王 錦，董文學(xué)，高 虹

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

指揮控制信息系統(tǒng)作為戰(zhàn)場的中樞和心臟，可為指揮員提供實時作戰(zhàn)信息、地理態(tài)勢和指揮決策建議，是信息化戰(zhàn)爭不可或缺的部分。傳統(tǒng)的防空指揮控制信息系統(tǒng)的框架為客戶/服務(wù)(C/S)架構(gòu)，即下級作戰(zhàn)單位為客戶端，上級作戰(zhàn)單位為服務(wù)器端，逐級向上/向下傳輸信息。這種“金字塔”式架構(gòu)的顯著特征在于，系統(tǒng)內(nèi)各作戰(zhàn)資源相互綁定，形成緊耦合關(guān)系，即1套防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)只能利用其系統(tǒng)內(nèi)部雷達所提供的目標信息控制作戰(zhàn)，并采用系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)射裝置發(fā)射導(dǎo)彈，無法得知友鄰系統(tǒng)的作戰(zhàn)信息，造成同級別作戰(zhàn)單位之間信息透明度和協(xié)同能力差。

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，消除傳統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)局限性，解決各分系統(tǒng)信息孤島問題，實現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)信息的互聯(lián)、互通和互操作，使防空軍事信息系統(tǒng)對信息的運用更加充分、高效和可信，已成為現(xiàn)代防空指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。為實現(xiàn)上述目標，外軍已發(fā)展和待發(fā)展的指揮控制系統(tǒng)均以制定和構(gòu)建標準化體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)協(xié)議為基礎(chǔ)來開展相關(guān)研發(fā)工作。比如，美軍的 JC2(joint command and control)[1]就采用了以服務(wù)和共享為核心，基于開放的標準和協(xié)議，具有松散耦合、支持應(yīng)用系統(tǒng)高效整合和業(yè)務(wù)流程隨需應(yīng)變等特點的面向服務(wù)的架構(gòu)(service oriented architecture, SOA)，為指揮控制信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了全新的理念和實現(xiàn)途徑[2]。

SOA 具有功能實體的獨立性、互操作支持性、松散耦合性、位置透明性、模型(或組件)可組合性等基本特征。這些特征提升了軟件的可重用能力，使 SOA 具有強大的系統(tǒng)集成技術(shù)優(yōu)勢。將SOA 應(yīng)用到指揮控制信息系統(tǒng)中，一方面能有效地集成各種異構(gòu)功能系統(tǒng)，降低能力與系統(tǒng)之間的耦合程度，實現(xiàn)各個系統(tǒng)間基于服務(wù)的互聯(lián)、互通；另一方面能及時有效地調(diào)整現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)不斷變化的軍事和業(yè)務(wù)功能需求，并與信息化武器系統(tǒng)緊密交聯(lián)，共同完成作戰(zhàn)任務(wù)。

1 SOA研究

SOA由 GARTNER在1996年首次提出，它是一種有效組織和利用分布式資源的架構(gòu)，是一種松散耦合、可動態(tài)化和重用擴展的分布式組件模型[3]。作為一種體系構(gòu)建策略，SOA將應(yīng)用程序的不同功能單元(稱為服務(wù))，通過定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口采用中立的方式定義，獨立于具體實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，使構(gòu)建的系統(tǒng)中的服務(wù)得以采用統(tǒng)一且標準的方式進行通信。SOA結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 SOA結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of SOA

SOA 主要由服務(wù)提供者、服務(wù)注冊中心和服務(wù)需求者這3個角色組成。服務(wù)提供者負責發(fā)布服務(wù)并將對服務(wù)的相關(guān)描述提供給服務(wù)注冊中心，服務(wù)需求者發(fā)現(xiàn)服務(wù)并向服務(wù)注冊中心請求執(zhí)行服務(wù)。這3個角色在進行信息交互時會涉及對應(yīng)的3個操作：發(fā)布對服務(wù)的描述，查詢對服務(wù)的描述，通過對服務(wù)的描述綁定和調(diào)用服務(wù)[4]。上述3個操作可能只進行1次，也可能重復(fù)進行。

