装甲兵作战实验数据工程体系框架设计

孙少斌 韩志军 董博

作战实验需要海量、系统、准确、可靠有效的数据资源驱动和支撑,满足作战实验应用需求的数据工程建设已成为一项紧迫的基础性工作.建设资源系统完整,存储高效、安全,服务功能完善,共享性好,使用方便,运行管理科学规范,长效发挥作用的作战实验数据工程是一项复杂的系统性基础工程.参与开发建设的人员多,其建设过程不可能是一蹴而就,而是一个新数据和新需求不断发展,信息资源逐渐充实,功能与服务逐步升级完善,应用支持不断拓展,迭代式递增发展的持续过程.因此,工程的建设必须按照“顶层体系化设计、标准化建设、规范化管理、多样化服务”的建设思路,采用工程化的方法,合理定位工程目标,既立足于现实需求又着眼未来长期发展,适应工程建用结合、逐步升级完善的特点,分阶段、按步骤有序实施;建立科学合理的体系框架,具有良好开放性的体系结构,能适应工程建设的迭代和递增性,以适应将来新技术、新应用服务的采用和资源服务功能的持续完善.本文主要针对装甲兵作战实验数据工程项目,从顶层对工程的体系框架进行设计.

1 数据工程体系框架

1.1 数据工程体系框架的作用和意义

数据工程建设和应用是一项长期的复杂性系统工程,参与建设、维护和应用的人员众多,不同角色的人员在工程建设中的作用和对数据工程的理解各不相同.体系框架的作用和意义在于：从顶层对数据工程进行整体的规划和指导,统一不同人员对工程的概念理解和认识,为不同人员之间的沟通交流提供规范的语义环境,促进有效交流和协作;规范各类人员的职责,对工程的建设内容、目标、方法、步骤和运行管理机制进行科学的架构和规范;为工程的设计开发、逻辑组织提供合理的技术路线,保证数据工程的体系开放性,适应新技术、新需求的不断发展.

1.2 体系框架概念模型

根据数据工程的特点和建设目标,我们按照面向服务思想,层次结构化设计工程的体系框架.通过对工程总体功能的认真分析研究和逻辑设计,按照层次模块化的方法组织建设内容和业务功能逻辑,每层分别关注于独立解决数据从组织存储、维护管理到应用支持特定的独立功能;按照面向服务思想,通过接口技术分离功能服务和功能实现,模块化地逐层提供服务方式组合各模块功能,实现工程总体功能;根据数据工程不同用户需求,从设计(数据与信息视图)、业务功能(能力视图)、技术等不同角度(视图)对工程建设进行规范和描述;根据不同功能特点组织业务功能逻辑,按面向领域提供数据共享服务和应用支持;通过标准化规范工程的建设和运行管理.技术框架如图1所示.

体系框架概念模型对工程的建设方法、步骤,内容、目标,技术和运行管理机制从不同的角度进行了标准化的规范,工程的开发建设必须严格按照技术框架实施.

从工程技术人员设计(数据与信息逻辑视图)的角度出发,框架描述了建设内容基本结构、功能及逻辑组织,定义了数据、管理和服务应用3个主要计算信息要素,确立了工程建设的基本内容范围和方法.数据与信息逻辑视图保证了工程的建设以数据为中心,而非以应用为中心.通过支持大量应用任务的基本数据逻辑组织,通过管理、服务和应用工具实现所有相关数据的逻辑关联,提供各类应用的完整支持.并确保应用之间数据的协调一致(一个应用中的数据与另一应用中的同一数据必定相同).

从工程用户业务功能(能力视图)的角度出发,描述了工程的建设目标、范围和业务功能的逻辑组织.工程建设的主要目标是为装甲兵武器应用作战实验提供广泛的数据支持,由于应用的千差万别,工程的建设以数据为中心来支持应用,在管理、服务和应用工具的支持下,不同的用户可以按各自的用法使用数据库中的数据;多个用户可以同时共享数据库中的数据资源.

图1 数据工程体系框架

从标准视图角度规范了工程的建设和运行管理,规定了标准化的业务流程,各项工作必须在各种通用或专用标准规范指导下开展.从工程实施角度出发,规划了由内向外、自底向上的逐步实施步骤.

从工程升级维护角度出发,定义了层次化的模块结构,模块间严格通过接口服务的方式依次提供服务,实现服务与具体功能实现分离,保证新技术和新功能的采用.

