基于SOA和CPS的潛艇作戰系統體系結構框架研究

胡習霜

（江蘇自動化研究所，連云港222061）

0 引 言

潛艇作戰系統是一個非常復雜的綜合信息系統。它集指揮、控制、通信、情報、偵察、預警、探測等為一體，各個子系統都相當復雜，各自有自己的用戶接口、數據庫，甚至運行于不同的平臺上［1－2］。

網絡化體系作戰是未來信息化戰爭的主要作戰樣式，將潛艇融入網絡化體系作戰對潛艇作戰系統提出了更高的要求。多任務需求決定了潛艇作戰系統及作戰軟件必須具有一定程度的靈活性、重用性；潛艇成為分布式網絡化部隊中的一個節點，潛艇應具有更強的交互能力，采用開放式體系結構，具有標準并與平臺無關的接口，能夠靈活地融入作戰網絡。而各個子信息系統之間的信息交換和信息融合越來越頻繁，要求信息資源能夠實時共享；戰場信息資源必須能夠互聯、互通和互操作，各個信息系統之間能夠進行互操作并得到整個戰場信息的統一視圖；系統必須能快速地進行柔性重構，以適應戰場情況和部隊編成的迅速變化。所有這些要求未來潛艇作戰系統必須是支持分布性、自治性、移動性、交互性以及自適應的分布式系統。

利用面向服務的體系結構（SOA）對組織內分布、異構的應用和數據資源進行有效的封裝和集成，利用服務組合快速構建跨組織的復雜應用，以適應環境、客戶需求和業務流程的變化，成為近年來分布式系統的主流趨勢。美軍很早就大力發展面向網絡中心戰的全球信息柵格（GIG），實現作戰信息共享和一體化指揮控制，開發了面向服務的以網絡中心企業服務網（NCES）和體系公共操作環境（SoSCOE）為代表的基礎信息系統，同時美軍還采用面向服務的體系結構構建作戰應用系統，如網絡使能指揮能力系統 （NECC），在新發布的美國國防部體系結構框架DoDAF 2.0中也增加了服務視圖。為適應網絡化信息作戰需求，近年來，國內也開展了面向服務的系統體系結構及其在在軍事裝備中的應用研究，取得了很大的進步［2－12］。

作為海戰場隱蔽性要求極高的一種作戰平臺，與其他軍事裝備相比，潛艇作戰系統服務化面臨著如下諸多問題［10］：

（1）作戰系統應用模式的多樣性；

（2）通信環境的復雜性；

（3）作戰系統的保密性強；

（4）指揮控制隱蔽性要求高；

（5）指揮控制服務訪問的高可信要求。

隨著SOA和信息物理融合系統［13］及相關技術的進步，為解決上述問題提供了新思路，也使得潛艇作戰系統的服務化成為可能。

本文針對以上問題，在軍事信息服務框架的基礎上，利用SOA和賽博物理系統（CPS）設計了潛艇作戰系統體系結構的物理框架和功能框架，給出了各框架的組成和結構，最后得出了結論。

1 軍事信息服務、SOA及CPS

1.1 軍事信息服務（MIS）

軍事信息服務針對特殊應用的類Web服務，Web服務作為新興的應用模式，具有松耦合、強自治以及跨平臺調用等特點。Web服務的推出打破了在當今開放式網絡環境下網站、應用、各種計算設備之間難以調和的狀態，實現了“基于Web的無縫集成”，通過Web服務，能夠實現不同位置的系統之間直接使用功能構件或服務進行相互調用。

軍事信息服務與Web服務既有區別又有聯系，二者的相同點是它們采用了相同的協議和技術規范，都強調服務的可重用、松耦合及可跨平臺調用，但由于軍事應用的特殊性，區別于 Web服務，軍事信息服務還有安全可靠、實時高效、受服務擁有者和服務中心雙重管理等屬性。因此，一種廣泛認可的軍事信息服務的定義為：軍事信息服務是指由分布在一體化戰場信息平臺上的各類軍事信息資源（如各種偵察、探測設備、信息處理資源、通信資源、存儲資源、火力打擊武器等）以及各種軍事信息系統構成的，遵循Web服務的技術規范，以獨立于平臺的方式進行描述和封裝的，具有獨立行為邏輯和軍事應用能力的功能單元［5］。

1.2 面向服務的體系結構

面向服務的體系結構（SOA）是1個組件模型，它將不同的服務（應用程序的功能單元）通過定義良好的接口和協議聯系起來，對服務的操作包括發布、查找、綁定和調用等。SOA的顯著特點是服務具有松耦合、抽象、可重用、組件化、獨立于平臺和協議等特性。在SOA中，一般包括服務請求者、服務注冊者和服務提供者3種角色。Web服務是SOA的實現技術之一，基于 Web服務的SOA使用 WSDL（Web服務描述語言）來描述服務，使用UDDI（一般性描述、發現、集成）來發布、查找服務，使用SOAP（簡單的對象入口協議）來調用服務。

