PAID屬性的要求。

3 互操作性評估系統設計

3.1 評估系統角色與職責

要建立互操作性評估系統，首先要明確系統的參與者和系統要實現的功能。如圖1所示，評估系統主要提供三方面的能力：互操作性評估、后臺管理和互操作性設計；系統的主要參與者包括客戶、評估員、管理員和專家。

下面分別討論客戶、評估員和專家的系統功能需求，由于管理員與互操作無關，這里不做討論。

3.1.1 客戶功能需求

系統應為客戶提供以下功能：

（1） 基本功能。包括客戶注冊、用戶登錄、密碼找回等功能。

（2） 個人信息注冊管理。登錄系統后能夠選擇進入個人信息管理頁面，在這個頁面能夠查詢、修改個人注冊信息，也可以注銷本用戶。

（3） 評估項目管理?？蛻裟軌蜻x擇進入評估項目管理頁面，在此頁面下能夠進行：

① 評估項目申請，包括申請注冊單個系統評估、查詢選擇已有系統綜合評估或單項評估等；

② 提交評估所需資料，包括填寫評估項目基本信息、填寫評估需求、提交評估證據資料（包括證據文檔上傳和填寫用戶調查問卷）；

③ 評估信息查詢，包括查詢項目申請信息、查詢項目評估進度和查詢項目評估結果等；

④ 填寫評估調查問卷，回答相關問題，以形成系統互操作性評估輪廓。

（4） 在線幫助。包括提供服務手冊和申請人工服務。

3.1.2 評估員功能需求

系統應向評估員提供以下功能：

（1） 評估申請項目審查。對客戶的評估申請信息進行審核，審核通過后的評估申請項目才能加入待評估項目隊列，接受評估系統的調度；

（2） 查詢證據分析任務。查詢需要進行證據分析的待評估項目；

（3） 調取被評估系統文檔。分析員可以查看被評估系統的各種設計文檔、評估調查問卷，從而提取相關評估證據；

（4） 項目評估執行。查詢已經完成各種評估證據采集的待評估系統，根據需求執行互操作性評估。

3.1.3 專家功能需求

專家的主要任務是進行互操作性設計，系統可為專家提供設計評估模板、設計評估問卷、設計評估問題、設計指標分數體系等功能。

3.2 互操作性數據模型

3.2.1 設計原則

互操作性評估數據模型定義了互操作性評估領域的數據對象、之間的關系和屬性?；ゲ僮餍栽u估數據模型對LISI數據模型中的數據實體項進行擴展，結合系統體系結構視圖中與互操作性相關的數據項，設計和實現數據模型與管理。互操作性數據模型和數據倉庫是互操作性評估活動的基礎。數據模型設計目標：

（1） 滿足互操作性問卷的動態擴展和更新需求；

（2） 支持不斷發展的系統互操作性評估發展要求；

（3） 能根據互操作性測試評估要求添加新的系統體系結構數據采集類型；

（4） 適應互操作性研究和評測需求的發展；

（5） 適應數據關聯和概念的擴展和修改；

（6） 核心數據存儲結構穩定，不隨應用的擴展和升級而改變；

（7） 符合系統體系結構的概念和原則。

3.2.2 數據模型

互操作性數據模型通常采用關系模型和數據庫設計方法，數據模型分為3個層次表達：概念模型，邏輯模型，物理模型。

（1） 概念模型是以用戶熟悉的概念描述數據的概念和結構，忽略數據的細節，提高基本概念的清晰度。

（2） 邏輯模型是更加形式化的數據表達，強調語義的良好定義、非重疊性和完整性。根據上面概念數據模型的結構，邏輯數據模型完成數據結構的詳細設計，包括數據實體各項屬性的名稱、語義和數據類型的定義，數據實體層次結構和關系結構的設計等。互操作性評估數據關系圖如圖2所示，其表達了互操作性評估數據模型元素之間的基本關系。

（3） 物理模型通常詳細到數據庫的實現，必須包含所有實現必須的信息，常常要考慮性能問題?；ゲ僮餍晕锢頂祿Ｐ桶凑誗QL語言規范表示，實體和屬性的命名規則符合工程規范要求。

3.3 互操作性評估指標體系

評估指標是評估系統互操作性等級的依據，評估指標是一組可測量、可量化的屬性，一項指標反映了某類互操作能力的一個屬性。

圖3給出評估指標體系基本框架，PAID屬性分類說明如下：

（1） 規程類指標主要體現的是系統采用了哪些建設指導文件，遵循了哪些標準規范文件，有哪些安全策略文件等，主要包括標準架構、管理規定、安全策略三大類標準文件，這些文件即是規程方面的能力指標；

（2） 應用類指標體現的是系統采用了哪些共性應用軟件、通用應用接口或組件、共性應用服務等，包括應用系統、應用服務、應用接口三大類應用功能軟件，這些軟件所體現的功能作為互操作性評估應用方面的能力指標；

