軍事信息系統情境計算需求一致性驗證研究

劉美鳳, 楊文靜

(國防科技大學信息通信學院, 湖北 武漢 430010)

0 引 言

2016年,中國科學院文獻情報中心“十三五”發展規劃提出了“精準信息服務”的研究方向,精準識別用戶需求,促進信息服務向精準化發展[1]。此外,隨著信息技術的發展以及新型作戰樣式的出現,世界一些軍事強國已經認識到軍事信息系統在集成環境、互操作性[2]以及精準信息服務方面的發展可以有效提升戰斗力。軍事信息系統開發需求論證不充分、結構化開發技術支持薄弱、軟件業務流程對接困難,對信息服務效能和用戶影響難以評估等問題突出,已成為制約軍事信息系統提供精準信息服務的主要問題。因此,情境計算應用到軍事信息系統領域時,在需求論證、結構化開發、業務流程對接等方面存在一定程度的困難。一方面情境計算可以有效提高軍事信息系統情境與用戶行為適配程度,對于提高信息服務的精準化服務水平具有重要作用;另一方面情境計算涉及到物聯網、云計算、大數據等多種技術,而且不同的軍事系統對于情境計算的需求有很大差別,因此軍事信息系統情境計算需求論證尤為關鍵,特別是情境因素是否存在缺失、數據處理是否存在沖突、相關功能是否存在冗余等一致性問題,依靠傳統的需求驗證方法較難發現。

情境是用來描述實體對象的任何信息[3]。情境計算包括認知計算、情境感知、用戶偏好提取和自適應推薦等。近幾年相關學者針對情境計算系統的實際運用、需求論證和構建模型等方面進行了廣泛的研究。文獻[4-6]對情境計算在醫學領域、圖書管理領域、軍事裝備領域的應用進行了研究,文獻[7-10]對情境計算可以實現的功能進行了廣泛的研究,如自動獲取客戶需求、預測社交網絡、提高系統服務性能和進行價值評估等。這些研究一定程度上推動了精準信息服務的發展,但仍未解決軍事信息系統的情境計算需求論證中存在的問題。

軍事信息系統的情境計算需求論證問題主要有3個方面:一是在系統開發時,系統之間的交互更為繁多;二是數據的來源和處理方式較為復雜;三是對于功能之間的配合要求更高。這些問題通過對需求的一致性驗證可以有效解決。近幾年,相關學者的研究不斷豐富需求一致性驗證的內容,文獻[11-13]分別對可靠性需求、交互環境需求和安全性需求的一致性進行了研究。文獻[14]提出了一種基于模型檢驗的形式化方法來驗證業務流程和需求之間的一致性。文獻[15]提出了基于自然語言處理和指示挖掘技術的需求一致性和完整性驗證的方法,推動信息服務系統的開發和迭代演進。以上學者的研究可以發現,一方面非功能需求的一致性驗證是需求一致性驗證研究中不可忽視的因素;另一方面需求一致性驗證對于推動信息服務的發展和系統的開發具有重要作用。

本體起源于哲學領域,用來描述事物的本質[16],目前在知識工程領域、人工智能、語言學[17]和工程仿真領域[18]等方面發展迅速,并且支持自動推理、數據共享和集成等[19]。隨著學者們研究的深入,本體的應用越來越廣泛,文獻[19]提出了基于規則的對象關系數據庫本體構建方法,提高了本體構建的效率。文獻[20-29] 對本體的描述方法及模型構建方法進行了研究,文獻[30-32]對本體的推理和應用進行了研究。由于本體具有概念化、明確性、形式化和共享性的特性,具體表現為本體可以抽象出需求中的要素進行建模,可以清晰地表述需求要素之間的關系,可以形式化為計算機能夠識別的模型,可以反映大多數人所認可的知識,因此本體的方法對于需求論證中進行一致性驗證具有很強的優勢。

本研究按照構建情境計算的需求框架-設計建設情境計算的需求本體模型-提煉情境計算的需求一致性驗證方法和展示情境計算需求驗證過程4個步驟進行闡述。

1 軍事信息系統情境計算需求一致性驗證內容

根據任務需要構建的軍事信息系統分類多、要求高,因此軍事信息系統之間以及系統內部關系更為復雜:數據來源廣泛,數據處理難度大并且作戰任務對系統之間配合要求更高。軍事信息系統在情境計算需求中,功能需求之間的關系更為繁瑣和復雜,如映射關系、時序關系和信息交互關系等。同時,數據需求中容易出現不一致。此外,由于涉及到多系統之間的配合,與指標和標準相關的需求容易存在差異。

