基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計

馬永龍海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢430064

基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計

馬永龍
海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢430064

為適應水面艦艇使命任務多元化需求，減少艦艇作戰系統規模擴大與載艦總體資源有限的矛盾，提出一種基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計方法，以提升基礎資源集成共用和信息開放共享的程度，提高可靠性和生命力，支持根據作戰任務靈活使用。介紹功能軟件集成架構，描述功能軟件包設計和系統集成管理技術，并開展原理驗證試驗。試驗結果表明，基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計技術可行，滿足作戰系統功能層面要求，為作戰系統電子武器裝備集成提供了可行的解決方案。

作戰系統；集成優化；功能軟件包

0　引言

海上戰爭向多維空間對抗發展，對水面艦艇提出了使命任務多元化需求。為同時滿足多項使命任務需求，艦艇作戰系統配置的電子武器裝備種類不斷增加，規模日益擴大，與有限的載艦噸位、空間、人員保障以及全壽命期維護和升級之間的矛盾日益突出，急需開展系統集成優化設計。

目前，針對水面艦艇集成優化需求，在艦船總體層面開展了頂層設計理念和原則、總體布置、隱身性與裝備形態等研究［1-2］；在作戰系統層面開展了開放式體系結構、任務流程、設計流程等研究［3-5］；在電子武器裝備層面開展了射頻前端共用［6-7］、武器共架發射等研究［8-10］。

在作戰系統開放式體系結構下，基于共用基礎軟硬件資源，針對應用軟件層面的集成優化，本文擬提出一種基于功能軟件包的系統集成優化設計方法。本文將構建功能軟件集成框架，對作戰系統所屬功能進行細化分解，設計典型的功能軟件包，提出系統集成管理方法；并在作戰系統原理驗證環境下，對基于功能軟件包的系統集成優化設計方法的技術可行性進行原理驗證。

1　系統體系結構優化設計

作戰系統開放式體系結構和基礎軟硬件的標準化、通用化，是基于功能軟件包的系統集成優化的基礎。

在傳統作戰系統體系結構中，是以雷達、電子戰、導彈、魚雷、艦炮、作戰保障等分系統為集成單元，各分系統間的基礎資源難以共用、信息共享程度低，不能支持功能靈活部署和重構。借鑒面向服務的艦艇作戰系統集成框架［3］等研究成果，對作戰系統體系結構進行優化設計，如圖1所示。

圖1　作戰系統體系結構優化示意圖Fig.1 An optimized architecture of combatsystem

作戰系統體系結構優化后，主要分為信息獲取、顯示控制與計算處理、武器發射控制與發射3大部分。信息獲取部分包括雷達、電子戰、通信等射頻設備的天線（陣面）及信號收發處理控制，以及聲吶等設備基陣及信號收發處理控制、光電等設備光學探頭/傳感器及信號收發處理控制，此部分應利用射頻、光頻集成共用相關研究成果［7］，開展集成優化；武器發射控制與發射部分，包括各類艦空導彈、反艦導彈、魚雷、艦炮、干擾彈的發射控制以及發射裝置及彈藥，此部分應利用武器共架發射相關研究成果，開展集成優化［8-10］；顯示控制與計算處理，主要包括作戰系統各類傳感器、指揮控制、武器及作戰保障設備的顯示與人機交互、信息處理、輔助決策和解算處理控制，主要依托電子信息裝備實現相應的功能。

本文主要針對體系結構中顯示控制與計算處理部分，研究在通用基礎軟、硬件上，基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計方法。

2　功能軟件包設計與集成

作戰系統顯示控制與計算處理對應傳感器、指揮控制、武器交戰、作戰保障等不同的應用，集成優化需對各類應用構建功能軟件集成框架，按照集成框架為不同的應用設計功能軟件包、作戰系統設計集成管理軟件和對各應用的功能軟件包進行統一的集成管理。

2.1功能軟件集成框架

按照基礎硬件、基礎軟件和功能軟件3個層次，構建功能軟件集成框架，如圖2所示。

基礎硬件層包括顯示控制、計算處理、信息傳輸等設備，遵循標準化和通用化原則。顯示控制設備通過加載不同的基礎軟件和功能軟件，支撐雷達、指揮控制、武器等不同應用的信息顯示和人機交互控制；計算處理設備提供可擴展的、高性能的計算處理功能，通過加載不同的基礎軟件和功能軟件，支持傳感器信息處理與控制，指揮控制系統融合處理、威脅判斷、輔助決策，武器解算與控制等功能應用；信息傳輸設備包括網絡交換機、網絡管理等設備，提供安全、可靠的數據傳輸通道，支撐數據、語音、圖像等多業務一體化傳輸，滿足各系統間的信息交互需求。

