美軍靶場試驗鑒定元數據建設情況研究

喬冠禹,胡 然,劉冰峰

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003)

0 引言

裝備試驗鑒定是指按照規定的條件、程序、要求和方法，對裝備系統或部件進行實際操作和測試，獲取相關信息和數據并進行分析處理，考核、驗證或評價裝備質量或性能的活動[1]。美軍的各個靶場在執行試驗鑒定任務過程中，會產生諸如試驗要求、試驗文檔描述、數據格式描述等海量數據信息。通常采用元數據對海量信息進行統一描述。

元數據對于解讀試驗數據和在試驗后重訪試驗數據，再現試驗場景至關重要。然而在實際工作中，存在元數據范圍廣、格式雜、含義亂等問題，制約了元數據和數據的管理、共享和應用。為此，美軍靶場指揮官協會(RCC)下轄的數據管理委員會(DMC)與KBSI公司合作，針對不同靶場、不同系統、不同試驗任務的元數據應用需求，在兼容已有元數據和保持高度可擴展性的要求下，驗證并開發了適用于試驗鑒定元數據全生命周期的構建方法、參考模型和元數據集市項目。本文將對美軍試驗鑒定元數據建設的相關研發活動以及建設成果進行綜述，并對試驗鑒定領域元數據建設給出啟示建議。

1 調查與研究工作開展

美軍與KBSI公司合作，分2個階段驗證并開發了可以用于不同系統、靶場、測試用例和試驗任務進行試驗鑒定元數據的存儲、傳輸、回溯的方法論、元數據模型和工具集[2]。

在第1階段，KBSI公司進行了試驗鑒定元數據參考模型的原型以及試驗鑒定元數據集市(TEMPL)接口的概念驗證，驗證了TEMPL的有效性；并與傳統方法對比，驗證了其在歷史數據整編、元數據構建以及元數據VV&C等方面的優勢。

在第2階段，KBSI公司工作人員赴多家美軍重點靶場進行考察，與數據科學組成員合作，在考察成果基礎上進一步完善開發了試驗鑒定元數據參考模型、試驗鑒定元數據工具集、試驗鑒定元數據方法論，并綜合前期研究成果形成了基于組件的試驗鑒定元數據集市(TEMPL)。

2 試驗鑒定元數據構建方法

2.1 開發統一的元數據標準

專有元數據格式的廣泛性，以及不同機構間專有術語的復雜性給各個靶場的元數據管理工作中帶來了極大挑戰。統一標準的缺乏使得靶場很難與其他機構分享元數據和數據，甚至在同一機構內部也存在這種現象[3]。

如果關于某一試驗特定方面的元數據用專有格式存儲，則其他要訪問該元數據的機構也需要擁有能解讀該元數據的系統。若無共同標準，將增加元數據的格式種類以及系統的復雜程度。另外，在缺乏共同專有術語的機構之間共享元數據可能會導致解讀錯誤。若沒有特別定義，很多術語含義會非常模糊。例如，一個機構可能常用“transmission”來指代“使用交通工具運輸”，而另一機構用其指代“無線電傳輸”，類似錯誤甚至在同一機構內部也會發生。專有的元數據格式常常與特定的廠家或裝備綁定，且沒有統一歸檔。這使得把元數據移植到新系統時非常困難。另外，若裝備淘汰或廠家倒閉，在裝備生命周期以外，元數據有流失的風險。

