韓化冰, 楊凡德, 陳 光, 白曉穎

(1.清華大學計算機科學與技術系,北京100084; 2.66072部隊; 3.裝備學院復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室,北京101416)

一種信息系統(tǒng)互操作性量化評估方法

韓化冰1,2, 楊凡德3, 陳 光1, 白曉穎1

(1.清華大學計算機科學與技術系,北京100084; 2.66072部隊; 3.裝備學院復雜電子系統(tǒng)仿真實驗室,北京101416)

針對信息系統(tǒng)互操作性評估問題,基于層次分析法和網(wǎng)絡層次分析法提出一種定量評估方法。在構建包括目標層、屬性層、子級層、性能指標層4個層次劃分的互操作模型的基礎上,利用層次分析法計算子級權重,利用網(wǎng)絡層次分析法進行綜合計算,并驗證了該方法的可行性。

互操作性;層次分析法;網(wǎng)絡層次分析法;定量評估

信息系統(tǒng)互操作性是指2個或2個以上系統(tǒng)或應用之間交換信息并相互利用所交換信息的能力[1]1。隨著信息系統(tǒng)技術的發(fā)展,諸如網(wǎng)絡異構、數(shù)據(jù)格式?jīng)_突,接口不兼容等互操作性問題越來越突出,導致信息系統(tǒng)間難以共享數(shù)據(jù)和協(xié)同工作。因此,如何評估和提高信息系統(tǒng)互操作性成為信息系統(tǒng)技術發(fā)展的關鍵問題。目前為止,相關部門和研究機構提出了多種評估模型[2-8]對互操作性進行評估。具有代表意義的評估模型包括：①信息系統(tǒng)互操作性等級模型[2]30(LISI),該模型把互操作性劃分為——隔離級、連接級、功能級、領域級和跨域級;② 概念互操作性等級模型[3](levels of conceptual interoperability model,LCIM),該模型中互操作能力定義為7個層次——無互操作性、技術級、語法級、語義級、應用級、動態(tài)級、概念級;③ 面向互操作性的技術體系結構參考模型[4](NATO C3 technical architecture,NC3TA),該模型中互操作性定義為5個級別——無數(shù)據(jù)交換、非結構化數(shù)據(jù)交換、結構化數(shù)據(jù)交換、無縫數(shù)據(jù)共享、無縫信息共享。上述模型從定性的角度評估互操作性,但是在工程實踐方面是遠遠不夠的。目前,從定量角度評估的模型方法包括空間向量法[5]、互操作積分法[6]等?？臻g向量法中把互操作性定義為多維空間2點間距離,每個互操作特征代表一個空間維度,通過計算空間維度差的算術平均值來度量互操作性,該方法由于無法給出特征維度的差值,因此可操作性較差。互操作積分法,通過定義互操作“自旋”和過程模型來評估互操作性,而過程模型隨信息系統(tǒng)的變化而變化,不具備普適性,應用較為不便。因此,互操作性定量評估缺乏具體有效的評估方法,具有很強的挑戰(zhàn)性。

針對上述問題,本文主要做了以下：① 基于信息系統(tǒng)互操作性等級模型,建立了互操作性評估層次模型;② 結合網(wǎng)絡層次分析法,提出一種互操作性定量評估方法,并進行了案例分析。

1 互操作性評估層次模型

互操作性評估層次模型是在LISI標準的基礎上建立的方法模型。其中,LISI成熟度模型[2]30根據(jù)分布環(huán)境,把互操作性定義為5個等級：隔離級、連接級、功能級、領域級和企業(yè)級,每個等級又分為若干子級;LISI參考模型[2]43依據(jù)信息、服務交互的要求和特征差異定義了4類互操作性屬性,即規(guī)程(P)、應用(A)、基礎結構(I)和數(shù)據(jù)(D)。規(guī)程屬性包括與標準、安全策略、管理和操作方面有關互操作的定義和要求,應用屬性則包括信息系統(tǒng)之間的功能交互要求,基礎結構屬性描述了信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩胶图軜嬏攸c,數(shù)據(jù)屬性的互操作性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型、格式和數(shù)據(jù)語義的一致性方面。LISI在綜合了成熟度模型和參考模型的劃分方法后給出信息系統(tǒng)互操作性能力模型[2]54。

本文基于LISI能力模型,采用層次分析法[9]121構造信息系統(tǒng)互操作性評估層次模型,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)互操作性層次模型

該層次模型共分為4層,分別為目標層、屬性層、子級層、性能指標層。

1)目標層：互操作性(interoperability);

