曹延華 任昊利

1.裝備學(xué)院航天指揮系,北京101416 2.裝備學(xué)院裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究所,北京101416

未來基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)強調(diào)網(wǎng)絡(luò)信息體系,各個作戰(zhàn)單元高度協(xié)同,共享信息,對指揮控制系統(tǒng)和武器平臺的一體化水平要求非常高,使得指揮控制系統(tǒng)建設(shè)成為武器裝備建設(shè)的重點內(nèi)容之一.指揮控制系統(tǒng)是綜合電子信息系統(tǒng)的重要組成部分,它將各類異構(gòu)的、動態(tài)的傳感器節(jié)點、武器平臺節(jié)點、指控節(jié)點和其他軟硬件資源有機融合,能夠?qū)Ω黝悜?zhàn)場信息進(jìn)行搜集、存儲、傳輸、處理、分發(fā),并對各類信息資源進(jìn)行一體化的組織、管理,支持作戰(zhàn)節(jié)點隨遇接入、即插即用,支持信息的實時共享、作戰(zhàn)節(jié)點的動態(tài)部署和作戰(zhàn)行動的全面協(xié)作[1?3].體系作戰(zhàn)要求指揮控制系統(tǒng)能夠“在正確的時間把正確的信息傳遞給正確的用戶”,從而確立信息優(yōu)勢和決策優(yōu)勢,目前的指揮控制系統(tǒng)還不能很好滿足以上要求,在理念上需要突破,技術(shù)上需要找到解決辦法[4].數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Data Distribution Services,DDS)是一個基于發(fā)布／訂閱模型的通用數(shù)據(jù)分發(fā)規(guī)范,發(fā)布／訂閱(Publish／Subscribe)通信規(guī)范具有匿名通信、按需分發(fā)數(shù)據(jù)、一對多通信等特性,能夠很好地滿足大型分布式系統(tǒng)松耦合結(jié)構(gòu)的需求,適合于網(wǎng)絡(luò)或柵格環(huán)境下的信息分發(fā)共享[5?8,11?12].本文針對指揮控制系統(tǒng)的信息按需分發(fā)問題,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息體系環(huán)境下指揮控制系統(tǒng)的特點和需求,提出了一種基于DDS技術(shù)的指揮控制系統(tǒng).

1 基于DDS的指揮控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 指揮控制系統(tǒng)需求

未來的指揮控制系統(tǒng)應(yīng)滿足戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下信息傳輸、處理與應(yīng)用的作戰(zhàn)使用需求以及適應(yīng)各軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)的要求,支持戰(zhàn)術(shù)級信息的實時交換與分發(fā),實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)信息的實時信息互傳與共享應(yīng)用[9?10,13?15].信息分發(fā)還必須滿足按需、實時性、可靠性、容錯性、動態(tài)配置、可擴展性等要求.具體包括:

1)模塊化,即插即用.系統(tǒng)松耦合,可以裁剪組合,能夠靈活動態(tài)配置,實現(xiàn)即插即用,隨遇接入.

2)互聯(lián)、互通、互操作.系統(tǒng)可支持不同的通信體制、數(shù)據(jù)類型和操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)信息能夠無縫連接.

3)強實時性.由于戰(zhàn)術(shù)級的信息往往直接關(guān)系到指戰(zhàn)員的生命安全以及戰(zhàn)局的勝負(fù),因此,需要在很短的時間內(nèi)(通常為幾秒)傳送到用戶那里.

4)可靠高效.未來戰(zhàn)場環(huán)境的用戶種類繁多,通常信息需要同時發(fā)送給多個用戶,戰(zhàn)術(shù)通信鏈路帶寬較低,直接使用單播或廣播模式往往會占用大量帶寬且傳送效率低.因此,信息分發(fā)需要組播支持,這樣既保證一份數(shù)據(jù)能同時發(fā)往多個用戶,又保證網(wǎng)絡(luò)中任何一條鏈路上只傳送單一的數(shù)據(jù)包,從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高數(shù)據(jù)傳送效率,減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性.

5)按需獲取和分發(fā)數(shù)據(jù).要在未來作戰(zhàn)中實現(xiàn)“5個恰當(dāng)”,即:在恰當(dāng)?shù)臅r間、以恰當(dāng)?shù)男问?、通過恰當(dāng)?shù)穆窂?將用戶所需要的恰當(dāng)信息傳送給恰當(dāng)?shù)娜藛T,最重要的是根據(jù)用戶需要,建立靈活的信息獲取和分發(fā)機制,在大量信息存在的情況下實現(xiàn)信息靈活、按需的分發(fā).

