基于IDEF0的部队装备物联网信息共享流程分析

杨 飞， 于洪敏， 吕耀平

(1. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416； 2. 装备学院 装备指挥系, 北京 101416)



基于IDEF0的部队装备物联网信息共享流程分析

杨 飞1， 于洪敏2， 吕耀平2

(1. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416； 2. 装备学院 装备指挥系, 北京 101416)

部队装备物联网信息共享体系建设需要以信息共享流程分析为基础。针对信息共享流程问题，利用集成定义功能建模(IDEF0)方法，对基于物联网的部队装备信息共享流程进行建模与分析，并根据物联网体系架构及功能对部队装备信息共享流程内各功能模块的组成、相关技术、共享流程、实现步骤、信息流动机制等内容进行了系统剖析，使基于物联网的部队装备信息共享体系更加简化清晰。

物联网；装备信息；共享流程

部队装备物联网信息共享体系建设，需要充分考虑物联网体系架构、信息流、关键技术、服务体系、装备信息共享的应用系统建设等问题，利用IDEF0(Integration DEFinition language 0)建模方法，可以将部队装备物联网信息共享体系研究细化分解，以便区分部队装备信息共享体系的信息共享过程、技术实现要求、支撑体系分层等。对部队装备物联网信息共享流程的构建和分析，以及对信息共享流程内各功能模块研究分析，是研究基于物联网的部队装备信息共享机制的结构、功能和运行方式的重要部分；对部队装备物联网信息共享流程研究分析，还可以为物联网建设的体系架构验证、关键技术研究、服务体系构建、应用系统建设,以及部队装备物联网体系的标准协议方面的理论研究提供一种结构化的研究方法；基于IDEF0的部队装备信息共享流程分析，解决了基于物联网的部队装备信息共享体系建设从理论研究转入设计实现的问题。

1 IDEF0建模方法简介

20世纪70年代，利用计算机技术提高制造业效费比开始逐渐兴起，美国空军在其计算机辅助制造计划实施过程中开发了一系列IDEF(ICAM definition method, 后改称Integration Definition Method)技术，IDEF0方法作为IDEF家族系列的一种，是一种对所建模型系统或主题域中的功能、结构、活动和过程进行结构化描述的建模方法[1]，能很好地表达系统活动和数据流，以及它们之间的内在联系。IDEF0的发展始于制造业，已经在管理科学与工程、计算机辅助制造、软件工程、智能系统、现代集成制造以及军事等领域得到了广泛应用。

IDEF0是一种从理论研究到设计实现的建模方法，具有以下特点：一是通过科学的复杂系统分析与设计，能够全面的描述系统，直观的认识系统的功能、结构、活动和过程；二是对功能活动的分析，能够准确反映各类用户的需求，清晰地感知模型建立的目的和所要表达的观点；三是区分模型的分析阶段和设计阶段，能够准确清晰地描述活动和过程的每个细节；四是自顶向下的分解功能模型，能够对功能的实现和结构的构建进行细化，提高设计的可行性。以结构功能而形成的系统分工，既实现了系统设计的高度集成，又实现了系统分工的细化，对于解决复杂系统问题具有主要意义。

基于IDEF0的部队装备信息共享流程是通过一系列的图形盒子和箭头来表示的，盒子用来描述功能或活动过程，箭头表示信息共享流程所需要处理的事件，将所有的功能及活动按结构顺序连接起来就是信息共享流程的IDEF0模型。作用于盒子的箭头有输入、控制、机制和输出。对于信息共享流程的IDEF0模型，输入表示活动所需要的条件，控制表示活动实现的技术条件，机制是活动实现所需要的支持，输出是活动处理后的数据，如图1所示。

图1 IDEF0的基本单元

2 部队装备物联网信息共享流程模型构建及分析

从物联网信息应用的角度分析，部队装备信息共享的实现主要包括信息采集、信息管理、指挥控制、保障行动和评估反馈5个步骤。为了能够更加清晰准确的描述信息共享流程，在包括感知层、网络层、应用层的三层物联网体系结构基础上，将部队装备信息共享的物联网分为采集层、接入层、承载层、支撑层和应用层5个子层结构，从而构建一个五层的部队装备信息共享的物联网体系架构。在这个体系架构内，与信息共享实现步骤相对应的是信息采集、信息处理、信息控制、信息使用和信息反馈5个功能模块，以这5个功能模块为基础，按照IDEF0建模方法，建立部队装备物联网信息共享的流程模型[2-3]，如图2所示。