具體分析,首先在數據需求中,情境計算的實現需要大量的數據,這些數據可能來源于相應的軍事信息系統、網絡或各類傳感器,數據的來源不同、處理方式不同容易導致數據之間存在不一致,因此數據格式、內容和關系的一致性是需求一致性驗證的重點。其次,在關系到不同系統間的交互問題時,不同的系統通常通過接口進行連接,接口需求和協議需求的一致性問題是交互是否順暢的關鍵。最后,由于不同的需求提出者理解水平、思考角度不同,情境計算系統能夠提供的功能與其服務的軍事信息系統需要的功能之間容易出現冗余或缺失,功能需求之間的關系也更為復雜。綜上所述,軍事信息系統情境需求的一致性驗證內容如圖1所示。

圖1 軍事信息系統情境計算需求一致性驗證內容框架Fig.1 Content framework of consistency verification for contextual computing requirements of military information system

2 軍事信息系統情境計算需求本體模型

結合軍事信息系統情境計算的需求特點和本體描述方法,軍事信息系統情境計算需求本體模型主要由類、類間層次關系、屬性、公理和實例構成。其中,類表示軍事信息系統情境計算需求要素集;類間層次關系表示軍事信息系統情境計算需求中的父子關系;屬性分為對象屬性和數據屬性,對象屬性主要表示軍事信息系統情境計算需求之間的映射關系、交互關系等,數據屬性主要表示軍事信息系統情境計算需求中的指標和標準;公理即永真斷言;實例即軍事信息系統情境計算需求要素。本節的關鍵部分就是確定需求本體的類、類間層次關系、屬性、公理和實例。

2.1 創建需求要素集和需求要素

根據軍事信息系統情境計算需求創建需求要素集和需求要素。軍事信息系統情境計算需求要素集是對所包含的軍事信息系統情境計算需求內容的描述,需求要素集可以是需求本身,也可以是需求要素的共同點。軍事信息系統情境計算需求要素是軍事信息系統情境計算需求要素集的組成部分。

2.2 創建屬性

在本體模型中可以通過創建屬性及屬性的特性對軍事信息系統情境計算需求要素和需求要素集進行具體約束。本體模型中的屬性分為數據屬性和對象屬性。數據屬性主要描述軍事信息系統情境計算需求中與數據相關的需求;對象屬性用來表示需要進行交互的需求。

2.3 創建公理

在軍事信息系統情境計算需求本體模型中,創建公理主要是通過連接和確定需求要素、需求要素集、屬性和內容等實現。為需求要素集或需求要素添加對象屬性及填充項,可以描述軍事信息系統情境計算需求要素集之間以及需求要素之間的關系;為需求要素集或需求要素添加數據屬性及數據內容可以描述軍事信息系統情境計算需求中的具體數值。根據軍事信息系統情境計算需求關系的不同為屬性添加特性,如函數性、反函數性、傳遞性、對稱性、非對稱性、自反性和非自反性等,既對關系進一步約束,也為一致性推理建立依據。

3 基于本體推理的需求一致性驗證

軍事信息系統情境計算需求中,不同來源的需求進行處理后會出現不易發現的沖突,這些沖突導致的需求不一致更為隱蔽,更不易被人工識別。本節將闡述用于軍事信息系統情境計算需求一致性驗證的本體推理方法,分析推理結果,從而消除需求不一致,實現軍事信息系統情境計算需求的一致性驗證。

3.1 需求一致性驗證方法

基于本體推理的軍事信息系統情境計算需求一致性驗證主要通過對屬性和公理的推理進行。對于數據屬性,主要體現在取值范圍或賦值中是否存在沖突;對于對象屬性,主要體現在需求要素集之間的關系、需求要素集內部的關系和不同需求要素集之間的關系與其對應的需求要素集實例之間的關系是否產生沖突。假設需求要素集為a、b、c、d,需求屬性為P,實例為I,那么需求的一致性推理規則總結為以下幾個方面。