2)屬性層：規(guī)程(P)、應用(A)、基礎結構(I)、數(shù)據(jù)(D);

3)子級層：{PiAiIiDi},每一個元素代表能力模型中的相應子級;

4)性能指標層：{PijAijIijDij},每一個元素代表相應子級中的不同的性能指標。

2 互操作性量化評估

2.1 子級權重計算

子級權重計算包括子級層和性能指標層元素的權重向量計算。例如規(guī)程屬性,包括10個子級,即{P1P2…P10},首先根據(jù)層次分析法構造子級與子級兩兩對比的判斷矩陣WP,如式(1)所示,其中wij表示2個子級間的權重關系,根據(jù)目標相對重要性等級表[10]進行定義。能力模型中子級層次越高,則其表現(xiàn)的互操作性也就越強,因此在定義子級層子級間的權重關系時,應該滿足高子級權重大于低子級權重。因此,規(guī)程屬性子級的歸一化權重向量WP應有WP1＜WP2＜WP3＜…＜WP10。

其次,用幾何平均法求歸一化權重向量WP。先計算WP的列向量的幾何平均值,然后進行歸一化,得到規(guī)程屬性子級的歸一化權重向量,如式(2)、式(3)所示,wi表示W(wǎng)P中第i個子級的權重。

然后計算WP的最大特征根λmax,計算方法如式(4)所示。

最后,通過W的最大特征根λ[9]131-132對

PmaxWP進行一致性檢驗。即比較WP最大特征根λmax與WP的臨界值特征根λ′max的大小,其中λ′max由表1根據(jù)WP的階數(shù)來定義。如果λmax＜λ′max,則WP成立,否則需要重新更正WP中的權重關系,直到令λmax＜λ′max,此時求得的目標權重向量接近實際權重向量。

表1 平均隨機一致性指標[9]131-132

2.2 綜合權重計算

2.2.1 網(wǎng)絡結構模型

網(wǎng)絡層次分析法(ANP)[11]是T.L.Saaty教授于1996年提出,用以解決復雜結構的決策科學方法。ANP的優(yōu)勢是允許決策者考慮復雜動態(tài)系統(tǒng)中各部分的相互作用,符合現(xiàn)實生活中決策問題的實際過程。ANP最主要的工作是構建網(wǎng)絡層,它反映元素組內各元素或者元素組間的相互關系。本文在綜合權重計算中引入ANP對系統(tǒng)互操作性能力進行分析,建立模型如圖2所示。

圖2 信息系統(tǒng)互操作性評價網(wǎng)絡結構模型

該網(wǎng)絡層次模型網(wǎng)絡層中,定義了2個相互作用的元素組,分別是屬性元素組CE和系統(tǒng)元素組CS,CE元素組包括規(guī)程(P)、應用(A)、基礎結構(I)、數(shù)據(jù)(D)4個元素,CS系統(tǒng)元素組包括系統(tǒng)1,系統(tǒng)2,…,系統(tǒng)N。在評估過程中,不僅考慮CE對于CS的影響,而且考慮CS對于CE的反饋作用,既衡量基于不同屬性各系統(tǒng)互操作性的相對權重,同時衡量基于不同系統(tǒng)的互操作實現(xiàn)情況,各個屬性間的相對權重。

2.2.2 計算步驟

權重綜合計算是基于網(wǎng)絡層次法進行的,流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)互操作性決策流程圖

式中：T={TP,TA,TI,TD}表示對應的互操作屬性(P、A、I、D);i表示屬性子級序數(shù);yj表示子級中性能指標序數(shù);l、r根據(jù)屬性定義而定;θij用來判定系統(tǒng)是否滿足相應互操作性能指標,滿足時θij為“1”,否則為“0”。

然后根據(jù)屬性權重矩陣構造基于各個屬性的系統(tǒng)間兩兩判斷矩陣和基于評估系統(tǒng)的屬性間兩兩判斷矩陣(注：由于判斷矩陣中的權重比由屬性權重矩陣中具體數(shù)值定義,判斷矩陣不會產(chǎn)生擾動,因此可以忽略一致性檢驗),計算后得到各矩陣的歸一化特征向量,構造超矩陣,最后得到評估結果,判斷最優(yōu)互操作性系統(tǒng)。

