邱 凱，高嵐嵐，紀 坤

（軍事科學院，北京 100091）

0 引言

體系是指由若干相互聯(lián)系的子系統(tǒng)構(gòu)成的一個有特定功能的有機整體［1］，例如網(wǎng)絡信息體系、作戰(zhàn)體系和武器裝備體系等［2-4］。體系具有幾個顯著的特點：1）分布性，即構(gòu)成體系的各個子系統(tǒng)可能分布在不同地方；2）獨立性，即各個子系統(tǒng)具有各自的功能、相對獨立；3）整體性，即所有子系統(tǒng)不是零散的，而是相互聯(lián)系組成一個整體；4）涌現(xiàn)性，即體系的功能并不是各個子系統(tǒng)功能的線性疊加；5）演化性，即體系不是一成不變的，會隨著外界環(huán)境和技術(shù)的發(fā)展而不斷演化。雖然體系的各個子系統(tǒng)具有較強的分布性和獨立性，但是它們組合在一起卻構(gòu)成了一個整體，而且具備涌現(xiàn)行為，能夠不斷演化發(fā)展，這就要求體系整體上具有較好的互操作性?；ゲ僮餍钥梢岳斫鉃椴煌到y(tǒng)之間可以互相進行操作［5］，也就是說，互操作主要描述的是不同系統(tǒng)之間的協(xié)同情況，即系統(tǒng)之間能夠交換并且利用對方的信息。隨著科技的進步，越來越多的系統(tǒng)不再是一個孤立的單元，而是要融入相應的體系中，才能發(fā)揮更大的作用，因而互操作性也就變得越來越重要。

既然互操作性這么重要，那么又如何來度量互操作呢？由于系統(tǒng)的種類龐雜，類型不同，功能各異，目前還沒有通用的方法能夠?qū)λ蓄愋拖到y(tǒng)的互操作性進行度量，通常局限于某一領(lǐng)域或類型的系統(tǒng)。互操作性的度量有兩個關(guān)鍵，一個是等級模型，另一個是評估方法。關(guān)于模型，美國國防部提出了信息系統(tǒng)互操作性等級模型LISI［6］，類似的還有組織互操作性成熟度模型OIM、層次化概念互操作模型LCIM、C3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)互操作性參考模型NC3TA、增強型互操作成熟度模型等［7-10］。這些模型通常將系統(tǒng)的互操作性分為若干個等級，并通過一些關(guān)鍵屬性來描述互操作性的等級效果。關(guān)于方法，李瑋基于LISI 模型，給出了信息系統(tǒng)互操作指標體系基本框架，但是沒有給出具體的等級評估方法［11］；張雪松從物理域、信息域、認知域、社會域4個角度構(gòu)建了全域互操作模型［12］，將互操作能力等級分為7 級，度量了系統(tǒng)的聯(lián)通性、傳播性、一致性和適應性，但是沒有說清楚互操作能力指標和互操作等級之間的關(guān)系；張劭陽提出了評價系統(tǒng)互操作的6 個指標——連接性、可用性、解析、傳輸、執(zhí)行、反饋，但是沒有給出具體的互操作水平評估方法［13］；夏偉針對網(wǎng)絡化維修這一領(lǐng)域，基于LISI 模型構(gòu)建了網(wǎng)絡化維修信息系統(tǒng)互操作技術(shù)等級模型和互操作性指標體系，提出了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的評估方法［14］；李陽等基于增強型互操作成熟度模型，構(gòu)建了網(wǎng)絡信息體系的互操作指標體系，根據(jù)各屬性指標的等級評價結(jié)果綜合得出體系的互操作等級［15-16］。

總的來說，現(xiàn)有關(guān)于互操作評估的文獻整體上有兩個問題：1）大多數(shù)針對單個系統(tǒng)且僅給出了互操作等級模型，缺少評估方法；2）把體系當成一個整體看待時，沒有考慮構(gòu)成體系的各子系統(tǒng)獨立運行和區(qū)域分布等特點。本文基于增強型互操作成熟度模型，構(gòu)建了體系的互操作能力指標體系，通過定性分析與定量計算相結(jié)合，從單體系要素和體系要素間的互操作等級演化出體系的互操作等級。

1 互操作概念

互操作這一概念目前還沒有統(tǒng)一的定義。美國國防部認為，互操作性是指不同的系統(tǒng)、單元或力量之間互相提供服務和接受服務并有效協(xié)同運作的能力，而IEEE 將互操作性定義為不同系統(tǒng)或要素之間交換信息和使用已交換信息的能力。這些定義主要是針對兩個或多個系統(tǒng)之間的，互操作性是對不同系統(tǒng)之間協(xié)同運作能力的重要度量。由于體系是由多個相互聯(lián)系的系統(tǒng)或要素組成的，所以對于一個體系而言，互操作性仍然是對體系進行評估的重要度量。體系的互操作性是指各體系要素之間交換信息并協(xié)同運作的能力，是對系統(tǒng)互操作概念的拓展。