總之，SOA旨在使分布式系統(tǒng)中已有的各個組件之間具有通用的互操作性，并使未來的應(yīng)用和體系結(jié)構(gòu)具有擴展性，通過將孤立的靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模塊化的、靈活的組件[5-6]，從而降低分布式系統(tǒng)的互操作難度。將面向服務(wù)的架構(gòu)思想應(yīng)用到指揮控制信息系統(tǒng)的搭建中已成為國內(nèi)外研究的熱點，對這方面的研究也越來越廣泛。

2 SOA在指揮控制信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來，在防空武器系統(tǒng)指揮領(lǐng)域提出了以提升“基于信息系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)能力”為目標的武器裝備建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略，指揮控制信息系統(tǒng)正逐步向網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)型，其組織應(yīng)用模式、技術(shù)體制都將發(fā)生重大變化。指揮控制信息系統(tǒng)的服務(wù)化是實現(xiàn)指控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的重要手段，也是指揮控制系統(tǒng)技術(shù)體制發(fā)展的核心和關(guān)鍵。

在指揮控制系統(tǒng)中，服務(wù)需求者所請求的服務(wù)往往無法由單個分系統(tǒng)來實現(xiàn)，而需通過多個分系統(tǒng)相互協(xié)同、大量功能模塊相互交互來實現(xiàn)。其中，每個分系統(tǒng)都需具備提供和獲取服務(wù)的能力，以實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信、交互和共享[7-8]。研究表明，應(yīng)用面向服務(wù)的協(xié)作技術(shù)能有效增強信息系統(tǒng)的實時信息共享和協(xié)同能力[9]，這將在信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中發(fā)揮更為突出的作用。當前多樣化的軍事任務(wù)迫切需要指控系統(tǒng)能擁有良好的自適應(yīng)性和可擴展性，特別是隨著 SOA技術(shù)的推廣，大量性能良好的新服務(wù)不斷涌現(xiàn)，為指控系統(tǒng)的發(fā)展提供了很好的基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有面向服務(wù)的應(yīng)用框架在國內(nèi)指揮控制信息系統(tǒng)中的應(yīng)用并不多見，也無任何工程化設(shè)計和實現(xiàn)。針對這些問題，本文提出將面向服務(wù)的理念應(yīng)用于指揮控制信息系統(tǒng)的設(shè)計方案，以增強指揮控制信息系統(tǒng)的自適應(yīng)性、可擴展性、通用性和實時性，滿足信息化條件下指揮控制信息系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

3 面向服務(wù)的指揮控制信息系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

本文在設(shè)計面向服務(wù)的指揮控制信息系統(tǒng)時，遵循以下原則。

1) 通用型原則。借鑒SOA理念，采用Web Service技術(shù)將傳統(tǒng)的應(yīng)用包裝成服務(wù)組件，多個組件一起工作，共同提供某一服務(wù)所請求的業(yè)務(wù)功能。

2) 可擴展性原則?？伸`活地增加作戰(zhàn)資源，通過與系統(tǒng)已有資源相互協(xié)同，實現(xiàn)系統(tǒng)可擴展性。

3) 快速接入原則。規(guī)范統(tǒng)一接入/退出接口協(xié)議，使作戰(zhàn)資源可快捷接入/退出指揮控制信息系統(tǒng)。

4) 實時性原則?？紤]軍用指揮控制信息系統(tǒng)對實時性的要求，采用 SOA 的訂閱/發(fā)布模式，縮短數(shù)據(jù)交互的延遲時間。

3.2 系統(tǒng)組成

如圖2所示，面向服務(wù)的指揮控制信息系統(tǒng)主要由作戰(zhàn)單元、上級指揮中心、服務(wù)器平臺和通信設(shè)備組成。其中，作戰(zhàn)單元包括1輛指揮車、1輛搜索雷達車、1輛跟蹤制導(dǎo)雷達車和3輛發(fā)射車。作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)通過通信控制器進行無線或有線數(shù)據(jù)傳輸，并在指揮車內(nèi)匯總。SOA部署于指揮車內(nèi)，通過服務(wù)器平臺與上級指揮中心交互作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)信息。該系統(tǒng)可通過SOA進行擴展。