若具備一種被廣泛接受并且歸檔的標準，則能夠避免這些問題。目前美軍有很多現行或開發中的標準能夠覆蓋特定領域的試驗鑒定元數據。部分標準如下：

1) 遙測屬性轉換標準：基于文本的元數據格式，由靶場指揮官協會遙測組開發，主要用于描述處理遙測數據所需的屬性信息[4]。

2) 儀表硬件抽象化語言：基于XML的語言，用于描述數據獲取儀器的配置和性能。其正在被靶場指揮官協會遙測組評估，以作其發布的元數據標準之一[5]。

3) 元數據描述語言：基于XML的語言，用于描述測量，包括它們的轉換、數據格式、以及傳輸。作為中央試驗鑒定投資方案里整合的網絡增強測繪項目的一部分開發。

4) 試驗鑒定標記語言：基于XML的語言，在阿伯丁驗證中心用于配制試驗儀器系統。該中心已經聯系了一些設備供應商來為TEML語言增加本地支持。

5) 試驗訓練使能體系：用于不同機構間共享試驗數據的對象模型、軟件架構和工具集。 盡管TENA并不是一種標準的元數據語言或格式，但它確定了共享試驗數據時的標準術語，并且為通用概念(例如時間)作出了定義。

6) 數據字典：由陸軍試驗鑒定司令部維護的通用試驗鑒定術語的數據字典。該數據字典的目的是作為陸軍試驗鑒定任務的受約束的詞匯表。該數據字典及定義明確了過多的術語，確保試驗鑒定術語被廣泛理解。

7) 試驗鑒定元數據參考模型：由靶場指揮官協會數據科學組發布的高等級試驗鑒定元數據參考模型。

2.2 增加元數據覆蓋范圍

在上述已有元數據相關標準的基礎上，經過調研分析發現部分高價值數據缺少標準化的元數據描述，例如：

1) 試驗活動記錄：在重放過程中，每個測試點或其他重要事件(包含預料之中和預料之外的)的開始和結束時間被電子化記錄下來。這產生了關于需要研究數據的重要時間周期的單獨記錄。獲取試驗活動記錄后無需重做試驗以及交叉引用多個記錄。

2) 試驗軟硬件版本：試驗鑒定元數據應該包含對試驗中所用的所有軟硬件版本的記錄，包括所有軟件和固件的版本。記錄該信息對于日后重現試驗的某些部分至關重要。而且，如果發現某些軟件有缺陷，則可以依此快速找到所有受影響的試驗。

3) 政策符合性：記錄相關靶場試驗方法的描述，使得靶場能順利對接聯邦政府和其他管理局的審查。

2.3 優化元數據的存儲和訪問

目前美軍各個靶場正在規劃構建中央元數據管理系統，用于存儲和管理試驗鑒定元數據。中央元數據管理系統中的元數據不一定遵照某種特定格式，但要求工作人員按照該系統可以接收的格式來整理元數據。例如，在歸檔管理系統中存儲試驗報告，要求將作者、修訂、和試驗日期等信息用標準化的方式與報告本身簡單地整合起來，而不是單純的文件存儲。

元數據管理系統應當在邏輯上集中，在物理上分散，即記錄不必存儲于同一物理位置。事實證明不同的系統和存儲策略來應對不同種類的元數據更有效率。最好能讓用戶在實際工作中使用最合適的系統來產生元數據，并且提供一種中央元數據管理系統使得用戶無論何時何地都能訪問元數據。

另外，元數據管理系統應當根據用戶的角色為用戶提供信息，因為不同的用戶可能需要不同的元數據訪問方式和元數據版本。用戶視圖使得他們的工作更有效率。

同時，元數據管理系統應具有較高的靈活性，不應強制要求數據的加載順序。如果元數據管理系統過于死板，則在面對情況復雜的元數據文檔時可靠性較低。

2.4 規范數據和元數據的歸檔方式

靶場如何開發、記錄，如何保留、歸檔、備份數據和元數據的規范同樣重要。一般來說，歸檔后的試驗鑒定數據和當前的試驗鑒定數據有不同的存儲方式。完整的歸檔方法應包括：1)應當保存哪些信息；2)信息的存儲期限；3)應使用的格式；4)格式和媒介更新方式，即每隔多久數據應該轉移到新媒介或轉換成新格式；5)數據的安全要求和密級。

因為歸檔方式會隨時間推移而改變，所以當前的歸檔方式應以快照的形式存放在歸檔信息中，以便用戶了解歸檔后的信息按照何種方式歸檔。在此情況下，歸檔方式本身就成為了與試驗鑒定任務相結合的元數據來源之一。

3 試驗鑒定元數據參考模型(T&E Ref Model)