模型中部队装备信息的内容、流动过程、流动机制，以及主要支撑技术如下：

1)I1：装备信息包括装备的识别代码、基本性能、数质量、储备、调配、日常管理、维修、战备与训练、装备经费与人员情况等相关信息。

2)I2：态势信息包括敌我双方装备部署、受损情况、战场位置、机动能力、战场环境、装备和弹药消耗、支援保障情况，以及根据敌我双方态势对战场装备保障行动预测等信息。

3)I3：保障资源信息包括仓储情况、物流运输能力、精确保障能力、维修资源及能力、各类计划与方案数据库、综合评估机制等信息。

4)M1：情报与决策支持主要目的是根据战场环境和作战需要选定信息采集的区域、时间、目标、手段等。

5)M2：信息优化重组是利用物联网技术对原始信息进行综合处理的一种手段，是提取有用信息的必要步骤，更是海量信息处理的必要措施。

6)M3：数据库建设与管理是为了更好地完成信息管理，确保信息共享的安全性。

7)M4：公共与应用服务是基于物联网技术的信息共享体系架构下的信息管理与应用功能，主要解决海量信息中的共享问题。

8)M5：安全防护是在信息的采集、处理、控制、使用和反馈过程中采取各种技术手段，以提高信息的防泄漏、防窃取、防攻击的能力。

9)O：通过相应功能模块处理后的各类信息是信息在共享流程中变化的重要体现。通过信息共享流程运行分析，既可检验基于物联网的信息共享机制在运行过程中存在的各种问题，又助于通过查找出的问题完善信息共享机制、各类标准协议，推动关键技术问题的解决，从而形成部队装备物联网信息共享体系建设的良性循环机制。

10)C1～C14：部队装备物联网信息共享流程的主要关键技术。

图2 部队装备物联网信息共享流程模型

部队装备物联网信息共享体系建设不仅涉及物联网的体系架构、中间件技术、传感网技术、通信技术、网络技术、发现与搜索技术、安全防护技术[4]等，还涉及各类标准协议，以及信息共享的运行机制，这是一个复杂的系统工程。根据部队装备物联网信息共享流程，对部队装备物联网信息共享体系架构与运行机制进行分解研究，可以简化部队装备物联网信息共享体系从理论研究到设计实现的过程。

3 部队装备物联网信息共享流程功能模块分析

3.1 信息采集模块

信息采集是信息共享的基础性工作，是物联网感知层的任务。信息采集的技术主要有感知技术、定位技术、识别技术等。基于物联网的信息共享体系可以采集装备、态势、环境、保障资源等相关信息，其主要类型有文字、图片、声音、电磁频谱等。结构设计和技术性能越先进的识别感知体系，采集的信息数量和质量越占优势。信息的采集不仅靠感知设备完成，还可以通过侦察和情报人员利用自身携带的侦察和情报搜集设备来直接获取，信息采集功能模块如图3所示。

图3 信息采集模块

模型中信息采集功能实现及技术需求如下：

1)A11：确定信息源是根据情报与决策支持，通过目标特征对敌我双方装备及保障物资、战场环境等特征进行分析比对，确定信息源。

2)A12：信息采集是利用信息采集、识别、定位、传感等设备对确定的信息源目标进行信息采集。信息采集设备的布置、数量、抗干扰能力，以及设备的识别能力、存储、传输、能量消耗等性能因素是影响信息采集的完整性和真实性的重要因素。

3)A13：信息转换是伴随着信息采集而发生的流程，信息被采集后在动态的信息共享过程中，信息的所有权、使用权，信息资源符号、载体、记录方式都会随之发生转换，其中信息的所有权和使用权对研究基于物联网的部队装备信息共享更为重要。

4)M11：情报与决策支持是帮助确定信息源和信息采集的必要条件，根据情报分析，决策需要什么信息，系统就会通过对终端采集设备控制来采集相应信息。

5)M12：设备控制是指对终端信息采集、识别、定位、传感等设备的控制，是信息采集的关键，决定着能否采集到足够、准确、及时的信息，事关信息优势的形成。

6)O11～O13：信息通过信息源产生原始信息的过程中，信息变化的几种类型。

7)C11～C16：信息采集模块功能实现的主要技术。

3.2 信息处理模块

信息处理是将采集到的原始信息通过分类归纳、融合处理、综合分析等技术手段进行加工处理，对有效信息进行提取、分类，并使其有序化，在此基础上对其进行汇集与转发处理，为海量信息处理与服务奠定基础。信息处理是信息共享的必要环节，可以大幅缩减信息检索时间、提高搜索信息的质量，信息处理模块如图4所示。