圖2 面向服務(wù)的指揮控制信息系統(tǒng)組成圖Fig.2 Systematic configuration diagram of command and control information system based on SOA

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

SOA由服務(wù)需求者、服務(wù)提供者和服務(wù)注冊中心組成(見圖1)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，因各作戰(zhàn)單元需向上級指揮中心發(fā)送自身情報信息并獲取其他作戰(zhàn)節(jié)點情報信息，故對應(yīng)為服務(wù)需求者；上級指揮中心集中各作戰(zhàn)節(jié)點信息，并根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)布作戰(zhàn)指令，對應(yīng)為服務(wù)提供者；采用服務(wù)器平臺作為服務(wù)注冊中心，向服務(wù)需求者和服務(wù)提供者提供統(tǒng)一的接口(見圖3)。這種方式使各作戰(zhàn)單元和上級指揮中心之間能靈活地進行信息交互和系統(tǒng)集成，保證了指揮控制信息系統(tǒng)良好的互操作性和松耦合性，解決了各作戰(zhàn)單元間的信息不透明問題。

圖3 面向服務(wù)的指揮控制信息系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計Fig.3 Hardware framework design of command and control information system based on SOA

圖4為系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計圖?；赟OA的指揮控制信息系統(tǒng)軟件體系架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)支撐層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、安全服務(wù)層和服務(wù)管理層，它們之間通過服務(wù)總線進行連接。數(shù)據(jù)支撐層主要提供數(shù)據(jù)庫支持，提供對共享數(shù)據(jù)和專用數(shù)據(jù)的存儲及訪問支撐；基礎(chǔ)服務(wù)層主要提供粒度較細的、通用的基礎(chǔ)服務(wù)，可為業(yè)務(wù)服務(wù)層提供服務(wù)組合等支撐；業(yè)務(wù)服務(wù)層主要面向指揮控制信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，包括地理信息服務(wù)、情報處理服務(wù)、態(tài)勢感知服務(wù)、兵力部署服務(wù)、數(shù)據(jù)融合服務(wù)等；服務(wù)管理層對分布在各功能分系統(tǒng)上的服務(wù)資源進行控制和調(diào)度，實現(xiàn)服務(wù)的配置、發(fā)布、注冊和封裝，并對服務(wù)運行進行監(jiān)控；安全服務(wù)層提供與SOA 安全相關(guān)的服務(wù)支持，包括身份安全、網(wǎng)絡(luò)安全、文件安全和異常記錄。基于 SOA 的指揮控制軟件架構(gòu)能反映指揮控制信息系統(tǒng)的核心能力，且能反映系統(tǒng)業(yè)務(wù)的流程與邏輯關(guān)系。

圖4 面向服務(wù)的指揮控制信息系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計Fig.4 Software framework design of command and control information system based on SOA

如圖5所示，該系統(tǒng)采用Web Service技術(shù)將作戰(zhàn)信息以服務(wù)的方式進行封裝，各作戰(zhàn)單元采用統(tǒng)一的軍用傳輸協(xié)議向服務(wù)器平臺發(fā)送服務(wù)請求，服務(wù)器平臺將請求轉(zhuǎn)發(fā)至上級指揮中心，指揮中心通過身份信息驗證后接收并解析請求數(shù)據(jù)，之后發(fā)布對應(yīng)消息至服務(wù)器平臺以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息流的交互。