1.2 指揮控制系統(tǒng)框架

基于DDS的指揮控制系統(tǒng)的核心理念是把信息系統(tǒng)建設(shè)成柵格型結(jié)構(gòu),從而構(gòu)建一個以數(shù)據(jù)為中心的信息分發(fā)服務(wù)總線,為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分發(fā)、處理機制.各個信息系統(tǒng)可以在總線上“即插即用”,總線為各系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口,這樣,系統(tǒng)之間就形成了一種松耦合關(guān)系,如圖1所示.

DDS是中間件,它可以屏蔽掉操作系統(tǒng)之間的差異,使系統(tǒng)互聯(lián)互通,通過引入發(fā)布/訂閱機制使各信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)按需獲取信息,這種機制也從客觀上使總線實時性能良好,支持強實時性.

“發(fā)布”代表著信息提供,“訂閱”代表信息獲取.發(fā)布者將其提供的數(shù)據(jù)以“主題”的形式通知給“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”,“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”進(jìn)行匹配確認(rèn)后就將建立起通信信道,此時的信息傳輸是點對點的傳輸,因此,能夠保證實時性.這里的“主題”和“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”是指信息分發(fā)服務(wù)總線定義的專有名詞,“主題”是要發(fā)布/訂閱的信息的代號,“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”是一個分布式的虛擬的數(shù)據(jù)空間,發(fā)布者和訂閱者都通過全局?jǐn)?shù)據(jù)空間進(jìn)行交換數(shù)據(jù),實現(xiàn)匿名通信.各種應(yīng)用層的電子信息裝備(傳感器、數(shù)據(jù)庫、信息系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng))可以獨立開發(fā),通過總線提供的標(biāo)準(zhǔn)接口接入總線,實現(xiàn)綜合集成,如圖2所示.

圖1 基于DDS的指揮控制系統(tǒng)信息分發(fā)服務(wù)總線示意圖

圖2 指揮控制系統(tǒng)信息分發(fā)服務(wù)示意圖

信息分發(fā)服務(wù)總線的這種架構(gòu)支持一對多、多對一、多對多節(jié)點間的通信,對于指揮人員和作戰(zhàn)人員來講不用關(guān)心信息是誰來提供、提供給誰,只需要根據(jù)不同的任務(wù)啟用訂閱/發(fā)布功能模塊即可,這樣就使得不同的人員可以專注于自己的任務(wù).

DDS規(guī)范定義多個QoS策略,控制應(yīng)用程序間如何、何時發(fā)布數(shù)據(jù)的多個方面,應(yīng)用程序使用它指定其對服務(wù)質(zhì)量的要求.參與者指定它們需要服務(wù)哪些行為,服務(wù)描述如何實現(xiàn)這些行為.這些策略可應(yīng)用于各個DCPS實體(主題、數(shù)據(jù)寫入者、數(shù)據(jù)讀取者、發(fā)布者、訂閱者、域參與者),盡管并非所有策略對所有類型實體有效.指揮控制系統(tǒng)通過配置QoS策略實現(xiàn)對信息的篩選和過濾,從而實現(xiàn)信息的按需獲取.

異構(gòu)的信息系統(tǒng)通過DDS中間件集成,DDS屏蔽掉數(shù)據(jù)格式、操作系統(tǒng)之間的異構(gòu)性,信息發(fā)布者把信息(數(shù)據(jù))發(fā)布到全局?jǐn)?shù)據(jù)空間,QoS策略保障用戶可以按需獲取信息.共享的信息(數(shù)據(jù))包括:基本信息、指揮控制信息、情報信息、文電信息等,基本信息(例如,戰(zhàn)略情報信息)存放在持續(xù)服務(wù)的數(shù)據(jù)庫里,指揮控制信息由指揮控制系統(tǒng)給出,實時情報信息由雷達(dá)等傳感器獲取并給出,文電信息由各類用戶給出.信息系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)共享、消息傳遞關(guān)系示意圖如圖3所示.