图4 信息处理模块

模型中信息处理功能实现及技术需求如下：

1)A21：处理分析是指对原始信息进行融合处理与综合分析，对采集的原始信息去粗取精、去伪存真，为信息传输提供真实可靠的信息源。

2)A22：信息组织是通过分类归纳，使信息有序化。信息组织主要有2个阶段，序化阶段是将无序的信息按照一定的方法使之有序化，而优化阶段主要是针对某种目的对信息再次进行序化。

3)A23：汇集转发是通过短距无线通信，具有能量意识的网络技术[5]等手段，将感知、识别、传感、定位等采集终端设备的信息简单处理后上传到传输网络中，或实现信息从传输层到感知层的转发。

4)M21：压缩感知技术、异构海量数据处理技术[6-7]是信息处理环节重要的支撑技术，可以有效解决信息在传感网中的感知、传输、容错、存储、处理等技术问题。

5)M22：信息优化重组是通过技术手段对信息进行融合、分析、序化和优化，方便信息使用者有效地利用信息。

6)M23：组网控制是利用ZigBee无线通信技术对各类信息采集与传感设备节点进行组网，并实现对其能量管理、拓扑管理、QoS服务支持、移动控制、远程管理[8]等。

7)O21～O23：信息通过处理分析、信息组织、汇集转发等处理过程，所经历的几种变化类型。

8)C21～C25：信息处理模块功能实现的主要技术。

3.3 信息控制模块

信息控制是在信息共享体系中，利用信息传输、信息分发、信息存储等技术为信息使用提供条件。其中，信息传输技术可以限制信息传输中的“失真”现象，信息分发主要是为信息使用者提供及时、准确、高效的信息服务，海量的信息存储是物联网信息共享的基础，所以信息控制的能力决定了信息互联互通和信息利用的效率与效益，信息控制模块如图5所示。

图5 信息控制模块

模型中信息控制功能实现及技术需求如下：

1)A31：信息传输是对加工信息进行传输，其主要的传输手段有载波通信、光纤通信、移动通信、卫星通信等。

2)A32：信息存储是信息控制的重要组成部分，待传输的信息或经过传输的信息都需要储存，同时需要建立数据库对信息进行管理，物联网的网络信息存储主要有直接附加存储、网络附加存储和存储区域网络[9]。

3)M31：调制技术、差错控制技术、信道改善技术、扩展频谱技术、同步技术、多路信息传输技术等是信息传输的重要技术，利用信息传输技术可以有效降低信息传输过程中的“失真”现象，提高信息传输的可靠性和准确性。

4)M32：分发管理是提供信息识别、传输与访问的最有效方式。

5)M33：数据库建设与管理是为了更有效的对数据进行管理，更好地实现信息资源共享；对于军用物联网的数据库来讲，其安全管理至关重要，是军用物联网建设应当着重考虑的一部分。

6)O31、O32：信息通过控制模块传输实现共享，或存储起来成为待使用的有效信息。

7)C31～C37：信息控制模块功能实现的主要技术。

3.4 信息使用模块

信息使用是利用人工神经网络、虚拟现实技术、云计算技术等新型物联网技术，实现部队装备的调配、日常管理、经费管理、仓储管理、物流运输、退役报废、技术保障、维修保障、战场保障、法规制度建设等活动中的信息共享，信息使用的需求是信息共享机制不断完善的根本动力，其一般步骤是信息检索、人机交互和智能决策，信息使用功能模块如图6所示。

图6 信息使用模块

模型中信息使用功能实现及技术需求如下：

1)A41：信息检索是通过网络连接优化策略、域名系统缓存策略、网页抓取算法等手段对信息进行搜索提取，是信息使用的前提和基础。

2)A42：人机交互是信息利用的关键，通过人工神经网络、虚拟现实技术、云计算技术等手段，对系统信息进行再生和表示，使系统信息转化成人所理解的知识。

3)A43：智能决策是在人机交互基础上，结合人的能力、经验、士气等因素，利用关联分析、分类和预测、聚类分析、离群点分析、演化分析等手段对系统信息形成的态势认知进行决策。