1)構造判斷矩陣。以CE中的元素依次為準則,構造判斷矩陣,即分別基于P、A、I、D 4個屬性,兩兩比較CS中的元素權重,得到CE對CS的歸一化影響矩陣W21,其列向量表示系統(tǒng)間基于某個屬性的權重比例關系。反之,得到CS對CE的歸一化反饋影響矩陣W12,其列向量表示基于系統(tǒng)的屬性權重向量,如式(6)所示。

其中,子級權重和指標權重由層次分析法求得,與被評估系統(tǒng)無關;0-1矩陣代表被評估系統(tǒng)的互操作實現(xiàn)情況,三者結合共同決定系統(tǒng)互操作性屬性權重量化結果WT,如式(5)所示。

2)構造未加權超矩陣。未加權超矩陣由網(wǎng)絡層所有元素組及其元素的權重排序向量聯(lián)合構成。歸一化特征向量矩陣W*ij為超矩陣W的子塊。超矩陣W*表達式為

3)確定元素組權重。CE以及CS內部元素之間相互獨立,互不影響,所以W11及W22均為0。則元素組歸一化排序向量組成的元素組權重矩陣為

4)加權超矩陣。加權超矩陣的表達式為

5)穩(wěn)定處理。在此使用冪法,求超矩陣的n次方,當矩陣中列向量不變時即可。通過穩(wěn)定處理后,得到極限超矩陣,決定被測系統(tǒng)互操作性性能比較關系和各屬性對于判斷結果的影響權重。

3 實例分析

本文結合互操作性量化評估方法給出以下實例分析。被評估的目標系統(tǒng)分別為S1、S2、S3,且系統(tǒng)屬性均達到LISI能力模型中的3c等級。首先通過層次分析法計算子級權重和性能指標權重。如表2所示,P、A、I、D屬性的層次權重向量依次為WP、WA、WI和WD,分別代表屬性中相應子級的權重向量,子級越高,則權重越大。

其中，F(xiàn)t,t+n是在t+n到期的期貨合約在時期t的價格，st,t+n為時期t+n的現(xiàn)貨價格，Φt是時期t的信息集，Et為時期t的信息集下的條件期望。上式意味著：在給定的t時信息集下，t+n到期的期貨合約在t時的價格是t+n時現(xiàn)貨價格st,t+n的無偏估計。隨著時間的推移，新信息不斷累積并增加到已有的信息集合中。T時期的信息集于是包含所有隨后的信息集，就是說對于所有的時期t，當τ≥0時，有Φt+τ ≥Φt，考慮兩個不同時期但到期日相同的期貨價格Ft,T和Ft+τ,,T(T代表到期日)，如果市場是有效的，則有：

表2 子級權重向量表

表2說明如下：

1)P、A、I、D各屬性子級的性能指標參照文獻[1]中表2及附錄A所列,并組成本屬性性能指標矩陣,例如P51表示P屬性的第5子級的第一個性能指標,以此類推;

2)根據(jù)層次分析法取得指標層權重向量矩陣,確定性能指標在該子級中的權重;

3)對照上述性能指標描述S1、S2、S3互操作性的實現(xiàn)情況,如果滿足相應性能指標,元素定義為“1”,否則定義為“0”。

現(xiàn)由S1、S2、S3的互操作性實現(xiàn)情況得到其屬性互操作性0-1矩陣(表示略)。由圖3所示,系統(tǒng)互操作性屬性權重矩陣由子級權重向量、指標層權重矩陣和系統(tǒng)0-1矩陣共同決定,并根據(jù)式(5)計算得到。因此,系統(tǒng)S1、S2、S3的互操作性屬性權重矩陣如式(10)所示,對應值表示該系統(tǒng)相關屬性的實現(xiàn)權重。

式(11)～式(14)表示基于屬性元素,系統(tǒng)之間的成對判斷矩陣,經(jīng)過計算得到系統(tǒng)元素的歸一化權重向量VS。

式(15)～式(17)表示基于系統(tǒng)元素的屬性間成對判斷矩陣,經(jīng)過計算得到屬性元素的歸一化權重向量VE。

1)基于規(guī)程屬性(P)的系統(tǒng)間的成對判斷矩陣

3)基于基礎結構屬性(I)的系統(tǒng)間的成對判斷矩陣

4)基于數(shù)據(jù)屬性(D)的系統(tǒng)間的成對判斷矩陣

5)基于“S1”的屬性間的成對判斷矩陣

6)基于“S2”的屬性間的成對判斷矩陣

7)基于“S3”的屬性間的成對判斷矩陣

由上述矩陣中的特征向量構成初級超矩陣,如式(18)所示。

以上初始超矩陣W*分為4個元素組,由于CE和CS中內部元素互相獨立,互不影響,所以w*11和w*22子塊為零矩陣。結合式(8)和式(9)得到本實例加權矩陣。然后對加權超矩陣進行穩(wěn)定處理,在此對其自乘5次(自乘次數(shù)可自行決定,當矩陣中各列向量保持不變),得到穩(wěn)定的極限超矩陣,如式(19)所示。

