(1.中國(guó)人民解放軍32184部隊(duì),北京 100072; 2.中國(guó)電科28所,南京 210007)
裝甲裝備指揮控制系統(tǒng)歷經(jīng)多年建設(shè),目前已由傳統(tǒng)的指控通信系統(tǒng)發(fā)展成為基于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的一體化信息系統(tǒng),主要部署在裝甲機(jī)械化部隊(duì)旅(團(tuán))及以下部隊(duì)。系統(tǒng)采用戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與軸線式分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),支持情報(bào)信息、指揮控制信息和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等信息的高效傳輸,具備指揮控制、情報(bào)偵察、網(wǎng)絡(luò)通信、電子攻防、安全防護(hù)等主要功能[1-2]。其中,指揮控制是核心,基于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信是紐帶,兩者緊密耦合,高度融合。指揮控制高度依賴(lài)于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的通信保障,指揮控制性能在某種意義上取決于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)性能。
裝甲裝備旅(團(tuán))及以下指揮控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和信息流如圖1~2所示。
圖1 指揮控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)
圖2 指揮控制系統(tǒng)的典型信息流
旅(團(tuán))及以下指揮控制系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]可描述為如圖3~4所示。
圖3 與部隊(duì)編制相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖4 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與軸線式分層結(jié)構(gòu)
在裝甲機(jī)械化部隊(duì)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)環(huán)境中,由于地形地貌、天線起伏、電磁環(huán)境干擾、氣象條件以及通信業(yè)務(wù)增長(zhǎng)等原因,戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜,影響指揮控制性能的因素更多,無(wú)論是驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)配置、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題,還是考核指標(biāo)、評(píng)估性能[4],都需要采集大量的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù),進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)量與評(píng)價(jià)。裝甲裝備旅(團(tuán))及以下指揮控制性能測(cè)量,可以參考民用網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的性能測(cè)量指標(biāo)和測(cè)量方法。
在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)量指標(biāo)框架最早由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF(Internet Engineering Task Force)的基準(zhǔn)方法工作組BMWG(Benchmarking Methodology Working Group)來(lái)定義,在RFC1242, 2285, 2432, 2647以及2762中定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、LAN交換設(shè)備、IP Multicast、防火墻和ATM測(cè)試基準(zhǔn),在RFC2544,2889,3116等中定義了相應(yīng)的基準(zhǔn)測(cè)量方法。后續(xù)IETF專(zhuān)門(mén)成立IP性能指標(biāo)工作組IPPM(IP Performance Metrics)繼續(xù)進(jìn)行IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)定義、測(cè)量方法等方面的研究,并在RFC2330中給出了IP性能指標(biāo)的框架[5]。IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指標(biāo)主要包括連通性、吞吐量、帶寬、信道容量、包損失率、傳輸延時(shí)等內(nèi)容,從協(xié)議層上可以分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(IP層)、傳輸層(TCP/UDP層)和應(yīng)用層協(xié)議指標(biāo),從測(cè)試范疇上可以分為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)鏈路指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)路徑指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)[6]。
在網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法上,按照測(cè)量方式主要有主動(dòng)測(cè)量、被動(dòng)測(cè)量和控制信息監(jiān)視等三類(lèi)[7],按照測(cè)試系統(tǒng)所處的位置主要有基于路由器的測(cè)試、端到端的測(cè)試和路由器協(xié)助的測(cè)試[8],按照測(cè)試手段,主要有軟件測(cè)試、專(zhuān)用硬件(儀器)測(cè)試和軟硬件結(jié)合的混合測(cè)試3種方法[9]。文獻(xiàn)[10]介紹了幾種常用網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試工具(軟件)。
本文結(jié)合裝甲裝備指揮控制性能的總體評(píng)價(jià)需求,參考IP網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)體系[5-10]和戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)性能指標(biāo)體系[11-12],以端到端節(jié)點(diǎn)間的性能指標(biāo)為主,其它如設(shè)備性能、協(xié)議性能等不列入評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)考慮指標(biāo)的可測(cè)試性,綜合提出裝甲裝備指揮控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo),主要包括數(shù)據(jù)包丟失量、報(bào)文成功率、端到端平均時(shí)延等。