4)M41：公共与应用服务是信息使用的实现方式，根据装备管理与保障指挥活动类型建立相应的公共与系统应用服务，方便信息使用。

5)M42：索引服务是利用索引技术建立一个搜索引擎，对需求信息进行查找；索引服务的成功与否决定着信息提取的准确性和信息利用的效率，是信息共享的关键技术之一。

6)O41～O43：信息通过使用模块的信息检索、人机交互和智能决策分别得到决策相关信息、有用信息和决策实效的行动信息。

7)C41～C411：信息使用模块功能实现的主要技术。

3.5 信息反馈模块

信息反馈是在信息使用后对信息效能的分析，以及对信息利用和效能评估的反馈。当信息被使用后，通过信息评估和信息反馈手段既可以检验信息使用的效果，并将信息使用的输出信息反馈给信息采集端，完成新一轮的信息共享；同时通过信息反馈还可以检验基于物联网的信息共享体系运行存在的问题，有助于推动物联网应用向更高层次的智能物联网发展，信息反馈功能模块如图7所示。

图7 信息反馈模块

模型中信息反馈功能实现及技术需求如下：

1)A51：效能分析是通过标准评估、运筹分析、作战模拟、兵棋推演等手段对行动信息的效能进行分析，同时与反馈后的信息效能分析进行对比，以提高信息利用的质量和信息系统管理的效能。

2)A52：信息反馈是及时发现信息系统管理偏差，有效进行协调控制的手段，也是对信息更新及动态利用的重要途径，好的反馈制度和反馈手段可以促进信息利用的螺旋上升，不断逼近理想的信息管理目标。

3)M51：综合评估机制是对信息使用过程中的效能和信息反馈的效果进行评估、比对，是信息利用效果的衡量方法。

4)M52：辅助决策手段主要是物联网技术手段下的辅助决策软件、平台、决策资源库等，可以对行动效果进行预先模拟、分析、评估，以便提前调整完善决策方案，从而提高信息的利用效能。

5)M53：反馈系统是用于解决信息反馈的应用系统，能够根据信息使用和效能评估，及时准确的进行信息反馈，提高信息利用的完整性和准确性是信息反馈的根本目的。

6)O51、O52：信息反馈功能模块通过效能分析和信息反馈得到评估信息和反馈信息，是信息在反馈过程中经历的变化。

7)C51～C56：信息反馈模块功能实现的主要技术。

4 结 束 语

部队装备物联网信息共享流程是部队装备信息从输入到输出的全过程，通过对部队装备信息共享流程分析，不但理清了物联网体系内的部队装备信息共享流程，而且弄清了部队装备信息共享的物联网关键技术和信息共享的信息流。基于IDEF0的部队装备物联网信息共享流程分析，为基于物联网的部队装备信息共享体系建设提供了一套系统分类的设计方案，使基于物联网的部队装备信息共享体系建设更加具体明确,有效解决了部队装备物联网信息共享体系建设由理论研究向设计实现的转变。

References)

[1]柴树峰,张学玲,李若蕾.基于IDEF0方法的适应性供应链研究[J].军事交通学院学报,2014,16(3):64-69.

[2]徐航,陈春良.装备精确保障概论[M].北京:国防工业出版社,2012:45-59.

[3]张柳,于永利,聂成龙,等.装备维修保障系统建模理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2012:32-50.

[4]王慧君.物联网概念及其关键技术发展[J].电光系统,2013(1):1-9.

[5]熊书明,王良民,王新胜,等.PowerTOSSIM无线传感网仿真器剖析[J].系统仿真学报,2010,22(1):75-78.

[6]石光明,刘丹华,高大化,等.压缩感知理论及其研究进展[J].电子学报,2009,37(5):1070-1081.

[7]朱平,顾锦旗.网络存储技术研究[J].高性能计算技术,2010(1):10-15.

[8]田军,董兴,韩卫杰,等.基于无线传感网络的目标入侵监测系统设计[J].现代电子技术,2015,38(3):23-25；30.

[9]刘云浩.物联网导论[M].北京:科学出版社,2010:217-223.

(编辑：李江涛)

Analysis on IDEF0-based IoT Information Sharing Process of Military Equipment

YANG Fei1， YU Hongmin2， LYU Yaoping2

(1. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Equipment Command, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The construction of IoT information sharing system for military equipment is based on the information sharing process. To solve out issues existing in the information sharing process, with IDEF0 method, the paper models and analyzes the IoT-based information sharing process of military equipment and conducts systematic analysis on the contents of the sharing process like composition of each functional module, relevant technology, sharing process, realization steps and information flow mechanism in terms of the architecture and features of the IoT system so as to further simplify and specify the IoT-based information sharing process of military equipment.

internet of things (IoT); equipment information; sharing process

2016-05-20

中国博士后科学基金资助项目(43857)

杨 飞(1985-)，男，助理工程师，硕士研究生，主要研究方向为装备管理。 于洪敏，男，教授，博士生导师。

E917

2095-3828(2016)06-0100-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.019