1.1 互操作成熟度模型

要衡量系統(tǒng)或者體系的互操作性，需要先構(gòu)建互操作成熟度模型。美國國防部1998 年提出的LISI非常具有代表性［6］。LISI 的目的是為國防部提供一個成熟度模型，根據(jù)相關(guān)的流程規(guī)范確定待開發(fā)信息系統(tǒng)的互操作需求，評估現(xiàn)有系統(tǒng)對需求的滿足程度，并選擇實用的方案提高系統(tǒng)的互操作等級。LISI 主要包括互操作成熟度模型、參考模型和能力模型等，其中LISI 互操作成熟度模型將系統(tǒng)的互操作性劃分為5 個等級，LISI 參考模型通過規(guī)程、應用、基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)4 個屬性來描述互操作性的5 個等級，LISI 能力模型將5 個等級又進行了細分，并且定義了在每一個子等級上各屬性對應的能力閾值。

雖然LISI 的應用非常廣泛，但是經(jīng)過多年發(fā)展，特別是大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)大量融入信息系統(tǒng)，互操作的內(nèi)涵有必要進行補充和完善，故曹江等在2015 年提出了增強型互操作成熟度模型［10］。增強型互操作成熟度模型將互操作劃分為6 個等級，并通過結(jié)構(gòu)、應用、設(shè)施、安全、運維和數(shù)據(jù)6 個屬性來描述互操作等級，如下頁表1 所示。和LISI相比，增強型互操作成熟度模型增加了安全和運維屬性，這是因為隨著技術(shù)進步和對抗加劇，安全和保密已經(jīng)成為信息系統(tǒng)的重要組成部分，同時由于系統(tǒng)復雜化、體系化，運維也成為描述互操作性的關(guān)鍵一環(huán)。

表1 增強型互操作成熟度模型Table 1 The enhanced interoperability maturity model

1.2 互操作能力指標體系

增強型互操作成熟度模型雖然融合了LISI 互操作成熟度模型和LISI 參考模型，但是并沒有和LISI 能力模型相對應的各評價屬性的能力閾值，因而還不能直接用來對系統(tǒng)或體系的互操作性進行定量評估。為此本文在增強型互操作成熟度模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建體系的互操作能力指標體系如下頁圖1 所示?；ゲ僮髂芰Π? 個屬性，用Ai表示；每個屬性又包含若干能力指標或效果，用Ik表示。

圖1 互操作能力指標體系Fig.1 Interoperability index system

互操作能力具有結(jié)構(gòu)、應用、設(shè)施、安全、運維和數(shù)據(jù)6 個屬性，每個屬性都可以通過若干個能力指標或能力效果進行度量。圖1 給出的是比較通用的能力指標/效果集合，在對具體的一個體系進行評估時，度量指標可能會有所不同，需要根據(jù)實際情況進行一定的調(diào)整。

1.3 體系互操作等級評估流程

針對某一具體的體系，例如網(wǎng)絡信息體系、武器裝備體系等，可以按照圖2 所示的流程對互操作等級進行評估。

圖2 體系互操作等級評估流程Fig.2 Evaluation process of the interoperability level of the system

評估過程分為4 個步驟：

1）確定屬性對應的能力效果。體系由若干體系要素構(gòu)成，針對每個體系要素，確定互操作能力6個屬性的能力效果相關(guān)信息，用于后續(xù)計算。

2）計算單體系要素的互操作等級。對每一個體系要素，根據(jù)其能力效果等級和權(quán)重，通過能力效果等級初評、歸一化、權(quán)重計算和頻度分析，計算互操作等級。

3）計算體系要素間的互操作等級。對于每對體系要素，計算兩者之間的互操作等級。

4）計算體系互操作等級。根據(jù)體系要素間的互操作等級，形成體系互操作圖，計算體系的互操作等級。

2 單體系要素互操作等級評估

為了表述的準確性，對問題邊界及涉及要素做出假設(shè)?；ゲ僮鲗傩约嫌洖?/p>

互操作能力效果集合記為

其中，NA=6，NI與具體體系有關(guān)，本文NI=28。互操作能力有L（L=6）個等級，分別為等級0～5。單體系要素互操作等級評估過程如下頁圖3 所示，包括4 個步驟。