基礎軟件包括操作系統（含硬件驅動程序）、通信中間件等軟件。操作系統包括運行于硬件層計算機之上的各種類型的操作系統，包括TCP/IP協議和各類外圍設備驅動程序。中間件是位于操作系統和應用軟件之間的軟件，實現各種類型操作系統和應用程序之間的消息通信和資源共享，如數據分發、CORBA、顯示中間件、消息中間件等。

功能軟件開發、部署在基礎軟件之上，分為通用功能軟件和專用功能軟件。通用功能軟件指多個傳感器、指揮控制、武器等會使用到的軟件功能，如顯示控制框架、時間同步、態勢標繪等；專用功能軟件指傳感器、指揮控制、武器等各功能系統專用的處理軟件，如雷達信息處理，指揮控制系統威脅判斷、輔助決策，武器系統火控解算等功能軟件以及各武器的顯示控制插件模塊。

針對顯示控制功能，設計顯示控制集成框架，基于統一的接口與規范，規定了用戶界面應用程序的整體結構，并規定了不同的顯示控制界面插件載入集成框架的方式。按照作戰系統顯示信息內容和形式、人機交互控制對象等特點，將顯示控制集成框架分為圖形信息顯示、表頁信息顯示、圖標顯示、人機控制等插件模塊，分別對應各分系統原有的顯示和人機交互控制功能。

圖2　功能軟件集成框架Fig.2 integration architecture of function software

針對計算處理功能，采用計算資源虛擬化技術，支撐異構的功能軟件，滿足不同電子武器裝備多樣化的計算處理需求。基于高性能的處理平臺，利用虛擬機監視器軟件完成硬件虛擬化，在一個處理硬件上創建多個虛擬機，可以分別部署Windows，VXworks等不同的操作系統和功能軟件，提高資源利用率，并可支持故障時的功能備份重構。

2.2功能軟件包

基于上述功能軟件集成框架，將作戰系統的各種功能軟件分類，形成功能軟件包，支持作戰系統的集成優化。按照“顯示控制與處理分離”的思想，功能軟件包分為顯示控制功能軟件和處理功能軟件2大類。在顯示控制功能軟件中，分為顯示控制框架、表頁顯示、圖形顯示、狀態顯示、公共信息顯示、人機交互控制顯示、重要信息提示顯示等；處理功能軟件包括信息處理和控制解算處理2大類。在上述功能軟件中，通用功能軟件，如顯示控制框架、時間同步、導航、海圖、態勢標繪等，形成通用功能軟件包，與基礎軟件一起在各基礎硬件設備上統一部署。專用功能軟件，按不同的應用方向分類形成功能軟件包，支持靈活的擴展。例如：雷達目標圖形顯示、目標表頁顯示、工作狀態顯示、系統工作模式和參數設置、雷達信號與數據處理、時間能量資源管理等，形成雷達功能軟件包；武器交戰進程顯示、狀態顯示、人工控制、諸元解算、航路規劃等，形成相應武器的功能軟件包。作戰系統從各雷達、聲吶、指揮控制、導彈、艦炮等系統的功能軟件包中提取相應的軟件模塊，按照功能軟件集成框架，加載到相應的基礎硬件設備。

2.3系統集成管理

基于功能軟件包的作戰系統集成優化，需要系統層面對基礎硬件、其他基礎軟件和應用軟件的統一分配、管理與部署，主要包括狀態監控、計算資源虛擬化、功能軟件部署、安全控制等。作戰系統通過資源管理軟件，實現以上功能。

狀態監控管理為用戶提供對系統中顯示控制設備和計算處理設備進行資源監視的功能，包括各臺設備主機的網絡連接狀況、各設備的資源消耗情況和各設備上功能軟件的運行狀態，同時提供分系統查看和按位置查看等多種分類顯示模式。監控管理中的狀態信息實時顯示，反映系統中設備的當前運行情況。