圖5 系統(tǒng)信息流交互Fig.5 System information flow interaction

該系統(tǒng)將服務(wù)器平臺作為“信息池”，上級指揮中心接收到各作戰(zhàn)單元的情報信息后，通過“服務(wù)發(fā)布”將信息發(fā)布至服務(wù)器平臺，任一作戰(zhàn)單元均可通過Web Service技術(shù)向上級指揮中心提出獲取信息請求，從“信息池”獲取信息。面向服務(wù)的信息交互擺脫了傳統(tǒng)指揮控制信息系統(tǒng)作戰(zhàn)單元上傳、上級下發(fā)的模式，使作戰(zhàn)單元可靈活地獲取上級、友鄰的信息。更豐富的信息量、更實時的信息傳輸和更快捷的作戰(zhàn)單元接入，有利于指揮控制信息系統(tǒng)的擴展和重組，有助于指揮員快速掌握整個戰(zhàn)場的態(tài)勢并做出決策。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)分析

該系統(tǒng)設(shè)計涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

1) 服務(wù)模塊的劃分與實現(xiàn)技術(shù)。在SOA中，服務(wù)是封裝成用于業(yè)務(wù)流程的可重用組件的應(yīng)用程序函數(shù)。每個服務(wù)都是管理一組業(yè)務(wù)實體中的操作的完整單元。服務(wù)請求者在請求消息和響應(yīng)時往往通過消息調(diào)用操作，而不再使用應(yīng)用程序接口和文件格式。因此，指揮信息系統(tǒng)服務(wù)模塊的劃分與實現(xiàn)技術(shù)需要對指揮信息系統(tǒng)主要包含哪些服務(wù)模塊進行梳理，使得指揮信息系統(tǒng)能按需組裝與分發(fā)，實現(xiàn)對遠、中、近程，高、中、低空多種防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的聯(lián)合指揮。本系統(tǒng)在軟件架構(gòu)設(shè)計的業(yè)務(wù)服務(wù)層對服務(wù)模塊進行了功能劃分和功能實現(xiàn)，通過服務(wù)管理層對服務(wù)模塊進行封裝并發(fā)布至服務(wù)器平臺供各作戰(zhàn)單元調(diào)用，從而實現(xiàn)服務(wù)模塊的劃分和發(fā)布。

2) 互操作技術(shù)。互操作是指系統(tǒng)、單元或部隊間提供、獲取服務(wù)的能力，以及使用該服務(wù)促進系統(tǒng)、單元或部隊間提供、獲取服務(wù)，以使其能更有效運行的能力。實現(xiàn)基于SOA的復(fù)雜應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題就是如何實現(xiàn)不同資源間的良好協(xié)同，即互操作問題。互操作性是指揮控制信息系統(tǒng)的核心能力，各作戰(zhàn)單元與上級之間靈活的互操作性可大大提升整個系統(tǒng)的威力和效能。

本系統(tǒng)采用 Web Service技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)間各單元的互操作功能。Web Service 是一類平臺獨立的、松耦合的、自包含的、基于可編程的 Web 的應(yīng)用程序。這類程序可使用開放的 XML 標準描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置，是用于開發(fā)分布式的互操作的應(yīng)用程序[10-11]。Web Service能使不同編程語言、不同操作系統(tǒng)、不同平臺之間進行通信。因 Web Service以XML 標準為基礎(chǔ)，故可使用任何開發(fā)語言在任何平臺上開發(fā)，服務(wù)的分發(fā)將十分方便。Web Service憑借其所具有的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，已成為 SOA最佳的實現(xiàn)技術(shù)。

3) 實時性技術(shù)。不同于商業(yè)SOA，指揮控制信息系統(tǒng)對各節(jié)點之間態(tài)勢信息處理、傳遞的實時性有很高要求，故需研究具有高實時性傳輸和處理的指揮控制信息系統(tǒng)，構(gòu)建實時 SOA 運行支撐環(huán)境。提高面向服務(wù)軟件實時性的途徑包括：a)利用 SOA 對傳輸協(xié)議的綁定機制，采用軍用實時傳輸協(xié)議和軟件替代通用的商用傳輸協(xié)議(HTTP)；b)針對指揮控制信息系統(tǒng)報文研制專用的應(yīng)用層報文解析軟件，用以替代通用的 XML 解析軟件，提高解析和處理速度；c)采用 SOA 的訂閱/發(fā)布(Publish/Subscribe)模式，而非請求/響應(yīng)(Request/Response)模式，減少請求-應(yīng)答-響應(yīng)所帶來的時間延遲，實現(xiàn)客戶/服務(wù)之間的信息交互。