圖3 單體系要素互操作等級評估過程Fig.3 Evaluation process of interoperability level of elements in a single system

2.1 能力效果等級初評

針對互操作能力效果集合中的每項能力效果Ik（k=1，2，…，NI），根據(jù)評估需要確定對各能力效果等級的要求，記為

滿足

對每個能力效果，評估人員根據(jù)能力效果的度量方法和量綱，確定能力效果的等級初評分，這些值可以來自統(tǒng)計、仿真、專家評定等，用一個向量表示

滿足

2.2 能力效果等級歸一化

為了統(tǒng)一各能力效果的等級標準，需要對能力效果的等級初評分分別進行折算，例如將等級rk映射成L-1，得到歸一化的能力效果等級向量，其中

2.3 能力效果權(quán)重計算

根據(jù)互操作能力、屬性和能力效果之間的邏輯關(guān)系，首先確定互操作屬性相對于互操作能力的重要度，其次確定能力效果相對于屬性的重要度，最后通過綜合得到能力效果對于互操作能力的全局權(quán)重，具體過程如下。

2.3.1 確定互操作屬性相對于互操作能力的重要度

2.3.2 確定能力效果相對于屬性的重要度

每項屬性Ai對應一組能力效果，屬性與能力效果之間的關(guān)聯(lián)用矩陣表示。cik取值為5、3、1 時分別表示能力效果的重要度為極度重要、很重要和一般重要，4、2 介于上述三者之間，cik=0 表示能力效果與屬性不相關(guān)，。

2.3.3 計算能力效果相對于互操作能力的全局權(quán)重

1）將能力效果Ik相對屬性Ai的重要度cik歸一化為

2）將屬性Ai的重要度zi歸一化為

3）計算能力效果Ik相對互操作能力的原始權(quán)重

歸一化得到

2.4 能力效果等級頻度分析

經(jīng)過歸一化后得到的能力效果等級存在非整數(shù)的情況，因此，在將能力效果等級向量U 轉(zhuǎn)化為頻度向量時，定義如下函數(shù)

能力效果等級頻度向量V 反映了能力效果等級的總體分布情況，從中可以得到不同等級的能力效果的比例，選取占比最高的等級作為單體系要素互操作等級

3 體系要素間互操作等級評估

按照單體系要素互操作等級評估方法，分別確定每一個體系要素的互操作等級，然后對比每兩個體系要素的互操作等級，其中，較低的等級就是兩體系要素間互操作的期望等級，即

體系要素間的實際互操作等級可能會低于上述期望等級EAmn。例如，如果兩要素的固有互操作等級都較高，但是兩者之間的通信協(xié)議不兼容，那么就會降低實際的互操作等級。因此，在能夠獲得兩要素的具體情況下，需要根據(jù)實際情況對EAmn進行修正。體系要素間的互操作等級矩陣為

其中，EAmn表示體系要素m 和n 之間的互操作等級；對角線上的元素EAnn=EAn，表示要素n 的固有互操作等級。

4 體系的互操作等級評估

如果把體系中的每一個要素看成一個節(jié)點，各體系要素間由邊連接，就可以通過互操作等級矩陣構(gòu)造出一個體系的互操作圖，如圖4所示。其中，X 是節(jié)點集，MEA是圖的鄰接矩陣，也可稱為邊權(quán)重矩陣。

圖4 體系互操作圖Fig.4 Diagramof the interoperability of the system

如果兩個體系要素之間的互操作等級EAmn＜L-1，可能是兩要素間的互操作等級偏低，沒有達到理想值；也有可能是這兩個要素之間本來就不需要太高的互操作等級，即其理想互操作等級EImn＜L-1，甚至還存在EImn=0，即這兩個要素之間不需要互操作。因此，需要先根據(jù)體系的頂層設(shè)計確定體系要素間的理想互操作等級EImn，然后根據(jù)EImn對EAmn進行如下的歸一化處理

5 結(jié)論

現(xiàn)有關(guān)于互操作評估的文獻大多是針對單個系統(tǒng)考慮的，且沒有給出具體的互操作等級評估方法，或者把體系當成一個整體看待，而沒有考慮構(gòu)成體系的各系統(tǒng)獨立運行和區(qū)域分布等特點的問題，本文在增強型互操作成熟度模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了體系的互操作能力指標體系，采取先分解再綜合的思路，將體系分解為若干個體系要素，通過確定屬性對應的能力效果、計算單個體系要素的互操作等級、計算體系要素間的互操作等級等步驟，最終構(gòu)建體系互操作圖并得到體系的互操作等級。