2 数据与信息模型设计

数据与信息视图从计算机工程人员角度,以独立于具体实现平台、技术和应用的方式,对整个工程业务进行分析、理解、描述和逻辑设计,用于指导工程技术人员进行设计和建设.工程建设的主要目标是支持作战实验的应用和研究,而装甲兵作战实验涉及的数据多、类型复杂,应用要求也各不相同.为了满足不同的用户可以按各自的用法使用数据库中的数据,保证多个用户可以同时共享数据库中的数据资源,数据的逻辑一致性成为数据工程关键“特性”.因此,工程的建设采用以数据为中心来支持应用,而非以应用为中心组织数据.工程不规定任何特定应用的数据模型,而是将重点放在开发作战描述必要的、完备的基本数据上.通过大量应用任务基本数据的逻辑组织,管理、服务和应用工具实现所有相关数据的逻辑关联,提供各类应用的完整支持.特定应用的支持,通过用户确定所需的一组数据,利用工程管理和服务功能工具,采用“适用视图”的方式抽取、组合、模板化组织呈现相关数据,工程预先定义常用的应用模板的实例.

数据与信息模型通过数据、管理维护和共享应用服务3个主要模块进行完整的描述,通过对这3个主要信息要素及其逻辑关系的合理设计,准确描述工程技术实现方法,实现工程的目标.设计的主要内容包括：数据资源库、资源维护管理系统和应用服务系统设计(应用服务通过面向领域的接口与工具实现).其逻辑组织如图2所示.

图2 数据工程逻辑结构

2.1 数据资源库

数据是工程的主要应用内容和对象,数据资源库是建设和应用最核心的基础内容,主要功能是为装甲兵作战实验应用和研究提供完整、有效、可信的数据资源,以保证作战实验的可信度和顺利开展.由于装甲兵装备类型多、结构复杂,其作战运用受到客观环境、战术思想、作战原则等诸多因素的影响.各种因素数据的组成结构、逻辑关系和应用方式要求是多种多样的,不同的数据可能存在数据库、文件、二进制数据、文本数据、图像数据、图形数据、声音、视频、多媒体数据等多种形式;不同的应用对数据内容、组织和提供方式等要求也各不相同.数据资源的多元性决定了工程的数据资源库是一个异构型的综合性数据库.

数据资源库是基于网络建成一个物理上分布、逻辑上统一,结构组织合理,存储高效,数据资源系统完整、权威可信,能满足装甲兵武器作战综合数据资源库.数据资源库设计应兼顾不同的应用对数据的使用需求,充分考虑数据的存储与维护效率,尽量减少冗余和一致性维护负担,尽可能实现数据的重用减少数据库系统的负担.在对数据的业务内容认真分析理解的基础上,对包括数据分类、数据逻辑组织、数据模式、数据资源体系结构、数据转换格式和数据结构等进行设计,实现数据合理分类组织、有效描述和高效存储.为借助于资源管理系统进行各种数据的录入、充实完善和应用共享奠定基础.

2.2 数据资源库管理系统

数据资源库实现了对各种数据的有效表示、合理组织以及高效存储.为了保证数据资源的可持续充实完善,确保数据的安全和可信有效,实现数据资源库升级和管理维护,方便数据资源的应用和共享,需要提供完善的管理系统对数据资源进行有效维护管理.管理系统目标是建立相关技术规范和业务功能,实现对数据采集、处理、存储、资源的更新、数据质量保证、管理、获取等环节的规范处理.

数据库管理系统对数据资源库进行有效的管理,通过提供相应的功能和工具,为不同的用户实现数据库操作进行有效的管理和安全控制.包括数据的采集、维护管理、数据获取、安全控制等.数据采集提供规范的数据生产程序、保证数据质量的VV&A/C措施,将原始数据转化成规范化数据集;数据资源管理者通过数据管理系统,对数据采集生成的规范化数据集进行特定的查询、浏览,以发现和获得所需要的数据资源,还可以通过数据管理模块的统计分析、转换导出、维护等功能对已有的数据资源进行统计分析、计算和处理;而数据安全则贯穿于对数据资源操作的全部环节,以保障数据资源在存储、采集、管理和共享服务中的安全.同时,管理系统应具备科学合理的转储和恢复机制,采取合理的措施保证数据的规范性、正确性、一致性、时效性、完整性和适用性.