計算資源虛擬化管理為計算處理設備創建、銷毀虛擬機，對分配的虛擬機提供應用遷移和故障恢復等功能。由于虛擬主機都運行在計算處理設備的物理主機之上，其物理資源負載狀況會直接或間接影響虛擬機的運行，因此在系統的運行過程中需有應用遷移、故障恢復等功能，使系統中的物理主機實現負載均衡。應用遷移功能確保在計算處理設備的物理主機資源緊缺的時候能將其運行的部分虛擬機遷移到其他物理主機上，從而保證這些虛擬機都有足夠的硬件資源來支撐其運行。故障恢復功能為計算處理設備的虛擬機建立一個備份，以在原虛擬機所在的物理主機發生故障后，能在另外一臺物理主機上恢復虛擬機的運行。

功能軟件部署管理首先按功能基礎框架，將不同的功能軟件包分類提取軟件模塊，導入軟件資源庫，并進行版本管理、分類管理、更新管理、配置管理；然后根據集成優化需求，為各功能軟件分配相應的顯示控制、計算處理設備，將相應軟件遠程加載到已分配硬件上部署運行。

安全控制管理可以為系統軟件資源提供訪問控制手段，并完成用戶安全配置管理。用戶在系統中使用顯示控制設備進行人機交互操作時，需要登錄認證，認證的過程在安全管理模塊進行。安全角色認證是指對用戶輸入的用戶名、密碼進行認證，對用戶角色和操作權限進行授權，只有用戶輸入的信息都正確才能啟動。軟件啟動后，會根據該用戶的角色動態加載對應的操作界面；安全管理模塊將自動記錄應用軟件的使用情況，包括時間、使用者姓名、應用軟件名以及認證結果等信息，并提供用戶認證信息、角色權限的管理和配置。

3　集成優化原理驗證

針對前述基于功能軟件包的系統集成優化設計方法，以作戰系統雷達、指揮控制、導彈武器等典型應用為背景，構建原理驗證系統，開展技術可行性原理驗證。

3.1驗證系統構建

原理驗證系統由雷達、指揮控制、導彈武器的顯示控制和計算處理等組成，如圖3所示，形成作戰系統對空方面作戰的任務通道。

圖3　原理驗證系統組成示意圖Fig.3 Composition ofprinciple verification system

驗證系統顯示控制基礎硬件采用商用PC機與液晶顯示器的配置組合，基礎軟件包括操作系統和運行支持軟件，操作系統統一采用Linux，運行支持軟件由顯示控制應用軟件運行所需要的各類庫文件組成；計算處理基礎硬件采用基于X86架構的機架式/刀片式服務器承載信息級計算處理的需求，基礎軟件包括操作系統、驅動程序和中間件，操作系統統一采用Linux，驅動程序實現操作系統與硬件設備之間的正常通信。

驗證系統功能軟件包括通用功能軟件包、雷達功能軟件包、指揮控制功能軟件包、導彈武器功能軟件包。通用功能軟件包含時間同步、數據記錄、海圖顯示、態勢標繪等軟件模塊，默認部署于各顯示控制臺。雷達功能軟件包含雷達掃描、航跡顯示、目標信息表頁、設備狀態、任務資源使用、設備操控等模塊，以及航跡處理等模塊，前者默認部署于雷達1顯示控制臺，后者部署于任務處理服務器。指揮控制功能軟件包括：態勢圖形、目標表頁和批號對照、系統狀態、傳感器管理、目標管理、目標指示、作戰干預等模塊，以及目標融合、威脅判斷等模塊，前者默認部署于指揮控制臺，后者部署于任務處理服務器。導彈武器功能軟件包含：導彈目標運動顯示、打擊目標列表、交戰控制和干預、工作狀態和交戰狀態等模塊，以及導彈諸元解算等模塊，前者默認部署于導彈武器控制臺，后者部屬于任務處理服務器。

3.2驗證系統信息流程

原理驗證系統信息流程設計如圖4所示。

1）態勢驅動設備通過系統協議規定格式向雷達任務處理模塊發送目標模擬航跡等信息。

2）雷達任務處理模塊向雷達顯示控制臺、指揮控制臺發送原始航跡信息。

3）目標融合處理模塊進行目標融合和屬性識別，并向指揮控制臺、威脅判斷處理模塊發送融合目標信息。

圖4　原理驗證系統信息流程Fig.4 Flow chartof information process in principle verification system