圖3 信息系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)共享、消息傳遞示意圖

1.3 基本原型系統(tǒng)

通過一個簡單的原型系統(tǒng),進(jìn)一步基于DDS的技術(shù)實現(xiàn)信息傳遞、共享以及異構(gòu)系統(tǒng)的接入和綜合集成.如圖4所示,一個嵌入式單片機連接了一個傳感器電路和以太網(wǎng),傳感器以一個確定的頻率采集數(shù)據(jù),單片機將當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)作為一個參數(shù)調(diào)用,并用一個簡單的“寫入”發(fā)布數(shù)據(jù)包.網(wǎng)絡(luò)中還連接了一個工作站,在工作站上,應(yīng)用程序創(chuàng)建了一個回叫程序,直接接收數(shù)據(jù)并通過應(yīng)用程序顯示.由于使用了DDS中間件,操作系統(tǒng)之間可以通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù).

1.3.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)類型

①建立一個IDL文件,在IDL文件中定義傳感器的數(shù)據(jù)類型—Sensor.如圖5所示.

它包含3個成員,其中int nDeviceID;//@key為設(shè)備標(biāo)識,同時也為關(guān)鍵字; float fTempValue;為當(dāng)前傳感器采集到的數(shù)據(jù)值;double dTime;為當(dāng)前時間.

圖4 基本原型系統(tǒng)示意圖

②使用DDS的代碼生成器生成Sensor相關(guān)的代碼,這些代碼中有Sensor主題,Sensor-DataReader數(shù)據(jù)讀出器,SensorDataWriter數(shù)據(jù)寫入器等對象.

③將生成的代碼加入當(dāng)前的DDS應(yīng)用程序中.

圖5 創(chuàng)建數(shù)據(jù)類型

1.3.2 發(fā)布數(shù)據(jù)

①建立域參與者;②注冊主題數(shù)據(jù)類型;③建立主題;④建立發(fā)布者;⑤發(fā)布數(shù)據(jù),5個步驟,示例代碼如圖6所示.

1.3.3 創(chuàng)建監(jiān)聽器

DDS服務(wù)不斷地監(jiān)聽指定的主題,當(dāng)它監(jiān)聽到主題時,使用該主題的監(jiān)聽器回調(diào)函數(shù),從數(shù)據(jù)讀出器中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

構(gòu)建一個CSensorListener類,用于監(jiān)聽Sensor主題.示例代碼如圖7所示.

1.3.4 訂閱數(shù)據(jù)

①建立域參與者;②注冊主題數(shù)據(jù)類型;③建立主題;④建立訂閱者;⑤建立數(shù)據(jù)讀取者的數(shù)據(jù)監(jiān)聽器;⑥訂閱,6個步驟,示例代碼如圖8所示.

1.4 性能測試與驗證

通過試驗來測試提出的信息分發(fā)方法的性能.首先測試響應(yīng)時間,實時操作系統(tǒng)以每秒鐘200個字節(jié)的速率發(fā)布數(shù)據(jù),工作站響應(yīng)的時間曲線如圖所示,消息量達(dá)到563,937M 時響應(yīng)時間約為275μs,如圖9所示;其次測試吞吐量,隨著消息量的不斷增長,每秒鐘發(fā)送消息的量呈指數(shù)增長,說明系統(tǒng)性能良好,如圖10所示.試驗結(jié)果表明,本文提出的信息分發(fā)方法在響應(yīng)時間和吞吐量方面性能良好,能夠滿足戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)的需求.

圖6 發(fā)布數(shù)據(jù)示例代碼示意圖

圖7 創(chuàng)建監(jiān)聽器

圖8 訂閱數(shù)據(jù)示例代碼示意圖

圖9 響應(yīng)時間

圖10 吞吐量

2 結(jié)論

本文基于DDS技術(shù)設(shè)計了指揮控制系統(tǒng)框架,研究了信息分發(fā)服務(wù)總線問題.通過基本原型系統(tǒng)驗證表明,所提出的方法和使用的技術(shù)能夠滿足任務(wù)需求.未來的指揮控制系統(tǒng)應(yīng)該是柵格化信息系統(tǒng),其基本要求是隨遇接入型、信息保密性、實時分布式和高效智能化.DDS技術(shù)具有強大的綜合集成能力、異構(gòu)系統(tǒng)接入能力、信息共享能力和實時數(shù)據(jù)傳遞能力,是實現(xiàn)這些基本要求的一種優(yōu)選方案.