2.3 应用与共享服务系统

数据工程通过有效的共享,避免重复建设,提高工程的效益,服务系统功能主要通过接口调用的方式,利用数据库系统提供的基本功能,在适当的安全控制机制下为应用支持提供相应的功能服务.为了实现服务重用、提高功能、优化服务构件,服务系统实现通用的数据服务功能,实现数据库系统和应用层的隔离,特定领域的特殊服务功能在应用层实现,层间调用通过接口调用,以实现各层与其他层的分离.服务系统的基本功能包括：1)目录服务,通过对元数据库检索提供对数据资源的发现和定向,帮助用户或应用发现存储于数据资源库的各种数据,提供快捷、方便、灵活查询模式,检索所需的数据资源、浏览相关数据样本等.2)内容服务,基于网络提供在线下载和离线方式提供数据服务.3)数据的抽取/析取服务,提供在数据集中抽取数据部分子集,或在不同数据集中析取数据服务.4)数据转换,根据应用需求侧重在数据库数据与交换格式数据进行转换.5)数据分析,基于统计、预测、评估、决策等数字化模型、方法、知识的服务.6)数据挖掘等.

应用接口和工具为作战实验等应用共享数据提供支持,考虑到不同的应用对数据应用的不同需求,应用接口和工具按领域进行分类,提供相应的辅助工具和接口,支持用户通过服务层提供的服务,安全地获取相应数据.包括：1)分析人员使用的底层文件格式或用DBMS范式定义的接口,其描述形式有接口描述语言(Interface Description Language,IDL)、结构化查询语言(Structured Query Language,SQL)、BackusNaur(BNF)范式等.2)开发人员使用的中层应用编成接口(Application Programming Interfaces,API),形式有通用对象服务规范(Common Object Services Specif ications,COSS)和传统的编成语言调用.3)最终用户使用的高层图形用户接口(Graphical User Interface,GUI),其形式可以是通用对象工具(Common Object Facilities,COF)或窗口模式.4)数据共享工具与接口,XML、ASP等.

3 业务功能逻辑模型设计

数据工程的业务逻辑模型是从数据用户角度,对不同用户的业务逻辑进行的组织和描述.业务逻辑模型有两个作用：1)在概念设计阶段获取应用需求,确定资源库中的基本数据及逻辑组织;2)开发阶段指导服务与工具功能和接口的开发,以满足不同用户的业务功能.工程采用以数据为中心来支持应用,在管理、服务和应用工具的支撑下,不同的用户可以按各自的用法使用数据库中的数据,多个用户可以同时共享数据库中的数据资源.业务逻辑模型是一种业务驱动的功能架构,它根据业务目标的特点对功能业务架构进行了分类,规范了数据的三级用户(数据生产者、维护管理者、应用共享者).业务功能通过事先已经进行功能设定的业务过程或工具服务构件实现,用户通过业务接口或界面获得相关业务功能.数据生产、加工和处理层(数据生产者)是对数据产品生产加工进行规范和描述,支持数据资源的充实和完善.数据生产的流程如图3所示.

数据维护和管理(管理用户)是对数据资源维护管理者的规范和描述,通过定义不同的管理用户等级,支持对数据资源安全、升级维护和管理.共享和应用层(数据的使用者)是对数据资源使用者的规范和描述,支持数据资源的共享和应用.共享和应用面向领域定制方式,通过提供相应抽取/析取、组合、转换等工具,按照用户需要的数据视图共享应用数据资源库中的基本数据.各层提供相应的辅助工具,定义明确的权限,以保证业务的顺利运行.

图3 数据采集流程

4 数据工程的标准与规范

数据工程要解决装甲兵分散的各类数据资源的系统化整合和规范化管理,为装甲兵作战实验提供数据资源共享服务和应用支持.标准化和规范化(标准视图)是实现数据资源有效共享的基础和前提,工程的建设、应用和运行管理必须在相关标准、规范的指导下有序地进行.标准与规范体系内容涉及系统建设、系统使用、系统维护与管理等多方面的技术规范.工程的标准与规范体系将一系列标准有机地联系成为一个整体,明确不同参与者的权限和义务,规范其行为,指导和规范数据采集、描述、处理、分发、传输、共享和应用的全过程,以保证数据工程的建设和运行管理规范化和科学化.

标准与规范体系内容涉及系统建设、系统使用、系统维护与管理等多方面的技术规范.标准与规范建设采用自顶向下的工作方式,尽量遵守和采用已有的国家和军队标准.对已有的标准和规范进行考察研究后,结合工程本身具体要求,补充和裁剪相应的标准和规范,建设工程的标准与规范体系内容.

5 结论

体系框架主要从顶层对数据工程进行整体的规划和指导,统一对工程的概念理解和认识,提供规范的沟通交流语义环境,规范各类人员的职责;对工程的建设内容、目标、方法、步骤和运行管理机制进行架构和规范;为工程的设计和开发提供合理的技术路线,保证工程的体系开放性.体系框架并不涉及和限制各部分的具体实现技术和方法,按照体系框架的指导组织数据工程建设,可有效促进不同人员的有效协作,满足工程边建边用、逐渐完善要求,并适应新技术、新需求的不断发展.