4) 作戰(zhàn)資源快速接入技術(shù)。面向服務(wù)的指揮信息系統(tǒng)旨在滿足網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的需要。因作戰(zhàn)資源“即插即用”式的快速靈活接入是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的基本需求，故對作戰(zhàn)資源的快速接入技術(shù)進行研究極為必要。相關(guān)研究需重點解決以下問題：a)一體化通信系統(tǒng)的構(gòu)建問題；b)各種探測源、發(fā)射裝置在不同通信協(xié)議下的信息交互問題；c)作戰(zhàn)資源接入/退出網(wǎng)絡(luò)時的流程及資源管理問題。本系統(tǒng)通過軟件架構(gòu)中基礎(chǔ)服務(wù)層的接入服務(wù)模塊對各作戰(zhàn)資源的接入進行管理，同時采用統(tǒng)一的軍用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議避免對外通信協(xié)議多樣化問題，實現(xiàn)作戰(zhàn)資源的快速接入，使系統(tǒng)具備良好的擴展性。

3.5 試驗結(jié)果

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某武器系統(tǒng)外貿(mào)出口型號。在該型號工程應(yīng)用中，系統(tǒng)內(nèi)的任一作戰(zhàn)單元均可向上級指揮中心發(fā)送自身系統(tǒng)的雷達布陣信息(見圖6)、武器使用情況(見圖7)和傷亡信息(見圖8)，使上級指揮中心能獲取到更豐富的作戰(zhàn)信息。

圖6 作戰(zhàn)單元雷達布陣信息上報Fig.6 Fight unit radar embattlement information report

圖7 作戰(zhàn)單元武器使用情況上報Fig.7 Fight unit weapon use information report

圖8 作戰(zhàn)單元傷亡情況上報Fig.8 Fight unit casualty information report

作戰(zhàn)單元也可通過向上級指揮中心服務(wù)器發(fā)送請求，獲得友鄰作戰(zhàn)單元的位置、禁防區(qū)等信息(見圖9)，以便更好地掌握整個戰(zhàn)場態(tài)勢。

圖9 友鄰作戰(zhàn)單元禁防區(qū)信息Fig.9 Friend unit defense area information

在系統(tǒng)兼容性和時效性方面，上級指揮中心可實現(xiàn)作戰(zhàn)資源的快速接入，接入時間小于1 s，接入的作戰(zhàn)單元最多可達200個；作戰(zhàn)單元上傳、獲得信息的時間延遲均小于1 s。工程應(yīng)用證明，基于SOA的指揮控制信息系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)傳輸?shù)淖鲬?zhàn)信息，大大提升了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)協(xié)同性和信息透明度，減少了系統(tǒng)的接入時間，增強了系統(tǒng)的魯棒性。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的指揮控制信息系統(tǒng)的信息交互方式存在信息量較少、各作戰(zhàn)資源信息透明度低等缺點，很難滿足指揮官對現(xiàn)代戰(zhàn)場形勢的把握。SOA 技術(shù)具有跨平臺、易部署、互操作性高等特點，應(yīng)用構(gòu)建的靈活性得到大幅提升。本文基于面向服務(wù)的思想，提出了系統(tǒng)設(shè)計原則，設(shè)計了一種基于SOA的指揮控制信息系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)各作戰(zhàn)單位信息流交互的操作過程和涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并進行了工程驗證。在下一步的研究工作中，將對怎樣提高系統(tǒng)的安全性以及系統(tǒng)資源的數(shù)據(jù)融合等技術(shù)進行更深入的研究。

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