基于SOA的軍事信息系統集成的過程就是以服務驅動為核心理念，按需分配和使用系統資源，將信息技術從傳統的“以系統為中心”轉向“以服務為中心”，從而實現服務的快速組合和重用，達成系統的綜合集成。

1.3 賽博物理系統

賽博物理系統（CPS）是一個嶄新的研究領域，其定義還在不斷發展與完善之中。各領域學者和機構從各自不同的角度給出了不同的定義。一般認為，CPS是通過計算、通信與控制技術的深度融合，實現計算與物理資源緊密結合與協調使用的新一代智能系統，見圖1。何積豐院士指出：“CPS，從廣義上理解，就是一個在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控、可信、可擴展的網絡化物理系統，它通過計算進程和物理進程的相互影響和反饋循環來實現相互之間的深度融合，并利用實時交互來增加或擴展新的功能，最終實現以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制一個物理實體。CPS的最終目標是實現信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網絡，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式”。

圖1 CPS系統模型

CPS的基本特征有：實時性、分布性、高可靠性、強安全性、多樣性、自治性。這些特性正好與面向服務的潛艇作戰系統需求非常吻合。

CPS一般是由感知設備（如傳感器）、計算設備（如分布的處理節點）和信息傳輸網絡（如 WSN，Internet等）所組成的復雜多維系統。如圖2［13］所示，典型的CPS系統中主要包括3類組件，即傳感器、控制器和執行器。傳感器主要用于感知物理世界中的各種信息，并通過模／數轉換器將各種模擬量物理信息轉化成能被計算機處理和網絡傳輸的數字信息；控制器一般為分布式結構，接收由傳感器采集并通過網路傳輸的數字化和離散化的物理信息，經過處理后以輸出指令的形式反饋給執行器執行；執行器接收控制器的執行信息，控制和調整對物理對象的狀態和行為，以適應物理世界的動態變化。

圖2 CPS體系結構的一般形式

嵌入式系統使得“物”具有了智能，傳感器給遠程操控人員裝備了“眼睛”，信息傳輸網絡為信息共享提供了通道，CPS的目標是賦予人工系統神經和智慧，實現計算資源與物理資源的有機和深度融合，實時感知和控制物理過程，從而形成一個為人服務的信息物理系統。SOA提供了服務組件模型，便于將系統中各種資源封裝成服務，具有與操作系統、開發平臺、編程語言和中間件的無關性，從而實現了異構系統之間的重用和互操作。鑒于SOA和CPS的互補特點，設計了一種基于SOA和CPS的潛艇作戰系統體系結構框架。

2 體系結構框架

美軍指揮控制通信計算機情報監視偵察（C4ISR）體系結構框架2.0中將體系結構定義為：系統各部件的結構、它們之間的關系以及制約它們設計和隨時間演化的原則與指南［11］。體系結構框架就是規范體系結構設計和開發的基礎理論和方法，同一領域的體系結構設計必須遵循統一的體系結構框架。基于多視圖的方法，各應用領域發展了一系列的體系結構框架，尤其以美軍C4ISR體系結構框架最為典型，它通常由作戰視圖、系統視圖和技術視圖組成。

體系結構作為復雜系統的最基本要素，是研究、設計和開發系統的基礎，只有建立科學合理的體系結構，才能夠滿足系統的各種性能要求。作為一種復雜系統，潛艇作戰系統的綜合集成通常由物理集成、數據集成和功能集成等組成。本文結合應用實際，將物理集成映射為物理框架，將數據集成和功能集成統一到1張視圖中，稱之為功能框架，因此，本文所提出的體系結構框架包含物理框架和功能框架。

2.1 基于CPS潛艇作戰系統體系結構的物理框架

傳統軍事信息系統的物理框架采用C／S模式或C／S與B／S混合的模式［10］，而基于CPS的潛艇作戰系統體系結構的物理框架如圖3所示。

圖3 基于CPS的潛艇作戰系統體系結構物理框架

在基于CPS的潛艇作戰系統體系結構的物理框架中，通信網絡將六大分系統（即預警探測分系統、信息處理分系統、通信分系統、作戰指揮與輔助決策分系統、效能評估與仿真分系統和武器發控分系統）連接在一起，各分系統內的資源都被封裝成服務，并在各自服務注冊中心進行注冊和管理。預警探測分系統中的傳感器主要用于監測戰場環境和敵方動向，并將異常信息經信息處理分系統融合處理后，由通信分系統傳輸給作戰指揮和輔助決策分系統，作戰指揮和輔助決策分系統將武器控制參數傳給武器發控分系統，由武器發控分系統的執行器控制武器的發射，效能評估和仿真分系統可以對作戰效能進行評估并根據評估結果確定下一步作戰行動。另外通信分系統還負責與外界我方兵力的協同，效能評估和仿真分系統還具有作戰模擬訓練的功能。