3.1 模型構建

試驗鑒定元數據參考模型與上文所述的試驗鑒定元數據最優方法共同研發，在實際運用中亦相輔相成。圖1展示了試驗鑒定元數據參考模型的構建流程。

首先，歷次考察的結論被導入到數據字典中。數據字典主要保存元數據成員的名稱，對應的描述，以及其包含的信息種類。

而后，數據字典中的元數據成員映射到現有的參考模型元素中，同時在每個數據字典中新增加一列，用以記錄每一元數據成員包含的信息種類相同的參考模型元素。這一映射流程能夠快速地發現模型中缺失或是誤命名的元素。委員會接下來按照映射流程以及從論壇獲取的評論，組建參考模型。最終，對參考模型的修改會在常規的遠程會議中呈給工作組，評估決定是否保留各項修改。

3.2 模型格式與歸檔

KBSI公司和相關研究人員使用三種方式來表述試驗鑒定元數據參考模型的格式，并進行歸檔。

1) 試驗鑒定元數據參考模型UML類圖解。

UML語言提供了適合用于展示的模型圖示。UML類圖解也方便了使用工具來自動生成用于軟件應用的對象模型源碼。

2) 使用互聯網本體語言(OWL)格式的試驗鑒定元數據參考模型本體。

本體論提供了對模型及模型間關系更有條理的邏輯描述。通過本體的方法表現試驗鑒定元數據參考模型，使得模型中可以加入計算機可識別的規則。自動推理系統因而可以執行這些規則來提取信息，以及執行其他高級任務，如元數據自動認證和元數據溯源。

3) 文檔《176-11試驗鑒定元數據參考模型》

該文檔以文字形式，記錄了模型的描述和情景。

3.3 模型架構

根據試驗任務的四個主要方面，試驗鑒定元數據參考模型分為試驗中心和測試用例子模型、試驗計劃子模型、試驗任務子模型、數據簡化與分析子模型四個部分。各個模型包含了所需要的元數據及其邏輯關系[6]。

以試驗中心和測試用例子模型為例，其邏輯關系如圖2所示。

以試驗中心和測試用例子模型為例，其元數據如表1所示。

表1 試驗中心和測試用例部分包含元素

續表1

4 試驗鑒定元數據集市(TEMPL)

4.1 試驗鑒定元數據集市的研發

試驗鑒定元數據集市(TEMPL)的架構基于組件技術，將試驗鑒定元數據參考模型與不同機構特有的數據相結合，用以開發模型來滿足：數據瀏覽、搜索與溯源，元數據存儲構建，以及VV&C檢驗的需求。TEMPL可以滿足美軍未來的試驗活動對元數據與元數據定義的要求。

目前，TEMPL組件可以整合進商用儀表支持系統中，作為系統的一部分正常運行。

TEMPL的相關研究將極大地改進對于系統和關于體系的試驗鑒定效能。合理的試驗鑒定元數據參考模型與相關的確認、元數據抽象化、可視化工具將大大簡化定義試驗鑒定元數據所需的工作，并將有效提升試驗鑒定元數據和信息的質量。不僅如此，參考模型和基于網絡的可視化接口也將使歷史數據和未來數據實現網絡中心化[7]。

4.2 試驗鑒定元數據集市架構

TEMPL架構如圖3所示。試驗鑒定元數據參考模型被映射給數據，而后加工為特定機構的元數據系統所需的模型。數據模型中包含了該機構對元數據進行溯源時所需的足夠信息。TEMPL中間件可使用該映射結構來訪問元數據的原始存儲位置，并在試驗鑒定元數據參考模型的背景中展現給用戶。不同的數據模型使得用戶可以瀏覽、搜索使用試驗鑒定參考公有的模型術語和其他機構特有術語的元數據。單個TEMPL的架構可以分為四層：知識獲取、管理和用戶界面層，信息管理層，數據訪問中間件層，數據和元數據持久層。

