基于組件化指揮信息系統仿真驗證技術

徐文元，李 皓

（中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094）

0 引言

指揮信息系統即指揮自動化系統，美軍稱作C4ISR系統，是網絡化、信息化作戰的“神經中樞”，是“兵力倍增器”[1]，它的裝備質量在很大程度上將直接影響一場戰爭的勝負。指揮信息系統涉及到指揮控制、情報偵察、預警探測、通信導航、電子對抗、綜合保障以及作戰人員等多種軍事資源的分布、異構的復雜軍事信息系統[2]，呈現領域多、結構復雜[3]、功能多樣、信息交互頻繁、實時性要求高等特點。另外，隨著計算機技術的飛速發展和國際環境的復雜化，指揮信息系統研制具有裝備迭代快、試驗類型多且并發性高等特點，給仿真[4]驗證環境的研發帶來前所未有的挑戰，難以滿足“即插即用、高度共享、快速響應、聯合運行”等仿真驗證要求。美軍研發了多套支撐C4ISR系統論證分析、設計、開發、驗證和評估的涵蓋裝備全流程的聯合仿真平臺及系統，包括 3J（JSIMS、JMASS、JWARS）、Flames、EADSim等，具有共享、可復用、互操作以及模型可信度較高等特點。在C4ISR仿真驗證技術方面，國內也開展了一些研究，相關單位也建立了C4ISR系統仿真驗證環境，包括 SIM2000、COSim、DWS等，對有關關鍵技術進行了初步研究，但相對于國外來說，這些工作還不是很系統化、標準化，規范化。在研究和建設仿真驗證環境時，存在多個項目間共享級別低、重復研發嚴重，模型開發不規范，模型可信度不高、環境試驗復雜等問題。

因此，本文從如何快速搭建指揮信息系統驗證環境、縮短研發周期；如何提高試驗驗證的可信度[5]，提升指揮信息系統驗證水平，實現交付裝備向交付戰斗力轉換出發，設計了組件化、跨平臺的指揮信息系統仿真驗證環境系統框架，并研發了一套典型的適用于本單位多專業指揮信息系統仿真驗證環境，該環境在多個項目中得到了成功應用。

1 指揮信息系統仿真驗證環境框架設計

1.1 系統物理結構設計

基于本系統驗證環境，可支持指揮信息系統開展指標論證分析和系統功能仿真驗證。其中，指揮論證分析主要采用人不在回路的運行模式，基于作戰想定，進行多樣本仿真推演和分析評估，對指揮信息系統的指標給出定量分析，其物理架構見圖1；系統功能仿真驗證采用人在回路的運行模式，基于作戰想定和試驗大綱，進行系統功能、接口、性能、業務流程以及余量、容量、強度仿真驗證，對指揮信息系統提出定性和定量分析，其物理架構見圖2。

1.2 系統邏輯結構設計

圖2 人在回路物理結構

指揮信息系統驗證環境邏輯結構要針對以下幾個問題：1）多個試驗項目之間無法共享；2）面對多變需求無法快速響應；3）研發周期長且進度難以控制，難以適應并發度高的情況；4）驗證環境支撐國產操作系統；5）系統驗證可信度無法保證。

在設計指揮信息系統仿真驗證環境的體系架構時，應遵循以下原則：

1）驗證環境要采用組件化的開發方式，以便對各功能模塊進行靈活組裝和部署，從而根據驗證需求快速構建驗證環境，便于功能模塊的重復利用，提高共享度和試驗環境的研發效率；

2）驗證環境要對模型組件化、系列化封裝，提供模型統一管理和維護，提高試驗的可信度；

3）驗證環境要對數據進行統一記錄、存儲，提供數據訪問接口，便于應用分析和評估；

4）驗證環境要可移植性，支撐Windows和國產操作系統（比如中標麒麟）等操作系統，適應各種試驗要求，提升試驗研發效率；

5）驗證環境要根據各種試驗要求，可對環境進行裁剪，以滿足試驗進度要求和質量要求；

6）架構設計既要充分利用已有成果，又要兼顧未來建模與仿真技術的發展需求。

結合指揮信息系統驗證要求，基于組件化架構設計方法，建立了一個面向多專業領域的可裁剪的試驗驗證環境架構[6]，具體如下頁圖3所示。

該體系結構由5個層次構成，自底向上分別是基礎層、資源層、中間件層、應用支撐層和應用層。

圖3 指揮信息系統仿真驗證環境邏輯架構

其中，基礎層主要為上層提供運行環境，包括服務器、計算機以及網絡等；資源層主要用來存儲和管理模型和數據，為上層應用提供資源；中間件層主要用來提供外部系統集成、模型調度管理以及態勢顯示等中間件，為上層提供通信、顯示等通用功能接口；應用支撐層主要基于中間件，形成面向系統論證分析和試驗驗證功能，為應用層可組裝功能集；應用層利用資源層、中間件層、應用支撐層提供的模型和工具，根據系統試驗模板，進行適應性裁剪，形成論證分析系統或試驗驗證系統。圖3左側的標準規范集用于仿真驗證環境建設和使用的標準規范，用來規范組件開發、想定制作等工作。系統架構各層組成以及功能如下：