2.2 基于SOA的潛艇作戰系統體系結構的功能框架

基于SOA的潛艇作戰系統實質上是將分布于潛艇作戰系統六大分系統中的各種應用功能服務化，并依據實際作戰任務需求，將各種松耦合的應用服務通過本地或遠程調用來實現服務間的互相調用和組合，進而實現各分系統之間的互聯、互通和互操作，形成一體化的潛艇作戰系統。本文采用分層模式設計了潛艇作戰系統體系結構的功能框架，如圖4所示。

該框架的設計思路是根據服務的用途和力度，將框架劃分為物理資源層、數據層、支撐服務層和應用層。數據層主要包括通信協議、消息格式、數據類型和各種數據庫等，用戶遵照接口規范來定義和使用通信協議、消息格式、數據類型，就可以在不知道服務內部實現機制的情況下使用各種服務。

支撐服務層包括存儲管理、信息分發、人機交互、資源共享、信息安全服務和服務管理等。其中，信息分發服務采用了基于SOA的訂閱／發布機制，與傳統基于請求／響應模式的客戶／服務器模式相比，可以提高系統的實時性；服務管理包括與服務生命周期相關的各種服務，對服務的封裝、注冊、發現、監控、選擇和組合進行管理，其中監控服務用于對候選服務的QoS數據進行實時采集和監控，為服務選擇提供支持；資源共享服務主要是指與各種作戰應用數據共享、軟件共享相關的服務，如目錄服務、數據轉換服務等；人機交互服務主要是各種顯示資源的管理、數據的輸入輸出和操作等，顯示資源包括表頁、圖像和視頻等；信息安全服務主要包括訪問控制服務、信息加密服務、身份認證服務、入侵檢測服務等。

圖4 面向服務的潛艇作戰系統體系結構功能框架

應用層是指與作戰系統最終功能緊密相關的1組服務，潛艇作戰系統的應用層服務主要包括信息融合服務、目標綜合識別服務、作戰指揮服務、作戰評估服務、仿真與推演服務、武器控制服務、通信保障服務、導航定位服務、時間統一服務等。

這些作戰系統應用服務通過相互調用、交互和組合，實現作戰資源的實時、安全、無縫集成和共享，并基于作戰任務進行各應用服務的選擇與組合，從而使系統能夠完成各種作戰任務。

3 比較分析

把設計的體系結構框架與文獻［2］和［12］從研究對象、服務定義、框架內容、設計理念、設計技術、實時性、多注冊中心和驗證與評估等方面進行比較，結果如表1所示。

表1 3種體系結構框架對比表

與文獻［2］與［12］相比，本文引入了軍事信息服務的概念，將它的內涵、外延及尊姓協議進行了清楚明了的定義，從而更適合潛艇作戰系統的描述和設計。同時本文所設計的潛艇作戰系統體系結構框架除了包括分層功能框架外，還包括物理框架，可以更全面、更實用地指導面向服務的潛艇作戰系統的設計，且將數據集成與功能集成融為一體，更體現了DoDAF 2.0中以數據為中心的理念。

隨著Web服務及SOA的應用和研究的深入發展，服務的應用方式和策略逐漸規范，形成了服務封裝與描述、注冊、發現、選擇、組合和執行等全過程流程及相關技術，本文所提出的構建流程可為研制面向服務的潛艇作戰系統奠定基礎。

在潛艇作戰系統運行過程中，各服務之間的信息交互頻繁，且系統實時性要求高，因此對服務的實時性和效率方面要求很高。

本文所設計的體系結構框架在通信協議上參考了CPS，從而克服了面向業務流程的Web服務只有單向對象流、執行效率一般的不足，可以滿足潛艇作戰指揮和武器發控的實時性要求，同時，由于系統包含多個分布式注冊中心，使得系統也更為靈活、安全和可靠。

4 結束語

本文基于軍事信息服務，設計了潛艇作戰系統體系結構的物理框架和功能框架，并與已有框架作了對比，進而結合SOA構建了潛艇作戰系統，可以最大限度地屏蔽不同應用程序和異構系統之間的耦合差異性，實現新舊應用功能軟件、異構系統的有機集成，從而擴展了潛艇作戰系統的柔性、可擴展性和可靠性。后續還將深入研究具體實現技術，如服務的描述與封裝，服務管理中的注冊、發現、選擇、組合等方法，信息安全保證措施和原型系統開發等。

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