4）威脅判斷處理模塊向指揮控制臺發送所有目標威脅判斷結果。

5）威脅判斷處理模塊向導彈武器控制臺、武器解算處理模塊發送高威脅目標信息。武器解算處理模塊可提前進行預解算，生成預計攔截點、剩余反應時間等參數。

6）武器解算處理模塊按設定的周期向指揮控制臺、導彈武器控制臺發送預計攔截點、剩余決策時間等解算結果。指揮控制臺可結合態勢信息，顯示預解算參數信息，支撐指揮員決策；導彈武器控制臺可顯示高威脅目標，提示操作員做好交戰準備。

7）指揮控制臺向導彈武器控制臺、武器解算處理模塊、目標融合處理模塊發送目標指示。

8）目標融合處理模塊向武器解算處理模塊、指揮控制臺、導彈武器控制臺發送已決策打擊的目標信息。

9）武器解算處理模塊進行解算，向指揮控制臺、導彈武器控制臺發送諸元和交戰狀態信息。

3.3驗證項目與實施過程

1）功能軟件集成試驗。

在構建的原理驗證系統運行環境下，利用資源管理設備將通用功能軟件包和雷達、指揮控制、武器系統專用功能軟件包導入軟件資源庫，為各應用軟件分配硬件設備資源，并遠程加載部署，在態勢驅動下，檢查是否正常運行。

2）基于角色的顯示控制界面動態加載試驗。

以基于任務—角色的訪問控制技術為基礎，建立用戶—角色—界面對應關系矩陣。選取情報操作、武器控制2類用戶角色對應的用戶作為驗證對象，測試以不同用戶登錄并進行身份認證授權后，其加載的顯示控制界面是否與用戶—角色—界面矩陣內容相匹配，當用戶退出當前顯示控制界面時，是否能正常清除用戶信息。

3）狀態監控和故障恢復試驗。

在系統運行中，通過資源管理設備監視各功能應用所在計算處理設備的資源使用情況（狀態）和各功能軟件的運行狀態。模擬雷達、指揮控制或武器的功能軟件故障，檢查功能軟件切換時間和武器通道恢復時間，驗證冗余熱備份設計的典型武器通道的抗毀性。

3.4驗證結論

通過本試驗，驗證了基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計的技術可行性。基于開放式體系結構和共用基礎硬件，以功能軟件包的形式導入不同應用，按照功能軟件集成框架，構建作戰系統顯示控制和計算處理功能；可以根據用戶角色和權限定義，自動加載相應的顯示控制界面；能夠監視系統運行狀態，在部分模塊運行故障時，能夠通過功能軟件的遷移實現故障恢復。

4　結語

本文提出了一種基于功能軟件包的作戰系統集成優化設計方法，提出了功能軟件集成框架，描述了作戰系統傳感器、指揮控制、武器等不同系統的顯示控制和計算處理功能軟件包的設計與集成管理方法，并開展了原理驗證試驗。

在作戰系統體系結構優化和通用基礎硬件的支持下，采用基于功能軟件包的集成優化方法，可以：提高不同分系統間顯示控制和計算處理硬件資源的集成共用和信息開放共享程度；支持戰損、故障時的功能快速遷移和重構恢復，提高可靠性與生命力；可按需調整基礎資源分配和功能軟件部署，提高作戰使用靈活性；支持新功能應用的快速植入，提高系統擴展升級能力；有利于裝備批量建造時系統快速集成，降低建造成本和周期。

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［責任編輯：易基圣］

In tegration and optimization of the combat system design based on a package of function software

MAYong long Wuhan Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Wuhan 430064，China

In order to meet the demand of multi-mission operation of surface ships and to reduce the contradiction between the growth of combat system equipment and ship's overall limited resources，a combat system integration and optimization scheme based on a package of function software is presented in this paper.The proposed scheme enhances the level of resource integration and improves the reliability and viability of the system；meanwhile，it also supports operational flexibility during combat.Specifically，this paper presents the integration architecture of the function software，introducing the design of the function software package as well as the system integration management technology.Then，theoretical verification tests are conducted，whose results show that the proposed integration and optimization scheme is both effective and feasible.In brief，it satisfies the functional demand of the combat system and provides a novel solution for the integration of combat systems.

combat system；integration and optimization；package of function software

U674.7+03.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.016

2015-05-13網絡出版時間：2015-7-29 9:23:49

國家部委基金資助項目

馬永龍，男，1974年生，碩士，工程師。研究方向：艦船電子信息系統。E-mail：qhq@mail.ustc.edu.cn