知識獲取、管理和用戶界面層包括高級模型開發工具(包含了本體論并生產模型，以及支持模型間關系)、試驗鑒定元數據接口、搜索工具。“接口”是終端用戶搜索、存儲以及對現有元數據進行VV&C檢驗的唯一途徑。

信息管理層由不同的邏輯組成，包括VV&C檢驗邏輯、索引，搜索與溯源邏輯，以及KBSI公司高級模型開發工具的自動化邏輯。信息管理層包含了針對不同試驗鑒定元數據規則的VV&C檢驗器。這些檢驗器支持對不同模型和元數據的VV&C檢驗以及模型自動生產，來降低利益相關方和用戶的負擔。

數據訪問中間件層使用了各種模型、映射方式、數據庫鏈接和API，為信息管理層提供元數據溯源和導航服務。中間件引擎支持對結構化和非結構化數據的訪問。中間件由模型和映射方式配置而成。另外，通過提供對元數據的多個源頭在數據持久層的共同訪問，這種基于模型的中間件可以為終端用戶提供當前TEMPL沒有涉及的服務。

數據和元數據持久層包括各種元數據、本體和生產模型、各種映射規則、搜索用索引、規則集、以及數據和元數據源。

5 啟示與建議

美軍與KBSI公司合作，通過對一系列有代表性的靶場的考察與研究工作，開發出了試驗鑒定元數據最優方法、試驗鑒定元數據集市等成果，提供了相關機構開發試驗鑒定元數據管理系統的工作指南，為后續試驗鑒定工作的開展提供了有力支持，顯著提高了數據管理工作效率。美軍在試驗鑒定元數據建設方面的有益經驗和成功做法，對靶場數據工程建設具有重要的借鑒意義。主要啟示與建議如下：

1) 結合靶場業務需求，構建規則一致的元數據標準體系。

由于靶場業務覆蓋組織指揮、測試測量、環境構設、分析評估、基礎保障、仿真建模等諸多領域，如何集合領域需求構建元數據標準體系成為了數據資源管理的關鍵。對此，在實踐工作中，可以通過制定統一的元數據描述方法、規劃元數據體系、針對性制定標準的方式，形成相對完善的元數據標準體系。

2) 注重廣泛調研與共性因素總結，迭代優化形成完善元數據體系。

隨著裝備體系化發展，未來試驗模式中聯合試驗、體系試驗等將成為常態。跨靶場的試驗任務需要統一的元數據體系作為支撐。因此，在靶場元數據建設過程中需要廣泛調研相關單位元數據建設情況，總結歸納共性因素，并通過不斷迭代優化形成完善的元數據體系，才能有效支撐跨靶場的互聯、互通、互操作。

3) 注重配套設施建設，以發揮最大程度發揮元數據價值。

元數據建設工作中，軟硬件配套設施的建設是決定元數據能否有效發揮作用的關鍵。在靶場元數據應用過程中，應當在梳理數據需求及建設元數據、參考模型、規則集等基礎上，構建標準化、可擴展的元數據以及數據管理系統，以支持元數據的標準化管理和有效拓展。■

[1] 劉林山，李杏軍，楊俊嶺，等.美軍武器裝備作戰試驗鑒定基本情況及啟示建議[J].靶場試驗與管理，2014(4).

[2] Knowledge Based Systems Inc..TEMPL:test & evalua-tion meta plaze[EB/OL].(2011-03-08)[2017-04-08].http:∥www.kbsi.com/research/templ.htm.

[3] Range Commanders Council (RCC) Data Sciences Group, RCC Document 175-11, T&E metadata best practices[S]. 2011.

[4] Telemetry Group, Range Commanders Council, IRIG standard 106-01, telemetry standards[S]. 2001.

[5] Hamilton J, Fernandes R, Koola P, et al. An instru-mentation hardware abstraction language[C]∥42nd International Telemetering Conference (ITC), 2006.

[6] Range Commanders Council (RCC). Document 176-11, T&E metadata reference model[S]. 2011.

[7] Hamilton, Fernandes, et al. A model-based Method-ology for managing T&E metadata[C]∥45th International Telemetering Conference, 2009.