1)數(shù)據(jù)包丟失量:
該參數(shù)統(tǒng)計(jì)的是所有目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量和所有源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量之差,從這個(gè)值中可以看出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)成功傳遞的數(shù)量,以及在傳遞過(guò)程中由于鏈路故障丟失的數(shù)據(jù)量。引起數(shù)據(jù)丟包最常見(jiàn)的原因是網(wǎng)絡(luò)阻塞。
2)報(bào)文成功率:
報(bào)文成功率是一項(xiàng)使用要求,反映了指揮控制系統(tǒng)成功傳遞各種報(bào)文的程度。它等于“成功接收到的報(bào)文總數(shù)”與“發(fā)送的報(bào)文總數(shù)”之比值。報(bào)文成功率可以按整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)統(tǒng)計(jì),也可以按一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)對(duì)一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)或一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)來(lái)統(tǒng)計(jì)。
3)端到端平均時(shí)延:
端到端平均時(shí)延是一項(xiàng)使用要求,反映了指揮控制系統(tǒng)成功傳遞各種報(bào)文的時(shí)效性。尤其對(duì)語(yǔ)音包來(lái)說(shuō),時(shí)延太大會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。它包括路由查找時(shí)延、數(shù)據(jù)包在接口隊(duì)列中的等待時(shí)延、傳輸時(shí)延及MAC層的重傳時(shí)延等。
端到端平均時(shí)延=Σ(接收到的數(shù)據(jù)包的時(shí)間-發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間)/發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。
裝甲裝備旅(團(tuán))及以下指揮控制系統(tǒng)的性能評(píng)估,一般采用試驗(yàn)測(cè)試的方式進(jìn)行。為摸清系統(tǒng)的性能底數(shù),發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)系統(tǒng)問(wèn)題,需要在典型作戰(zhàn)想定驅(qū)動(dòng)下,按照指揮機(jī)構(gòu)和指揮席位實(shí)際部署方案,全員全要素共同參與,依據(jù)作戰(zhàn)指揮流程進(jìn)行指揮控制、偵察情報(bào)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和綜合保障等“真實(shí)”作戰(zhàn)信息的傳輸。通過(guò)采集各參試節(jié)點(diǎn)的信息收發(fā)情況,統(tǒng)計(jì)計(jì)算出戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標(biāo),實(shí)現(xiàn)指揮控制性能的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。顯然,這樣的測(cè)試需要同時(shí)采集所有參試節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),靠人工手動(dòng)記錄是無(wú)法想象的。同時(shí),每增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與試驗(yàn),由于節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)交互,需要采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都會(huì)成級(jí)數(shù)倍地增長(zhǎng),因此必須采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。
指揮控制性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由分布式數(shù)據(jù)采集處理單元DDCPU(Distributed Data Collection and Processing Units)、試驗(yàn)控制中心TCC(Test Control Center)和通信系統(tǒng)組成,采用分布式測(cè)試和集中控制相結(jié)合的總體架構(gòu)[13],可以適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與軸線式分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的指揮控制系統(tǒng),如圖5所示。
圖5 測(cè)試系統(tǒng)的典型架構(gòu)
系統(tǒng)的主要功能包括:
1)DDCPU采集并記錄被試指揮控制系統(tǒng)參試節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送的所有數(shù)據(jù),過(guò)濾無(wú)用數(shù)據(jù)。
2)DDCPU記錄它與TCC之間以及TCC與被試指揮控制系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)。
3)TCC控制DDCPU的啟動(dòng)與停止、改變其配置并能監(jiān)視控制其工作狀態(tài)。必要時(shí)TCC可對(duì)被試指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行一定的控制。
4)TCC分析處理采集的數(shù)據(jù),包括:
(1)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,提取試驗(yàn)評(píng)價(jià)需要的關(guān)鍵信息,比如數(shù)據(jù)采集的時(shí)間、地點(diǎn)、數(shù)據(jù)的大小、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收時(shí)間、數(shù)據(jù)的源地址、目標(biāo)地址以及路由等信息。
(2)建立數(shù)據(jù)庫(kù),支持對(duì)數(shù)據(jù)的SQL和HTTP等方式的查詢(xún)。
(3)自動(dòng)計(jì)算試驗(yàn)評(píng)價(jià)所需要的參數(shù),例如數(shù)據(jù)交換次數(shù)、數(shù)據(jù)包丟失量、報(bào)文成功率、端到端平均時(shí)延等信息。