(1) 需求要素集中數據屬性的賦值前后不一致。

(2) 需求要素集無實例。

(3) 一個需求有兩個及以上不同的父需求。即:需求要素集a的父需求為需求要素集b和需求要素集c,或需求要素集b將需求要素集c的子需求要素集a設置為子需求要素集,那么將導致不一致。

(4) 一個需求要素同屬于兩個或以上不同的需求要素集。即:需求要素集a和需求要素集b是不同的需求要素集,實例I1同時屬于需求要素集a和需求要素集b,那么將導致不一致。

(5) 需求要素之間的關系與所涉及到的要素的屬性特性存在沖突。即:實例I1與實例I2通過一個函數屬性P1相關聯,I1、I2和I3為完全不同的實例,那么實例I1與實例I3通過屬性P1相關聯,將導致不一致。

(6) 需求要素集要素之間的關系與需求要素集要素的公理設定存在沖突。即:假設實例I1通過屬性P與實例I2、I3、I4相關,且實例I1還聲明了通過屬性P最多與其他兩個實例相關,并且I2、I3、I4是不同的實例,那么將導致不一致。

(7) 兩個需求要素集之間的屬性與其子需求之間的屬性存在沖突。即:假設需求要素集a的子需求為需求要素集c,需求要素集b的子需求為需求要素集d,P1與P2互為逆屬性,需求要素集a通過屬性P1與需求要素集b相關聯,那么需求要素集c通過P2與需求要素集d相關聯,將導致不一致。

(8) 需求要素之間的關系與所屬的需求要素集的屬性特性存在沖突。即:假設需求要素集a通過自反屬性P1與需求要素集b產生關聯,需求要素集a中有實例I1,需求要素集b中有實例I2,需求要素集c中有實例I3,需求要素集a、b、c是完全不同的需求要素集,那么實例I1通過屬性P1與實例I3產生關聯,將導致不一致。

(9) 需求要素之間的關系與所屬的需求要素集的公理存在沖突。即:假設需求要素集a中有實例I1,需求要素集b中有實例I2,需求要素集a、b、c為完全不同的需求要素集,通過公理設定需求要素集a通過屬性P1只能與需求要素集c相關聯,那么實例I1通過屬性P1與實例I2相關聯,將導致不一致。

(10) 需求要素集之間的屬性與需求要素之間的屬性存在沖突。即:假設需求要素集a通過屬性P1與需求要素集b相關聯,實例I1屬于需求要素集a,實例I2屬于需求要素集b,那么實例I2與I1通過屬性P1相關聯,將導致不一致。

通過推理發現,對于不同類型的不一致需求有3種不同的顯示狀態。一是冗余的需求導致的不一致,不一致的需求要素集將在類層次結構中標紅并在彈出的不一致窗口中顯示,在軍事信息系統情境計算需求一致性驗證內容框架中,主要集中在數據內容一致性、資源信息一致性和功能冗余等方面;二是缺失的需求導致的不一致,不一致的需求要素集將在 “類描述視圖”中被標注無實例,在軍事信息系統情境計算需求一致性驗證內容框架中,主要表現在數據格式一致性、協議一致性和功能缺失等方面;三是關系沖突導致的不一致,不一致的需求將在彈出不一致窗口中出現原因說明,在軍事信息系統情境計算需求一致性驗證內容框架中,主要表現在數據關系一致性、接口一致性和功能之間關系一致性等方面。

3.2 需求一致性推理結果分析

對于被標紅的軍事信息系統情境計算需求要素集,首先檢查是否在“類描述視圖”中標注無需求要素,如果被標注無需求要素應按照軍事信息系統情境計算需求實際增加實例;如果未標注無實例,需要檢查是否存在兩個父需求要素集的情況,即“類描述視圖”的“父類”中是否存在多個類,如果存在,按照實際情況進行刪除或調整。對于彈出的不一致窗口,則應根據窗口說明的原因進行分析,對于數據屬性賦值導致的不一致,應對賦值進行修改;對于需求要素關系導致的不一致,則根據實際情況對需求要素集、屬性和需求要素進行修改直至運行推理機后無不一致窗口彈出。當推理至無窗口彈出并無標紅時,表示軍事信息系統情境計算需求中的不一致完全消除。