1）基礎層提供運行環境，包括服務器、計算機以及網絡等；

2）資源層用來存儲和管理模型、數據，包括作戰模型、裝備模型、環境模型、作戰想定數據、裝備數據、作戰數據、評估數據和仿真數據；

3）中間件層包括仿真代理、界面調度框架、仿真引擎、二/三維顯示中間件、DDS商用中間件等組成；

4）應用支撐層由導演臺、環境部署工、數據記錄解析工具、測試評估工具以及系統類、裝備類和平臺類模擬器組成。其中導演臺提供能夠編輯交戰雙方的兵力編成、兵力編組、兵力的設備與武器配備、初始位置及狀態屬性，制定作戰行動計劃，對典型作戰任務的流程進行編輯，顯示海圖，進行態勢標繪和戰場環境設置；環境部署工具提供支持將各類模型或數據快速部署到各個仿真節點，以驗證系統模型的正確性和運行環境的可用性，驗證組件內的模型是否正確運行，包含驗證環境構建、驗證過程控制、輸入激勵數據編輯、系統或模型狀態監視、部署方案和系統資源管理；數據記錄解析工具提供網絡數據記錄、存儲、基于XML數據解析以及數據顯示、編輯；測試評估工具提供基于采集的數據進行命令響應時間、打擊精度等評估分析；系統類模擬器提供指揮和控制功能模擬器；裝備類模擬器提供情報偵察、預警探測、通信導航、電子對抗等裝備模擬器；平臺類模擬器提供空中、水面、水下平臺模擬器；試驗管理系統提供試驗過程規劃、監控和質量管理功能；

5）應用層主要基于試驗目標，采用試驗部署工具進行組裝形成論證分析系統、試驗驗證系統。

2 系統實現的關鍵技術

2.1 基于XML作戰協議通用對接技術

指揮信息系統仿真驗證的一個重要工作就是報文接口對接，但是由于裝備不同、同一裝備研制時間不同，作戰協議的格式也不同，若是通過硬代碼方式對接報文，不同的裝備，接口對接代碼也不一樣，導致代碼重復開發、多個版本維護困難且效率低下。為此，提出了基于XML[7]的作戰協議接口對接方法，屏蔽了代碼與具體報文格式的關系，實現通過配置文件適應協議的變化需求。首先，因為協議前N個字節的格式是固定的，通過對其進行解析，獲取發送和接收方IP地址，用于定位協議的類型以及報文是否分包；然后，對N字節后的數據區進行抽象，包括字段的名稱、類型、大小以及屬性信息，其中類型包括整型、字符串、離散、BCD、控制字等，屬性信息包括有效位、精度、單位等；最后，基于抽象模型，將協議定義為XML文件，通過記錄的二進制文件與抽象模型進行數據解析，以此輔助完成接口對接。其中，作戰報文抽象模型示例如下：

2.2 基于內存數據庫的數據解析與交互技術

應用層通信協議是指由程序開發者定義的在不同端系統上的應用程序進程之間傳送報文的格式。試驗驗證系統中數據是在應用協議的基礎上進行傳遞，基于內存數據庫的數據解析與交互技術可自動解析應用層通信協議，并提供基于內存數據庫的數據交互高速緩存器。該技術包含基于內存數據的格式定義工具，支持用戶動態的修改應用程序進程之間傳送報文的格式；具有報文格式動態解析功能，即可將用戶動態定義的報文格式自動解析成應用程序可識別和傳送的報文格式。提供的基于內存數據庫的數據交互高速緩沖器，是為數據接收和發送設置的共享內存。該緩存器具有如下功能：當應用程序進程通信模塊接收到來自其他系統的信息時，首先將原始信息（字符串）存入消息緩存器，之后通知應用程序的處理模塊從消息緩存器中取出需要進行處理的信息；當應用程序需要發送消息時，首先將格式化數據轉換成字符串并將字符串存入緩存器，之后通知消息發送模塊從緩存器中取出該數據，并發送。基于內存數據庫的數據解析與交互技術為試驗驗證系統數據解析、實時數據存儲提供了一套高效、可靠性的管理機制。

2.3 指揮業務模型動態組合

由于試驗驗證系統中存在大量完成不同業務的獨立的處理模型，而這些業務模型需在不同的試驗驗證系統中發揮作用。原有的業務模型開發技術，難以支持模型的重用和自動組合。指揮業務模型的動態組合技術，將獨立的處理模型開發為獨立的處理模塊，之后經模塊動態調度技術完成獨立模型的重用和模型新組合的重用，降低了試驗驗證系統的開發成本，提高了開發效率。業務模型的動態組合技術在實現模型重用，自動組合的同時，還可在觸發器與模型之間建立動態的關聯關系，為支持該關聯關系的動態建立，業務模型的動態組合技術還為仿真軟件的開發提供業務應用注冊，業務應用調用接口。基于上述技術開發仿真軟件時，模型的重用，自動組合，定時調用的業務應用和外部事件調用的業務應用，均可通過動態配置來實現其功能，這就很大程度增加了模型組合和調用的靈活性，進而提高了軟件的開發效率。