(4)自動(dòng)完成各種格式的圖表輸出和顯示。
5)TCC監(jiān)視控制試驗(yàn)整體進(jìn)程。
根據(jù)被試指揮控制系統(tǒng)的具體組成,實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)會(huì)因?yàn)閰⒃嚬?jié)點(diǎn)數(shù)量變化而稍有差別,比如“旅(團(tuán))指揮車(chē)”擴(kuò)大為“旅(團(tuán))基本指揮所”且包括旅(團(tuán))直屬分隊(duì)時(shí),則需要增加DDCPU的數(shù)量且相應(yīng)修改軟件的配置,但測(cè)試系統(tǒng)的總體架構(gòu)不用變。
本文以下針對(duì)裝甲裝備旅(團(tuán))及以下指揮控制系統(tǒng)的典型情況,介紹自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并完成原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
裝甲裝備指揮控制性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置、試驗(yàn)控制中心和通信系統(tǒng)組成,如圖6所示。
圖6 指揮控制性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
數(shù)據(jù)采集裝置采用體積小、易于安裝、具有一定加固措施的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)[14],以適應(yīng)裝甲裝備工作環(huán)境,其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。裝置采用被動(dòng)工作方式,在不影響被試系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下實(shí)時(shí)采集參試節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),支持IP數(shù)據(jù)和各種非IP數(shù)據(jù)的收發(fā)雙向?qū)崟r(shí)采集。
圖7 數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖
數(shù)據(jù)采集分為廣域網(wǎng)采集和以太局域網(wǎng)采集兩種情況。在廣域網(wǎng)鏈路上采集時(shí)采用串接方式,即在參試通信鏈路設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備之間串接數(shù)據(jù)采集裝置,如圖8所示,支持包括K接口、RS232接口、E1接口等多種類(lèi)型接口協(xié)議。采集以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)采集裝置加入本地以太網(wǎng),接收并記錄以太網(wǎng)上的所有數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可以通過(guò)通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳給試驗(yàn)控制中心進(jìn)行在線分析,也可以先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集裝置的CF卡中,試驗(yàn)后人工將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出給試驗(yàn)控制中心進(jìn)行離線分析。
圖8 數(shù)據(jù)采集裝置采集廣域鏈路時(shí)的連接圖
數(shù)據(jù)采集裝置采用高精度GPS與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步[15]。
試驗(yàn)控制中心是系統(tǒng)的核心部分,主要由服務(wù)器、通信設(shè)備和高精度GPS組成,如圖9所示。
圖9 試驗(yàn)控制中心組成及連接關(guān)系圖
2臺(tái)便攜式筆記本作為測(cè)試服務(wù)器,分別用于指控業(yè)務(wù)和通信業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)特性的分析和顯示,便于測(cè)試人員進(jìn)行監(jiān)控和操作。
通信設(shè)備主要包括以太網(wǎng)交換機(jī)1個(gè),數(shù)話同傳中心站1個(gè),無(wú)線網(wǎng)橋或GPRS/CDMA數(shù)傳單元中心站1臺(tái),用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸和試驗(yàn)指揮勤務(wù)通信保障。
高精度GPS用于與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的其它部分實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。
試驗(yàn)控制中心和數(shù)據(jù)采集裝置之間,通過(guò)通信系統(tǒng)連接在一起。靜止使用時(shí),使用有線數(shù)話同傳設(shè)備,保障試驗(yàn)控制中心到各個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置之間的話音和數(shù)據(jù)的通信,便于試驗(yàn)過(guò)程的協(xié)調(diào)與控制。機(jī)動(dòng)使用時(shí),通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋或GPRS/CDMA數(shù)傳模塊,保障試驗(yàn)控制中心到各個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置之間的數(shù)據(jù)通信。
有線數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。
圖10 有線數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系圖
無(wú)線網(wǎng)橋通信組網(wǎng)如圖11所示。
圖11 無(wú)線網(wǎng)橋通信組網(wǎng)圖
當(dāng)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)在地域上比較分散,無(wú)線網(wǎng)橋的通信距離無(wú)法滿(mǎn)足需求時(shí),可以采用基于GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,如圖12所示。
圖12 基于GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸圖
數(shù)據(jù)采集裝置軟件采集、解析常見(jiàn)的鏈路層協(xié)議(如PPP、SLIP、802.3等)數(shù)據(jù)和戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用協(xié)議數(shù)據(jù),運(yùn)行于Vxworks嵌入式平臺(tái),其主要功能模塊包括:
1)時(shí)鐘同步模塊:接收處理高精度GPS的數(shù)據(jù),并定期同步本地時(shí)鐘;
2)數(shù)據(jù)采集處理模塊:實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行時(shí)間戳添加、數(shù)據(jù)包源地址和目的地址識(shí)別、消息類(lèi)型區(qū)分等預(yù)處理。
3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模塊:將試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地,或轉(zhuǎn)發(fā)到試驗(yàn)控制中心。
試驗(yàn)控制中心軟件部署在2臺(tái)測(cè)試服務(wù)器上,包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析顯示等3個(gè)主要模塊[16]:
1)數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊:負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集、解析和入庫(kù);
2)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊:負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享管理;
3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與顯示模塊:負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和統(tǒng)計(jì)分析,并以圖表的形式顯示處理結(jié)果。
4.2.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊
包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)入庫(kù)存儲(chǔ)等。
4.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊
系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù),負(fù)責(zé)存儲(chǔ)各個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送、接收的數(shù)據(jù),分別建立發(fā)送數(shù)據(jù)表、接收數(shù)據(jù)表。同時(shí),建立節(jié)點(diǎn)屬性表和消息類(lèi)型表。節(jié)點(diǎn)屬性表中存儲(chǔ)了參與試驗(yàn)的所有節(jié)點(diǎn)的名稱(chēng)和IP地址等基本信息。消息類(lèi)型表中存儲(chǔ)了VMF等消息的消息類(lèi)型編號(hào)、消息類(lèi)型名稱(chēng)和描述等信息,以便于對(duì)消息內(nèi)容的理解。數(shù)據(jù)庫(kù)主要實(shí)體關(guān)系如圖13所示。
圖13 數(shù)據(jù)庫(kù)主要實(shí)體關(guān)系E-R圖
4.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與顯示模塊
根據(jù)對(duì)采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性和統(tǒng)計(jì)分析,分別針對(duì)通信業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)特性和指控業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)特性。
1)通信業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目主要包括:
(1)統(tǒng)計(jì)分析任意2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)延;
(2)統(tǒng)計(jì)分析任意2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的丟包率;
(3)計(jì)算2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信開(kāi)銷(xiāo)和帶寬利用率;
(4)統(tǒng)計(jì)分析任意某個(gè)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)之間的通信業(yè)務(wù)流量(收發(fā)雙向),并分別計(jì)算其比例;
(5)計(jì)算任意幾個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的收、發(fā)通信流量占總流量的比例。
2)指控業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目主要包括:
(1)統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)之間消息交換的數(shù)量(含接收與發(fā)送),并按消息類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分;
(2)按消息類(lèi)型區(qū)分,統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)間的業(yè)務(wù)流量;
(3)各節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)消息發(fā)送/接收的成功率,并按消息類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分。
所統(tǒng)計(jì)的項(xiàng)目通過(guò)圖或表的形式實(shí)時(shí)地顯示其隨時(shí)間的分布曲線,也可在一段時(shí)間內(nèi)計(jì)算其均值、均方差等參數(shù)。
指揮控制性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:測(cè)試系統(tǒng)可以采集、解析各參試節(jié)點(diǎn)的收、發(fā)信息,并按通信業(yè)務(wù)和指控業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖14~18所示。
圖14 通信流量隨時(shí)間分布圖 圖15 通信流量隨節(jié)點(diǎn)分布圖
圖16 指控報(bào)文收發(fā)情況表格圖 圖17 消息交換數(shù)量隨節(jié)點(diǎn)分布圖
圖18 消息交換大小隨節(jié)點(diǎn)餅狀圖
裝甲裝備指揮控制性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)記錄與解析各級(jí)指揮控制系統(tǒng)內(nèi)、外部交互信息,為綜合考核評(píng)估指揮控制性能提供了手段支持。尤其是在指揮控制功能失效情況下,通過(guò)分析測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),能夠在線或離線準(zhǔn)確定位失效原因,起到“黑盒子”的作用。