（3） 基礎設施類指標體現的是系統采用了哪些硬件設備以實現互操作能力，使用了什么樣的物理網絡來達到信息的互操作，主要包括基礎硬件、網絡通信、安全防護、系統服務類指標；

（4） 數據類指標是體現互操作能力的關鍵性指標，互操作的目的就是為了實現數據的交互與理解，影響數據互操作的關鍵性指標有三類：數據模型、數據格式和數據字典。數據模型決定了數據的表示方式和存儲方式，數據格式決定了數據的顯示方式，數據字典保證了數據的語義理解。

在此基礎上，根據待評估系統的不同，由各個領域專家根據權威標準，分別對基本框架中的每個領域建立指標體系，并參照互操作性能力模型，將指標映射到不同的互操作等級，最終以此為依據對被測系統進行互操作性評估。

3.4 互操作性評估數據采集方法

（1） 基于人機交互的調查問卷方法。評估系統采取基于人機交互的調查問卷方法實現靜態互操作性檢驗。評估調查問卷是由調查問題組成的，評估指標是進行互操作能力評估，確定系統互操作能力等級的直接依據，而調查問題是對互操作性能力的描述，用于采集相關的評估指標證據。根據上面所提評估指標體系的設計，由相關領域專家設計評估調查問題，分別采集規程、應用、基礎設施、數據方面的評估指標，最終設計形成評估調查問卷。調查問題往往呈現層級性，父類問題對應相關子類問題，形成問題組，每一問題又對應著相關的實現選項，這些實現選項真實反應系統能力的指標，根據互操作性指標體系，實現選項反映在互操作性能力模型中，從而得出系統某領域的互操作性等級。

（2） 基于軟件工具的數據采集方法。動態互操作性檢驗功能的設計是實現基于軟件工具的數據采集和評估，主要包括文檔數據分析工具、接口數據采集工具、采集數據分類比較工具、測試用例生成和系統仿真工具等。利用這些工具可進行各種試驗，從而自動獲取被測系統互操作性驗證相關證據。動態互操作性檢驗在靜態檢驗基礎上進一步實現基礎軟件互操作性檢驗、傳輸服務互操作性檢驗、數據模型互操作性檢驗、共性應用支撐互操作性檢驗、業務功能互操作性檢驗等。通過采集被測系統提交其各方面性能指標，形成系統互操作性輪廓。評估員可用LISI互操作性等級模型為指導，根據專家組預先設計互操作性分數體系和評估原則，對被測系統執行互操作性評估。而系統根據互操作性評估結果，可明確在哪些方面有不足并加以改進，大型系統體系可依據評估結果作為設計指導，提升相關組件之間的互操作性等級。

4 原型系統評估實驗

根據以上評估系統的設計方案，基于B/S結構設計和實現互操作性評估原型系統軟件工具。采用原型系統對各類待測系統進行互操作性等級評估，具體操作過程如下：

（1） 客戶進行評估申請，簽署評估協議，填寫待測系統基本注冊信息，申請進行互操作性評估；

（2） 評估員審核待測系統基本信息，明確客戶評估目的，批準進行互操作性評估；

（3） 客戶通過填寫調查問卷或者利用數據采集軟件工具，對規程、應用、基礎設施、數據等方面的評估證據進行采集；

（4） 評估員根據采集到的待測系統評估證據，對照評估指標體系及LISI互操作性能力模型，執行互操作性等級評估，給出待測系統互操作性評估輪廓。若是多系統評估，還應給出系統間的互操作性矩陣；

（5） 根據待測系統評估輪廓及互操作性矩陣，生成評估結果表，返回給客戶，完成互操作性等級評估。

原型系統能較好地反映系統集成中的互操作性能力屬性，為系統體系結構設計和系統集成中的系統互操作性指標的提高提供了建設性改進意見和指南。

原型系統具有較強的可擴展性。采用關系數據庫模型設計原則，可根據情況變化對評估模型、評估問卷問題、評估指標體系進行動態擴展和及時更新，以滿足各類型待評估系統新的互操作性評估的要求，適應技術革新后互操作性等級指標的變化。

5 結 語

本文以LISI模型為基礎，參考國內外互操作性評估技術的研究成果，討論了互操作性評估方法及互操作性評估與分析過程。從角色職責、數據模型、評估指標體系、評估數據采集方法4方面重點討論了互操作性評估系統的設計思路和方法。最后簡要介紹了評估原型系統的實驗過程。國內目前信息系統的互操作性評估技術處于研究和發展階段，還沒有功能完善的評估系統產品。特別是指標體系和調查問題，仍需要聯同各領域專家進行更加詳細、完善的設計，從而形成具有權威性的評估指標體系和調查問題庫，使得系統評估結果的可信度得到提高和認可。對于信息系統體系結構設計和集成而言，互操作性等級評估工作不僅能更好地解決遺留系統與新研系統之間的互操作性問題，而且對系統后續采購、開發、集成、測試、運行階段產生重大影響。

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