3 指揮信息系統驗證環境應用案例

在系統試驗階段，為驗證支撐指揮信息系統規定的功能、接口、流程、性能指標等內容，具體包括：系統各設備/軟件實現及系統接口的正確性驗證；功能實現正確性驗證；信息流程及運行的正確性驗證；性能指標的滿足程度驗證，基于組件化研發平臺[8]，構建了指揮信息系統驗證應用實例，如圖4所示。

圖4 跨平臺試驗驗證系統構建實例

指揮信息系統驗證環境由導演臺、數據記錄解析工具、測試評估工具、環境部署工具和試驗管理系統等仿真應用支撐環境以及空中、水面、水下平臺模擬器和時統、導航、雷達模擬器[9-10]（以下簡稱裝備類模擬器）、指揮模擬器、無線通信模擬器組成。該系統的網絡部署采用多層網絡結構，實現各個模擬器與被驗證系統之間的通信，其中裝備類模擬器和指揮模擬器通過有線網與被驗證系統進行通信；空中、水面、水下平臺模擬器通過無線模擬網與被驗證系統進行網絡通信；仿真應用支撐環境通過仿真網與模擬器、被驗證系統通信；按照實際要求劃分了多個VLAN。采用多層網絡結構設計，使得各種作戰、仿真數據相隔離，保持了數據的“純凈”，提高了系統驗證的準確性[11]。

在驗證過程中，導演臺通過仿真系統網，向驗證系統和模擬器注入劇情信息，被驗證系統根據需要通過平臺類模擬器向導演臺反饋指揮控制命令[2]，控制實體裝備的運行數據；裝備類模擬器、指揮模擬器通過有線網完成與裝備的指揮信息、情報信息以及作戰狀態交互；平臺類模擬器通過無線模擬網（無線通信模擬器）與驗證系統完成指揮信息、情報信息以及作戰狀態交互；數據記錄解析工具記錄和存儲運行過程中的網絡數據，用于測試評估。

指揮信息系統驗證環境構建步驟包括試驗需求分析和方案設計、驗證環境研發、試驗數據準備、試驗環境檢驗、系統驗證試驗、試驗總結分析等，其過程的合理性和有效性，可參考文獻[12]構建評估模型進行評估，各過程活動主要內容如下：

1）根據試驗計劃，開展需求分析和方案設計，首先，從驗證環境組成、功能、接口、質量、文檔、進度等方面進行需求分析，明確資源復用、功能組成、內外部接口、數據、計算機資源、人機界面等方面的需求，同時開展方案設計，包括驗證環境系統組成、功能分配、接口協議、部署設計、網絡設計、運行流程、軟件架構等，形成方案設計報告，作為環境研發的依據。

2）根據方案設計報告中的復用情況分析表，從模型庫中選擇直接復用或者改造的組件，通過一體化標準模擬器開發與集成平臺構建驗證環境。

3）在試驗開始前，需要準備基礎數據、作戰想定，其中基礎數據支撐被驗證系統和驗證環境運行的基本性數據，包括地圖數據、通信參數等；作戰想定確定了作戰仿真系統所研究軍事問題的范圍，明確了仿真的目標和對象，給出了作戰仿真系統的初始態勢和前提條件，設定了仿真邊界條件和相應約束，描述了參與仿真的各個實體及其基本屬性信息等，為整個試驗運行提供態勢數據。

4）在環境使用前，根據方案設計報告，由質量方組織對環境是否能正常運行、版本、功能性能的滿足性進行確認測試，提供驗證結果的可信度。

5）在試驗環境確認后，根據試驗設計的測試用例，在驗證環境中開展功能、接口、流程、性能指標等驗證試驗。在驗證過程中，根據評估要求，記錄和存儲網絡運行數據，并對相關指標進行評估分析。

6）在試驗結束后，根據試驗過程數據記錄，基于試驗通過評估準則，分析本次試驗是否通過，并總結分析本次試驗過程的問題，提出裝備研制的改進需求以及存在的問題，為今后試驗或者其他項目研制提供經驗。

4 結論

指揮信息系統仿真驗證作為系統交付最后一道關卡，需提高仿真驗證環境的質量和可信度，才能保障指揮信息系統質量，減少裝備實戰風險。本文針對試驗驗證環境共享度低、可信度低，模型開發不規范以及使用效率低等問題，提出了基于組件化指揮信息系統的仿真驗證環境構建方法。另外，本文提出了指揮信息系統驗證應用實例，并描述了指揮系統驗證環境的使用流程，為實踐應用提供參考。但是隨著試驗由內場向外場轉換，系統性能指標驗證要求進一步提升，在本方案的基礎上需要從以下兩個方面進一步研究和提升，一方面，在試驗中產生了大量的試驗數據，包括文本、圖片和視頻數據，如何從這些數據進行挖掘分析，提出定量指標改進建議；另一方面，為滿足系統外場試驗，如何基于內場系統試驗環境擴展到外場系統試驗，進行一體化設計，快速形成內外場系統一體化驗證環境。