根據(jù)式(19)中的計算結果,得到系統(tǒng)S1、S2、 S3之間的互操作能力比較結果為

各屬性影響權重：WI＞W(wǎng)D＞W(wǎng)A＞W(wǎng)P。因此,在進行系統(tǒng)互操作性決策中,采用互操作性量化評估方法對多目標的屬性的復雜系統(tǒng)進行實際評估,可以較為容易得到宏觀的其有實際意義的判斷結果。在本實例中,應選擇S1作為最佳互操作性信息系統(tǒng)。

4 結束語

本文提出互操作性評估層次模型,并定義了目標層、屬性層、子級層、性能指標層的層次結構。并結合層次分析法和網(wǎng)絡層次分析法給出定量評估信息系統(tǒng)互操作性的理論方法。然后按照上述算法給出驗證案例,說明該算法的有效性和實用價值。目前,已知的大多數(shù)互操作性評估框架很難直接應用于信息系統(tǒng)互操作性定量評估過程,本研究作為一個早期的嘗試,通過劃分互操作性評價層次結構,定義和計算信息系統(tǒng)中互操作性能指標的權重,實現(xiàn)了從定性評估到定量評估的過度。未來的研究工作包括細化性能指標體系以及應用推廣等等。

References)

[1]中國人民解放軍總裝備部.GJB/Z 144—2004指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部,2005.

[2]C4ISR Working Group.Levels of Information systems interoperability(LISI)[EB/OL].[2013-02-17].http：//www. eng.auburn.edu/～hamilton/security/DODAF/LISI.pdf.

[3]TOLK A,MUGUIRA J A.The Levels of Conceptual Interoperability Model[EB/OL].[2013-02-17].http：//citeseerx. ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.196.1923& rep=rep1&type=pdf.

[4]NATO Allied Data Publication 34(ADatP-34).NATO C3 Technical Architecture(NC3TA)[EB/OL].[2013-01-13]. http：//www.nato.int/docu/standard.htm.

[5]Amanowicz M,Gajewski P.Military communications and information systems interoperability[EB/OL].[2013-01-02]. http：//ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber =568629&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org% 2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D568629.

[6]FORD T,COLOMBI J,GRAHAM S,et al et al.The Interoperability Score[EB/OL].[2013-02-03].http：//129.92. 253.61/cse/docs/pubs/CSER07%20-%20Paper033.pdf.

[7]CLARK T,JONES R.Organizational Interoperability Maturity Model for C2[EB/OL].[2013-01-12].http：//www.sei. cmu.edu/library/assets/orginteroper.pdf.

[8]MORRIS E,LEVINE L,MEYERS C,et al.System of systems interoperability(SOSI)：final report[R].Pittsburgh Pa：Carnegie-mellon univ.Pittsburgh Pa software engineering INST,2004：9-12.

[9]徐玖平,吳巍.多屬性決策的理論與方法[M].北京：清華大學出版社,2006.

[10]許曉東.定量分析方法[M].武漢：華中科技大學出版社, 2008：242.

[11]SAATY T L.The analytic network process[J].Iranian Journal of Operations Research,2008,1(1)：1-27.

(編輯：李江濤)

An Approach for Quantitative Assessment of Interoperability of Information Systems

HAN Huabing1,2, YANG Fande3, CHEN Guang1, BAI Xiaoying1

(1.Department of Computer Science and Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;
2.66072 Troops,China; 3.Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

The paper proposes quantitative approach for evaluating the interoperability of information systems based on analytic hierarchical process(AHP)and analytic network process(ANP) methods.It uses levels of information systems interoperability(LISI)standard to construct a hierarchical interoperability model including four levels of goals,attributes,sub-level,and indexes.It calculates the weights at two levels of sub-level and indexes following AHP,and the comprehensive weights following ANP.A case study is exercised to illustrate the proposed approach.

interoperability;analytic hierarchical process(AHP);analytic network process (ANP);quantitative assessment

TP 311.5

2095-3828(2014)02-0118-06

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.027

2013-04-19

部委級資助項目

韓化冰(1983-),男,碩士研究生.主要研究方向：軟件工程.hh4094408@163.com.