4 案例分析

基于情境的能力計算系統是為軍事信息系統能夠服務的情境計算系統,主要通過計算各類場景的能力屬性,為軍事信息服務活動的狀態提供描述和改進優化支持。本節主要針對基于情境能力計算系統的需求進行一致性驗證。案例驗證中所使用的軟件是protegé 5.5.0,推理機為Hermit推理機,Hermit推理機是由牛津大學計算機科學系信息系統組開發的一款最新的本體推理機,支持對象屬性分類以及數據屬性分類的推理任務,同時可以縮小推理模型的體積,提高推理效率。基于情境的能力計算系統的建設目標是通過數據管理、情境建模、用戶分析和系統評價等功能,實現對高度復雜、難控的用戶網絡行為意向進行預測,其需求是典型的軍事信息系統情境計算需求。基于前文提出的構建方法,按照不同人員類別的不同需求運用protegé進行本體構建,由于該需求本體類間層次關系及實例涉及的需求概念較多,本文只對部分需求要素集進行可視化展示,如圖2所示。

圖2 案例的需求要素集層次架構Fig.2 Hierarchy structure of requirement element set of case

運行推理機后發現需求不一致15處,軟件中通過3種不同的顯示方法進行不一致展示。

圖3為缺失的需求導致的不一致,其含義為“基于信息分類的評價計算模型功能”需求要素集中無具體需求要素,這是根據推理規則第(2)條推理所得,應通過論證后對需求要素補充添加。

圖3 需求要素集無實例Fig.3 Rrequirement element set without instance

圖4表示冗余的需求導致的不一致,具體原因為需求要素集“系統-內容推薦消息處理業務時序”的父需求為“功能時序需求”和“功能性-功能實現需求”,由于“功能時序需求”的父需求為“功能性-信息交互需求”,且“功能性-功能實現需求”與“功能性-信息交互需求”是互斥關系的兩個需求要素集,這是由推理規則第(3)條推理所得。根據實際取消兩個需求要素集的互斥關系或從子需求中的父需求中刪除其中一個父需求可消除不一致。

圖4 一個子需求有兩個不同的父需求Fig.4 A requirement element with two disjoint requirement element sets

圖5為需求關系沖突導致的不一致。其中,第1個需求不一致表示屬性“業務-系統”的特性為函數性,需求要素“業務單元-情境影響用戶偏好”通過屬性“業務-系統”分別與不同的需求要素“系統功能-用戶偏好模型趨勢分析”和 “系統功能-敏感詞新建”產生關聯,這與屬性“業務-系統”的特性函數性沖突。這是根據推理規則第(8)條推理出的不一致。根據實際將“系統功能-敏感詞新建”通過“業務-系統”屬性產生的關聯取消可以消除不一致。第2個需求不一致表示需求要素集“非功能性-互操作性需求”與需求要素集“功能性-情境計算需求”通過屬性“提供接口”產生關聯時運用了通用限制。需求要素集“非功能性-互操作性需求”的要素“信息資源數據管理接口”通過屬性“提供接口”與需求要素“系統功能-信息資源數據導入”產生關聯。需求要素“系統功能-信息資源數據導入”不屬于需求要素集“功能性-情境計算需求”。因此,需求要素“信息資源數據管理接口”通過屬性“提供接口”與需求要素“系統功能-信息資源數據導入”產生關聯與所屬的需求要素集設定的公理通用限制存在沖突。這是根據推理規則第(9)條推理出的不一致。根據實際解除需求要素“信息資源數據管理接口”通過屬性“提供接口”與需求要素“系統功能-信息資源數據導入”的關聯可消除不一致的需求。

圖5 需求關系沖突導致的需求不一致Fig.5 Inconsistent requirements caused by the conflict of requirement relationship

5 結束語

針對軍事信息系統情境計算需求一致性驗證困難的問題,本研究根據軍事信息系統情境計算需求特點構建需求一致性驗證內容框架;結合存在的問題運用本體推理的方法進行具有針對性的解決,并通過案例進行有效驗證。同時,由于軍事領域需求越來越復雜,未來在如何提高推理效率方面尚需繼續研究。